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2011
10月
28
Lexus CT 200h 的誕生,展現 Lexus 品牌朝向多元發展的企圖心,它既是 Lexus 首部中型掀背車,也是旗下年最年輕動感的車型,可說身負重責大任,但若要說出最重要的核心價值,那麼相信「環保節能」是它最重要的使命!
在集團資源共享的基礎下,CT 200h 於 2010 年日內瓦車展初問世時,就以搭載純熟精密的 Lexus Hybrid Drive 油電混合動力系統亮相,重新改寫中型掀背車對於經濟與務實的定義,因為其優異的省油表現與低 CO2 排放量,均達成前所未有的記錄!究竟 Lexus 是如何辦到的?當你將 CT 200h 透視解剖,深入了解引擎、變速箱整合電動馬達元件、動力控制模組,以及 Hybrid 電池共四大核心結構的運行原理後,就能了解 CT 200h 如何能在中型掀背車的緊緻架構下,創造出高效且環保的動力性能。
Lexus Hybrid Drive 系統的核心價值,在於必要且允許之時刻,能以純電力作為推動車輛之動力來源,藉以在都市中創造極低的燃費與排碳量,而這套來自串聯式與併聯式的油電混合動力機構,原廠稱之為混聯式 Hybrid;Lexus CT 200h 就是搭載著該集團世代最新、耗能最低、性能最強之混聯式油電混合系統。
從源頭開始改善–Atkinson 循環引擎
Hybrid 油電混合動力車的名稱已愈來愈響亮,多數人或許明瞭它結合了引擎與馬達兩種動力來源,但更深入的運作原理恐怕是一知半解。事實上,Hybrid 系統結構非常複雜,從硬體面來看,它講求每項構成零件必須消耗最少的能量,從系統面來看,則必須精準掌握內燃機與電動馬達的相互搭配,才能創造每一滴油、每一分電的最大價值。
為求每個環節都是最高效率,Toyota/Lexus 集團從車輛動力的源頭–引擎,開始進行改善。傳統內燃機進行進氣、壓縮、爆炸、排氣的四行程階段中,可區分成 Otto 奧圖式循環及較為少見的 Atkinson 艾金森式循環,Atkinson 式循環是藉由延遲關閉進氣閥門,達到增高壓縮比與近似稀薄燃燒之特性,可獲得比 Otto 式循環更理想的省油性,因此,Toyota/Lexus 集團選擇以 Atkinson 引擎作為其 Hybrid 車款之引擎基礎,包括 CT 200h 在內,從源頭就找出降低油耗之對策。
Toyota/Lexus 集團選擇 Atkinson 循環引擎乃是經過縝密的思考,Atkinson 式引擎雖然潛藏著低、高轉速扭力不易發揮的問題,但如果是運用在 Hybrid 車款上,則能藉由電動馬達瞬間釋放大扭力的特性,一次解決 Atkinson 引擎扭力釋出的問題,可說是天衣無縫、相輔相成的搭配。
Lexus CT200h 搭載的 1.8 升 Atkinson 引擎,同樣具備 VVT-i 進排氣連續可變汽門正時控制系統及 ETCS-i 智慧型電子節氣門控制系統,再加上 EGR 廢氣冷卻循環系統,能讓引擎處於最佳的工作溫度,進而減少油耗,在 13:1 的高壓縮比設定下,擁有 99.3 匹/5,200 轉的最大馬力輸出,以及 14.5 公斤米/4,000 轉的最大扭力表現。當然,這是單就 1.8 升 Atkinson 引擎的功率而言,搭配上電動馬達後,輸出勢必更為強勁,而且更加節能環保,至於 CT 200h 其他的核心動力模組為何?請看下一段內容分析。
ECVT 無段變速系統+永磁電動馬達
顧名思義,Hybrid 油電混合動力系統的另一大動力來源,就是電動馬達,然而如何完美地結合引擎與馬達兩者間的輸出功率,可說是相當複雜的一件事。在歷經十餘年的經驗累積後,Lexus CT 200h 所搭載的 Hybrid 系統又達到另一個巔峰境界,是目前全球最精密也最成熟的油電混合系統之一。
