- 授課講師 - 吳建勳 教授 國立虎尾科技大學車輛工程系. - 授課講師 - 吳建勳 教授 國立虎尾科技大學車輛工程系.

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2 - 授課講師 - 吳建勳 教授 國立虎尾科技大學車輛工程系

3 C5　能源技術III（新興能源）

4 C5　能源技術III（新興能源） 5.1 海洋能 5.2 地熱 5.3 氫能與燃料電池 5.4 交通載具 5.5 儲能技術

5 C5　能源技術 III （新興能源） 5.4　交通載具

6 5.4 交通載具 5.4.1 車輛發展趨勢 油電混合驅動 電池驅動 氫氣驅動

7 ★學習目標 首先認識汽車產品發展趨勢，接著瞭解油電混合驅動、電池驅動、氫氣驅動之基本原理及其發展現況。

8 5.4.1 車輛發展趨勢 綠能 節能電動化 + 智慧化 智慧 低公害汽車 太陽能汽車 電動車 混合動力車 高齡化對應車輛 智慧型車輛
5.4.1　車輛發展趨勢 消費者需求 環保低污染 舒適便利 駕駛安全 節能減碳 核心技術 人機介面 電子暨光電科技 機電整合技術 資通訊科技 材料科技 技術研發方向 運用強化材料 應用系統 替代能源開發 電磁相容性問題 主動式安全防護 適應性巡航系統 夜視系統 適應性頭燈系統 車道偏離警示系統 胎壓監測系統 EV平臺車 電動馬達性能提升 電能管理 充電環境 車用資訊系統 車用通訊系統 車輛溫溼度控制 車用數位電視 車用娛樂系統 舒適性感測器 車用顯示器 車用電話 低公害汽車 被動式安全防護 輔助安全氣囊 停車輔助系統 太陽能汽車 電動車 混合動力車 高齡化對應車輛 智慧型車輛 自動駕駛車輛 行動辦公室 生質柴油車 ITS & Telematics 感測器整合 智慧 降低有害物質排放 降低噪音 材料回收 廢車回收 綠能 節能電動化 + 智慧化 資料來源：日本『21世紀高度汽車社會』通產資料調查會；IEK/ITRI彙整

9 5.4.1　車輛發展趨勢 車輛產業及技術發展，由近幾年的趨勢來看，車輛電動化應該是必然方向。從內燃機引擎車(ICEV)混合動力車(HEV)插電式混合動力車(PHEV ) 電動車(EV) ，由這樣的趨勢，可以清楚的看出，車輛產業在儲能電池上的日益倚重。 ICE HEV(2kWh) PHEV(6kWh) EV(20kWh)

10 5.4.2　油電混合驅動 原理 種類 優點與缺點 使用現況

11 5.4.2 油電混合驅動 原理 混合動力車輛是指：使用超過一種燃料或能量來源的車輛，而推動系統可以有一套或多套。
5.4.2　油電混合驅動 原理 混合動力車輛是指：使用超過一種燃料或能量來源的車輛，而推動系統可以有一套或多套。 混合動力車的推動裝置：不外乎內燃機或電動機 油電混合動力車的推動裝置是同時擁有電動機及內燃機引擎的設計。 本田ZE2油電混合引擎 (資料來源:

12 5.4.2 油電混合驅動 混合動力(Parallel Hybrid) 微混合動力(Micro Hybrid)：
5.4.2　油電混合驅動 混合動力(Parallel Hybrid) 混合動力系統可依混合程度分成三種：微混合動力、部份混合動力和全混合動力 微混合動力(Micro Hybrid)： 同時擁有兩具以上的動力來源，不過只會用其中一種驅動車輪，其它則是用來供應車內電器運作或者是產生電力。 微混合動力在行駛中只有靠單一動力來源，所以也被認為只是強化的內燃機車或電動車，主要是作為由純內燃機車轉為純電動車的過渡技術，成本與效率較低。

