油電互補，超完美動力車

油電互補，超完美動力車

近年來引起廣泛討論的油電混合車是目前開發最成功的環保節能車，並且已經大量生產。如何結合內燃機與電動馬達兩種截然不同的動力系統，秘密就在行星齒輪！

文／楊嘉慧

節能減碳意識高漲，加上油價不斷攀升，使得開車的負擔變得越來越沉重，若要持續享受行車便利，又要保護環境，選擇低污染、低耗能、高效率的汽車，便成了開車族的選擇之一。近年來，引起廣泛討論的油電混合車，是一種透過「互補機制」將能源有效整合運用的環保車，它既省能又可有效降低內燃機的排污量，是目前各種環保節能車（如氫燃料電池車或純電動車）中開發最成功的，並且已經大量生產。內燃機與電動馬達是兩種截然不同的動力系統，二者的互補特性是什麼？要如何使它們合作運轉呢？ 結合油電兩種動力系統的優點 　國立台北科技大學車輛工程系教授黃國修表示，對於車輛，好的潔淨能源必須是可循環使用、安全性高、效率高、成本低、可精確計算殘餘量，同時可在短時間內補充能源，並在短時間內釋放能量產生動力。純電動車之所以無法普及，最重要的原因是電池充電的速度過慢、續航力低且成本稍高，而且電池內的殘餘電量很難像汽油，可做到非常精確的計算，因此純電動車尚有許多技術待克服。 　氫燃料電池車排出的廢物雖然只有水，但是氫氣容易爆炸，要如何安全地儲存、輸送是高難度的技術；若改以液態形式，又必須讓氫處在高壓、低溫的環境，因此氫燃料電池車尚無法普及。 　油電混合車不單純使用某一種能源，而是結合內燃機與電動馬達兩種不同動力系統。它成功的關鍵在於兩種動力源的優缺點可以互補，達到低污染、低耗能、低噪音、續航力長、性能佳的理想效益。 　舉例而言，內燃機在汽車低速時性能差、排放廢氣多，高速時性能好；而電動馬達則是低速時性能好、高速時性能差，因此油電混合車的設計為低速行駛時只由電動馬達出力，高速行駛再啟動內燃機。和泰汽車公共關係部經理楊湘泉表示，以上述概念可得出油電車的五個最佳行駛模式（見下方圖表）。 影像來源：和泰汽車公司 齒輪組相互運轉，分配動力 圖一　為油電混合車系統架構簡圖，行星齒輪組將內燃機與電動馬達產生的動力傳至車輪或發電機。（影像來源：和泰汽車公司） 　黃國修說，車輛可以聰明地自動切換兩種動力，主要是軟體與硬體共同合作完成。軟體是由電腦程式控制，它會分析車子與駕駛的情況，如車速、路況、駕駛踩踏油門及煞車的力道或電池殘電量等，判斷該由內燃機或馬達工作，或兩者同時輸出動力。 　硬體是由行星齒輪組構成的動力分配系統來分配動力（見圖一），可將內燃機的部份動力與電動馬達的動力整合輸出到車輪，並將另一部份的內燃機動力分配給發電機，對電池進行充電；當內燃機不工作時，電動馬達的動力也可以單獨輸出到車輪。以TOYOTA的「行星齒輪」為例（見圖二），最裡層是「太陽輪」，圍繞在太陽輪外面的是「行星輪」，行星輪又和「行星架」連接，所以行星輪會有自轉與公轉的運動，最外圈齒輪是「環齒輪」。TOYOTA的動力分配系統連接方式是將發電機連接到太陽輪，內燃機連接到行星架，電動馬達與車輪連接。 圖二　上圖為行星齒輪組的剖面圖，下圖為行星齒輪各組齒輪與汽車組件相連接的方式，最內圈的太陽輪與發電機相連；中間的行星架分別與內燃機和行星輪相連；最外圈的環齒輪與電動馬達及車輪相連。三組齒輪可相互影響，因此能讓內燃機與電動馬達個別傳送動能到車輪或發電機。