CT 200h 的 Hybrid 核心架構建立在 ECVT 電子控制無段變速系統,以及整合在變速箱內的兩組電動馬達,將電動馬達整合於 ECVT 變速箱堪稱是 Toyota/Lexus 集團獨有的 Know-how。這組 Hybrid ECVT 變速箱並非一般常見採用鋼帶與油壓缸的結構,而是以精密且複雜的行星齒輪組來達到減速之目的,它的可靠度與平順度都比採用鋼帶傳動的傳統 CVT 系統來得高,也由於沒有鋼帶造成的滑差問題,因此動能幾乎沒有損失。此外,新一代 Hybrid ECVT 系統也融入輕量概念,無論體積與重量都比早期機體來得小,不僅有利於車室空間之規劃,對於省油性也有不小的幫助。
Hybrid 系統的關鍵元件–兩組 MG(Motor Generator)永磁式電動馬達,則巧妙地整合於 Hybrid ECVT 變速箱內,為了便於區分,它們分別有著 MG1 與 MG2 的稱號。其中,MG1 的主要功能為發電機,以及作為啟動引擎之電力,採水冷式冷卻系統,隨時保持系統正常運作之溫度;另一組 MG2 馬達便是作為驅動前輪的第二動力來源,至於何時使用引擎動力、何時使用電力,又或者兩者同時運作,則端視 PCU 動力控制模組而定,此點將於稍後分析。MG2 具有獨立驅動車輛之能力,最大輸出功率達 80 匹 (60kW) 與 21.1 公斤米,此外它與 MG1 馬達有著共通的功能,就是當減速煞車時,都能化身為發電機將熱能轉回儲存為電能,達到能量回收之效。
那麼 CT 200h 的 Hybrid 系統總和最大輸出功率為多少?由於內燃機與電動馬達運轉特性之差異,最大馬力並非將兩者獨立之數據相加,原廠公佈系統最大輸出為 100kW,換算後相當於 134 匹,如此性能或許與一般 1.8 升四缸引擎差異不大,但實際上在性能、節能方面將達到一般 1.8 升房車難以達到的境界。
智慧儲能高手–HV 鎳氫電池
電動馬達既是 Hybrid 系統的核心元件,因此提供電動馬達動力來源的電池模組,亦是 Hybrid 系統的靈魂人物。為求空間最有效之運用,同時達到車身配重均衡之目的,Lexus 將 HV 電池模組 (Hybrid Vehicle Battery) 放置於 CT 200h 的後輪軸正上方,這樣的安排既不會犧牲掉後座乘坐空間,也保有寬敞的行李廂容積,讓車主享受 CT 200h 所帶來的節能科技時,仍維持良好的日常實用性。
CT 200h 搭載的 HV 電池為全新開發設計,採輕量化高效能 Ni-MH 鎳氫電池系統,無論體積或重量都較前一代設計更加理想。此具 HV 電池模組是由 28 個小模組組成,每個小模組是由 6 個鎳氫電池所組成,總電池數量為 168 個 (28 模組×6 cells) ,藉由緊緻且多量的鎳氫電池讓儲電量大為增加,最大輸出電壓達 201.6V。此具 HV 電池的功能,除了在車輛啟動、低速行進,或是以 EV 模式行駛時,以純電力方式驅動 MG2 馬達,另方面則能儲存引擎動能,以及回收煞車時所產生的熱能,換言之,車輛行駛間即會自行不斷充電,隨時保持在高續電量狀態,讓 Hybrid 系統的效益能夠放至最大,達到能源使用最佳化,更進一步減少有害氣體之排放。
由此可知,「電能」在 CT 200h 身上佔有極重要之因素,甚至冷氣壓縮機也採用馬達驅動,不僅不會消耗引擎動力,也可以在像是停等紅綠燈、引擎處於熄火狀態時,仍然保持空調系統之正常運作,維持舒適的車廂溫度。
PCU 動力控制模組主宰一切
我們已將 CT 200h 所搭載的 Hybrid 系統主要元件︰Atkinson 引擎、整合兩組永磁電動馬達的 Hybrid ECVT 變速箱,以及 HV 電池模組進行深入了解,但這些系統該如何相互運作,達到最節能的運轉效率?則是需要一套智能管理系統加以整合,而這套系統就是接下來要介紹的 PCU (Power Control Unit) 動力控制模組。
