緒論 - 混合動力系統之耦合分析與評估

第一章緒論

1-1 前言

隨著全球環保意識提升，如何有效利用能源成為各國重要的議題。台灣天然資源缺乏，98%以上能源依靠進口，因此減少車輛能源的消耗更為急迫。現今純電動車被視為最佳的環保能源車輛，其在行駛中無排放廢氣且能量轉換效率高，能有效降低能量消耗與減少都市空氣汙染，然而純電動車推廣與發展受限於電池技術。電池與汽油相比的能量密度低且成本高，純電動車與傳統引擎車相比續航力不足且能量補充不易，因此現今多數車輛仍使用引擎內燃機作為主要動力源。

混合動力車輛能以增加動力源的方式增進車輛效率，油電混合動車以引擎與馬達作為動力來源，使用馬達調節引擎運作，提升引擎能量轉換效率，達到減少能源消耗的效果同時減少廢棄的排放。此外當車輛減速時能透過馬達反轉作為發電機使用回收車輛動能轉化為電能儲存，節省行駛時消耗的能源。混合動力車輛被視為銜接傳統引擎車與純電動車的過渡產品，然而待電池技術或燃料電池技術突破前，混合動力驅動系統是因應能源短缺與環境汙染問題最具可行性的方法。

混合動力驅動系統並不是近期才有發展，例如柴電潛艇使用的柴油引擎與馬達，當航行於水面時使用柴油引擎為便池充電，於水面下時使用馬達安靜潛行。柴電火車也是搭載了柴油引擎與馬達，由柴油引擎提供動力發電來驅動馬達帶動列車。最早出現的混合動力車輛為 1901 年的「Lohner-Porsche」，此車搭配了汽油引擎與馬達，由引擎發電提供能量驅動於前軸的輪轂馬達驅動車輛 [1]。近期因能源消耗的重視使的各車廠研發各類型的混合動力車輛，混合動力

系統趨向多元化發展且構造越來越複雜[2]，系統之構造與特性間的關係不明確，從眾多的混合動力系統中依照系統特性分類是困難的工作，因此本研究由動力元件的耦合方式分析並評估混合動力系統之特性，作為提供混合動力系統配置與設計時做參考。

1-2 文獻回顧

本節整理混合動力驅動系統耦合分析與評估相關文獻，混合動力系統所牽涉之技術層面十分廣，首先整理混合動力驅動系統分類方式，分類方式有以動力混合程度分類與傳動配置分類兩種。接著整理混合動力系統分析與評估方法相關文獻。

1-2-1

混合動力系統分類

混合動力系統擁有許多分類方法，而在研究中最常被使用的為以動力混合程度分類與傳動配置分類。以下依序介紹以混合程度分類與傳動配置分類。

1. 以動力混合程度分類

混合動力車輛依照動力混合程度(hybridization)分類為輕度混合(Micro Hybrid)，中度混合(Mild Hybrid)，重度混合(Full Hybrid or Strong Hybrid)三種 [3]，並以動力系統所能達到的功能作為分類判斷基準。輕度混合使用小功率馬達作為輔助引擎啟動，行駛時引擎單獨驅動車輛，因此只能節省 5%至 10%之油耗。中度混合使用較大馬達，除了輔助引擎啟動外馬達可提供動力輔助與煞車回充功能，可節省 10%以上汽油消耗。重度混動除擁有中度混動之功能外，

在較低車速與電池電量充足時可由馬達單獨驅動車輛，達到零排放行駛的功能，重度混動與中度混動相比可以節省更多油耗。然而以上以功能作為混動程度分界的方式擁有模糊界線，因此 Wu 等以電氣化程度(electrification level)將分類準則[4]，以電池電壓、電池儲存與所能提供功率為電氣化程度分類界線，重新整理各混動程度所能達到之功能與對應的電池電壓，如表 1.1，並加入考慮

純電動車史分類增加至六類，電氣化程度由低至高分別為輕度混合、中度混合、重度混合、插電式混動(Plug-in Hybrid)、增程型電動車(Extended-Range Electric Vehicle)以及純電動車(Pure Electric Vehicle)。

表 1.1 以電子化程度比較油電混合動力系統[4]

2. 以傳動配置分類

混合動力系統從最早期的串聯式與並聯式逐漸發展出更複雜的系統，最早 Chau 與 Wong 以能量管理的觀點，依照動力來源的連接順序與流向將混合動力系統分為四類[5]，串聯式混合(Series hybrid)、並聯式混合(Parallel hybrid)、串並聯式混合(Series-Parallel hybrid)及複雜式混合(Complex hybrid)。隨著傳動系統的演進越趨複雜，使用元件連接方式或動力流向來定義系統種類經常造成混淆，因此 Ehsani 在分類架構圖中增加電能耦合元件與機械能耦合元件[6]，以混合動力系統中電能耦合(electrical coupling)與機械能耦合(mechanical coupling)明確定義系統的分類，其分類架構圖如圖 1-1，各分類說明如下。