13 5.4.2 油電混合驅動 部份混合動力(Mild Hybrid)
5.4.2　油電混合驅動 部份混合動力(Mild Hybrid) 同時擁有兩具以上的動力來源（引擎和馬達或者是兩具以上的引擎），可以同時驅動車輪。 其一作為主要動力來源，可獨立驅動，其他則是次要動力來源，用來輔助主要動力強化性能或減輕負擔。 兩種動力輸出設計： 一種是實用型，以低輸出的主要動力配上次要動力後變成標準輸出， 一種則是性能型，以標準輸出的主要動力配上次要動力後變成高輸出。 Honda Insight 資料來源: 4/43/Honda_Insight_Concept_01.JPG)

14 5.4.2 油電混合驅動 全混合動力(Full Hybrid)
5.4.2　油電混合驅動 全混合動力(Full Hybrid) 即是完全的混合動力系統，它可完全單靠任一的動力來源為主要動力，也可兩者同步驅動產生更大的動力。 這類系統的控制電腦必須有效的運用各種動力來源，以達至有適當動力又可節省燃料。 由於每種動力來源皆能單獨推動車輛，所以功率都差不多大，容量體積也較大。 豐田Prius使用的是串並聯式混合動力系統 (資料來源:

15 5.4.2 油電混合驅動 混合動力(Hybrid) 串聯式混合動力(Series Hybrid)：
5.4.2　油電混合驅動 混合動力(Hybrid) 混合動力系統可依傳動配置分成三種：串聯式、並聯式和串並聯式 串聯式混合動力(Series Hybrid)： 發電機 能量儲存 引擎 馬達/ 發電機控制 動力輸出 電動驅動 里程延伸 資料來源: ADVISOR NREL 15

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5.4.2　油電混合驅動 並聯式混合動力(Parallel Hybrid)： GM BAS II (Belt-alternator-starter) 能量儲存 耦合 馬達/ 發電機 發電機控制 引擎 動力輸出 資料來源: GM & ADVISOR NREL

17 5.4.2 油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： MG2馬達轉速正比車速(輪速) 17
5.4.2　油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： MG2馬達轉速正比車速(輪速) 資料來源: 17

18 資料來源: Toyota-The Hybrid System Operation
5.4.2　油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： MG1，MG2與引擎以機械式連接在行星齒輪組，如果其中一組件改變轉速，其它部件的旋轉速度將受到影響。 MG2：牽引電機 資料來源: Toyota-The Hybrid System Operation

19 5.4.2 油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： 車輛起步後以engine為主要動力
5.4.2　油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： 車輛起步後以engine為主要動力 MG1馬達啟動引擎運轉 資料來源: Toyota-The Hybrid System Operation

20 5.4.2 油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： 引擎與MG2馬達同時出力 引擎操作點最佳化
5.4.2　油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： 引擎與MG2馬達同時出力 引擎操作點最佳化 資料來源: Toyota-The Hybrid System Operation

21 5.4.2 油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)：
5.4.2　油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： MG2馬達轉速正比車速(輪速)，因此馬達轉速提高時車速變快 以引擎輸出為主，以馬達轉速調整引擎轉速(效率良好) 資料來源: Toyota-The Hybrid System Operation

22 5.4.2 油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： 馬達反轉，車輛倒退
5.4.2　油電混合驅動 串並聯式混合動力(Series-Parallel Hybrid)： 馬達反轉，車輛倒退 引擎停止運轉，減少引擎阻力提昇減速時車輛動能回收比例 資料來源: Toyota-The Hybrid System Operation

23 5.4.2 油電混合驅動 插電式混合動力(Plug-in Hybrid) 兩種基本的配置：
5.4.2　油電混合驅動 插電式混合動力(Plug-in Hybrid) 兩種基本的配置： 串聯式，也叫增程型。動力馬達驅動車輪;汽油引擎僅用於發電。充電式混合動力車可以純電力運行，直到電池需要充電。汽油引擎開始發電，提供所需的電力。 並聯式，無論是引擎和動力馬達以機械性連接，並且以兩個動力推動車輛在不同的駕駛條件下，純電動操作通常只發生在低轉速。 電動系統中加入發電機模組 混合系統中加大電池容量 資料來源: 23

