空氣／電動混合動力車之系統設計與展望

▓撰文／圖片提供：洪翊軒

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。但是如果考慮零排放污染與電池成本，高壓空氣導入實車動力系統，是否可成為未來節能車輛思考之新方向，本文將介紹如下。

節能車輛背景介紹

目前國際車廠，包含GM、Ford、Toyota、Honda等汽車製造商，無不把節能車輛做為未來10至20年之主力車種，而大幅投入資源進行設計研發。舉例而言，生質燃油引擎車、鋰電池／鎳氫電池電動車、油電混合車、燃料電池電動車等車款皆有相當之研究成果；雛型車與量產車亦紛紛出籠。而政府與法人機構之配套措施諸如：降低進口關稅與貨物稅、購車補助、測試法規與安全認證制定、充電站設立等措施，皆有利於加速節能車款量產之可能性。現階段而言，油電混合車已成為各車廠在節能車輛兵家必爭之地。透過電動馬達在低速之零污染與高扭力（加速性）、引擎在中高車速之高續航力、混合動力輸出之節能效益，油電混合車可較一般傳統車輛具有更高之輸出表現及傑出之油耗表現，Toyota Prius與Honda Insight為兩款市售車之代表。然為了實現「零碳都市」的夢想，純電動車之推出亦刻不容緩。電動車具有零排放、零油耗、能量可回充之優點，然因電池能量密度仍低，因此整車續航里程與加速性受限；加上充電時間長、充電站需廣泛設置，因此，專家預期15至20年後方可普遍。

空氣／電動混合動力系統概念

複合動力概念已廣泛應用於節能車款；利用兩種動力（電動）源在不同操作區間之優勢，相互透過系統設計與能量控管兩種管道，將整車輸出性能最佳化。考慮油電混合車仍需排放油耗及電動車之電池性能受阻，因此，氣電混合動力車之概念因應而生。空氣動力為目前正在發展之節能技術，首先由印度TATA汽車公司引進法國MDI的空氣壓縮動力技術，開發出空氣動力版之TATA Nano並準備量產。透過高壓空氣灌入車內鋼瓶中，高壓能量可藉由推動新型空氣引擎之活塞，而將空氣動力轉換為驅動力進而推動車體前進；然由於空氣動力具有流體特性，因此瞬態反應較慢。換句話說，當駕駛者重踩油門時，空氣動力無法馬上提供足夠之加速性；再者，高壓空氣釋放完後，並無法如電動車般在煞車時將能量回收，因此續航力亦無法提升。

而電動車所推動之電動馬達具有低速高扭力及能量可回收之優點，因此可補足空氣動力之上述兩項缺點。然電池造價昂貴且重量過重，因此，仍需要第二動力源之補足。因此，本文萃取兩種動力源之優勢，透過系統設計與能量控管，建置氣電混合動力車之實體。

氣電混合動力系統架構

氣電混合動力系統之架構，上方為氣體動力。由儲存壓縮空氣之高壓鋼瓶提供能量；後端之SV為可控電磁閥，藉由電磁閥之開關，決定提供輸出氣體能量之大小。氣體輸出後將灌入空氣馬達中，空氣馬達可分為葉片式、渦捲式等，透過氣體動力，可推動馬達之內部機構，將能量轉換為轉動機械功，進而驅動後軸之車輪。而電動之部分，主要透過二次電池（鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池）與功率元件驅動電動馬達，進而推動前輪。而整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）主要可對於馬達轉矩、電池能量控管與氣體動力的電磁閥開度進行控制。如此架構可實現氣電混合動力輸出。

