汽車與生質燃料(四) - 油電混合車

BMW Vision EfficientDynamics，讓人驚豔的柴油油電混合概念車。

作者：歐陽孚 編輯：郭致廷 / 楊卓儒


能源工程處理的不外乎就是「開源」與「節流」兩項議題。前兩篇文章談的彈性燃料車(Flexible Fuel Vehicle, FHV) 與生質柴油車 是在處理第一項議題，在這篇文章裡即將要談的油電混合車(hybrid electric vehicle, HEV)，則是第二類。

在正式介紹油電混合車之前，先讓我們從一個現象看起：有在開車的朋友們應該都曾注意到，一般車輛在高速公路上行駛時其油耗比較低，在市區時則明顯提高許多。以我的2006 Toyota Corolla為例，在美國高速公路上行駛時的油耗約在 35 MPG (miles per gallon)左右，相當於每公升可跑14.8公里；但在市區時通常只有28 MPG左右，也就是每公升11.8公里。換言之，我的車在高速公路上行駛時能量轉換效率比較高，足足比在市區多了25%，這是什麼緣故呢？


能量的浪費

主要原因有二：第一，如果以引擎油耗(g/kWh)對轉速來作圖，通常會得到一個開口向上的曲線，如下圖中最下方的一條線所示，這表示引擎在中轉速時的效率高於低轉速與高轉速。一般車輛行駛在高速公路上時，引擎轉速就是落在中轉速區段，而在市區行駛時則會落在低轉速區段，因此在市區時的油耗自然較差。第二，在市區開車時，車輛多是走走停停，不是遇到紅綠燈必須停下，就是前車要轉彎或變換車道使後方的駕駛人非踩剎車減速不可。踩剎車的時候，車輛原本的動能會被轉換成熱能散失掉，也就是引擎產生的能量都白白浪費了，油耗自然不會理想。於是，為了回收剎車時浪費的能量，再生制動(Regenerative Brake)系統應運而生。

一張典型的引擎性能曲線圖

油電混合車原理

簡單的說，再生制動的概念就是將一具發電機接到引擎上。發電機的作用是將動能輸入轉換成電能輸出，當駕駛踩下剎車時，引擎閥門會關閉不再產生額外的動能，然而原本旋轉中的動力輸出軸並不會馬上停止轉動，此時該輸出軸就等於在驅動發電機，車上的電池便會將產生的電能儲存起來。 前面提到過，引擎在低轉速時的油耗並不理想，因此便有人想到可以利用馬達來協助或是取代引擎在低轉速時的工作，而其能量來源就是藉由剎車充電的電池！這麼一來整體的燃料使用效率便能夠增加。事實上，由於馬達與發電機的構造極為類似，因此它們可以整合成為單一裝置，再依情況切換操作模式，以節省車輛的空間。此外，藉由行車電腦的精密控制，引擎與馬達的配合可以非常細致，應付許多不同的行駛情況。以引擎(油)與馬達(電)兩種動力共同驅動車輛，就是油電混合車的概念，以下影片介紹的是不同行駛條件時，油電混合車的能量流動狀態。

Hybrid Synergy Drive (HSD) on Toyota Prius

上則影片中的Toyota Prius應該可以算是全球最為知名、銷量也最佳的油電混合車，它有以下特色：EV mode，汽車在低速或剛起步時，可以僅由馬達驅動；Optimum Engine Control，藉由道路狀況(平地、上下坡)調整馬達輸出功率或對電池進行充電；Regenerative，就是前面提過的關閉引擎閥門並將馬達切換成發動機模式，藉此對電池充電；No Idling，當車輛靜止時完全關閉引擎，節省能量。Toyota提供的數據顯示，Prius的高速公路油耗為48 MPG、市區為51MPG [註1]，也就是說在高速公路的效率比Corolla高出了37%，在市區則多出46%！油電混合車的效率之高由此可證。其他車廠的車種雖然與Prius不盡相同，但運作方式也是大同小異。