24 5.4.2 油電混合驅動 插電式混合動力j車(Plug-in hybrid-PHEV)
5.4.2　油電混合驅動 插電式混合動力j車(Plug-in hybrid-PHEV) 充電式混合動力電動車：和充電式電動車一樣能靠外來電源充電 優點：因為是屬於混合動力系統，不用像電動車一樣非要找充電站才可補充能源，續航力和實用性遠比電動車來的高 缺點：必須要有電動系統以外的動力裝置，成本和重量會比電動車大。 插電式混合動力的雪佛蘭伏特 資料來源:

25 5.4.2 油電混合驅動 優點 可提升續航力，空氣污染排放低。 減輕了制動系統的負擔，延長制動系統零件壽命。 有怠速熄火系統，可減少油耗。
5.4.2　油電混合驅動 優點 可提升續航力，空氣污染排放低。 減輕了制動系統的負擔，延長制動系統零件壽命。 有怠速熄火系統，可減少油耗。 依路況使用最適合的動力來源，可降低能源消耗。 可以減少引擎耗損，降低保養維修成本。 即使電池電力用盡仍可提供能量行駛，無需擔憂有無充電站的問題。

26 5.4.2 油電混合驅動 缺點 噪音過低可能會對行人或踏單車構成危險。 價格高，整體成本比純引擎或純電動車還要高，不符合經濟效益。
5.4.2　油電混合驅動 缺點 噪音過低可能會對行人或踏單車構成危險。 價格高，整體成本比純引擎或純電動車還要高，不符合經濟效益。 有電池製造及回收污染的問題。 生產和回收所造成的汙染與耗能，可能比純引擎或純電動車高，必須行駛數萬公里以後才會有環保效益。

27 5.4.2 油電混合驅動 使用現況 鐵路運輸 道路運輸 早在1911年，德國已經開始採用混合動力的鐵路車輛。
5.4.2　油電混合驅動 使用現況 鐵路運輸 早在1911年，德國已經開始採用混合動力的鐵路車輛。 日本、英國、北美及捷克都有使用混合動力鐵路車輛，美國部份使用生質燃油配合電池，進一步降低碳排放。 道路運輸 早期混合動力車發展集中在貨車及其他重型車輛。 近年普及於小型車輛，如私家車等，混合動力車較省油，減少用油開支也間接降低成本。 由於成本下降，低碳排放量，乎合環保需要，公共運輸工具如巴士等近年也開始採用混合動力車輛。 用鋰離子電池的混合動力火車KiHa E200 在倫敦投入服務的Volvo B5L 資料來源:

28 5.4.3　電池驅動 原理 電池 電動機 性能 碳排放量及環境污染 使用現況

29 5.4.3 電池驅動 原理 純電動車以蓄電池把能量存於車上，相當於一般汽車的油箱，為車輛提供電力給電動機，電動機把電能轉化為動能，推動車輛。
5.4.3　電池驅動 原理 純電動車以蓄電池把能量存於車上，相當於一般汽車的油箱，為車輛提供電力給電動機，電動機把電能轉化為動能，推動車輛。 電動車所使用的電池是蓄電池，在電力用盡後經由車外輸入電源把電池充電。 不同於一般汽車，純電動在停下來時電動機是完全停下，完全不消耗能量。 電動車太陽能充電站 (資料來源:

30 5.4.3 電池驅動 電池 電池性能決定了純電動車的最大行程、充電時間。 重要的電池性能參數 電池容量 充電時間 電池壽命
5.4.3　電池驅動 電池 電池性能決定了純電動車的最大行程、充電時間。 重要的電池性能參數 電池容量 取決於電池的能量密度(指在一定重量下的儲能量,Wh/kg)，因為重量越大，車輛消耗的能量越多。 充電時間 一般充電約3至4小時，某些種類的電池可以在15-20分鐘內充滿，目前新技術使電池能在十數分鐘完成充電。 電池壽命 一般的充電池只能充放電數百次。

