（汽車奇聞發表）Hybrid油電混合動力大觀（上） - 汽車討論

近年來台灣汽車市場有幾項重大改變，其一是重新開放柴油動力車款上市，其二就是Hybrid動力車款的導入，兩者都具備傑出的節能與環保功效。放眼國內車壇，最早搶灘者TOYOTA Prius與FORD Escape Hybrid（採用TOYOTA的Hybrid技術），目前Hybrid市場有愈來愈熱鬧的趨勢，如TOYOTA導入三代Prius，之後將再接再厲引進Prius c與Prius Plus-in，高級品牌Lexus旗下Hybrid車款則是全數到齊，CT200h更創下月銷售破百輛的佳績！HONDA不甘示弱，除了既有的Insight之外，近期更引進動感十足的CR-Z，未來不排除導入Civic Hybrid，其他品牌如M-BENZ、BMW等也都有Hybrid車款供消費者選擇。然而Hybrid真的是低污染、低油耗的萬靈丹？以下將就國內現有的Hybrid車型進行動力系統的優劣分析。


Hybrid系統概略可分為串聯式、並聯式、混聯式三種設計，串聯式設計就是「增程車」所採用的架構，以小排氣量引擎驅動發電機，發電機與電池系統供應馬達電力驅動車輪，引擎並沒有直接驅動車輪。目前國內並沒有串聯式Hybrid車型上市，近期將導入國內的車款為AUDI A1 e-tron增程車，因此關於串聯式Hybrid系統將於最後討論，首先來瞧瞧並聯式Hybrid設計。

並聯式設計的定義，就是馬達與引擎可以同時間輸出扭力於輪胎上，目前國內車壇上，最具代表性的並聯式Hybrid車款為HONDA CR-Z，採用1.5L小排氣量汽油引擎，電動馬達直接配置在引擎的飛輪位置，引擎與馬達之間沒有離合器，引擎轉速就等於馬達轉速，搭配手排或CVT無斷變速系統，引擎運轉時，馬達擔任動力輔助地位，一起將扭力輸出至變速箱。

此設計的優點為結構簡單，研發與製造成本較低，減速時，馬達亦能充當發電機，回收減速動能，亦具備怠速自動熄火功能，對於節能亦有不小的貢獻。但缺點是馬達體積小、功率低，僅能擔任動力輔助，不能獨挑大樑，車輛靜止時，無法單靠馬達驅動車身前進，必須啟動引擎一起帶動車體，不能像電動車一樣以純電力行駛數公里。CR-Z僅能在低速、低負荷條件下，以純電能狀態行駛幾秒鐘，在行駛過程中，引擎幾乎都處於運轉狀態。相較下，混聯式設計具備較大的彈性，不但能靠純電力行駛數公里，在低負荷狀態下，引擎可長時間處於熄火狀態，因此論及節能功效與寧靜度表現，CR-Z依然不及採用混聯式設計的TOYOTA Prius。實際駕馭，其實CR-Z開起來的感覺，就像是一部排氣量1.8L的三門掀背車，熱血的排氣聲浪依然存在，絲毫沒有「電動」氣息，與Prius可說是背道而馳，但是在激情之餘，仍可兼顧油耗表現。






Hybrid油電混合動力大觀（中）

本篇將要述說混聯式Hybrid系統，無庸置疑，目前僅有TOYOTA、VW Group、M-BEZN、BMW等少數大規模汽車集團擁有此技術，然而目前價格最平易近人的混聯式Hybrid車款，無疑就是TOYOTA Prius，其重要科技不只在Hybrid系統，其引擎設計更具有與眾不同的獨特性。


Prius在變速箱內安裝兩只電動馬達，再加上Atkinson循環引擎的助力，以及0.25Cd超低風阻外觀，平均油耗達到優異的26.3km/L水準。
話說HONDA CR-Z是一輛「開不出電能感」的運動型Hybrid掀背車，然而HONDA也是針對並聯式Hybrid系統，走出一條節能+性能「中先偏右」的獨特風格，然而Prius則是一輛走左派溫和路線的油電混合動力車，在述說科相關技之前，首先來探討一下何謂混聯式Hybrid（即Full Hybrid系統）。基本上，並聯式架構雖然是引擎與馬達一同將扭力輸出至變速箱，但是在馬達並無法單獨驅動車輛前進達數公里，還是要靠引擎的功率輸出才能正常行駛，混聯式設計則不然，在靜止狀態，Prius可以切換成純電能模式行駛，引擎完全不需要啟動，可以當作純電動車使用，進出室內停車場完全不會排放廢氣，光此優勢就打死並聯式設計！

再者，CR-Z的並聯式設計，馬達與引擎之間沒有變速或離合機構，引擎轉速就是馬達轉速，混聯式設計則不然，馬達與引擎之間不會相互牽制，轉速可以不同步引擎轉速愈高功率愈大，馬達則是以低轉速、大扭力見長，混聯式設計可以發揮兩者的最佳運轉功效，因此在節能方面，並聯式設計始終不是混聯式的對手。然而混聯式設計結構極為複雜，研發單位必須具備獨立研發多檔位自排變速箱的能力，此外還要精通馬達等相關科技，此外再加上高昂的製造成本，因此目前混聯式Hybrid車款相當稀少。

