2014年1月23日

動力輔助好節能—混合動力系統BSG

由於BSG 中混動力系統不需對引擎進行大量設計變更,且具15%之油耗效益,目前各大車廠均已開始投入此系統之發展。

作者/謝豐吉、彭郁文、林于崴、劉洲武(任職華創車電技術中心股份有限公司)

能源危機與環境保護是近年來各國所遇到的最大問題,為了降低車輛的油耗與汙染排放,各國紛紛將汽機車廢氣排放標準法規逐年加嚴。台灣目前實行之汽車排放法規為2008 年1 月1 日實施之四期環保法規,預計在2015 年1 月1 日實施五期環保法規。歐盟亦預計於2014 年9 月實施汽油轎車之Euro 6 廢氣排放標準。此外,為使歐盟之新車平均CO2 排放值,於2015年達到120 g/km 之目標, 此管制法主要針對新型小客車,要求在歐盟所公布的第715/2007 號規則測試規範下,平均CO2 達到130 g/km,以作為促進新型小客車燃油效率科技的發展。各國CO2 法規趨勢如圖一所示。而中國大陸為達2015 年油耗值6.9L/100 km(新歐洲循環測試NEDC 的CO2排放量達165 g/km)國家目標,其採用企業平均燃料消耗量(corporation average fuel consumption, CAFC)評價方式,以車重為考量。

圖一:各國 CO2 法規趨勢。
(圖片來源:CSM Automotive Market Foresight)

零汙染車
基於各國對於車輛油耗及汙染排放,訂定逐年加嚴的環保法規標準,為符合法規要求,汽車工業以純電動車為終極發展目標。自1990 年開始,美國環保署及加州環保局開始制定低汙染環保法規,以降低汽車所造成之環境汙染,並要求汽車製造廠進行零汙染車輛(zero emission vehicle, ZEV)商品化工作,包含極低汙染汽柴油車(ULEV)、替代燃料車輛(alternative fuel)、混合動力車輛(HEV)及電動車輛(EV)。該法規實施之初,原要求所有汽車製造商在1998 年必須銷售10%之零汙染車輛。但於1998 年,各汽車製造商無法符合原法案要求,並僅達到原法規要求之60%,而使得美國環保署及加州環保局於1998 至2001 年期間修正法規要求,並規定自2009 年開始,各汽車製造商必須符合法規要求之100%。美國加州環保局同時預測至2009 年時,應有85%的車輛屬於部分零汙染車(partial zero-emissions vehicle, PZEV)及幾近零汙染車(advanced technology partial zero-emissions vehicle, ATPZEV)。美國環保署及加州環保局同時亦制定在2018 年時,所有汽車製造商須銷售16% ZEV 法規之車輛。

在零汙染車輛開發初期,電池電動車輛DEMO 計畫最早出現於市場,但因性能及價格問題,電池電動車輛一直無法進入量產製造階段。同時通用、福特汽車亦相繼終止電動車發展計畫EV1 及THINK。近幾年來則是日本車廠領先開發之混合動力車,自2004 年開始進入大量生產階段。2007 年美國環保署最新預估,混合動力車於2000~2004 年進入大量商業化後,插電式混合動力車(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)為後續最可能導入大量商業化之節能車輛,純電池電動車輛及燃料電池車輛的發展,必須至2020 年才會成熟且進入量產導入階段;依目前至2020 年期間之發展情形分析,在2010 至2015 期間,PHEV 將會進入量產導入階段(圖二)。2011 年相關研討會及展覽均以PHEV 為主軸車,美國針對不同電池容量之PHEV,研擬新法規,並提供稅收抵免。
圖二:整車動力鏈市場預估。(作者提供)

混合動力車
混合動力系統架構可依電動輸出比例與系統功能概分為:輕度混合(僅具啟停系統與再生發電功能,而不具電動動力輸出)、中度混合(電動動力做引擎動力之輔助輸出,並不單獨驅動車體)、全混合/強度混合(純電動動力可驅動車輛)、插電式混合(藉由插頭充電延伸電動續航力)及純電動車。根據美國環保署及里卡多(Ricardo)之市場評估,在2020 年後混合動力車(不含輕度混合動力車)之市佔率約有25%,電動車僅有5%,傳統車及裝有啟停系統(輕度混合)汽油車之市佔率分別為45%及24%。

