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2012

3月

8

1901 年,Porsche 車廠創辦人-Dr.Ferdinand Porsche,以洋溢的機械工程才華設計出全球第一套車用 Hybrid 油電混合動力系統時,當時這只是一個不知何時才能真正實現的夢想。

Dr.Ferdinand Porsche 應該沒有想到,在幾十年後,實現他夢想的,竟然是相隔千里之外、遠在東方的日本車廠 Toyota。

Toyota 集團是 Hybrid 油電混合動力汽車領域的領導者,至今全球銷售出的 450 萬輛 Hybrid 車款中約 350 萬輛掛著 Toyota 與 Lexus 廠徽,佔 77.8%。

1997 年,Toyota 成功推出第 1 代 Prius-全球首款搭載 Hybrid 油電混合動力系統的量產車,開啟了量產化 Hybrid 車款的歷史新頁。而再經過多年的努力,今日 Toyota 集團已成為 Hybrid 油電混合動力汽車領域的領導者,不僅開發出最多 Hybrid 車型,同時也是 Hybrid 市場佔有率最高的車廠。至 2011 年底為止,全球銷售約 450 萬輛 Hybrid 車款,而其中約 350 萬輛是由 Toyota 集團售出。

Toyota 在歐洲地區的形象廣告,以人和地球自然環境的和諧相處為訴求。在具體做法上,Toyota 集團 10 餘年來銷售全球多達 350 萬輛 Hybrid 混合動力車款,所減少的廢氣汙染相當可觀。

在認識 Toyota 建立的 Hybrid 王國之前,我們要先帶您追尋 Hybrid 汽車發展的歷史足跡。

何謂 Hybrid?

Hybrid 一詞源自於希臘文的「hybrida」,代表交錯與混合的意思。

而所謂「Hybrid 汽車」,則是一部車上搭載了兩套動力來源系統及兩套能源儲存系統之車款。

Toyota Hybrid System 的中樞-PCU 動力控制模組。這是協調汽油引擎與電動馬達兩種動力系統和諧運作的關鍵。

以動力來源來說,現行 Hybrid 車款中最被廣泛採用的是引擎與電動馬達的組合,而這樣的 Hybrid 汽車又被稱為「Hybrid electric vehicle 」,簡稱 HEV,中文稱為「油電混合動力車」。Toyota 集團則不用「混合」二字,而以「複合」稱之,詞異但意同。

Hybrid 並不是新鮮事

相信對於很多人來說,一輛汽車上搭載兩種動力系統,感覺起來很新鮮。但是事實上,Hybrid 概念具體運用於交通工具或機械上的歷史非常悠久,而且「混合」的動力類型也很多,不僅是引擎與電動馬達兩種搭配而已。

舉例來說,柴電潛艇就是一個使用 Hybrid 概念的最佳例證。

柴電潛艇搭載了柴油引擎與電動馬達,當在海面航行時,以柴油引擎驅動並為電池組充電;而當潛航在水中需要最高度的隱匿性時,就改以電動馬達驅動,一來柴油引擎運作的噪音會暴露潛艇行蹤,二來柴油引擎運轉會耗費艙內寶貴的氧氣並引發一氧化氮中毒。

柴電潛艇即是使用 Hybrid 概念的例子:海面航行時以柴油引擎驅動並為電池組充電,潛航時則改以電動馬達驅動。

另外,各位搭乘過非電氣化的柴電火車嗎?台灣鐵道上還有很多這樣的柴電火車在運轉中。其運作原理正如其名,機車頭上的柴油引擎其實是扮演發電機的角色,其所產生的電力交由電動馬達來驅動車輪、進而帶動整列列車。

