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2012

3月

8

HEV(Hybrid Electric Vehicle)-Hybrid 油電混合車與 EV(Electric Vehicle)電動車屬於現行 Green Car 發展的兩大潮流。如果您深入研究就會發現,依照設計理念與結構上的差異,其實 HEV 與 EV 各自還能細分出不同的種類。本篇就要為您整理車用 Hybrid 油電混合動力系統與 EV 電動車系統目前的種類與未來發展趨勢,以及介紹目前 Toyota Green Car 家族採用之系統。

油電混合車與電動車屬於現行 Green Car 發展的兩大潮流,Toyota 集團在打下 Hybrid 市場的穩固基礎後,也開始加強電動車款的研發。

HEV-Hybrid 油電混合車的基本架構就是引擎+電動馬達兩種動力系統,再加上控制模組、電池組等。而單就動力系統的搭配方式,還可分成 (1) 串聯式、 (2) 並聯式、 (3) 串並聯式三種型式。

Hybrid 油電動力系統分類方式一:串聯式

串聯式 Hybrid(Series hybrid) –主要以電動馬達驅動車輛,引擎僅作為發電、充電用。

串聯式 Hybrid 設計,主要是以電動馬達驅動車輛,而引擎的工率通常比馬達還小,因此僅用於帶動發電機發電,一邊供應馬達運轉所需電力,一邊為電池組充電。這樣的設計,其實較接近 EV 電動車的基礎,只是比 EV 電動車多了隨車的發電機組 (引擎) 。

串聯式 Hybrid 車款,由於僅以馬達驅動,因此其馬達規格功率較高、較大型。此設計的好處是,控制驅動力的方式比較簡單,如同電動車一般只要控制電流大小即可,也不需要如傳統引擎車款需配備變速箱。另一個優點則是引擎僅負責穩定運轉發電,因此較容易控制其排污程度,而引擎配置位置也較彈性。

串聯式 Hybrid 以電動馬達驅動車輛,引擎僅負責帶動發電機發電,供應電動馬達所需電力,並為電池組充電。

至於串聯式 Hybrid 設計的缺點,則是引擎僅用於發電、充電,能運利用效率較低,對車輛性能沒有任何幫助。串聯式 Hybrid 設計目前多用於大型車輛,如 Hybrid 公車。

Hybrid 油電動力系統分類方式一:並聯式

並聯式 Hybrid(Parallel hybrid)–引擎與電動馬達直接連接,引擎為主驅動力,馬達為輔。

並聯式 Hybrid 設計特點在於引擎與馬達直接連結,動力輸出在同一個軸。例如 Honda Insight 與 M.Benz S400 Hybrid 車型皆採此設計。

這樣的設計中,引擎為主要驅動車輛的動力系統,電動馬達則屬於輔助性質。例如 M.Benz S400 Hybrid 車型在引擎與變速箱中間,增加一具碟型馬達(薄型馬達),在需要時,控制系統才會啟動馬達提供額外動力,或是利用此馬達進行剎車動能回收電力,為電池組充電。

由於馬達僅屬輔助地位,因此多為小功率、小型化馬達,馬達兼具發電機。

並聯式 Hybrid 設計是以傳統引擎的動力系統為主,優點是僅在引擎與變速箱中間加上碟型馬達,機械結構更動不大,也較容易實現。電動馬達的加入,可提升一些舒適性(例如寧靜度),但是缺點則是,馬達並未能提供更多的動力輔助,對提升性能的助益有限,屬於 Mild Hybrid 輕度 Hybrid 的設計。文後會再深入介紹 Hybrid 的程度之分。
並聯式 Hybrid 以傳統引擎作為帶動車輛的主要動力來源,電動馬達則屬於輔助性質,這種 Hybrid 型式僅屬於輕度 Hybrid,對於車輛性能的提升並無多大助益。

並聯式 Hybrid 設計是以傳統引擎的動力系統為主,優點是僅在引擎與變速箱中間加上碟型馬達,機械結構更動不大,也較容易實現。電動馬達的加入,可提升一些舒適性(例如寧靜度),但是缺點則是,馬達並未能提供更多的動力輔助,對提升性能的助益有限,屬於 Mild Hybrid 輕度 Hybrid 的設計。文後會再深入介紹 Hybrid 的程度之分。

