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作者:徐業良(2009-06-13);推薦:徐業良(2009-06-13)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2009年五月號,史丹福專欄。

淺談混合動力電動車技術

石化能源短缺、溫室效應造成地球暖化等等問題,使得各種不同型式的電動車在未來個人運輸工具上的角色已經越來越重要。但是忠實陪伴人類超過一世紀,以汽油、柴油為燃料的內燃機引擎,似乎短時間內也很難被淘汰,最主要的原因,是長久以來內燃機引擎汽車在加油的便利性(例如加油所需時間和每次加油行駛里程)、汽車性能(例如極速和加速性)以及售價上已經建立了比較標竿,各種型式的純電動車得要超越這些標竿才有可能被廣大車主所接受。

混合動力電動車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)算是電動車的異端,結合了傳統內燃機引擎和電動馬達的動力,在加油、性能及售價這三項標竿都可以達到內燃機引擎汽車的水準,省油性卻較內燃機引擎汽車大幅提升,廢氣排放也大幅降低。早期混合動力電動車(咱們便簡稱作“Hybrid吧!)似乎還被當作從內燃機引擎汽車轉換到純電動車的過渡時期產品,現在Hybrid已經被認定是未來量產汽車發展的重要方向,Hybrid車款的研發也早已是各家車廠的最高優先度之一。

汽購六月號的重要話題,是政府宣布將Hybrid車納入電動車可享貨物稅減免五成優惠後,Hybrid車頓時成為汽車市場熱門焦點,標榜低耗油、低污染的Hybrid車售價也開始更有競爭力。這個月史丹福專欄和大家討論一下Hybrid技術,讓對Hybrid車心動的車主有個整體性的瞭解。

OK,首先要向讀友們說明一下Hybrid車的「兩架構、三手段」。

Hybrid車在結合內燃機引擎和電動馬達動力上,有「平行式(parallel)」和「序列式(series)」兩種架構。「平行式」架構意思是說內燃機引擎和電動馬達的動力都同時可被用來驅動汽車,一般來說這種架構的Hybrid車還是以內燃機引擎動力為主、電動馬達動力為輔;「序列式」架構則是指Hybrid車內燃機引擎的動力不直接驅動汽車,而是先經由發電機轉換成電力,對電池充電或直接驅動電動馬達,再由電動馬達驅動汽車。

在提升汽車省油性及降低廢氣排放上,Hybrid車基本上有三個手段:首先Hybrid車結合了電動馬達動力,內燃機引擎的負擔小了許多,先天上可以採用排氣量較小的引擎(因此自然比較省油);第二是Hybrid車可藉由電動馬達,在煞車或減速過程中把汽車損失的動能重新轉換成電力;第三則是Hybrid車讓內燃機引擎能在工作效率較佳的轉速範圍運轉,例如在怠速或低速時關閉內燃機引擎,需要時再重新啟動引擎。

要更具體討論Hybrid技術,一定得要先提到這兩部量產Hybrid車的鼻祖:1997年推出的Honda InsightToyota PriusPrius是銷售最成功的Hybrid車,特別是在2004年改款後,造型、內裝、性能和同廠非Hybrid的車子幾乎不相上下,省油性卻提升40%,廢氣排放也降低許多,加上價格也很有競爭性,銷售成績一直很好,還曾經獲選2004年北美年度汽車(2004 North American Car of the Year)Toyota2009年二月為止全世界共賣出了一百七十萬輛Hybrid車(ToyotaLexus),其中120萬輛是Prius

Honda Insight的銷售一直不如Prius成功,撇開Hybrid技術不談,Insight雙座小型車的定位可能是其在市場上不受歡迎的主要原因。第一代Insight2006年停產,2009年第二代Insight又捲土重來(第二代Insight已改為標準五人座四門房車)。雖然第一代Insight已不再生產,但仍然是討論Hybrid技術的最好入門教材,這裡也就由第一代Insight開始談起(以下技術規格指的都是第一代Honda Insight哦!)。