（電腦繪圖／姚裕評） 　黃國修與台北科技大學車輛工程所研究生楊金晟表示，車子起步時，電動馬達傳送動力到環齒輪，環齒輪再透過鏈條將動力傳送到車輪；一般行駛時，內燃機與電動馬達同時運作，內燃機的一部份動力經由行星架、行星輪傳遞到環齒輪，一部份動力則經由行星架、行星輪傳遞到與太陽輪連接的發電機；加速行駛時，電池提供額外電力給連接在環齒輪的電動馬達，使電動馬達提供較大的輸出功率；煞車時，車輪轉動的動能會被回充至與環齒輪相連接的電動馬達，使電動馬達變成發電機，產生電力回充至電瓶。當電池殘電量偏低時，內燃機產生的動能除了透過與行星架連接的行星輪傳到環齒輪，讓車輪轉動外，行星輪也會牽引太陽輪轉動，發電機從太陽輪接受動能，轉換成電能儲存於電池。簡而言之，行星齒輪是透過齒輪組相互運轉，將電動馬達與內燃機產生的動力適當地傳到車輪或發電機。 　楊湘泉表示，一般汽油車行駛10萬公里共需耗費約1萬公升的油，但TOTOTA的油電混合車只需要5000公升的油，平均可節省50%油耗；再以廢氣排放來看，油電混合車行駛10萬公里所排放的CO2也比一般汽油車少了7.5公噸，總廢氣排放量則減少80%。由此可知，油電混合車確實有助於減少溫室氣體的排放及石油使用量。黃國修表示，車輛屬於移動污染源，它所排放的廢氣不能被集中處理，因此更潔淨的低碳能源車輛必然是未來的趨勢。在台灣，工研院、中科院、台北科技大學車輛工程學系等單位，正分別提供不同技術與業界合作，如裕隆集團、東元電機等，冀望開發出更具效能、更少污染的油電混合車。由此可預期，在越來越多人開始重視地球環境，單純只用汽油引擎的車輛將逐漸淡出我們的生活。 LPG 油氣雙燃料車 　近年來，政府積極推廣油氣雙燃料車（即俗稱的瓦斯車），透過補助、增設加氣站等方法，希望車主將現有的汽油車改裝成可以使用低污染的液化石油氣（liquid propane gas, LPG）。LPG車的優點除了燃料價格比汽油低之外，污染也相對較低，根據環保署委託專業單位測試後發現，由汽油車改裝而成的LPG車在一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）分別有71%、89%的減量效益，在揮發性有機物VOC、臭氧O3以及主要的溫室氣體CO2 等，也各有54%、97%及14%的減量效益。 　LPG車屬於複合動力車，同時使用汽油與液化石油氣兩種能源。國立台北科技大學車輛工程系教授黃國修表示，LPG車與油電混合車不同，並非利用電動馬達和汽油引擎交互驅動，它的動力完全來自汽油或LPG提供燃料至同一個引擎，但二者不會同時進入汽缸燃燒。 　油、氣選擇是透過切換裝置的改變，目前LPG車已經進步到汽油與LPG兩種燃料可以做自動切換的技術，由於LPG在高溫時燃燒效能較佳，因此車子啟動時，先使用汽油系統；當引擎溫度達到設定值時，才切換至LPG 燃料；當燃料耗盡，再自動切回汽油燃料。若切換至汽油，則將油箱的汽油送進噴射器，噴出霧化汽油與空氣混合至汽缸，燃燒爆炸產生動力；若切換至LPG，須先由氣化器將裝在高壓儲氣瓶的LPG液體減壓變成氣體，再進入混合器與空氣相混後噴入汽缸。 LPG車自1995年即核准上路，但因「瓦斯車」之名而讓民眾不安。黃國修表示，只要管路安裝正確，並不會有安全疑慮，發生爆炸意外大多是駕駛沒有找合格車廠改裝所導致。LPG車在2007年5月底已由環保署正名為「油氣雙燃料車」。 圖為汽油與LPG燃料的供應流程。當切換至汽油時，汽油會從油箱流出，經噴射器加壓變成霧化汽油，噴入汽缸；切換至LPG燃料時，則由儲氣筒送出液態燃料，至氣化器減壓變成氣體，在LPG混合器與空氣依一定比例相混後，進入汽缸。（電腦繪圖／姚裕評）