並聯式 Hybrid 設計是以傳統引擎的動力系統為主,優點是僅在引擎與變速箱中間加上碟型馬達,機械結構更動不大,也較容易實現。電動馬達的加入,可提升一些舒適性(例如寧靜度),但是缺點則是,馬達並未能提供更多的動力輔助,對提升性能的助益有限,屬於 Mild Hybrid 輕度 Hybrid 的設計。文後會再深入介紹 Hybrid 的程度之分。
使用並聯式 Hybrid 設計的 Hybrid 車款包括 Honda Insight、M.Benz S400h。

Hybrid 油電動力系統分類方式一:串並聯

串並聯式 Hybrid(Series Parallel hybrid)–Toyota 集團旗下 Hybrid 車款皆採此一設計。

由於 Toyota 集團 Hybrid 車型皆為串並聯式 Hybrid 設計,加上它們的 Hybrid 車型最多、全球銷量最大,因此我們如將串並聯式 Hybrid 設計視為市場主流,一點也不為過。

以全球銷售量最大的 Hybrid 車款─Toyota Prius 為例,它所採用的那套 THS (Toyota Hybrid System) 系統,利用行星齒輪機構,連接引擎、一號馬達兼發電機 (MG1) 、二號馬達兼發電機 (MG2) 三個動力系統,並依據精密的 PCU 控制系統來協調這三個動力來源,更有效率地驅動車輛。

串並聯式 Hybrid 設計為 Toyota 集團 Hybrid 車款廣泛使用,可說是市場最主流、影響力也最大的 Hybrid 技術。此 Hybrid 設計較為複雜,但能在節能與性能提升上有明顯的助益。

由於組成此 Hybrid 系統的動力源多達三個,而且馬達還要視情況在驅動車輛的馬達或是為電池組充電的發電機這二個角色中頻繁切換,因此可想而知,最大的挑戰在於其 PCU 控制系統能否勝任,否則將是個災難。

在 Prius 車型上,三個動力源都不是只有單一功能。

●引擎:驅動車輛,同時也帶動 MG1。

●一號馬達兼發電機 (MG1) :引擎啟動馬達、為電池組充電、提供額外驅動力。

●二號馬達兼發電機 (MG2) :提供純電動行駛模式驅動力、加速輔助動力、作為剎車動能回收的發電機,可讓能量再生。

HS(Toyota Hybrid System)運轉模式
1.起步或低負載行駛時;
2.一般行駛狀態;
3.全油門加速;
4.減速或剎車;

串並聯式 Hybrid 設計同時具備串聯式和並聯式兩者的優點,可兼顧節能表現與性能表現。但是由於系統較為複雜,因此技術門檻也高。

這三張圖片除了清楚標示 THS 系統串並聯 Hybrid 型式,以一具引擎搭配兩具馬達的配置之外,還能看出引擎與前後馬達的動力輸出狀態,視行車狀況而隨時改變,非常複雜又精妙。

雖然 Toyota 集團旗下 Hybrid 車型都採用串並聯式 Hybrid 系統,但是工程師要將 Hybrid 技術運用在不同車款時,仍會依車款特性進行個別開發,以求達到最佳效果,因此結構與複雜度仍有差異。

Hybrid 油電動力系統分類方式二:重度 Hybrid

前文所述的並聯式、串聯式與串並聯式 Hybrid,其實常常讓人感到迷惑難懂。事實上,還有另一種依照 Hybrid 程度來區分混合動力系統的分類方法,我們這就為您介紹。

您應該聽過人們說「中度 Hybrid」、「重度 Hybrid」?這又是如何區分「輕」、「中」、「重」程度的呢?很簡單,關鍵就在於電動馬達扮演角色的輕重。

重度 Hybrid(Full Hybrid) 代表車型:Lexus LS600hL

Toyota 集團如今位居全球 HEV 油電混合動力車款領域的龍頭,除了它起步得早,早在 1997 年就勇於推出量產化 Hybrid 車款-Prius 進入市場,因此累積了許多寶貴經驗,集團的 Hybrid 技術也在不斷地改進下,發展出極高的成熟性。

Toyota 集團旗艦豪華房車 Lexus LS600hL 屬於重度 Hybrid 設計(串並聯 Hybrid),以 5.0 升 V8 引擎搭配高功率電動馬達,可發揮總和約 430 匹的最大馬力,性能媲美 V12 引擎車型