氣電混合動力系統效益分析

一般分析節能車輛之效益，是透過Well-to-Wheel（能源製造端至輪胎動力輸出）進行評估。在設計氣電混合系統之前，須評估此款車輛在節能效益上是否有所提升。比較氣電混合車與傳統引擎車、油電混合車之Well-to-Wheel後發現，各可改善60％及15％之效率。另外，若以1輛1千公斤小車為載具平台，當由純電池系統改變為氣電混合系統（電池系統降為原來之50％），並維持續航力不變的情形下，經過模擬軟體評估計算後發現：動力系統部分可節省22％的重量，因此可提升整車加速性；動力系統成本更可節省36％，主要是由於氣動系統之成本較電動系統便宜。但所占之空間評估會較原電動系統大14％，這是因為高壓鋼瓶體積較大所致。由上述之分析，氣電混合動力車之實作合理性，因此確立。

氣電混合動力系統零組件選配

學校單位開發新型車款，由於受限於經費與人力，較難以實車進行改裝。因此研究平台製作方式以市售之遙控車進行改裝。首先，由整車之性能，藉由模擬軟體分析，訂出次系統之規格，接著便由網站、商家等通路進行零件選配。由圖1可知，零組件可分為電動次系統與氣動次系統；電動次系統選配包含直流無刷馬達、電池模組、馬達驅控器；氣動系統部分包含空氣馬達、高壓鋼瓶與氣體閥門的部分。藉由選配之元件，在購買之模型車上進行實配，以瞭解各零件是否會有干擾之現象。 　　

氣電混合動力系統實車研發

在空氣／電動混合動力實車配置上，可觀察出靠近前輪之部分為電動系統，以及整車控制器。整車控制器VCU可接收遙控車之無線油門命令，進行氣動閥門之開關。在無線遙控器上加裝光遮斷器，因此當油門較深時，光遮斷器接收到訊號，便會傳訊息給VCU，VCU便會對氣閥進行開啟動作。後輪區域之零組件即為氣動部分，包含鋼瓶、電磁閥及氣動馬達。如此之匹配，可有效在操作遙控中，讓其運行於低油門之純電動模式與中高油門之氣電混合模式。

氣電混合動力系統未來展望

氣電混合動力系統之市場競爭力，來源有二：

一、依照Oliver Wyman Group顧問公司所做之評估，電動車之市占率在15年後可占3％之全球市場；然因為電池與充電器的限制，氣電混合動力系統可比電動車提早進入市場，卻同時達到零排碳車輛之目標。

二、依據McKinsey ＆ Company公司所做之預估，油電混合車市場在2020年可占20％以上之市占率。然此款空氣動力系統，在提升鋼瓶之續壓後（間接提升續航力），亦可輕易取代石油燃料之引擎，占據部分複合動力車之市場。因此，可預估氣電混合動力系統，未來將在節能動力市場，占有一席之地。

表1為氣電混合系統之SWOT分析。其所具有之優勢主要為低成本，且可將氣動系統輕易移植至純電動車中；另外，能量補充選擇也較純電動車多元，未來政府可開發複合式充電／充氣站或電池／氣瓶交換站。而零碳排放也是一個重要的推行要素。較其他節能車輛弱勢之處為動力系統所占空間較為龐大，可能壓縮其他零組件之擺放或散熱效益；而系統也較純電動複雜；而氣動之響應速度較慢，因此較難期待駕駛者重踩油門時之加速感。而機會部分，主要與政府環保政策擬定與補助、車廠大力投入、民眾對於複合動力系統之接受度日益增高有關，配合既有之氣動技術，可快速將此款車推行上市。然而，所面臨到之威脅主要為油電混合車在氣體壓縮技術仍未成熟前，可能仍具有較高續航力，同時加油也較為方便；另外由於車用氣動系統為新興動力，因此公部門在制定測試法規與安全規章時，需要較為冗長時間，間接影響量產車上路時程。

總而言之，氣電混合動力車之研製與評估，無疑是提供消費者另一個節能車輛的新選擇，在零排放、低技術門檻、低成本等各項因素加持下，相信未來此種複合動力系統將會對節能車款市場進行一定衝擊。（作者任職於國立台灣師範大學工業教育系／資料參考：裕隆日產創新風雲賞報告）