汽車新技術探討比較-混和動力 指導老師: 吳宗霖 班級:車輛三乙 學號:4A01C032 姓名:廖俊雄.

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1 汽車新技術探討比較-混和動力 指導老師: 吳宗霖 班級:車輛三乙 學號:4A01C032 姓名:廖俊雄

2 一.前言 混合動力車輛是使用兩種或以上能量來源的車輛，而推動系統可以有一套或是多套。
常用的能量來源有燃油、電池、燃料電池、太陽能電池、壓縮氣體、氫氣…等，而常用的推動系統包含內燃機、電動機、渦輪機…等技術。 目前市面上的混合動力車多以內燃機及電動機作為推動系統，使用燃油驅動內燃機以及電池驅動電動機，此類混合動力車稱為油電混合動力車（Hybrid electric vehicle，簡稱HEV）。 多數油電混合動力車比同型純內燃機車輛有更好的燃油效率及較佳的加速表現，因為動力系統可以按照整車的實際運行情況進行靈活調控，讓發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作，從而降低油耗與排放。被視為較環保的選擇。 近年來，有些車輛能夠透過充電站或家用充電設備從輸電網路為車輛內部電池充電，被稱作插電式混合動力汽車（Plug-in HEV，簡稱PHEV），如果電網中的發電廠使用可再生能源、碳排放量低的發電方法或採取電力離峰時間充電，那就可以進一步降低PHEV的碳排放量。

3 二.混合動力的發展過程 1899年__斐迪南‧保時捷Ferdinand Porsche設計出「System Lohner-Porsche，其概念是利用兩具配置在前輪輪轂上的電動馬達驅動車輛，是一部前輪驅動的純電動車。 1891年__Jakob Lohner車廠發表了「Lohner-Porsche Mixte Hybrid」，這是汽車史上第一輛Hybrid油電混合動力車款，由汽油引擎負責發電，供電給裝在輪轂上的電動馬達驅動車輛 (有前驅與四驅兩種配置) 1978年__由電機工程師david Arthurs發明的利用剎車時進行能量再生制動的設計 1997年__TOYOTA生產的Prius 1999年__HONDA生產的Insight

4 三.理論探討 混合動力車輛的分類方式有三種： 依動力來源分類（Power source）： 油電混合及柴電混合 燃料電池、電池混合
液壓動力混合 多重燃料混合 依程度分類（degree of hybridization）： 輕度混合動力（Micro HEV） 中度混合動力（Mild HEV） 重度混合動力（Full HEV） 依傳動配置分類（drive train structure/power train configurations）： 並聯式 串聯式 混聯式

5 油電混合及柴電混合 油電混合車（HEV）現在所指的混合動力車多為此類。 使用汽油及內燃機+可充電電池及電動機兩種動力來源。 電池及電池機直接推動車輛，同時回收剩餘的動能為電池充電，可以直接產生機械動力推動車輛，也可用發電機推動電動機或為電池充電。 汽油引擎較輕，但低轉速時扭力差，正好用電動馬達補足低轉速扭力又不會增加太多重量 柴電混合動力情況與油電混合動力相同，只是內燃機的燃料由汽油改成柴油。 柴電比較適合在大型運輸工具，小型車輛使用柴電則沒有引擎與馬達的互補性；而大型運輸工具使用柴電，則可以省下龐大笨重又貴的變速機構。 燃料電池電動系統（Fuel cell electric vehicle簡稱FCEV）的設計，只是加裝了可充電電池，於是有燃料電池及電動機 + 可充電電池及電動機兩種動力來源。 把引擎換成燃料電池，燃料電池可以直接發電，為電動機供電，但後來發現電動機在加減速時電池會急劇變化而使高成本的燃料電池壽命大為減短，因此加裝可充電電池為電流作緩衝，降低燃料電池電流變化，從而增加燃料電池的壽命。附帶的好處是減低對燃料電池輸出功率的要求，降低了成本。 但燃料電池的材料需要用到昂貴的稀土和貴金屬，因此成本極高。目前燃料電池的主流燃料是燃值最高的「氫」，但問題在於氫氣的儲存、補充，而製造生產氫氣同樣需要消耗能源並產生碳排放，所以難以普及。

