第一章 緒論
1.1 前言與研究動機
隨著科技不斷的進步，人們居住環境嚴重遭受汙染。目前各國探討重要議題 皆為，如何有效減少碳排放量減少地球汙染，國際「京都協議書」於 2005 年 2 月生效[1]，低 CO2排放車輛發展早已成為未來車輛發展主要驅動力之一，顯現 的環保在國際間的重要性，這也是台灣能源政策與綠能科技發展的關鍵因素，同 時，內燃機所依賴的石油也逐漸開採殆盡，不得不採取替代能源的方案，因此有 關於綠色動力能源研究是目前國際研發單位所關注的焦點。
全球暖化現象日趨嚴重與對應之環保法規日益嚴苛，車用動力能源皆採用綠 色能源低(零)排碳量，綠色能源已逐漸成為全國推動能源之首要重點。所謂綠能 (Green power source) 包含：生質能、太陽能、氫能、高壓空氣能、電能等均逐步 成為新一代潔淨能源代表。臺灣在 2008 年所提出之「能源國家型科技計畫」及
「新兆元能源產業旗艦計畫」中，已將氫能與燃料電池產業列為主要推動項目。
2009 年行政院經濟建設委員會，推動鼓勵使用電動機車[2]。由此可證政府相關 單位已積極投入綠能產業的發展。
綠能產業快速發展之下未能獲得普及化的回應，問題在於綠能供給不足，在 目前政府推動下，已有超商提供電動車輛鋰電池交換使用服務，另有在便利超商、
加油站、停車場等，建置電動車輛電池充電站，以提供使用者電動車輛充電服務，
解決電動車輛續航力不足之問題。綠色能源補充機制，在近十年來，已有許多的 突破性與研究結果，電動車輛電池為主要代表。此外仍有許多綠色能源需要被重 視與供給補充，本次研究以電能、高壓空氣能、氫氣能作為能量補充系統設計機 制，可供給綠色能源車輛之使用，提升綠色能源快速充填及綠能車輛廣泛被受大 眾接受。
鋰電池技術於近 10 年已成為大眾所應用，電容量越大之鋰電池體積則相對
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較大、較重，驅使電動車輛續航力增加，電池體積必變大變重，礙於技術突破限 制，氫燃料電池已被應用於車輛主要動力能源，氫燃料電池僅需氫氣與氧氣的化 學反應，即可產生電力推動車輛，反應後只產生水與熱，鋰電池與燃料電池在相 同功率下，燃料電池體積僅有鋰電池一半體積。
電動車輛能源補充機制，已有相關研發單位紛紛投入相關研究，充電站架設 不單單只向電力公司購買電能架設微電網，提供充電站電力需求，如能做更有效 的電能回收，減少車輛使用中不必要電能消耗，更能使電動車輛續航力提升[3]。
公共快速充電站的架設，提供電動車輛停靠充電。為達到減少消費者等候充電時 間，推廣出電池交換站的概念實施[4,5]，更顯現研發單位積極投入改善電動車未 能普及化的問題，如何達到更有效的能源補充機制便是本研究致力探討設計重點。
空氣動力技術，早在工業時代已被廣泛使用在壓縮空氣工具上，印度 TATA 公司研發 Nano 純空氣引擎車，以壓縮空氣推動汽缸產生動力，車輛不須馬達、
內燃機引擎及電池等，系統架構中只有空氣引擎，行駛中零排放任何汙染物，國 內中央大學研發空氣機車，臺灣師範大學研發電動複合空氣電動車輛，空氣技術 已被應用在於綠能車輛。未來能源補充將會是政府單位致力推動重點之一。綠能 車輛發展迅速，對應能源補充之重要，建置有效能源補充規劃系統是相當重要。
未來必能提升綠能車輛產業，本研究是一項具有發展潛力及研究探討價值之新興 科技。
壓縮空氣在工業時代已被廣泛應用，現今已有許多氣動工具產品備受大眾使 用，述說著壓縮空氣技術純熟。於 1991 年法國工程師 Guy Negre 設計汽油及壓 縮空氣並用的雙能源引擎，在 1996 年義大利工程師 Di Pietro 投入壓縮空氣引擎 研究，設計出一款只需 1 psi 氣壓即可驅動引擎-「迴轉式壓縮空氣引擎」[6]。國 內中央大學機械系研發「空氣壓縮機車」，一台車約 60 kg 加裝一個 10 L 氣瓶最 遠能跑 1 km，擴充氣瓶後時速最高可達 30 km[7]。許多研究證實，空氣動力已能 應用驅動大眾目前所使用交通工具，空氣綠能動力車輛如何達到有效充填機制為
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本研究探討重點。
