油電混合車關鍵技術大解析－以豐田油電混合系統為例(上)：材料世界網

自從全球暖化與二氧化碳排放量掀起了環保議題，到原油價格創下每桶140 美金的天價之後，要同時解決高油價與環保兩大問題的最佳辦法，就是從運輸業著手。因此，各國政府近年來更加積極地透過環保法令的制訂，強制汽車製造商不斷提升各種內燃機載具的燃燒效率與降低廢氣排放量，而逐步朝向Ultimate Eco-car 的目標前進。豐田汽車是少數幾個車商在1990 年初期就開始設定製造Eco-car 為公司永續經營的長遠目標，並真正規劃與投入Eco-car 的發展計畫，經過十餘年的耕耘，開發了現今傲視全球的油電混合系統(TOYOTA Hybrid System; THS)，並在網站上公開許多HEV 的設計原理與研發成果。因此本文將網站上的資訊與筆者目前對電動車的瞭解，針對電動車關鍵技術的零組件與動作原理做更深入的介紹，未來若有機會，也將陸續披露其他車廠的先進技術與研發方向。

不過在介紹THS 之前，筆者認為有必要先對Eco-car 這個名詞多做解釋，瞭解整個Eco-car 的意義與目標。Eco (Ecology)-car表示由整個生態與環境的角度來設計與製造汽車，如圖一所示，顯示從設計階段開始，就必須考慮車子中所有的零組件可以分解與再加工，讓所有資源都可以回收再利用；在生產的階段，所有零組件的製造要能夠達到最少的廢棄物排放量，而使用階段所有消耗品都有完整的回收管道，可以回收再利用，同時使用階段還必須達到最少溫室氣體排放量與最大的燃油效率與傳動效率。最後當汽車報廢後，可以快速地分解與重新轉換為製造材料，作為新車設計的零組件原料。而這整個設計−製造−使用−回收分解等重複利用的循環所製造出的汽車，簡稱Eco-car。

圖一、汽車的生命週期

基於上述的概念，豐田汽車的規劃由目前汽車的種類朝向最終Eco-car 的目標可分為四條路徑出發，分別是1.替代燃料的引擎系統；2.柴油引擎系統；3.汽油引擎系統；4.電力驅動系統四大類，如圖二所示。其實圖二包含了所有汽車未來發展之路與可能性，從替代能源的角度，最快可以實現的就是天然瓦斯車(CNG)，只需要簡單的改裝即可上路，接下來是合成油如E85 、生質油等，最後為替代能源與電力系統的混合動力車。同理，在汽油與柴油引擎方面，則是不斷的改良引擎的噴射系統、點火系統、智慧型可變汽門控制系統等方式改善引擎效率，而純電力驅動系統，則朝向與燃料電池結合的混合動力車(FCHV)。在通往Eco-car 的所有路徑上不難發現，都會通過淺黃色的區塊，而該區塊正是混合動力科技(Hybrid Technology)，不管引擎的種類為何(Fuel Cell, Gasoline, Diesel or Alternative)都將與電力驅動系統做動力混合調配，達到最佳燃料效率、最低溫室氣體排放量與空氣污染的目標。

圖二、朝向Eco-car 的四條路徑

油電混合系統簡介
Automobile Hybrid Systems 的目標是結合兩種動力輸出，像是內燃機與電動馬達，藉由截長補短的組合以達到更高的驅動效率。而所有油電混合車都必須具有以下優勢：1.降低能量損失；2.能量的回收與再利用；3.馬達在加速性能的輔助；3.高效率的操控。目前常見的Hybird 的架構分為以下三種：1.串聯式混合系統 (Series Hybrid System)；2.併聯式混合系統 (Parallel Hybrid System)； 3.串併聯式混合系統 (Series/ Parallel Hybrid System)，詳文請連結至本文。

第二代豐田混合系統(THS II)
THS 系統主要目標當然是提升效率與更大的動力，因而其主要著手方向有三：1.兼具環保與動力性能：為了追求駕駛樂趣與汽車加速與扭力等性能表現，過去汽車的設計都是採用增加引擎馬力或以渦輪增壓等方式來達成，不過此舉也會降低燃料效率並增加污染與溫室氣體排放量，因此車廠在設計車子時必須於性能與燃料效率之間做一取捨，而THS 加入了混合動力的概念後突破了這樣的瓶頸，如圖七所示， Prius 的目標正是追求更高的燃料效率與更優異的加速性能，而目前Prius 已經在燃料效率上有所提升，下一個目標就是提升加速性。

圖七、THS 的長期目標

2.追求最高的燃料效率：滿足各國越來越嚴苛的環保法規，例如：在2005 年就提前達到美國加州法規的局部零污染排放汽車(Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle; ATPZEV)、2004 年就已經符合歐洲五期環保法規，當然，環保法規勢必越來越嚴苛，不管那一個車廠，在接下來的十年在環保法令的限制下必定面臨更多更嚴苛的挑戰。

3.創新的混合動力乘載經驗：圖八顯示了THS 的關鍵技術可分為驅動力、電力與控制三大領域。驅動力部分的關鍵技術是馬達輸出提升了1.5 倍，更高效率汽油引擎，創新的高效率動力分配裝置。電力輸出的提升在於高轉速發電機，高效率的鎳氫電池與高電壓的升壓電路。控制方面則開發出最佳能量管理系統，扭力控制與煞車回充控制。基於以上技術的不斷提升，在環保法規上，朝向最佳燃料效率與超低污染排放量的目標前進，而在動力方面，則朝向優異的加速與超車性能以及靈敏的油門反應。

圖八、THS 的技術發展