Insight主要設計目的是省油,Honda也幾乎用盡了教科書上所有省油技巧,Hybrid技術、輕量化、低風阻等等,當年Insight確實是市場上最省油的一部汽車。

第一代Insight採用一個1.0三汽缸、只有56公斤重的小引擎,67匹馬力,尖峰輸出轉速5700rpm,並採用HondaVTEC技術來提升引擎效率。從前面提到的「兩架構」來區分的話,Insight是一部平行式HybridInsight在原來引擎飛輪的位置有一個電動馬達,引擎和馬達的動力都同時可透過傳統五速手排或CVT傳動直接驅動汽車。

1.067匹馬力?許多車主(包括汽車專業媒體)也許就直接把這兩個數字列入缺點,然後對Insight完全失去興趣。不過回到前面提到的「三手段」的第一項,Hybrid結合了電動馬達動力,內燃機引擎的負擔小了許多,Insight先天上可以採用排氣量較小、比較省油的引擎,該算是優點而不是缺點。

電動馬達加入運轉之後,Insight最大馬力是73/5700rpm,帳面上看起來最大馬力只比原先增加6匹,但是電動馬達的特性和內燃機引擎有一個很大的不同,是其最大輸出發生在低轉速,像是Insight這顆電動馬達額定輸出有10千瓦(大約13匹馬力),發生在3000rpm

電動馬達的加入在低段扭力提升的幫助就更明顯,Insight引擎尖峰扭力發生在4800rpm,加上電動馬達動力輔助,最大扭力提升20%,尖峰扭力轉速更下降到1500rpm的低轉速。Insight的汽油引擎負擔了大部分的工作,但在汽車加速或爬坡時電動馬達便加入提供額外的動力。

在第一代Insight的例子上可以看到,平行式架構的Hybrid車,電動馬達在內燃機引擎性能比較弱的低段轉速作補強,是一個很好的結合,讓小引擎的性能感覺起來像是個大得多的引擎,具體佐證數字是Insight 0~60mph加速只要11秒。

Hybrid車省油「三手段」第二項,煞車或減速時Insight的電動馬達便透過離合器和傳動系統的作用反向轉動(您知道,電動馬達反向轉動便成了發電機),不但產生類似「引擎煞車」的效果,而且可以把汽車煞車或減速失去的動能重新「抓」回來,轉換成電能對電池充電。Insight的電動馬達還可以用來發動引擎,也就不需要啟動馬達了。

另一部可能更具代表性的HybridToyota Prius,基本上也是採用平行式的動力結合架構,但是已經有一些序列式動力結合的味道(容後敘述)。Prius的引擎也不大,2004年改款後的第二代Prius採用1.5引擎,最大馬力76/5000rpm,不過電動馬達強力得多,最大馬力輸出67/1200~1540rpm,幾乎和引擎輸出不相上下,低段扭力也很強。也因為如此,PriusInsight先天上有一個很大的不同,Insight的電動馬達動力較小無法直接驅動汽車,汽油引擎在汽車移動時必須持續運轉,而Prius在時速15英里24公里)以下時,則完全是由電動馬達推動。

這符合Hybrid省油「三手段」第三項?

對了,在市區停停走走的交通,Prius都交給電動馬達負責,而內燃機引擎只在一定時速以上才開啟,而且固定在引擎最有效率的轉速段運轉,臨時的動力需求是由電動馬達負責調度,這樣的設計對提升市區行駛、高速公路巡航的省油性,乃至於改進廢氣排放,都大有幫助。

Prius上的「動力分享裝置(Power Split Device)」,是其用來協調控制汽油引擎、發電機和電動馬達的動力輸出的法寶。這個動力分享裝置是一個精心設計的行星式齒輪箱,如果您對行星式齒輪箱有概念的話,行星式齒輪箱是由三組齒輪組成,中間是一個「太陽齒輪(sun gear)」,周圍環繞三到四個「行星齒輪(planetary gear)」,固定在一個行星齒輪架(planetary carrier)上,行星齒輪本身會「自轉」,行星齒輪架則會一同繞著太陽齒輪的軸心「公轉」;最外層是一個「環形齒輪(ring gear)」,也是繞著太陽齒輪的軸心旋轉。