6 液壓動力混合系統是以液壓動力或壓縮空氣引擎車輛為基礎，加上內燃機把工作流體再增壓，兩種動力來源分別是內燃機推動而產生的高壓氣體及壓縮引擎+壓縮儲存系統內的高壓氣體及壓縮引擎。
液力儲蓄器（蓄壓器）的價格較低，而耐用性比電池高很多。 多重燃料混合動力系統 並非使用引擎搭配馬達的設計，而是使用兩具以上使用不同燃料的引擎，其中一具作為主要動力來源，其他則作為起步補助或提高出力的備用動力，因此也屬於中度混合動力的一環。 此外，有些設計是讓一具引擎可容許使用多種燃料，稱為複合燃料引擎或彈性燃料引擎，不過因為這種設計雖然功能一樣，只有一具動力系統，因此是否可算混合動力還有所爭議。這類車只有一個油箱內可混合多種燃料使用，如汽油、生物燃油、甲醇、乙醇和氨等。 再進一步，加設有儲存氣體燃料如天然氣或石油氣的裝置，同一車可以使用液體燃料及氣體燃料，但由於多了一個燃料容器，佔去了多些空間，在一些用途上做成不便。 輕度混合動力（Micro HEV）有內燃機及電動機兩種動力來源，不過只用內燃機驅動車輛行走，電動機則幫助內燃機起動及在內燃機停止運作時提供電力供應車內電器。 幫助內燃機起動的系統叫怠速熄火系統（Start-stop system），電動機在內燃機起動時將內燃機轉到較高轉數，讓內燃機避免了在低效率的低轉數情況下運作，從而減少起動時的耗油量及機械損耗，電腦也設定在減速、剎車時自動將內燃機關掉，減少內燃機空轉的時間達到節省燃油的效果。這套系統有啟動開關可依駕駛需求選擇是否使用。 優點就是開發成本低；缺點就是節能效率有限（仍不到10%）及熄火時冷氣會關閉（在氣溫高時會減低舒適度、其溫差容易造成感冒，不過少數的車種仍可以在熄火時開啟冷氣）。

7 中度混合動力（Mild HEV）不但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），還可以同時驅動車輪。其中一種作為主要動力來源，可獨立驅動，其他則是次要動力來源，用來補助主要動力強化性能或減輕負擔。 中度混合動力有兩種動力輸出設計，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，另一種則是性能型，以標準輸出的主要動力配上次要動力後變成高輸出。 中度混合動力已算真正的混合動力系統，裝有怠速熄火系統、制動再生系統及電力輔助推動系統，是開發混合動力技術成熟前的初期產品。 重度混合動力（Full HEV）又稱作強混合（Strong Hybrid）是完全成熟的混合動力系統，它可單靠任一動力來源為主要動力，也可以兩者同步驅動產生更大的動力。這類系統的控制電腦須有效的運用各種動力來源，以達到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。 插電式混合動力（PHEV）屬於混合動力系統，只是它比HEV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，不像電動車一樣非要找充電站才可補充，續航力和實用性比電動車高，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，它的電池組容量比純電動車小，但比HEV還大，但因為是混合動力系統，必須要有電動系統以外的動力裝置，所以缺點是成本和重量會比電動車大。

8 串聯式(Series) –主要以電動馬達驅動車輛，而引擎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。
由於僅以馬達驅動，所以此系統所需電池及電動機的功率也較大，成本較高。 加上電動機的輸出有高扭力，省卻了機械傳動系統及變速箱，能增加車箱容量及布置合理化，簡化了機械維護，也沒有變速箱換檔時造成動力不連慣的感覺。另一優點則是內燃機僅負責穩定運轉發電，電能在控制器的調節下帶動電動機運轉，以驅動車輪。 內燃機始終在熱效率高而排放較低的最佳工況下運轉，因此較容易控制其排污程度，而引擎配置位置也較彈性。工作原理如圖(a) 低負荷運轉時，發動機發出的功率超過驅動車輛的需要，多餘的電能向蓄電池充電；而高負荷運轉時，除了發電機發出的電能外，電池組可提供額外的電能。但最高輸出功率要受到電動機功率的限制。 適合於市區運行的車輛或是需要不停地起動及停車的情況，例如巴士 但在高速公路上，串聯混合動力系統的能量經過多重轉換，相比傳統內燃機車輛只有內燃機的損耗及機械轉輸的效率（一般約95%）。所以串聯混合動力系統適合在市區中使用，但在高速公路上的情況就無甚得益。