鐵道車輛採用 Hybrid 也有悠久的歷史,例如圖中的台鐵 R50 系列柴電機車頭即屬之:由柴油引擎發電供應電力給電動馬達以帶動車輛。

這兩個都是 Hybrid 概念使用於交通工具的例子,不過,您是否發現,它們的「Hybrid」,其實僅是具備兩種動力系統,但真正擔任驅動工作的,似乎都只有其中一種動力系統?這種作法並不是那些研發 Hybrid 技術的汽車工程師們真正想要的。他們希望車上的不同動力系統可以視行車情況單獨或共同運作,以發揮最大的效益:包括油耗、排污的減少,或者是性能的提升。

構想很好,不過,研發 Hybrid 混合動力車款的挑戰,其實比您我想像的還大。

Hybrid 系統概念雖然簡單,但是實際運用在車輛上,想要讓兩種動力系統能夠完美協調、發揮節能與提升性能等效益,其實比想像中的難很多。圖為 Toyota Hybrid System(THS)各項零組件的示意圖,具體顯示出除了引擎與馬達之外,還需要其它周邊系統來加以整合。

首先,Hybrid 車款必須比傳統汽車額外增加另一套動力系統(如電動馬達)、能源儲存系統(如電池組)與相關設備(如電池控制模組、PCU 動力控制模組),但整體車重卻仍舊要保持在一個合理的範圍內,所以 Hybrid 車款光是車重的控制,就是一個很大的挑戰。再加上行車狀況瞬息萬變,負責協調這些動力輸出的 PCU 動力控制模組必須具備極快的運算速度與智慧化程式,因為它猶如車輛的思考中樞,必須判斷車輛行駛狀況與駕駛者意圖,做出最適切的動力輸出,否則兩種動力不是打架、就是白白的浪費了。這些問題都是 Hybrid 汽車在過去研發時遇到的瓶頸,不過,隨著各種輕量化技術、汽車電子科技的進步,這些問題已找到相對應的解決辦法,而 Hybrid 汽車也因此才能從理論、夢想,轉為朝向量產化、普及化的階段邁進。

Hybrid 儼然成為當前車壇顯學

Hybrid 混合動力車款的研發,是當前車壇的顯學,全球大小車廠無一不競相投入研發、爭食此一新興市場。

其實 Hybrid 汽車僅是車壇因應石油枯竭問題,著手開發下一世代「新能源車輛」趨勢中的一個派別,另有 EV 電動車、氫氣動力車、燃料電池電動車等流派也都有車廠投入開發。而在使用新能源這個理念下的大前提下,Hybrid 這種半油半電的動力組合,被許多大車廠視為僅是過渡期的產物,並沒辦法達到使用新能源替代石油燃料的目的,因此並不太受到重視。

開發出極度節能、甚至不使用石油做為燃料的未來車款,是各大車廠努力的目標。而要達到此目標的路線也很多,但是 Hybrid 油電混合動力車款,是目前最具可行性的方法。

但是 Toyota 集團並不這麼想,它們認為與其期待一步登天,不如很務實的從 Hybrid 車款開始,減少對石油燃料的消耗與依賴程度。Hybrid 車款相較於其它想使用全新能源取代石油的車款來說,結合傳統內燃機動力與電動驅動系統的 Hybrid 車款,是最具體可行、且不用推翻原有能源供應體系,即能對應能源短缺問題 (減少油耗) 與減少環境污染 (降低排汙) 的有效方法之一。

所以 Hybrid 車款就產生了足以吸引消費者的賣點:節能、環保、未來感:
1. 優異的油耗表現 (例如國產 Camry Hybrid 市區油耗 32.28km/l) 讓車主的用車負擔大幅減輕,無論是實質油費支出或是心理上能擺脫油費的沉重壓力,盡情享受駕駛帶來的樂趣皆然。
2. 電動馬達的加入,減少了廢氣的排放量,讓每一個 Hybrid 車主都用實際行動為地球環保盡了一份心力。而在實際用車感受上,Hybrid 也帶來有別於往的樂趣,包括純電動模式行駛時的安靜無聲、電動馬達為瞬間加速時提供的額外動力,或是在電動馬達輔助下大幅提升的乘坐品質 (特別是座艙寧靜度) 等。
3. Hybrid 車款會配備監控 Hybrid 系統運作狀態的資訊介面,例如 Toyota 所稱的「能源監視器」,能顯示車輛動力模式、充電狀態、輸出狀態等,有些還具備讓駕駛者學習節能駕駛技巧的互動式設計,都提供車主一種很具有未來感、新鮮感的駕駛感受。