在實際的發展應用中,不同混合動力系統的配置及功能,將會影響其設計及開發方向。例如輕度混合動力主要僅作引擎怠速熄火之動作,在電機系統上的設計及要求較小;強度混合因需搭載較大功率之馬達電機,一般在引擎及傳動變速系統均會配合進行設計變更,或是相關電機系統不限制需裝置於引擎室內,故在電機設計上的限制,包含體積或環境限制,可在引擎、傳動變速系統或是安裝位置上取得妥協;然在中度混合動力中,尤其是皮帶式馬達發電機(belt-starter generator, BSG),用以取代原車發電機,故在安裝位置及體積上均受限制,更由於此電機是掛載於引擎側,其環境條件格外嚴苛。但對於引擎整體而言,因BSG 可利用原發電機空間,故引擎不需進行大量的設計變更。

在油耗法規及市場趨勢需求之影響,需在有限開發時程內推出對應車種,但在零組件廠商缺乏車規應用經驗,與具商業利基之應用平台的狀況下,尋找出一個開發可行性高之動力架構,同時考慮未來發展需求,方能創造雙贏的局面。BSG 中混動力系統為其中極具發展價值的動力系統,以下針對此系統的發展做更詳細的介紹。

系統架構
BSG中混動力系統主要包含:BSG馬達、馬達驅動器、高壓電池、DC ∕ DC 電壓轉換器及混合動力控制器。由於BSG 中混動力系統是利用BSG 馬達發電機取代原發電機,因而針對華創車電現有量產車而言,其設計變更內容需考慮引擎機構搭配、剎車力控制及變速箱換檔控制等。

引擎變更
由於BSG 馬達同時需提供動力輔助及充電的功能,其扭力傳遞的方向性會由原引擎的單向變為雙向性,進而在皮帶及張力器設計上均需變更,以避免皮產生打滑的現象。

混合動力系統會利用一個混合動力控制器(hybrid control unit, HCU),分別決定引擎及馬達應輸出之功率或扭力。而傳統引擎控制策略中的扭力命令,是依駕駛者之操作狀態,例如油門或剎車狀態等,決定引擎之輸出扭力。故為對應混合動力系統需求,引擎控制策略中的扭力控制架構,需進行修改。此外,混合動力系統之應用上,會存在一些模式將引擎熄火,因此相對應的引擎控制需能接受此命令,進而在引擎作動模式、學習機制、進排氣溫度預估策略及自我診斷策略也需做進一步的修改。

變速箱變更
由於輕度混合及中度混合動力系統均需提供引擎怠速啟停的功能,對於自動排檔變速箱車輛而言,需加裝小型外掛式油泵(external oil pump, EOP),提供引擎在怠速熄火時,變速箱檔位保持齧合時所需之變速箱油壓,進而當駕駛者在放剎車時,引擎起動能立即以D 檔前進,保持傳統車之駕駛特性。

變速箱因混合動力系統,主要將進行下列二項的軟體變更:
(1)混合動力系統在相同運轉條件下,會因電池狀態的不同,導致系統可能處於不同之混合模式,例如純電動、純引擎或混合模式,進而變速箱的換檔點亦會隨之改變。因此,混合動力系統的變速箱將新增一組換檔圖表。
(2)當變速箱在進行換檔前,會送降扭力命令給引擎,使換檔過程平順。在混合動力系統應用上,此降扭力將改送給HCU,去調配引擎或馬達降扭力的作動。

剎車變更
傳統剎車踏板主要是利用一個開關,得知駕駛者是否有踩剎車,由於混合動力系統的再生剎車可另提供所需之剎車力,因此剎車踏板位置感知器(brake pedal sensor)將用以提供HCU 剎車位置訊號,並協調機械剎車力及再生剎車力之分佈,使車輛保持相同的剎車行為。原剎車控制器將依HCU 所決定之剎車力進行剎車力控制,因而其軟體需進行變更。 ..........【更詳細的內容,請參閱第530期科學月刊】

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