9 並聯式(Parallel) 內燃機及電動機的動力各自透過機械傳動系統傳遞而推動車輪，兩者的動力在機械傳動系統之前各自分開，因此稱作並聯型混合動力。兩者同時由電腦控制以達至協調。
常見的一種並聯式設計(單軸/雙軸配置) 是以內燃機作為主動力，電動機作為輔助動力，兩者透過機械傳動系統耦合。系統中並無專為電池充電用的發電機，在行駛中，電池充電來源只有兩項：一是靠再生制動系統在車輛減速、制停時，將動能轉為電能。其二是當內燃機仍有餘力時，帶動電動機轉動而發電。由於充電能力有限，此類設計傾向於使用較小的電池容量以及較低功率的電動機，電動機只作為補助，不能獨自推動車輛。此系統的優點在於內燃機可以怠速熄火、提高內燃機起動時的燃油效率及降低損耗、使用再生制動系統回收電能。電動機能與內燃機一起運作，可以在需要時加大馬力。由於主要動力來源依舊是內燃機，此類設計保留了內燃機在高轉速時較省燃料的特性，有利在高速公路行走。

10 另一種配置(分離配置) 是內燃機及電動機各自分別推動不同的輪軸，兩者透過車輪與地面的接觸耦合，行駛中，電池可靠再生制動系統充電，另一種充電方式是當內燃機在低附載狀況下推動車輛行走時，連著電動機的輪軸被地面帶動而轉動，此時，電動機便可發電而為電池充電。由於內燃機的輸出是經過路面傳至電動機。除了能夠透過再生制動系統回收電能外，此種設計的另一好處是四輪驅動。 由於前後輪軸都有動力，在某些情況下擁有四輪驅動的性能，有些類似設計甚至沒有電池，直接以發電機推動電動機以推動後輪，內燃機則推動前輪及發電機。 然而，此系統最大的問題在於兩輪軸的動力往往難以完美協調而造成能量損耗，因此在燃油效率的表現上受到一定程度的限制。 發動機和電動機可以分別獨立地向汽車的驅動系統提供動力，而需要大功率時可以共同提供動力，改進了串聯繫統最大功率不足的缺陷。並聯式混合動力車比較適合於經常在郊區和高速公路上行駛的車輛。

11 混聯式（Series-Parallel）同時擁有功率相當的引擎與馬達，所以可依路況選擇使用電動模式、汽油（或柴油）模式或混合模式；設有由內燃機推動的發電機，產生充電或電動機所需電力。兼俱並聯式及串聯式的功能及特性。 在起步或低速時，內燃機的效率低，所以會全由電動機推動，從而提高效率而達至較省燃料。視電池狀況而定，內燃機會在需要時會推動發電機向電池充電或直接向電動機供電，。 當車速提高至內燃機能工作的轉速時就轉由內燃機推動，提高效率，減少耗油量。 而當需要例如加速及爬坡時，電動機可以同時開動，增加額外馬力。馬達提供了怠速熄火系統及制動再生功能，在停車或以電動機推動時關閉內燃機，在減速與煞車時、下坡時進行動能回收。內燃機也不必兼顧起動及低速的需要，可以優化高轉速時的需要，提高燃油效率及性能，也同時降低污染

12 四.目前混合動力的應用範圍 鐵路運輸 早在1911年，德國已經開始採用混合動的鐵路車輛，混合動力鐵路車輛是使用可充電儲能裝置輔助牽引系統的鐵路動力車輛。起動時以電動機推動，在車輛加速或上斜時引擎提供牽引裝置額外的動力，減輕主要動力源的負擔，下坡時以電動機發電回收能量至儲能裝置，因此可以達到省油效益，個別系統可以節省30%至40%耗油量。日本、英國、北美及捷克都有使用混合動力鐵路車輛，當中美國有部份設計使用生質燃油配合電池，使碳排放量進一步降低。 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。隨著技術進步，成本降低，混合動力車近年普及於較小型車輛，如私家車等，混合動力車較省油，減少用油開支也間接降低整體成本，有助普及。由於整體使用成本下降，加上有低碳排放量，乎合大多數政府環保政策的需要，公用車輛道路公共運輸工具如巴士等近年也開始採用混合動力車輛；全世界第一架混合動力雙層巴士在2007年2月於倫敦開始投入服務，倫敦現在有106架油電混合動力巴士在行走中。相對全電動巴士，混合動力巴士技術更為成熟，無需增健充電設施，而且在以燃煤發電的地區，其碳排放量比純電動車更低。