31 5.4.3 電池驅動 鎳氫電池(Ni-MH battery) 鋰離子電池(Li-ion battery)
5.4.3　電池驅動 鎳氫電池(Ni-MH battery) 是指以鎳及能吸收儲存、釋放氫離子的金屬組成的電池。 能量密度比鉛酸電池高，比鋰離子電池低。 輸出功率較低，充放電效率60-70%。 雖然成本較鋰離子電池低，但由於效率低、較重及充電需時，新的純電動車大多不再使用鎳氫電池。 鋰離子電池(Li-ion battery) 是以鋰及其他物質組成的電池。 鋰離子電池較輕，能量密度高達(200+ Wh/kg)，輸出功率較高，充放電效率高達80-90%，但價格較鎳氫高。

32 5.4.3 電池驅動 磷酸鋰鐵電池 (Li-ion Phosphate battery)
5.4.3　電池驅動 磷酸鋰鐵電池 (Li-ion Phosphate battery) 相對一般鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池輸出功率較大，充電速度較快，但容量低14%。 可有數千次的充放電次數及超過十年的使用期，有的更可以達7000次以上的充放電週期，有較佳的化學及熱穩定性，不會爆炸，較為安全。 鈦酸鋰電池(Lithium Titanate battery) 相對一般鋰離子電池，輸出功率較大，較安全，充電速度極高，壽命相當長，但容量有代改進而且成本特別高。

33 5.4.3 電池驅動 電動機 電動機(馬達)的功率重量比較內燃機引擎高，在同樣輸出動力下重量較輕。
5.4.3　電池驅動 電動機 電動機(馬達)的功率重量比較內燃機引擎高，在同樣輸出動力下重量較輕。 一般汽油引擎效率約15%，而柴油引擎約20%，電動車用的電動機則有80%以上，效率非常高。 現在使用在純電動車有多種電動機，有直流電動機，也有交流電動機。 這些電動機全部都是無刷設計成本較高，但效率較高，較耐用及所需保養較少。

34 5.4.3 電池驅動 性能 行駛距離：純電動車的最大行駛距離一向都未如理想，這完全取決於電池的技術及成本。
5.4.3　電池驅動 性能 行駛距離：純電動車的最大行駛距離一向都未如理想，這完全取決於電池的技術及成本。 加速性能：取決於電池的放電功率大小。現時純電動車的加速性能已經與一般汽車無異，甚至較優。 充電時間：理論上，純電動車的電池能在極短時間內充滿(10分鐘內)，但快速充電代價是該次充電所得的電量較少，該次的行駛距離會明顯減少，對電池壽命也有不利影響。 更換電池：只要一兩分鐘就可以完成，但電池成本相對高。但能快速更換電池的設計很難以低成本兼顧安全性。 里程焦慮：里程焦慮(range anxiety)一詞是源自於純電動車的問題，因為電池剩餘容量不能準確得知，駕駛者不能足夠精確地掌握餘下電量足以行走多遠。

35 5.4.3 電池驅動 碳排放量： 一是車輛的生產過程，二是行駛時需要發電廠提供電力 根據英國的一個研究：各類車輛二氧化碳排放如下： 車型種類
5.4.3　電池驅動 碳排放量： 一是車輛的生產過程，二是行駛時需要發電廠提供電力 根據英國的一個研究：各類車輛二氧化碳排放如下： 車型種類 產品週期總排碳量估算值(噸) 生產過程排碳量所佔比例 生產過程排碳估算量(噸) 一般汽油內燃機的汽車: 24 23% 5.6 油電混合動力: 21 31% 6.5 插電式混合動力汽車: 19 35% 6.7 純電動車: 46% 8.8 (資料來源:

36 5.4.3 電池驅動 環境汙染 純電動車有助減碳三要點：
5.4.3　電池驅動 環境汙染 純電動車產生的二氧化碳是一般汽車的79%，而混合動力車則是87.5%，但在發電廠主要使用燃煤發電的情況，純電動車的排碳量會比混合動力車還大！ 另一個純電動車的二氧化碳來源是製造電池時產生的二氧化碳，佔了整個生產程序的43%！ 純電動車有助減碳三要點： 增加可再生能源的比重，及發電設施的發電效率。 降低輸電網路的能量損耗。 改善電池生產技術，以減少生產時產生的二氧化碳。