Prius以傳統自排行星齒輪變速箱為基礎，在齒輪組上巧妙地配置大小兩顆電動馬達，小馬達負責啟動引擎與發電，大馬達負責功率輸出與回收減速時的動能（同樣具備發電機功能），變速箱可說是Prius的科技核心。然而在引擎部分，Prius可說是暗藏玄機！一般的汽油引擎都採用「Otto循環」設計，就是基本的進氣→壓縮→點火膨脹→排氣等四個循環，曲軸必須旋轉兩圈才能完成（720度），然而Prius則是採用「Atkinson循環」，運轉方面也是按照上述四個步驟，但是曲軸只要旋轉一圈（360度）即可完成四個行程。此外，在壓縮過程中，藉由進氣端氣門延遲關閉設計，將燃燒室中部分燃油氣體「擠回」進氣歧管，製造膨脹比大於壓縮比的特性，保有高壓縮比+長衝程活塞的特性，加上稀薄燃燒技術的運用，有效提升燃燒效率，但是又不會產生擾人的爆震問題，因此Prius並未藉助缸內直噴科技，已將壓縮比調高為13：1，缸徑×衝程=80.5×88.3mm，引擎運轉效率相當優異。

然而Atkinson循環引擎毫無缺點？答案當然是否定的，否則市售引擎早就全面拋棄Otto循環設計，事實上，Atkinson循環引擎結構不但複雜，且不適合高轉速運作，亦不適合增壓架構等大扭力輸出，僅適合用在Hybrid動力，配合馬達的扭力輸出，以中、低轉速運行，排氣量雖然達到1.8L，比CR-Z還大，但是引擎最大馬力僅有100hp，相當於1.6L引擎。論性能，CR-Z比Prius更富有駕馭樂趣，並非TOYOTA不想在加速方面多所著墨，而是受到結構上的限制。

然而Prius平均油耗表現達到26.3km/L（經濟部能源局實測數據），目前是台灣節能車型第一把交椅，比CR-Z的21km/L更為優異。雖然說Prius破百萬的價格，如果平日行駛里程不夠長，就經濟方面來看依然不划算，然而接單價台幣87萬元的Prius c就具有高度競爭力，油耗表現更勝Prius！因此不論是Prius或是月銷售破百輛的CT200h，在Hybrid節能車型上都只是個開端，未來TOYOTA勢必會將此科技下放到更小的車上，再加上Plug-in的應用，達到真正符合經濟效益的環保車，挾帶混聯式Hybrid+ Atkinson循環引擎科技，面對歐洲的柴油動力Hybrid車型也毫無懼色！


Prius c以台幣87萬元接單價切入國內市場，價格相當具有競爭力，對於經常與車為伍的業務從業人員而言，無疑是生意上的一大幫手。

Prius c排氣量比Prius更小，節能功效更為優異，加上更低廉的價格，上市後的銷售成績引人注目。

Hybrid關鍵科技除了引擎與馬達間的匹配問題外，電池的發展也是重點，待日後加以詳述。






Hybrid油電混合動力大觀（下）

本期將討論串聯式Hybrid系統。所謂的串聯式設計，就是以引擎帶動發電機，發電機與電池系統的電力供給馬達，產生扭力輸出至輪上帶動車身前進，引擎並沒有輸出功率至輪上。不過目前國內還沒有串聯式Hybrid車款上市，近期最可能導入國內市場的車型則是AUDI A1 e-tron。


車體結構沿用一般的A1設計，馬達、電能管理系統位於車頭位置，電池模組置放在車尾與中央位置。
有些讀者可能會很納悶，為何不直接以引擎驅動車輪前進，還要透過能量轉換方式，將汽油的能量轉換成電能後再驅動輪胎，有種「多此一舉」的感受，所以在此要先述說「增程動力」的概念，這也是串聯式Hybrid系統的精義。增程動力基本架構為純電動車，因目前電動車的最大行駛里程都不長，而且必須經過漫長的充電時間才能恢復電池的電力，因此才有在車內配置「微型發電機」的構想，當電池系統的殘存電力無法負擔所需里程時，發電機可以適時介入增加行駛里程。

此發電機所使用的引擎排氣量很小，約莫都在1L以下，最大馬力通常也不超過100hp，不足以推動車身前進，油箱容積也只有一般市售車款的1/2以下，然而目前的科技層面，在於如何縮小微型發電機的體積與重量，避免佔用電池系統配置空間。

以AUDI A1 e-teon為例，全車配置電容量為12kWh的鋰鐵電池模組，搭配最大恆定輸出動力61hp/15.3kgm的電動馬達（瞬間最大輸出動力可達101hp/24.5kgm），0～100km/h可於10.2秒達成，極速可達130km/h以上，加速性能與A1 1.2TFSI汽油引擎車款相近。相當重要的續航力部分，以純電能狀態行駛續航力可達50km以上，加上發電機的輔助後，最大行駛里程可達250km以上。

如果A1 e-tron沒有微型發電機的話，50km的續航力並無法滿足多數消費者的需求，由此可見發電機有多麼關鍵！而250km的行駛里程，不但可以滿足多數消費者一日所需，面對長途駕駛，也可以用加油的方式延伸行駛里程，不需要頻頻充電，實用價值比純電動車更高，因此在電池科技有重大突破前（包括電容量與充電時間），增程動力將會是過渡時期的產品。

A1 e-tron發電機為了達到體小質輕的目標，採用特殊的單轉子引擎，排氣量僅有254c.c.，最大馬力為20hp/5000rpm，曲軸直接連結在發電機的軸心上，如果採用傳統四行程往覆式引擎，體積可能會增加一倍以上！不過A1 e-tron仍屬於短途通勤車，油箱容量僅有12L，原廠並沒有為長途行駛設想。未來導入國內後，從台北開至高雄，中途至少需要加油一次，而且還要保佑不要遇到塞車。如果作為通勤使用，如果沒有天天充電，可能要面臨二天加一次油的麻煩問題，加上高昂的車價，目前這樣的串聯式Hybrid車款並沒有很大的商機。



微型發電機位於車尾，採用轉子引擎設計，體積相當小，可產生20hp最大功率。