氫能源應用於綠色動力車輛上，氫氣主要提供質子交換模燃料電池(PEMFC) 作為主要能源，燃料電池的反應物為氫氣與空氣中的氧氣，生成物只有純水、直 流電流及廢熱，目前直流電流即是驅動車輛最主要動力，是為零污染綠色動力車 輛能源之一。燃料電池已廣泛融入學術領域教學中，有氫燃料電池教具車、燃料 電池平台等。產業界有亞太燃料電池投入大量資源開發氫能源車輛[8]。氫能源被 應用於複合動力車輛，氫能源燃料電池與超級電容結合開發複合動力車輛，超電 容提供爬坡、極加速馬力輸出，燃料電池提供車輛動力驅動[9]。證實氫能源時代 即將來臨，面對氫能源的發展，提供消費者一套氫能源補充系統勢必重要，本研 究將建置氫能源補充機制達到氫能源車輛氫氣充填/更換。
在現今，綠色動力能源已經被廣泛運用在車輛動力上。綠色能源包含：生質 能、太陽能、氫能、高壓空氣能、電能等，均逐步成為新一代潔淨能源主要代 表，綠色能源具有高操作效率和零汙染的特色[10]。然而對應至後端動力輸出儲 能部分可分為：生質柴油引擎、大功率驅動馬達、燃料電池、鋰電池、超級電容 器及空氣馬達等。多元的綠色能源、儲能系統需要建構有系統架構的能源補充機 制，才能提供綠能車輛能源補充，舉例而言，現今電動充電站架設密集度，將會 影響消費者購買意願以及車輛可行駛之距離，而氫氣補充站之架設將會影響消費 者選購燃料電池車與發展。高壓壓縮空氣充填架設密度，則會影響消費者使用空 氣車輛的選擇與日後發展。因此，能源補充站之設置，對於綠能先進車輛發展是 不可缺少之研發必備建置。
本研究主要設計一套創新的車用多重能源補充站系統，採用一站提供三種綠 色能源補充機制，三種綠色能源包含：電能、高壓空氣能及氫能；透過此方式達 到一站提供多能源補充，在每個據點所架設能源補充站即可擁有電能、高壓空氣 能及氫能補充，此研究設計概念可減少單一能源補充站據點設立建置，透過此研 究可減少補充站設立成本開發，既能改善綠能車輛能源補充不足之問題，對於綠
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能車輛將會是唯一重大突破與貢獻。
1.2 研究目的
本論文之研究具體目的如下所述：
1. 建置綠能車用多能源補充站系統架構。
2. 建置綠能車用多能源補充站系統之機電整合。
3. 針對電能補充系統設計快速充電、一般充電及鋰電池交換機制。
4. 針對高壓壓縮空氣能源補充設置高壓充填及鋼瓶交換機制。
5. 針對氫氣能源補充站設置高壓儲氫及電解產氫充填及儲氫合金罐交換 機制。
6. 針對綠能車用多能源補充站能源充填之實車驗證。
1.3 研究方法
本論文採用文獻探討、理論分析與實驗研究等三種方式進行研究。主要分為 多能源補充站硬體建置、機電整合與能源補充控制設計進行研究探討。在能源填 充部分參考文獻探討分析目前能源應用趨勢，不同能源在車輛應用與補充站建置 密度影響綠能車輛之推廣關係，從中選取當務之急必備補充之能源種類。在實務 應用研究方面，透過實驗驗證來進行能源補充效益，於車輛多能源控制系統進行 測試與可行性評估。其研究架構如圖1.1。
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綠能車用多能源補充站系統設計與實驗驗證
理論分析與閱讀文獻
系統架構設計繪製
系統配置機電整合
系統測試
1.機電控制測試 2.充電測試
3.高壓空氣充填測試 4.氫氣充填測試
能源充填
結果與討論
結論 系統元件收尋
補充站元件購置、建置 充電、充氣、充氫
補充站主體製作
電壓、電流顯示器 電磁閥、高壓鋼瓶 壓力、流量顯示器
1.鋰電池充電 2.高壓空氣充填 3.氫氣充填
圖1.1 綠能車用多能源補充站系統設計與實驗驗證研究架構圖
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1.4 研究架構
本論文概分為六章節進行著述，各章內容架構敘述如下：
第一章 緒論：敘述本研究之前言、研究動機、研究目的、研究方法、論文 架構以及文獻回顧。
第二章 電能補充站設計：系統架構設計、系統規格機電整合、充電系統配