37 5.4.3　電池驅動 使用現況 電動車車速有限，因此以Neighborhood Electric Vehicle (NEV) 的規格出售，符合美國運輸法例low-speed vehicle (LSV)的速度限制(40 km/h)。 車速略為高的則以City speed的規格( km/h)出售。 至於性能與一般內燃機引擎的純電動車相當的，近幾年開始在市面出售，有小量能達到跑車規格， 商用方面，第一條以純電動巴士行走的巴士線服務在南韓營運，使用由現代重工集團研發，使用碳纖維複合材料減輕車身重量。

38 5.4.3 電池驅動 日產的 Leaf，至2012年二月是全球銷售量最高的純電動車。 使用現況 舊金山的公共充電站
5.4.3　電池驅動 日產的 Leaf，至2012年二月是全球銷售量最高的純電動車。 使用現況 舊金山的公共充電站 資料來源: 資料來源:

39 5.4.3 電池驅動 使用現況 TESLA市場策略 第一步-高階車款-打響名號 第二步-中階車款-切入市場
5.4.3　電池驅動 使用現況 TESLA市場策略 第一步-高階車款-打響名號 第二步-中階車款-切入市場 第三步-低階車款-人人開得起電動車 資料來源：ARTC 39

40 5.4.4　氫氣驅動 類型 簡介 原理 應用 產業發展

41 5.4.4　氫氣驅動 氫氣車分為兩種類型 氫內燃機車(Hydrogen Internally Combustion Engine Vehicle-FICEV)是以內燃機燃燒氫氣及空氣中的氧產生動力，推動的汽車。 氫燃料電池車(Fuel cell vehicle-FCEV)是使氫或含氫物質及空氣中的氧通過燃料電池以產生電力，再以電力推動電動機，由電動機推動車輛。

42 5.4.4 氫氣驅動 簡介 多間公司都有研發氫氣車，但福特汽車已經放棄，並將資源投放於純電動車上；
5.4.4　氫氣驅動 簡介 多間公司都有研發氫氣車，但福特汽車已經放棄，並將資源投放於純電動車上； 因認為氫氣車距實用化還有相當距離，部分車廠BMW，雷諾-日產聯盟，通用汽車等在2009年宣佈停止或減少研發氫氣車。 2009年，日產在日本發起新FCEV計劃，之後在10月，日產、福特汽車、現代集團、豐田等汽車發表聯合聲明，將研發燃料電池車，預計2015年完成。 故氫氣車的發展目前以氫燃料電池車為主。

43 5.4.4　氫氣驅動 氫燃料電池車簡介 燃料電池電動系統(Fuel Cell Electric Vehicle 簡稱FCEV)與引擎系統的大小近似，唯一不同的地方是把引擎換成燃料電池。 目前燃料電池的主流燃料是「氫氣」，但問題在於氫氣的儲存、補充，所以目前難以普及。多會另加設可充電電池，以減低對燃料電池輸出功率的要求保持穩定輸出功率。

44 5.4.4 氫氣驅動 原理 燃料電池是直接利用化學的方式轉換效率高，而引擎則必須將燃料轉為熱能再轉為動能，效率差，
5.4.4　氫氣驅動 原理 燃料電池是直接利用化學的方式轉換效率高，而引擎則必須將燃料轉為熱能再轉為動能，效率差， 燃料電池排放出來的是水不是廢氣，所以優點就是能源效率和降低碳排都比引擎系統更好 缺點就是燃料電池的材料需要用到昂貴的稀土和貴金屬，所以成本比引擎系統貴。 一部燃料電池車的部件配置 (資料來源:

45 5.4.4 氫氣驅動 汽車應用 自2009年以來已發布超過了20類型的FCEVs的原型和示範車。
5.4.4　氫氣驅動 汽車應用 自2009年以來已發布超過了20類型的FCEVs的原型和示範車。 本田，豐田，奔馳在2011年6月的示範FCEVs行駛超過了4,800,000公里的里程，重新加注燃料超過27,000次。 燃料電池車已經能夠在重新加燃料之間的續駛里程超過400公里。 它們可以在小於5分鐘的時間內完成重新加燃料。 氫燃料電池車 雪佛蘭氫燃料電池車擠身軍方車隊 資料來源: 資料來源:

