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)
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http://sa.ylib.com/saeasylearn/saeasylearnshow.asp?FDocNo=1183&CL=73
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