串聯式混動系統為最簡單的形式，此架構的分類標準是兩股電能動力在電能耦合器中耦合。元件包含了一個引擎、發電機、馬達及電池，引擎動力只提供發電機發電，發電機產生之電能直接推動驅動馬達或是儲存於電池中。電能耦合器連接了電池、發電機及馬達。

並聯式混動系統的架構特徵是兩股機械能在機械耦合器中耦合。典型的並聯式混動系統動力元件包含了引擎、馬達及電池，引擎提供的動力與馬達提供

的動力在機械耦合器中耦合，兩者可以共同或分別驅動車輛，當電池電量不足時引擎可以於驅動車輛時同時對電池充電。

串並聯式混動系統其架構的特徵是同時擁有電能耦合與機械能耦合器，此動力系統行駛時同時擁有並聯式與串聯式混動系統的特性，其中引擎與馬達共同驅動車輛，而引擎部分動力轉換為電能提供馬達驅動車輛，串並聯式混動結合了串聯式混動及並聯式混動的結構與優點，但同時擁有較高的控制複雜性以及成本。

複雜式混動系統其架構與串並聯式混動相似，兩者間的差異為複雜式混動的發電機同時也可以做為馬達做驅動，動力可經由電機雙向流動，因此動力系統得以切換為串聯式混動、並聯式混動以及串並聯式混動。複雜式混動系統可以根據系統模式切換為串聯式混動系統將引擎動力全轉換為電能驅動馬達，或如並聯式混動力統以引擎與馬達共同驅動車輛，同時也可切換為串並聯式混動力統，將引擎部分動力轉換為電能驅動馬達，如此系統架構有最高的控制複雜度以及成本。

串聯式混動並聯式混動

串並聯式混動複雜式混動

電子連結機械連結液體連結

圖 1-1 混合動力系統分類架構圖[6]

1-2-2

混合動力系統分析

各類混合動力系統之間擁有不同特性，並根據動力系統使用的情境而有不同的表現，以下整理對混合動力系統之混動程度、傳動配置以及行車型態之分析。

1. 混動程度

混動程度比例(hybridization ratio)為混合動力系統重要的特徵，混動程度可用電機動力源佔總動力的比例來表示，其中 Lukic 及 Emadi[7]將使用一個引擎與一個馬達的並聯式混動系統的混動程度以混動因子(hybridization factor)表示，

混動因子的計算方式如式(1.1)。

PEM

HF=P_EM

 P

_ICE ^(1.1)

其中

P

_EM為馬達所能輸出最大功率，

P

_ICE為引擎所能輸出最大功率，接著比較了並聯式油電混合動力其混動程度比例對車輛油耗與性能的關係，發現混動程度比例大於某一數值後油耗與性能不再隨著比例上升而改善，歸納出最佳的混動程度比例為 0.3 到 0.5 間。Holder 及 Gover[8]改變喜統總功率，分析不同總功率下最佳混動比例。Sumdstrom 等[9]比較並聯式混動有無使用離合器使引擎得以和系統分離，分析兩種系統混動程度比例對油耗的影響，使用動態規劃 (dynamic programming)來計算兩種系統之最佳控制策略，並使用八種行車型態的來進行分析比較，最後得到結論有加入離合器之系統與無加入離合器之系統相比有較佳油耗表現，並且在維持相同油耗的情況下可使用較小功率之馬達。

2. 傳動配置

混合動力系統傳動配置比較方面的研究，Finesso 等[10]提出三種並聯式混合動力系統，發展即時最佳化控制策略，比較三者成本與油耗之差異。Millo 等 [11]針對中型車輛比較了六種傳動配置的排放與油耗，並且比較使用柴油引擎

與汽油引擎的差異。Wang 等[12]比較了四種傳動配置在成本、溫室氣體排放以及能量效率的差異。在系統動力匹配方面陳盈秀[13]研究車輛動力系統的相互關係，分析相關參數對於系統整體的影響，並進行系統匹配的設計，使動力系統達到最大的輸出效益。

3. 行車型態

行車型態反映車輛的行駛狀況，通常用時間對車速之資料來紀錄，行車型態對動力系統表現有很大的影響，De Haan 及 Keller[14]以有限的行車型態實驗資料來預估車輛於真實路面行駛時的空氣汙染排放，Joumard 等[15]分析行車型態參數變化對車輛排放造成的影響，Jaafar 等[16]將行車型態納入混合動力系設計考量，根據真實行駛狀況最佳化系統設計以提升系統效率。

1-3 研究動機與目的

混合動力系統之動力總成影響動力系統的性能與效率，當進行動力系統設計時動力總成元件配置結構經常是第一項決定的要素，並根據設計選用系統所使用之元件與發展控制策略。然而混合動力系統與傳統傳動系統相比擁有更多的設計變數，因此於設計初期決定配置結構是困難的。如何分析評估動力系統之特性，使動力元件擁有良好的運作，是設計的重要考量條件。

目前混合動力系統相關文獻主要以能量管理的角度依據系統內動力流動方向來進行系統分類與分析，並且在選定特定動力總成結構與固定混合動力系統總動力的情況下討論引擎與馬達混動比例對系統表現的影響，較少從動力耦合

在文檔中混合動力系統之耦合分析與評估 (頁 19-26)

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