燃油經濟性、低排污、駕駛樂趣與優異的靜肅性,是 Hybrid 油電混合動力車款的幾項賣點。

1901 年首部 Hybrid 汽車出現

Porsche 車廠創辦人 Dr.Ferdinand Porsche,23 歲時進入維也納的 Jakob Lohner 車廠工作,開始揮灑他在機械工程方面的才華。

Hybrid 混合動力汽車看起來那麼前衛、高科技,但事實上,它可不是最近才出現的玩意兒。如果要追溯它在最早在車壇出現的歷史,至少也超過 110 年以上。而 Hybrid 汽車的發展歷史回顧,要從一個當今家喻戶曉的跑車品牌「Porsche」來談起。

今日大家說到「Porsche」,總是先聯想到它們那款具有「蛙眼」頭燈的 911 系列跑車。是的,那是它們最成功的作品之一。但是很少有人知道,其實 Porsche 車廠創辦人 Dr.Ferdinand Porsche 可說是 Hybrid 汽車發展史的先鋒。1898 年,當時受雇於奧地利 Jakob Lohner 車廠、年僅 23 歲的他,第一個設計作品是「System Lohner-Porsche」,這是一輛利用兩具配置在前輪輪轂上的電動馬達所驅動的純電動車。

1898 年年,Ferdinand Porsche 設計出「System Lohner-Porsche」,並取得專利,其概念是利用兩具配置在前輪輪轂上的電動馬達驅動車輛,是一部前輪驅動的純電動車。
配掛在車上的標誌非常有趣,除了「System Lohner-Porsche」字樣外,還有三條腿。

而在兩年後的 1901 年,Jakob Lohner 車廠發表了 Ferdinand Porsche 更進一步的改良設計「Lohner-Porsche Mixte Hybrid」,這是汽車史上第一輛 Hybrid 油電混合動力車款,由汽油引擎負責發電,供電給裝在輪轂上的電動馬達驅動車輛 (有前驅與四驅兩種配置) ,車重雖重達 1800 公斤,但它的極速仍創下當時奧地利國內的速度紀錄:60km/h。(編按:Porsche Museum 已將一輛 Lohner-Porsche 修復至能正常行駛,並成為鎮館之寶。)此外,文獻指出,從 1901 年發表至 1906 年為止,Lohner-Porsche 約售出 300 輛,以當時的市場規模來看,它可以算是量產化的 Hybrid 車款了。

1901 年,由 Ferdinand Porsche 設計的「Lohner-Porsche Mixte Hybrid」發表,這是汽車史上第一輛 Hybrid 油電混合動力車款。汽油引擎負責發電,供電給裝在輪轂上的電動馬達驅動車輛,極速可達 60km/h。胖胖的輪轂是它的最大特徵。
從 1901 年發表至 1906 年為止,Lohner-Porsche 約售出 300 輛「Lohner-Porsche Mixte Hybrid」,因客製化要求不盡相同,因此造型上也有所差異。當時甚至有買家駕駛此車型參與賽車。

