純電動前必經路 Hybrid系統深度研究（二）

Hybrid架構簡介

隨著技術不斷發展，Hybrid車(以下專指油電混合車)型式越趨複雜，要了解市面上眾多的Hybrid車款，還是要從基礎的分類來著手。

油電混和車主要的動力單元不外乎引擎、發電機與馬達，依照三者間的動力輸出關係，傳統上可分為串聯式、並聯式以及混聯式三種Hybrid架構。

所謂串聯式Hybrid，引擎不直接將動力傳輸給終端傳動系統，而是負責驅動發電機，藉此間接推動馬達運作，因此就像電動車一樣，然而由於必須搭載大容量電池，因此實際應用在巴士上居多。

並聯式Hybrid以引擎為主要運作基礎，馬達扮演動力輔助角色，視需要而介入，由於結構簡單，目前市場上的應用較多。混聯式Hybrid架構引擎與馬達同時扮演重要的驅動功能，在低速時以馬達驅動車輛，速度加快後引擎與馬達相互分配動力，引擎同時具有發電機功能，由於需要動力分割機構與額外發電機(發電馬達與驅動馬達分開)，系統較為複雜。

在減少汽車石油使用的議題上，歐洲多採用柴油系統作為短期的替代方案，日本市場由於不偏好柴油引擎，因此在全面進入燃料電池或電動車市場之前，以汽油為主，電動馬達為輔的Hybrid車成為其中間過渡期的產品，在技術上也著墨較多。

其中Toyota是最早將Hybrid導入市場並且獲得成功的車廠，隨後本田也急起直追，這兩家車廠剛好代表了兩大不同油電Hybrid類型，以下我們透過Toyota的THS系統與Honda的IMA系統來看混聯式與並聯式系統典型的運作方式，以及背後所代表的不同車廠思維。Toyota的Hybrid系統名為THS(Toyota Hybrid System)，可說是目前市面上最先進的混聯式系統代表。

THS主要由以下元件構成:
1)汽油引擎:採用Atkinson Cycle引擎，並且具有將多餘動能帶動發電機回充至電池的能力。
2)發電機/啟動馬達(MG1):負責啟動引擎、直接供電給MG2電池，或是利用多餘動能發電以回充電池。
3)電動馬達(MG2):負責提供動力，或是利用減速動能回充電池。
4)Hybrid電池:儲存行駛過程產生或回收的動力，提供行駛其間使用。
5):動力分配裝置:分配引擎動能至傳動軸以及發電機。
6)減速齒輪軸:回收減速動能帶動MG2馬達。
7)電力控制系統:包含相關電力控制元件、升壓系統以及監控THS運作等功能。

THS系統特色在於透過複雜的動力分割機構，使引擎與馬達能各自於擅長的領域發揮最大效用，引擎除了負責輸出亦可向電池充電或直接向電動機供電，高輸出的馬達也足以擔任起步任務，兩者都可獨當一面同時具有多工角色，彼此間又可互補。

THS由於將驅動馬達和發電馬達分開，馬達運作的範圍更廣，使引擎能專注在最有效的範圍內工作，亦即引擎在設計上便朝向總是在低油耗的範圍內作動，動力不足的部分再交由馬達填補，如此Hybrid系統已被改良為追求引擎效率的Atkinson Cycle，概念上優先考慮降低油耗，接下來再去確保行駛所需性能。

Toyota所謂的Atkinson引擎主要透過現今的可變汽門正時技術，將進汽門延後關閉以及排氣門延遲開起，達到類似傳統Atkinson Cycle膨脹比高於壓縮比的效果，此種引擎熱效率高但實際空氣吸入量較少，在中速域表現出高效率，但低速與高速表現較弱，可以看到這類引擎的馬力輸出都偏低，這部分剛好由電動馬達填補。

THS在實際運作上，緩慢起步與低速時以電動馬達為動力來源，透過高扭力平順驅動車輛。一般行駛狀態以引擎為主，馬達則擔任輔助，當引擎輸出超過實際需求時，多餘能量將為電池系統充電。瞬間加速時，引擎與馬達同時以最大出力運作，高速巡航下又以引擎為主，馬達視需要介入。如遇收油減速與煞車時，車輪將回收動能並驅動馬達發電，將產生之電力存於電池中以供再利用。

相較於Toyota的混聯系統，Honda採取的則是並聯系統。過去Honda生產的VTEC引擎透過可變汽門正時與揚程在高速域下提供超水準的動力反應，同樣的機構在觀念上反向操作，即可變成有助於提升油耗的系統。