46 5.4.4　氫氣驅動 美國加州廢水應用於生質氫氣加氣站 生質氫能車應用 以醱酵法產製生質氫氣之方法是屬於再生性的生質氫氣能源。以再生氫氣燃料電池為動力來源的『全綠色能源車』，有別於現階段電動車利用的電力，仍然以火力發電廠為主。 但生質氫氣使用於車輛的應用只有在少部分地區或尚在實驗階段，應用的技術性較高。 目前實際應用的案例在美國加州，而國內逢甲大學目前已經在校內設置一座「綠色氫加氣站」，並利用於「氫能燃料電池汽車」進行實際路測應用。 逢甲大學綠色氫加氣站與生質氫能車 (資料來源：逢甲大學綠能中心) 資料來源: vehicles-air-productsorange-county-open-wastewater-hydrogen-fuel-plant/

47 5.4.4 氫氣驅動 公車應用 在世界上今天有超過100部燃料電池巴士運行。
5.4.4　氫氣驅動 公車應用 在世界上今天有超過100部燃料電池巴士運行。 大部分燃料電池巴士是由UTC Power, 豐田, Ballard，Hydrogenics和 Proton Motor等公司生產。 UTC巴士已經積累了超過 970,000 km 的行駛距離。 燃料電池巴士比柴油和天然氣巴士的燃料經濟性要高出 39–141% 。 Benz Citaro 燃料電池巴士 倫敦市 德國有不少公車 已使用氫燃料 資料來源: 資料來源:

48 5.4.4 氫氣驅動 摩托車應用 國際各大汽車廠積極研發氫能燃料汽車，預估三、五年商業化；
5.4.4　氫氣驅動 摩托車應用 國際各大汽車廠積極研發氫能燃料汽車，預估三、五年商業化； 臺灣機車產業完整，業者切入氫能燃料機車研發，氫能機車配備二罐氫能燃料，可跑五十公里，氫能用完更換氫能罐即可再上路。 亞太燃料電池公司展示「氫能燃料電動機車」，只要法規制定完成，即可商業化生產。 資料來源: 資料來源:

49 5.4.4 氫氣驅動 產業發展障礙 儲存的能量有限 燃料電池成本高 氫是能量的攜帶者。
5.4.4　氫氣驅動 產業發展障礙 儲存的能量有限 氫的密度很低，能夠儲存的能量十分有限。另外一種方法是不儲存氫分子，而使用氫重組器來從傳統燃料如甲烷、汽油和乙醇，提取氫。 燃料電池成本高 製造氫燃料電池，耗資頗高。很多設計都需要稀有物如鉑作為催化劑。 氫是能量的攜帶者。 它必須從化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失（因為從其他能源到氫又回到能量的轉換並非百分百有效）。

50 5.4.4 氫氣驅動 產業發展-已上市氫氣車 BMW Hydrogen 7 HONDA FCX Clarity
5.4.4　氫氣驅動 BMW Hydrogen 7 產業發展-已上市氫氣車 BMW Hydrogen 7 使用氫與汽油兩用內燃機，2007年限量生產上市 (使用氫燃料時最遠行程為200km)。 HONDA FCX Clarity 使用氫燃料電池，2008年以出租車輛推出，預計2018年正式大量生產。但2010年Honda推出純電動車。 本田FCX Clarity是氫燃料電池演示車, 2008 資料來源: 資料來源:

51 5.4.4　氫氣驅動 產業發展-已上市氫氣車 豐田汽車公司推出世界第一台FCV燃料電池車，售價約NT200萬元。2015年4月前將在日本發售，擁有超過100kW的驅動性能，而在氫燃料儲存技術的提升之下，達到了可連續行駛約500公里的水準。 Toyota FCV 2015 資料來源: 51

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