就如今日 Hybrid 車款百花齊放一樣,Ferdinand Porsche 的時代,研究 Hybrid 技術的也不只有他一人之後。也有研究者指出,其實另一位比利時籍的工程師 Henri Pieper,比 Ferdinand Porsche 早了一年,在 1900 年就在德國發表了他設計的 Hybrid 油電混合動力車款,不過,這時間點也有不同的說法,另一說是 1905 年 Henri Pieper 才發表 Hybrid 車款並進行銷售。無論哪個時間點,Henri Pieper 的 Hybrid 車款都該享有更重要的歷史地位,因為其 Hybrid 車款在技術上看起來更接近今日的 Hybrid 車款,平常巡航時由汽油引擎來驅動車輛,而電動馬達則轉為發電機為電池組充電;而在遇到上坡或是需要加速時,這具電動馬達就會也會加入,提供額外動力與引擎一同驅動車輛,達到真正以混合動力驅動車輛,而不是只有單一動力驅動車輛。只不過 Henri Pieper 所創建的 Pieper 車廠結束得早,沒有留下太多的史料可供研究,後人所知有限。

無論「Hybrid 汽車之父」應該是 Ferdinand Porsche 或是 Henri Pieper?這都說明了 Hybrid 汽車的首次出現,至今都已有超過 110 年的悠久歷史了。

位於德國斯圖嘉特原廠廠區的 Porsche Museum,已將一輛 Lohner-Porsche 修復至能正常行駛,並成為鎮館之寶。該車還曾出席過重要的車廠宣傳活動與古董車盛會。

雖然 Hybrid 的概念幾乎與汽車發展歷史一樣長壽,不過,在接下來 100 年間,Hybrid 技術的發展雖然未曾中斷過,但是在主流的汽車市場中,這項技術卻一直有著一些技術門檻無法跨越,例如電池重量問題、協調動力的電子系統運算速度不足,以及最直接的生產成本增加等問題,加上早期人們對於石油枯竭的危機感覺並沒有那麼急迫,使得結構與 Hybrid 相比相對簡單許多的內燃機汽車強勢發展,Hybrid 技術因此難以而冒出頭來。

不過,隨著石油能源的枯竭,以及因嚴重空氣汙染帶來地球氣候的急速改變,車廠又開始打開塵封的檔案櫃,尋求能解決這些問題的新型車款,而這就是讓 Hybrid 技術重新受到重視的新契機。而 Toyota 集團,就是讓 Hybrid 汽車從理論與夢想階段走入現實生活,並且得以大規模普及化的最大功臣。

Toyota 長達 40 年的投入研發

Toyota 集團開發 Hybrid 技術的歷史長達 40 年,早在 1977 年,Toyota 就已經提出它們的 Hybrid 概念提案。該年的東京車展發表了一款以旗下小跑車 Sports 800 為基礎開發的 Hybrid 車型- Sports 800 Gas Turbine Hybrid,用以向世人宣告,Hybrid 技術可能是一個能改善地球暖化危機的可行方法。

Sports 800 Gas Turbine Hybrid 同時搭載了燃氣渦輪機(gas turbine)與電動馬達,可說是 Toyota 投入 Green Car 研發領域的最初代表作。而在 80 年代,除了 Hybrid 技術的開發,Toyota 也同時著手電動汽車 (EV) 的技術開發,這些都為日後 Hybrid 量產化累積了所需的經驗與技術。

Toyota 投入 Hybrid 技術的研發已超過 40 年歷史,早在 1977 年東京車展就發表了一款 Sports 800 Gas Turbine Hybrid,可說是現行 Toyota Hybrid 家族的老祖宗。

不過,Toyota 在 90 年代體認到電動汽車的發展,面臨到的關鍵技術問題並不在汽車廠本身,而是電池技術。因為電池技術方面一直沒有重大突破,電池重量與續航力都牽制了電動車發展的可能性。於是 Toyota 認清現實,改以 Hybrid 油電混合動力車型作為研發重心,因為這是在現有汽車架構下,更動最少、最具體可行卻又能快速看到成效的做法。

Prius 的前身-G21 計畫

近代席捲全球的 Hybrid 風潮的發起點,要從 1992 年 1 月 16 日說起。就在那一天,Toyota 集團發表了「地球憲章」 (Earth Charter) ,宣布他們將致力於發展低污染車輛。