13 軍用車輛 美軍自1985年開始試驗串聯混合動力悍馬四輪驅動越野車XM1124，其優點在於隱身性能較佳：全行程達9.7公里的電動狀態下有較低的噪聲及紅外線特徵，較低的耗油量也意味著更遠的行程（這代表後勤需求降低，戰區的運費很貴、風險也很高）。 軍用大型運輸車輛也有使用混合動力設計，現代戰場上的高科技裝備用電量龐大，混合動力軍用車輛可以滿足其需求；對後勤系統來說，轉換為混合動力軍用車輛很好適應、又可以降低負擔。 混合動力自行車 混合動力自行車又稱作摩托化自行車，是在自行車上加上混合動力的設計，較先進的是使用電動機的設計，能使用再生制動及較寧靜。在較短途的行程中，混合動力自行車比油電混合動力車所耗能源少得多，所需停泊位也較少，卻又比普通自行車省力、舒適。。

14 五.目前世界上最著名的混合動力公司之特色或特點
1901年，Porsche車廠創辦人-Dr.Ferdinand Porsche，設計出全球第一套車用Hybrid油電混合動力系統時，當時這只是一個不知何時才能真正實現的夢想。Dr.Ferdinand Porsche應該沒有想到，在幾十年後，實現他夢想的，竟然是相隔千里之外、遠在東方的日本車廠Toyota。 1997年，Toyota成功推出第1代Prius-全球首款搭載Hybrid系統的量產車，開啟了量產化Hybrid車款的歷史新頁。而再經過多年的努力，今日 Toyota集團是Hybrid油電混合動力汽車領域的領導者，至今全球銷售出的450萬輛Hybrid車款中約350萬輛掛著Toyota與Lexus廠徽，佔77.8%。 Toyota在歐洲地區的形象廣告，以人和地球自然環境的和諧相處為訴求。在具體做法上，Toyota集團10餘年來銷售全球多達350萬輛Hybrid混合動力車款，所減少的廢氣汙染相當可觀。 Toyota投入Hybrid技術的研發已超過40年歷史， 不過，Toyota在90年代體認到電動汽車的發展，面臨到的關鍵技術問題並不在汽車廠本身，而是電池技術。因為電池技術方面一直沒有重大突破，電池重量與續航力都牽制了電動車發展的可能性。於是Toyota認清現實，改以Hybrid油電混合動力車型作為研發重心，因為這是在現有汽車架構下，更動最少、最具體可行卻又能快速看到成效的做法。

15 六.混合動力未來可能發展的方向或展望 能源短缺已是全球性的問題，因應節能與環保的訴求，純電動車是世界公認兼具環保與能源效益的最佳交通工具，隨著環保法規日趨嚴峻及綠能科技之崛起，節能車輛開發已成為全球國際車廠必然趨勢。而電動車由於受限於電池系統之性能，因此油電混合車成為目前節能車款主流。 車輛之電動動力比重不斷提升，為油電混合動力車的發展趨勢，如各大車廠研發之下一代油電混合動力車--插電式油電混合動力，在一般消費者最常使用之市區行駛時，是以全電動模式運行，幾乎可不必使用引擎動力，甚至有的車種引擎只用來發電供電動馬達，以全電動行駛。而研發中之混合動力概念車，更大幅提升電動比例，除了石油外，使用天然氣、生質能源、太陽能、醇類以及各種來源的氫氣等來轉換為電能，最終是以最環保之全電動車為目標。   而在電能之轉換與儲存設備成熟之前，估計至少未來幾年內，油電混合動力車將仍是各大車廠量產潔淨車輛之主流。  

16 七.結論 混合動力汽車的優點 採用混合動力後可按平均需用的功率來確定內燃機的最大功率，此時處於油耗低、污染少的最優工況下工作。需要大功率內燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富餘的功率可發電給電池充電，由於內燃機可持續工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣，沒有續航力不足問題。 因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。 在市區，可關停內燃機，由電池單獨驅動，有效節省燃料消耗，減低空氣污染實現"零"排放。 有了內燃機可以十分方便地解決耗能大的空調、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。 可以利用現有的加油站加油，不必再投資。 需用的電瓶容量較電動車小，(重量約為電動車的 1/5~1/10)，充電狀態的管理較為容易，可讓電池保持在良好的工作狀態，不發生過充、過放，沒有充電耗時及充電設備不足的問題，延長其使用壽命，降低成本。 混合動力汽車的缺點 混合動力系統構成複雜，維修困難。 價格較純汽油車昂貴。 相較於電動車，仍有廢氣排放的問題。 電池的壽命受限。

17 八、參考資料