PCU 安全地置於 CT 200h 的引擎室前方,內藏具精密計算能力之電腦,可偵測當下行駛狀況與駕駛者意圖,即時調配引擎與馬達的運作時機與輸出功率,達到最佳動力輸出模式。PCU 動力控制模組就像是電腦的中央處理器,可進行人類達不到的複雜運算,從車輛啟動進入 Ready 狀態,到下車熄火的整段過程中,它都掌管動力輸出模式之大權,因為車輛行駛於道路上,必定會遇到低速行駛、停等紅綠燈、全油門衝刺、煞車,以及爬坡、下坡等路況,CT 200h 是一部講求智能、效率的環保車,動力運作模式乃是隨時在改變,以獲得最佳油耗與加速反應,而這些複雜的運算工作,就全權交由 PCU 處理;以下,我們針對各種道路狀況加以描述,讓你對 CT 200h 的動力運行模式有更深入的了解。
當車主按下 Push Start 引擎觸控啟動鈕後,儀錶板會顯示 Ready 燈號,表示已處於待命狀態,只要將排檔桿切入 D 檔,隨時可以出發前進;不過,此時引擎仍處於休眠狀態,而是由 MG2 馬達作為主要動力來源,輕踩油門,在約莫 40 km/h 以下的低速行駛時,可視 HV 電池儲電量狀態而以純電力驅動 CT 200h 前進,達到零油耗、零排放的完全節能。試想,當你陷入尖峰車陣中,當周圍的汽/柴油車持續浪費著燃油並排放致癌物時,你駕駛的 CT 200h 卻可靜悄悄、毫無震動地完全靠電力行進,不僅對我們身處的環境是種貢獻,更是一種至高無上的寧靜享受。
離開塞車路段,回到一般狀態行駛,此時 PCU 動力控制模組便會隨時調整引擎與馬達的輸出狀態,利用最有效率之交互運用,盡量減少引擎的油耗,此時引擎還扮演著輔助電動馬達產生能量的角色,回充電力至 HV 電池,以保有充足的電池蓄電量。而當需要超車或全力加速時,PCU 將下令引擎與電動馬達以全功率輸出,提供前輪最強勁之加速力道,在電動馬達的輔助下,你將能體驗到低、中、高轉速域強勁之扭力輸出,帶來比一般 1.8 升汽油引擎更充沛的性能表現。
至於在鬆開油門或減速煞車時,兩具電動馬達會立即轉換為發電機的角色,將引擎煞車產生的能量,或是制動系統產生的熱能,透過轉換器變為可有效利用之電能,儲存回 HV 電池中,以作為下次加速時所需電力之使用。由此可見,CT 200h 搭載的這套 Lexus Hybrid Drive 系統,能以自生電力之方式自給自足,妥善重複運用每一分能量,達到 Recycle 之完美境界。
無人能及的省油境界
綜觀 CT 200h 搭載的混聯式 Hybrid 系統,處處均以環保、節能作為設計出發點,力求最有效地運用每一滴資源,並將能量進行充分地回收運用,不造成一絲浪費,這才是極致環保車應有的思惟!當然,最令人關心的莫過於 CT 200h 的實際省油效果究竟如何?
根據能源局委託車輛測試中心所作的油耗測試,並依照歐盟 1999/100/EC 指令及其後續修正指令之測試方法,CT 200h 在市區油耗創下 31.78km/L 的優異成績,高速則為 19.55km/L,平均達 22.7km/L,徹底展現 Lexus Hybrid Drive 傑出的節能表現,堪稱業界最環保的中型掀背房車。CT 200h 能夠在市區模擬路況創下 31.78km/L 的油耗表現,證明電動馬達在低速行駛或走走停停的路況中,確實達到減少引擎負擔的功效,對於多數處在大城市的人而言,CT 200h 顯然是最聰明的選擇。
值得一提的是,除了超低的油耗與燃費外,CT 200h 也達到極優異的排碳效果,其每行駛 1 公里僅排放 94 克的二氧化碳,與 2.0 升引擎的同級距車款相比,在累積行駛 5 年 10 萬公里後,可減少 5.9 公噸的碳排放量,相當於為地球種植 236 棵樹木,還給大自然一個更純淨美好的環境。