這並不是個口號而已,而是正式起跑的槍聲。

1993 年 9 月,Toyota 的研發部門就擬定了「G21」計畫(G21 Project),「G21」象徵這是針於 21 世紀提出的開發計畫。此計畫領導人為 Toyota 研發部門執行副總裁 Takehisa Yaegashi,日後被車壇暱稱為「Mr.Hybrid」,他決定開發一款能同時具備電動車與汽油引擎車款優點的全新車型。

1994 年,Toyota 研發部門總工程師內山田武(Takeshi Uchiyamada)帶領 G21 計畫團隊著手打造採用 Hybrid 油電混合動力系統的概念車,並在 1995 年東京車展以「Prius Concept」之名發表。

1994 年,Toyota 研發部門總工程師內山田武 (Takeshi Uchiyamada) 帶領 G21 計畫的團隊,開始著手打造採用 Hybrid 油電混合動力系統的原型概念車,並且在 1995 年東京車展以「Prius Concept」之名發表。1996 年起,Prius 的原型車開始進行各項測試,為投入量產化進行最後準備。據說,該團隊測試過超過 100 種的 Hybrid 混合動力組合才找到最佳的搭配。

1997 年,人類該好好記住這個時間,因為這是改變地球命運的關鍵點。

1997 年發表的第一代 Prius,是車壇第一款量產化的 Hybrid 油電混合動力車款,而近代 Hybrid 風潮也由它開啟。

1997 年 12 月 11 日,全球各國代表聚集在日本東京召開「京都會議」,通過「京都議定書」 (Kyoto Protocol) ,與會各國達成一致共識:致力減少溫室氣體的排放以避免地球氣候產生劇烈變化。而後陸續共有全球 183 個國家簽約遵守此協議,可說是人類有史以來最大的共識。

Toyota 集團在歐洲市場的銷售的 Hybrid 車款,於 2012 年 1 月 26 日達到 40 萬輛,而這第 40 萬輛 Hybrid 車型則 Toyota 於 2010 年首款導入歐洲生產的 Hybrid 油電混合動力車 Auris Hybrid ,其生產基地位於英國的 Burnaston 工廠,一同與 Prius 車系開拓歐洲 Hybrid 油電混合動力車市場。(編按,圖說原文誤植為第 3 代 Prius,特此更正)

身為地主國的日本,則在「京都會議」前一天,用實際行動展現它們的決心與解決此一問題的技術力。12 月 10 日,Toyota 於日本正式發表史上第一款量產化的 Hybrid 車款:第一代 Prius。而它也掀起了近代 Hybrid 汽車風潮。接下來各篇,我們將繼續深入介紹 Toyota 集團的 Hybrid 家族代表車系-Prius 的歷史、現在與未來,並且深度剖析當今國內車壇最熱門的話題車款-Camry Hybrid。

Toyota 集團 Hybrid 車款年譜
發表時間 品牌 車名 備註
1997 Toyota Prius 第一代車型
2003 Toyota Prius II 第二代車型
2004 Lexus RX 400h 全球第一款 Hybrid LSUV
2005 Lexus GS 450h 中型後驅 Hybrid 房車
2006 Toyota Camry Hybrid 於美國生產銷售的中型 Hybrid 房車
2007 Lexus LS 600h Lexus 入門級前驅 Hybrid 房車
2009 Toyota Prius III Prius 第三代車型
2009 Lexus HS 250h Lexus 入門級前驅 Hybrid 房車
2009 Lexus RX 450h  
2011 Lexus CT 200h 第一款掀背 Hybrid
2011 Lexus GS 450h II 圓石灘經典車會發表
2012 Toyota Prius C 都會型 Hybrid 迷你車
2012 Toyota Prius V Prius 衍生 RV 車款
2013 Toyota Corolla Hybrid 預計 2013 年推出