1-4 研究架構與步驟
本研究針對混合動力系統之特性進行分析與探討，研究首先對混合動力系 統各元件做特性分析，接著由動力耦合觀點對系統做分類。接著研究使用車輛 模擬軟體 ADVISOR 分析各類系統之效率並比較其差異。研究最後分析評估新 型混合動力系統，以下為研究各章之內容大綱：
第一章 緒論
介紹本研究之研究背景、文獻回顧、動機與目的，並說明研究架構與步驟 第二章 理論基礎
首先解釋機械耦合器的類型與原理，接著介紹本研究使用之功能動力圖表 示方法，最後解釋車輛動力學。
第三章 混合動力系統特性分析
討論混合動力系統基本概念與操作模式，分析混合系統之動力元件、系統 負載與耦合機構。接著討論動力元件與系統負載間關係，最後以此關係進行混 合動力系統分類。
第四章 混合動力系統效率分析
介紹模擬分析所使用工具並配置所要模擬之系統。研究系統耦合效率，以 三個部分來進行研究，分別為引擎效率、傳動效率以及能油耗表現，比較不同 耦合方式之動力系統特性差異。
第五章 新型混合動力系統分析與模擬
利用前章分析方法分析一新型混合動力系統，並使用程式模擬此系統動力 元件的表現。
第六章 結論與建議
本研究之研究成果，與未來可繼續研究之方向
8
第二章 理論基礎
本章介紹研究的理論基礎，內容主要分為四個部分。第一部分介紹機械耦 合器。第二部分介紹功能動力圖。第三部份介紹車輛動力學。
2-1 機械耦合器類型與原理分析
Ehsani[6]將混合動力系統中將多個機械能來源相互耦合的裝置稱為機械耦 合器(Mechanical Coupling)，機械耦合器可以將多個輸入的機械能來源耦合為單 一輸出，同樣的也可以將單一機械能輸入分為多個輸出，根據能量的流向機械 耦合器可以有不同的功能，然而機械耦合器必須至少有一個輸入端以及一個輸 出端。機械耦合器在混合動力系統中可以將引擎輸出的動力與馬達輸出的動力 加以耦合。混合動力系統中的機械耦合器分為兩種，「扭力耦合器(Torque Coupling)」以及「轉速耦合器(Speed Coupling)」。
2-1-1
扭力耦合器扭力耦合器使用扭力疊加的方式來耦合動力源，圖 2-1 為扭力耦合器示意 圖，此扭力耦合器共有三個端口，端口 1 為固定的動力輸入轉速與扭力，扭力 耦合器使扭力耦合器三端的扭力呈疊加關係如(2.1)式所示，而扭力耦合器三端 之轉速則呈固定比例關係如(2.2)式所示。以上關係是皆假設忽略扭力耦合器中 的能量耗損。其中
k
1及k
2為扭力耦合器參數，根據扭力耦合器結構決定其數 值。圖 2-1 扭力耦合器示意圖
9
10
損。其中
k
1及k
2為轉速耦合參數，根據不同轉速耦合器結構決定其的數值。轉速耦合器
1, 1
T
2, 2
T T
3,
3端口三 端口一
端口二
圖 2-3 轉速耦合器示意圖
1 1 2 2 3
k k
(2.3)1 2
3
1 2
T T
k k T
(2.4)廣義行星齒輪系統為常見的轉速耦合器，圖 2-4 為行星齒輪系(Planetary Gear Set)、差速齒輪系(Differential Gear Set)。
(a)行星齒輪系 (b)差速器
圖 2-4 常見轉速耦合器
以下推導行星齒輪扭力與轉速關係，圖 2-5 為使用行星齒輪作為轉速耦合 器行星齒輪組之太陽輪(sun gear)、環齒輪(ring gear)及行星架(carrier)標號分別為 s,r,c，
R R
s,
r為太陽輪與環齒輪半徑，太陽齒、環齒輪以及行星架之轉速為正方 向如箭頭所標示，此為轉速耦合器其轉速呈疊加關係而扭力成固定比例關係。11
12
2-2 功能動力圖