Prius 的成功,僅是 Toyota 集團的第一步,它們在接下來的十年間,陸續將 Hybrid 技術運用在不同車款上,並依車款特性進行個別開發,以求達到最佳效果。

LS600h 首度運用變速箱整合雙馬達的作法,將 MG1、MG2 兩具馬達配置在變速箱內,並利用雙減速比行星齒輪組,將引擎輸出與另一端的 MG2 馬達連結產生無段變速效果,而 LS600h 也從 LS460 的後輪驅動改成全輪驅動。

例如集團旗艦豪華房車 Lexus LS600hL,它必須具備優異平順的乘坐品質,與充沛的動力輸出,因此它的 Hybrid 系統雖然也是一具引擎搭配 MG1 與 MG2 兩具電動馬達(兼發電機)的組合,但設計也不同於 Prius。LS600h 首度運用變速箱整合雙馬達的概念。MG1 主要功能為隨時啟動 5.0 升 V8 引擎,因為該車型配備引擎自動啟閉系統,它必須能頻繁且平順地啟動這具引擎,而在此任務之外,MG1 則擔任發電機的角色。

MG2 是高功率的大型馬達,是驅動車輛的主要動力源之一,最大輸出高達 224 匹與 31 公斤米的 MG2 與 5.0 升 V8 引擎結合,可發揮總和約 430 匹的最大馬力,用「如虎添翼」一詞來形容最為恰當,兩者合作帶動 LS600hL 逼近 2.5 噸的車身,可說輕鬆愉快,性能媲美 V12 引擎車型。在搭配 ECVT 八速手自排變速箱,靜止加速至時速 100 公里則有 6.4 秒的優異成績。MG2 同時作為煞車電能回收系統的發電機,還能回收剎車時的熱能轉換為電能,為鎳氫電池組充電。此外,為維持電動馬達的最佳工作效率,MG1 與 MG2 二具馬達都採獨立水冷設計。

高效率鎳氫電池,額定電壓為 288V。

LS600hl 是「重度 Hybrid」(Full Hybrid)設計的最佳例證,其電動馬達功率大,可獨立驅動車輛,同時也對性能的提升有顯著貢獻。而其還具備純電動行駛模式,而這也是重度 Hybrid 車款有別於中度 Hybrid 車款的差異處之一。

Hybrid 油電動力系統分類方式二:中度 Hybrid

代表車型-Honda Insight 與 Mercedes-Benz S400L Hybrid

在第一代 Prius 於 1997 年發表後二年,Honda 也發表了該品牌第一款 Hybrid 車型-Insight。兩者產品定位相同,但是設計理念與技術卻是告自不同的方向。

Mercedes-Benz S400 Hybrid 是屬於輕度 Hybrid 車款,配置於引擎曲軸箱與變速箱中央的碟型電動馬達,僅能提供額外的 20hp 作為輔助。
S400 Hybrid 的碟型電動馬達直徑 325mm,厚度 32mm,配置於引擎曲軸箱與變速箱中央。

Insight 採用的是並聯式 Hybrid 設計,原廠稱其為 IMA 動力系統 (Integrated Motor Assist) 。以現行的第 2 代 Insight 來說,以輸出動力 95 匹的 1.3 升四缸汽油引擎搭配可輸出 14 匹的電動馬達,總合動力輸出也僅有 102 匹。相較於採用 98 匹最大馬力的 1.8 升引擎搭配的 82 匹輸出電動馬達,總合動力輸出可達 136 匹的第 3 代 Prius,兩者在動力性能上的差距,顯然就看出 Prius 採用屬於串並聯式 Hybrid (也是重度 Hybrid) 所帶來的領先優勢。

S400 Hybrid 因以引擎為主要動力來源,因此電池組不需要太大,且採用體積如同一般電瓶的鋰電池即可供電動馬達使用。

Mercedes-Benz S400L Hybrid 是另一個採用輕度 Hybrid 的代表車款,它的並聯式 Hybrid 設計,藉由一具配置於引擎曲軸箱與變速箱中央的碟型電動馬達(直徑 325mm,厚度 32mm,重量 20 公斤),提供引擎動力之外,額外的 20 匹與 16.3 公斤米的輸出功率的輔助動能。它的電動馬達功率太小,因此並無純電動行駛功能,利用電動馬達來達到節能目的,或是提升一些舒適性,才是它真正的設計目標。