Prius的動力分享裝置上,電動馬達連接在環形齒輪軸上,直接輸出動力到驅動軸驅動車輪;發電機連接在太陽齒輪軸上,內燃機引擎則是連接在行星齒輪架的中心軸上。

Prius起步時,「油門」控制電瓶供電給電動馬達驅動車輪,同時電動馬達連接的環形齒輪也開始旋轉,帶動行星齒輪自轉,進而驅動連接於太陽齒輪的發電機轉動發電。此時內燃機引擎沒有運轉,所連接的行星式齒輪架也沒有轉動。

車速超過一定時速時,發電機扮演了啟動馬達的角色,瞬間改變轉速帶動行星齒輪架旋轉,啟動內燃機引擎。引擎啟動後逐漸穩定至一個固定轉速,所連結的行星式齒輪架也化被動為主動,成為主要驅動動力軸。引擎部分動力傳輸至環形齒輪軸驅動車輪,多餘的動力傳輸至太陽齒輪驅動發電機發電,對電瓶充電或直接供電給電動馬達。

所以Prius在高速公路定速巡航時,動力是由內燃機引擎和電動馬達共同分攤,而電動馬達的電力是由引擎驅動發電機直接提供,內燃機引擎儘量保持在定速運轉,多餘的電力存入電瓶,而臨時的動力需求則靠電動馬達從電瓶中額外取電來調度。

真是很聰明的設計,但確實有些複雜,希望編輯部的高手們能找到搭配說明的圖片。

如前所述,Prius的動力分享裝置已經有一些序列式動力結合的味道,內燃機引擎部分動力不是直接驅動車輪,而是轉換成電力後提供給電動馬達運轉再驅動車輪。這樣做的優點便是「三手段」的第三項,讓內燃機引擎能在工作效率較佳的轉速範圍運轉。

當然汽車煞車或減速時,Prius的動力分享裝置也有“regenerative braking”,捕捉動能轉換成電能的功能,事實上這種類似「引擎煞車」的效果,還可以減少煞車皮磨耗,讓煞車壽命長一些。

Hybrid技術近期比較重要的發展,首先是Plug-in Hybrid的出現。早期的Hybrid車電瓶電能都是由內燃機引擎帶動發電機產生,正如傳統汽車。所謂Plug-in Hybrid,就是Hybrid車的電瓶也可以像純電動車一樣,直接把插頭插在家中插座上充電。像是2009年推出最新的第三代Prius便是一部Plug-in Hybrid

Plug-in Hybrid的好處是,就同樣能量來說,家庭用電的價格還是比汽油便宜許多;晚上在家中車庫充電,Plug-in Hybrid的一缸汽油也可以維持更久,不必常跑加油站。除了這些小小優點之外,我自己覺得Plug-in Hybrid更重要的意義,是讓Hybrid車的個性逐漸更趨向純電動車。以第三代Prius來說卻是如此,Prius的空調壓縮機和動力方向盤也都是由電動馬達驅動,不再依靠難然機引擎,內燃機引擎的角色已經漸漸減弱。

美國通用旗下自行研發的全新量產HybridChevrolet Volt,更走上另一個極端,在內燃機引擎和電動馬達動力配合上,採用了完全序列式的架構,車上的1.4引擎的角色,僅在驅動發電機對電瓶充電,完全不驅動車輪。如此內燃機引擎便可以校調在一個很窄的工作轉速,用最省油、最乾淨的方式運轉發電,真正「退居幕後」,而Chevrolet Volt的運作也幾乎是一部純電動車。

寫到這裡,自己也有些心動,考慮下一部車是否也換一部時髦的Hybrid車。六月號的汽購預期降稅後第三代Prius售價接近130萬,比我目前開的國產車貴了四十幾萬元。

我們家的車一年平均開二萬五千公里Hybrid車不管多省油,幾十萬元價差還是很難彌補。我想這才是車主作決定最重要的影響因素吧!