本研究所使用之圖畫表示法為「功能動力圖」(function-power graph)，是由 江承舜、邵彥翔以及陳羿名[17-19]所提出並發展。功能動力圖可以明確的呈現 機械系統內包含的元件，以及系統內元件連接的方式，如此可以清楚地了解到 各元件間的交互關係與動力流動。
2-2-1 功能動力圖元件介紹
1. 動力元件 (Power unit)
動力元件為提供系統動力輸入、輸出及儲存之元件，其中有引擎 (Internal combustion engine，符號代表 ICE)為動力輸出元件，電動機(Motor/Generator，
符號代表 MG)可做為動力的輸入或輸出。動力元件必須至於線段的末端且只允 許與一個其他元件連結。
表 2.1 動力元件圖示
名稱 圖示
動力元件 PU
引擎 ICE
電動機
MG
馬達 M
發電機 G
輪胎 W
輸出 OUT
系統負載 Load
13
2. 傳動元件
傳動元件為改變轉速與扭力比例的元件，包含齒輪組、鍊條、皮帶、變速 箱、無段變速器等等單一輸入與輸出的元件，傳動元件必須與兩條連接線連 接。
表 2.2 傳動元件圖示
名稱 圖示
傳動元件 T
齒輪 G 自動變速箱 AT 手動變速箱 MT
無段變速器 CVT 3. 煞車、離合器元件
離合器的兩端與連接線相接，操作時可以連接或切斷線段的連接。煞車元件 一端接於線段，當煞車做動時限制連接線段上的元件接地。
表 2.3 煞車、離合器元件圖示
名稱 圖示 解釋
離合器
C
連接或切斷狀態
煞車單元 B 接合或切斷狀態
4. 轉速耦合器元件(Speed Coupler)
多自由度轉速耦合器元件常見於傳動系統。雙自由度元件以三角形表示，三 個角分別以連接線段連接其他功能動力圖元件。最常見的雙自由度元件為行星
14
15
表 2.5 連接線段與扭力耦合器圖示
名稱 圖示 解釋
連接線段 傳遞動力
耦合點 扭力耦合器
2-2-2 功能動力圖表示車輛傳動系統
使用功能動力圖可以簡潔明瞭的表示車輛傳動系統，圖 2-6 為 Toyota Prius 使用之 THS(Toyota Hybrid System)混合動力系統，其中有兩個電動機與一個引 擎，並有行星齒輪組作為動力分配裝置(Power Split Device)。
圖 2-6 THS 混合動力系統
THS 混合動力系統動力元件為一個引擎以及兩個馬達，使用前一節介紹之 功能動力圖動力元件表示方法繪製，行星齒輪組為功能動力圖之轉速耦合器，
引擎與電機一分別與與行星齒輪組行星架與太陽齒相接，使用連接線段相接並 在元件標示行星架與太陽齒位置。電機二與行星齒輪組外齒輪相接，兩者為扭 力耦合關係，使用連接線段與扭力耦合器點連接兩者。耦合後之動力透過齒輪 連接輸出，使用功能動力圖傳動元件以及動力元件之輸出繪製並用連接線段連 接。繪製完成之 THS 混合動力系統功能動力圖如圖 2-7 所示。
16 ICE
MG1
r c
s PG 2DOF
MG2
G OUT
圖 2-7 THS 混合動力系統功能動力圖
2-3 車輛動力學
車輛在行駛時必須克服行車阻力讓車輛前進，行車阻力分別為滾動阻力、
空氣阻力以及爬坡阻力，其代號分別為
R
r、R
a、R
g。圖 2-8 為驅動力與行車 阻力作用在一雙軸車輛的自由體圖。以下將分別介紹當車輛以速度V
直線前進 於角速
的斜坡上的滾動阻力、空氣阻力以及爬坡阻力。圖 2-8 行車阻力自由體圖
1. 滾動阻力(Rolling resistance，
R
r)R
r mg cos f
r (2.8)滾動阻力為車輛前進時，輪胎與地面磨擦與變形產生的能量消耗。其中
m
為車重，
g
為重力加速度，f
r為滾動摩擦係數。本研究假設滾動摩擦係數為常 數。不隨車速、溫度以及胎壓改變。17
2. 空氣阻力(Aerodynamic resistance，
R
a)2 a
1 2 d f
R