基於VTEC系統的成功，Honda在踏入Hybrid領域時的思考模式比較像是基於VTEC架構下的延伸，是一種在維持原有性能水準下，如何達到更省油的精神，與Toyota全然追求油耗的邏輯不同，也符合各自車廠的性格。

從Civic身上就可看到這樣的邏輯，一般本田車使用四缸動力架構，Civic Hybrid使用三缸內燃機為主要動力，缺少的一缸動力則由電動馬達來填補，VTEC引擎本身仍追求自低負荷至高負荷各種情況下的運作效率，在此基礎上添加電動馬達，以更精細的對應各種負荷下的情況。

本田將其Hybrid系統命名為IMA(Integrated Motor Assist)，亦即整合馬達輔助系統。

系統主要元件:
1)DC無刷馬達:為一薄型馬達，直接與曲軸連結，安置於引擎與變速箱之間，在需要時可以做為驅動車輛用的馬達，在減速時則轉為發電機，同時也可擔任啟動馬達工作。
2)PCU(Power Control Unit):PCU依照行車狀況與電池容量，在馬達驅動或是電能回收模式間做最適控制。此外Honda也將可把來自電池或馬達的高壓直流電轉換為12V的DC-DC轉換器、將直流電轉換為交流電以便馬達進行控制的PDU(Power Drive Unit)，以及馬達ECU等整合在PCU之中。
3)電池:Ni-MH電池將電力提供給馬達輔助引擎，或是儲存煞車動能回收之電力。4)IPU(Intelligent Power Unit):為了減少整個Hybrid元件的體積，Honda將PCU與電池整合為一模組，可直些收納於行李廂下方，並取名為IPU。

相比之下THS混聯系統由於構造複雜，引擎與馬達可以做多變而細膩的搭配，在油耗分面較佔優勢，然而不表示IMA這類並聯系統較為遜色，首先在成本方面結構簡單對於生產製造以及後續維護將較為方便，此外在體積、重量方面也直接影響配重、空間設計自由度等，另一方面，兩者出發點也不盡相同，IMA的思維是把電動馬達當作額外動能輔助機構，在維持過去相同性能下，透過Hybrid機制縮小引擎排氣量，讓油耗更好，如此一來Hybrid運用將可延伸至各個層面，除了Accord與Civic這些家庭房車外，帶有運動氣息的CR-Z小跑車也可以是Hybrid動力，讓油電車不再只是缺乏動態行駛魅力的環保車。Honda的概念其實是新穎的，想想現在的新世代超跑以及F1賽車，也是採用類似的作法。

以目前兩者的發展趨勢，可以簡單歸納，Honda的Hybrid系統核心仍在引擎，在充分發揮內燃機的性能前提下，使用電動馬達輔助修正，讓動力曲線更完美，整體油耗更進步；豐田已拋離以引擎為主的概念，Hybrid系統不僅是油與電的組合，以燃料電池搭配引擎的方式也是其未來的發展方向，在此前提下內燃機只是眾多Hybrid系統中的一環，協助與其它動力發揮最大效用。

不論是何種系統，Hybrid以低油耗的姿態逐漸引起市場共鳴，在肯定新技術的同時，我們仍須從多元角度審視Hybrid現況。首先雖然技術不斷的突破，與多年前相比在成本與系統效能都有長足的進步，但系統仍存在於重量較大並且使用額外的馬達與電池機構佔據更多空間的問題，另外我們也需了解造成油電車低油耗表現的，不全然是馬達的功能，更好的引擎效率，搭配怠速啟閉系統，輕量化車身，降低風阻係數，以及變速箱的改進、輪胎的進化，都是一點一滴增進油耗的功臣。

即便成本與技術等限制，油電車短期內難有戲劇性的成場，不過我們仍須觀察這些電子技術對未來車輛所產生的影響，最明顯的例子是電動馬達的加入，在操控性能上所帶來的改變，例如透過馬達直接驅動前軸或後軸的四輪驅動方式，更甚者在個別輪胎上裝上輪內馬達，透過精準調校的程式直接控制各輪運轉的四輪驅動系統，將超越過去需用複雜機械結構達成的效果，能於各種路況下達到近乎完美的循跡力，雖然少了機械美感，並增加簧下重量，但在成本效益考量下未來卻很有可能成為市場主流。

此文轉載於Channel-Auto汽車頻道網站
http://www.channel-auto.com/