2011 Toyota Prius (圖片來源)

油電車只是電力車的過渡品嗎？

最初的油電混合車，電力作為輔助角色的時機比較多，而如今隨著技術進步純電力驅動的場合逐漸增加，相對應的電池容量與體積也必須提升。那麼我們是否可能完全捨棄液體燃料，走向純粹的「電力車(electric vehicle, EV)」呢？我認為，短期內不太可能。

電力車有許多優點，例如少了引擎這個巨大的震動源之後，車輛整體零件的損耗率降低很多；又由於使用電力，二氧化碳不會隨著車輛到處排放，而可以集中在發電廠回收處理，藉此降低環境成本。但它最大的缺點是電池的續航力以及冗長的充電時間，以時間最短的快充模式為例，仍然需要30分鐘才可以充滿一具100英哩電池的80%，這還要有特殊的充電設備才能做到；一般完整的充電模式則會耗費數個小時，試想：一般我們在高速高路休息站加油、上廁所可能都不需要10分鐘，你願意買一台跑得沒那麼遠、充電時間又長的車嗎？至於在中途更換電池更是不實際的做法(雖然有業者在嘗試)，除了電池模組很重以外(約250到300公斤)，電池是電力車上損耗最顯著的零件，很難說服消費者接受「以新換舊」的情況。

因此考量到目前的技術水準以及後勤系統的問題，油電車還是短期內最為可行的主要方案，並不只是一個過渡階段的墊檔產品而已。不過電力車的情景並不灰暗，目前美國與歐盟都積極地在討論與部署電力站等相關設施，而油電車上的馬達等相關技術也都與電力車是相通的，發展油電車可以幫助電力車不斷進步，因此大家對其發展可以拭目以待。

Nissan LEAF (圖片來源)

Plug-In Hybrid

上一段提到當油電混合車使用馬達的時機越來越多時，電力的消耗也相應增加，因此原本單純的再生制動系統充電便不敷使用。這時採用外部電源的、可充電式油電混合車(Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV)就出現了，目前市面上新一代的油電混合車基本上都是可充電式。可充電式油電混合車的增加可以刺激家用充電站與公用充電站的設置，這將有利於日後電力車的普及。另外值得一提的是，發電廠在夜間時的負荷通常較低，這是因為離峰時間的電力需求較低所致，然而電廠並不能關閉發電機組，因為重新啟動機組會耗費更多的能量，整體算下來並不划算，結果就是許多電力就這樣浪費了。PHEV與EV的增加以及家用充電站的普及將可以利用這些夜間散失的電力，提升電廠的能源利用效率，是一種「節流」策略的實現。

Ford Escape E85 flex-fuel plug-in hybrid (圖片來源)

使用生質燃料的PHEV

我個人認為在可見的未來內，發展使用生質燃料的PHEV是最可行的節約能源作法。例如上圖Ford Escape結合了PHEV與彈性燃料車就是一例，又或者像是Peugeot 3008 HYbrid4柴油油電混合車。它們既利用現行石化燃料完備的後勤系統所帶來的便利，又藉由油電混合技術或使用柴油來提高能量轉換效率，並以此為基礎發展未來一代車輛所需的技術，例如更低油耗的油電混合車，或是更有效率的電力車。整體而言這是一個比較務實的發展藍圖。然而需要提醒的是，即便車輛有可能朝全電力車邁進，在比較偏遠或是落後的地區，液體燃料終究是難以取代。此外，其它使用液體燃料的載具如飛機、船隻等的全電力發展其前景並不樂觀，不論是長距離行駛的能量儲存、或是載具運轉時的高馬力需求，都是現行的技術水準難以解決的問題，因此生質燃料仍然有它的重要地位與優勢。


註釋與補充

1. 一般車輛的MPG或KPL(Kilometers Per Liter)在高速公路比較高(也就是油耗較低)、在市區的MPG則是比較低(也就是油耗較高)；然而油電混合車則是相反，原因是在市區內引擎低速運轉的場合比較多，用於馬達的電力消耗自然比高速公路高，相對的油料消耗則可以降低。

2. 這裡提供另一則介紹油電混和原理的影片，這則影片比較著重於引擎與電力機組的協同動作，比前一則影片解釋地更深入。




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