C A V (2.9)空氣阻力為車輛表面與空氣產生黏滯、壓力不平均等關係造成。不同的車 輛外型與表面有不同的空氣阻力，
為空氣密度C
d為風阻係數，A
f為車輛正 投影面積。3. 爬坡阻力(Grade resistance，
R
g)g
sin
R mg
(2.10)爬坡阻力為當車輛行駛於坡度路面時，必須克服的重力的水平分量力，其 中
m
為車重，g
為重力加速度，
為坡度傾斜角度。動力系統輸出的曳引力(tractive effort，
F
t)在扣除行車阻力後為車輛行駛的 驅動力(tractive force)，當曳引力等於行車阻力時，車輛維持等速。而當曳引力 大於行車阻力時，車輛為加速運動。當曳引力小於行車阻力時，車輛做減速運 動。t a r g
mdV ma F R R R
dt (2.11)
= + + +
t a r g
F R R R ma
(2.12)18
第三章 混合動力系統特性分析
本章節探討混合動力系統之複數動力源如何經過耦合機構耦合後滿足系統 之負載，並針對混合動力系統各部份做介紹分析。首先介紹混合動力系統以及 其可達成之操作模式，系統負載的類型與特性，接著分析不同構型之混合動力 系統，接著分析動力元件參數與系統負載之關係。
3-1 混合動力系統基本概念
混合動力系統是指由兩個以上之動力來源(power source)產生動力之系統，
例如油電混合車使用引擎與馬達為動力來源。圖 3-1 為混合動力系統概念圖，
概念圖中呈現單向流動之傳動鍊與動力雙向流動之傳動鍊，概念圖中的傳動鍊 數量可依照動力元件數量再做增加。
常見之動力單向流動傳動鏈為引擎傳動練以及燃料電池，燃油在引擎內爆 炸燃燒轉化為機械能或透過發電機轉化為電能，此轉化為不可逆反應。燃料電 池透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，將燃料中的化學能轉化為電能。常 見雙向流動傳動鏈如電機傳動鏈，電池內電能透過電機轉化為機械能，透過反 轉電機可以將機械能在轉化為電能儲存於電池中。
耦合機構功能為將多個動力源與系統負載間相互耦合，混合動力系統之耦 合機構由機械耦合器、離合器以及煞車單元所組成，機械耦合器如 2-1 節介紹 又可分為轉速耦合器與扭力耦合器。系統負載為系統必須滿足之動力需求，如 車輛行駛於路面時需滿足車輛速度與加速度需求。
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20
21
22
表 3.2 操作模式
編號 操作模式
A 引擎輸出動力至負載 B 馬達輸出動力至負載
C 引擎與馬達輸出動力至負載 D 引擎輸出至負載與電池 E 引擎輸出至電池
F 引擎輸出至電池，馬達輸出至負載 G 負載輸出至電池
3-2-3 耦合機構有效性
耦合機構內可能包含了多個可操作元件，如離合器、行星齒輪端的煞車接 地，然而並不是所有元件的操作狀態都可以形成有效的操作模式。當一個耦合 機構擁有許多可操作的元件，但只有少數操作狀態可以形成操作模式，其耦合 機構有效性低。而設計良好的耦合機構在配置操作元件時能避免形成無效的操 作，並且盡可能達成多種操作模式。耦合機構有效性評估可形成操作模式的元 件操作狀態佔所有可能的操作方式的百分比，其計算公式如式(3.2)，對於沒有
耦合機構內可能包含了多個可操作元件，如離合器、行星齒輪端的煞車接 地，然而並不是所有元件的操作狀態都可以形成有效的操作模式。當一個耦合 機構擁有許多可操作的元件，但只有少數操作狀態可以形成操作模式，其耦合 機構有效性低。而設計良好的耦合機構在配置操作元件時能避免形成無效的操 作，並且盡可能達成多種操作模式。耦合機構有效性評估可形成操作模式的元 件操作狀態佔所有可能的操作方式的百分比，其計算公式如式(3.2)，對於沒有