Hybrid 油電動力系統分類方式二:輕度 Hybrid

代表車型-Smart Fortwo mhd

在 Micro Hybrid-輕度 Hybrid 車款中,電動馬達僅扮演小小節能者的角色,好像家裡頭那個會幫忙關掉沒使用的燈光的小朋友一樣。以代表車款 Smart Fortwo mhd 為例,它配備的引擎自動啟閉系統 (Start-stop system) ,會在停等紅綠燈時將引擎熄火,而當駕駛者的剎車鬆開時,又會自動啟動引擎。由於電動馬達對車輛的節能或性能貢獻皆有限,因此僅屬於輕度 Hybrid。

Smart Fortwo mhd 配備引擎自動啟閉系統(Start-stop system),僅能算是具有節能設計的輕度 Hybrid。

EV 電動車分類:純電動車

電動車顧名思義就是以電池為能源,由電動馬達驅動的車輛,英文為 Electric car,或 Electric vehicle,簡稱 EV。不過,「電動車」或「EV」都只是個通稱、泛稱,實際上,以電動馬達驅動的所謂電動車,還有下列幾大分類:

純電動車車上僅搭載電池,作為驅動車輛唯一的能源,這樣的車款又被稱為 Battery only Electric Vehicle,簡稱 BEV,中文為純電動車。(其電池組仍須以電纜連接外部電源進行充電。)

RAV4 EV 是純電動車的代表車型之一,它也是第一款電動 SUV,預計今年第四季引進國內,並以租賃車方式供消費者體驗純電動車寂靜、平順、零污染的駕駛體驗。

EV 電動車分類:插電式電動車

插電式電動車 Plug-in Hybrid Electric Vehicle,簡稱 PHEV,它應該屬於 HEV 油電混合動力車的一類,同樣都具備引擎與電動馬達兩種動力系統,只是它又比 HEV 油電混合動力車多了一組可外接的充電插頭,可利用專屬充電器、充電站甚至是家用插座,來為車上搭載的電池組充電。在都會區通勤這樣的短程使用時,可完全以純電動模式行駛。而中長途則以引擎作為主要動力來源,電動馬達為輔,如同 HEV 油電混合動力車的運作模式。它的電池組容量比純電動車小,但比 HEV 還大。關於 Prius Plug-in 車型,下一篇「Prius 家族」另有詳細介紹。

Prius Plug-in 是 PHEV 插電式電動車的代表車型,事實上它與 HEV 油電混合動力車款同樣配備電動馬達與引擎兩種動力系統,但是它主要是以電動行駛為主力訴求,因此電池組比 HEV 大,純電動行駛的續航力也比 HEV 大。

EV 電動車分類:增程引擎 EV 電動車

增程引擎 EV 可以 Audi A1 e-tron 為代表車型,雖完全由電動馬達驅動車輛,但車上又配備一具小排氣量轉子引擎,專為電池組充電,由於多了這個可以「增」加行駛里「程」的設計,故稱為增程引擎電動車。

Audi A1 e-tron 雖為電動車,但另有一具小排氣輛轉子引擎作為充電之用,可延長行駛里程。

EV 電動車分類:氫燃料電池電動車

氫燃料電池電動車使用ˋ作為動力來源的電動車,又稱為燃料電池車 (Fuel cell electric vehicle, 簡稱 FCEV) 。氫燃料電池是以氫或含氫物質及空氣中的氧產生電力,再以電力推動電動馬達驅動車輛。燃料電池的普及門檻在於氫氣的儲存、補充,而製造生產氫氣同樣需要消耗能源並產生碳排放。

圖為以 RAV4 為基礎搭載燃料電池動力系統的實驗車。

太陽能電動車利用日照太陽能板產生電力,供電動馬達驅動車輛。看似全天然的方式取得能源,卻完全受制於天候狀況。

終極 Green Car-純電動車

純電動車具有零油耗、零污染、低噪音等優點,被視為後石油時代的交通工具。不過,電池技術包括體積縮小化、容量極大化、快速充電技術等還待更關鍵性的突破,否則總會在重量體積過大、續航力與能源補充速度這些關卡上卡關,難以真正普及化。