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「混」出一片天──油電混合動力系統之多元應用與發展

2005/06/05 經濟部能源局 點閱人次: 769

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▓撰文:黃靖雄

油電混合動力車兼採內燃機(引擎)及電動馬達之優點,並彌補各自之缺點,亦能有效減少油耗及污染,為目前從石油燃料汽車過渡到未來氫燃料汽車的最佳選擇。而未來在內燃機汽車逐漸減少之際,燃料電池汽車亦將快速增加。

京都議定書自2005年2月16日起正式生效,此項帶有國際貿易制裁壓力的世界公約,將對台灣形成一定的壓力;而高達98%的進口能源依賴度,促使我國必須積極尋找可替代且能循環利用之淨潔能源,因此逐漸增加使用氫能源以取代碳能源的比重是必然的趨勢。

油電混合車種類

油電混合動力車(Hybrid Electric Vehicle,HEV)是利用兩種不同的動力來驅動車輛,其中一種動力為馬達,另一種則視各車廠而有所不同,大致上為汽油引擎、柴油引擎、燃氣渦輪機等。目前已經實用化的HEV系統包括:並聯式(Parallel Hybrid)、串聯式(Series Hybrid)、THS、IMA等系統。

一、並聯式混合動力系統
並聯式複合動力車是將引擎的驅動力做分配,可直接驅動車輛及經過發電以電能形式驅動馬達再驅動車輛,依據不同的行車狀況,做最佳組合來使車輛行駛。其優點是有更大的動力,因為引擎與馬達可同時驅動車輛,而且發電機可與馬達結合;缺點為須加裝一動力分配器。

二、串聯式混合動力系統
引擎直接帶動發電機以進行高效發電,由馬達單獨驅動車輛,引擎在相對穩定的狀態下工作。其優點為結構簡單、控制較容易,缺點為馬達的負載較大,體積、重量也相對增加,較適合大型車輛使用。

三、THS(Toyota Hybrid System)
豐田所研發的混合動力系統,結合汽油引擎與電動馬達來驅動車輛,其動力系統的連接動作完全是由電腦做連續性的監控,在引擎、發電機和電動馬達之間根據駕駛者的不同需求自動做出調整改變。豐田Prius於1997年12月在世界上以首輛量產混合動力車領先開始銷售。

四、Honda IMA(Integrated Motor Assist)系統
本田混合動力車Insight採用本田整合馬達輔助高效率汽油引擎之IMA系統,加新輕型鋁製車體與煞車動能回收技術,實現每公升跑35公里之油耗性能。高效率引擎節省30%、IMA技術節省35%、車體重量減輕節省35%之油耗。故此種混合動力系統的構造比較簡單、輕量而小型化。

五、大型車柴油引擎混合動力系統
各國對行駛市區之公共汽車排放空氣污染物的要求相當嚴格,使用柴油引擎混合動力系統為目前實用的解決方案,一般以串聯式油電混合系統為主。為使排氣能符合法規要求,除採用先進之低污染引擎設計、高階電腦引擎管理系統,更使用共軌式(Common Rail Type Injection)超高壓燃油噴射系統,讓柴油的霧化更微細、均勻;採用螺旋進氣道使吸入汽缸之空氣能產生良好之渦流,並透過燃燒室及活塞頂形狀之特殊設計,於壓縮行程末期能產生良好之擠流效應,使柴油微粒與空氣能產生良好混合,使燃燒迅速完全,以減少黑煙等污染物之產生。

此外為節省燃油消費、提升汽車之驅動性能,通常配備有煞車能量回收裝置、大容量電瓶、一次驅動馬達、啟動╱發電兩用電機等新式裝備,由車輛控制裝置(Vehicle Controller)依據行駛狀況及週邊環境情況作最佳之控制。另大耗能之汽車動力轉向系統及空調系統壓縮機改用電力驅動。

燃料電池複合動力車發展概況

燃料電池(Fuel Cell)是21世紀最重要的能源科技之一,是一種清潔的發電裝置,具有能源使用效率高、可靠度強、獨立性高,製造材料簡單及模組化設計方便等特性。目前其技術仍屬於積極創新的階段,不管是零組件材料的開發與應用,還是系統設計之整合與改進,均有相當大幅度之改善空間。同時,燃料電池之運用範圍正在不斷擴大,任何與電池及電力相關之產品,均有可能是燃料電池替代之潛在市場。

燃料電池依其電解質的種類,可分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)、鹼性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)與固態氧化物燃料電池(SOFC)。PEMFC具備高效能、低污染及燃料供應系統較為簡便之特性,使得國際汽車大製造商紛紛進行燃料電池汽車之研究。由於汽車工業對於燃料電池汽車之研發不遺餘力,使得石油公司也開始投入燃料電池所需燃料(氫氣)供應之研究。加州空氣資源署亦成立一個包括汽車公司、石油公司、燃料電池公司、氣體公司、交通公司和政府相關單位組成的「加州燃料電池伙伴關係」(California Fuel Cell Partnership),共同為加速燃料電池汽車商業化而努力。

以豐田汽車公司在燃料電池複合動力車(Fuel Cell Hybrid Vehicle,FCHV)的發展為例,包括:氫吸藏合金箱型的FCHV,該種車型運作後僅排出水,且充填一次氫氣(2kg)可以跑250公里;搭載甲醇改質器的FCHV,該型車擁有與汽油車同等的續航距離(約500公里),且二氧化碳排出量為汽油的一半以下;搭載高壓氫氣罐的FCHV,如豐田FCHV1於2002年12月2日在日本、美國共售出6台,為全球首次商業運轉之燃料電池複合動力車。此外,歐、美、日在市區行駛的巴士,已經有許多使用燃料電池複合動力巴士進行示範運轉,以蒐集各項數據做為大量商業生產之依據。

未來汽車動力的多元化發展

有鑑於國際石油價格的持續高漲,未來汽車動力可因氫燃料之普及供應、燃料多樣化發展等影響,小型汽車將朝純電動車、氫油混合車、氫內燃機車、油電混合車、燃料電池混合車、太陽能車等多樣化發展;汽車電器則由目前的14V系統轉為42V系統。預期未來內燃機汽車將逐漸減少,燃料電池汽車將快速增加。(作者為南開技術學院機械系教授兼技術合作處處長)

<圖說>

圖1:未來汽車動力系統之多元化發展趨勢


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