插電式vs油電混合車(3)--PHV的先驅:Chevrolet Bolt充滿電約可行駛40英哩

▲動力分配採用類似Toyota THS的行星齒輪方式。
 
2007年的底特律車展,GM發表了純電動概念車Chevrolet Bolt,以家用110V電源充電六小時,在市區模式下可行駛40英哩(64.3公里),若電池沒電了,則以3缸1.0升渦輪增壓輔助引擎開始充電;根據GM的統計,美國人的平均通勤距離為20英哩(32.2公里),因此晚上在家裡進行充電的話就相當實用了。2010年開始市售,當初分類在純電動車(EV:Electric Vehicle),儘管有配備引擎擔任增程發電機功能,但無損其PHV的先驅地位。 
 

以美國人的平均通勤距離做為純電動行駛距離的目標值,Chevrolet Bolt於2007年發表,經過多項改良之後於2010年起上市銷售。

插電式vs油電混合車(1)--那些年Toyota發起的Prius

▲由Toyota Prius發起並結合引擎與馬達的油電車,如今已經不是特別的車種,其具備的可靠性、又省油的強項,受到許多消費者的支持。

什麼是HV?
結合引擎和馬達、根據行駛狀況分配兩者的運作,是謂油電混合。代表性的結合方式是Toyota,在引擎和馬達之間採用動力分割機構,Nissan是在引擎和馬達、馬達和變速箱之間各插入離合器,Honda則是直接將馬達和引擎串聯、並在馬達和變速箱之間插入離合器。

什麼是PHV?
活用油電混合機構、延長純電池行駛距離,就叫做插電式油電混合。延長純電動行駛距離的方式是藉由家用電源為電池充電,伴隨著電池也使用高能量密度的產品,因此價位比一般油電混合高。

成本影響普及 
油電混合的機械結構主要依照動力分配的方式而多樣化,Toyota是運用行星齒輪的動力分配機構,Nissan是雙離合器式,而Honda則採用引擎與馬達串聯的方式。
 
以這些油電車為基礎,還能以家用100V/200V的電源為電池充電,增加馬達行駛距離的是插電式油電車。在這方面的世界領導品牌是Toyota,當Honda和Nissan還在陸續著手進行實用化之前,Toyota以Prius油電車為基礎的插電式油電車已經進入市售。
 
由於必須採用能量密度高的高價位電池才能維持性能,因此車價必然也高,導致油電車在初期不易普及。隨著量產效應以及電池進化、成本降低,油電車逐漸邁向市場主力車種。
 


 

插電式vs油電混合車(2)--HV和PHV的電池容量大不同?

▲HV
採用鎳氫電池,每個電芯1.2V,以六個為一模組,直列連接28組共168個電芯,產生201.6V。Priusα的七人座車型採用容量更大的鋰電池。

電池有各種類型,汽油引擎車搭載的是供應啟動馬達運轉的12V鉛酸電池(電瓶),儘管使用歷史悠久,但是能量密度不高,而且與性能相比,體積太大。
 
油電車主要使用的是能量密度比前者稍高的鎳氫電池,Prius將其收納於後座後方的緊緻空間,以每個電芯模組7.2V為基礎、直列連接28組,產生高達201.6V的電壓,再經過昇壓系統提高至650V以供應給馬達。
 
但是純馬達行駛的距離只有幾公里而已,之後必須依賴引擎運轉將能量回生給電池充電,相較之下,插電式油電車使用的是能量密度更高的鋰電池,Prius PHV以每個電芯模組3.7V為最小單位、直列連接56組,產生207.2V的電壓,若光看電壓數字,似乎Prius PHV的差別不大,但總電量卻是比Prius HV的1.3kWh大得多的4.4kWh,這樣純以馬達行駛的距離也遠得多了。
 
PHV
插電式油電車為了延長純電動行駛距離,搭載能量密度高的鋰電池。將每個3.7V的電芯模組直列連接56組,產生207.2V,總電量4.4kWh。

 

插電式vs油電混合車(4)--使用相同馬達的HV和PHV卻比HV能跑更遠?

油電車使用的馬達是交流電永久磁鐵同步型,三相交流電通過轉子周圍配置的定子、在馬達內產生旋轉磁場,根據轉子的旋轉位置和速度來控制磁場,透過轉子設置永久磁鐵的旋轉磁場產生旋轉扭力。扭力的大小與通過的電流成正比,藉由控制電流大小即可控制扭力,只要控制旋轉磁場與轉子磁鐵的角度,直到高轉速域都可以產生強大扭力。
 
Prius PHV以純馬達行駛的距離約為Prius HV的20倍,乍看可能以為PHV搭載了強力馬達,事實上它和HV使用的是完全相同的馬達。最大馬力60kW(82ps)、最大扭力207Nm(21.2kgm),搭載的汽油引擎本身動力也幾乎相同,有了這樣的動力,光靠馬達就能行駛26.4公里。
 
HV
採用永久磁鐵同步型馬達,三相交流電通過定子的三相線圈,在馬達內產生旋轉磁場,最大馬力60kW、最大扭力207Nm,採用由201.4V昇壓至650V的高壓電流。



 
PHV
Prius PHV和Prius HV使用完全相同的馬達,最大馬力和最大扭力的數據也完全相同,但PHV不僅提昇了動力性能,更光靠電池就提昇了行駛距離。

 
 
PHV純電動行駛距離有壓倒性
HV充滿電也只有幾公里
 
Prius搭載充足的1.8升引擎,在加速、上坡等負載較大的場合時施以馬達輔助,但是控制原理並非如此簡單,持續監測電池性能、經常維持馬達和引擎的動力分配處於高效率狀態。電池電力不足時,即便在以引擎行駛的模式下,引擎動力亦能擔任發電機的角色、開始充電。
 

Toyota THS動力分配概念圖。將引擎和馬達施以絕妙的搭配組合、相互彌補,既有串聯、也有並聯,是它的一大特色。
 (左起逆時針)馬達/油電混合電池/發電用馬達/引擎/動力
 
Prius HV雖然具備純電動行駛模式,但光靠馬達只能行駛幾公里。相較之下,Prius PHV的動力分配控制儘管以Prius HV為基礎,但擁有高能量密度的鋰電池,只要在上路前充滿電,光靠馬達即能行駛26.4公里,在日常購物的短程用途下,甚至不需要動到引擎也沒問題。
 
以油電車的耗油量(日本JC08測試模式)而言,Prius HV和PHV幾乎沒有差別,但若將PHV的純馬達行駛里程也列入耗油量計算,由於純馬達行駛距離很長,使得平均每公升汽油可行駛61公里。
 

Prius在儀錶板上配備動力管理視覺化顯示,可以即時確認純引擎、引擎加馬達、純馬達、動力回生等運作狀態。
(左→右)
即時油耗檢視
驅動用電池殘量顯示
油電混合系統運作指示
 

PHV還會顯示純電動行駛以及油電混合行駛的相對比例,以更省油的行駛狀況為目標。

插電式vs油電混合車(5)--HV以回生和引擎動力充電 PHV還能以家用電源充電

油電車的電池充電方式有兩種:一是運用減速或下坡收油時多餘的動能進行回生充電,一是將引擎做為專用發電機運轉充電。
 
HV
HV雖然能重複放電充電、並以汽油引擎的動力進行輔助,但無法藉由外部進行充電。除了減速及下坡時利用輪軸的旋轉動能驅動發電機、進行回生充電之外,也能利用引擎的動力驅動發電機來充電。

 
 
Honda一開始的方式較為簡單:為了降低成本以增加賣點,僅使用回生充電;Toyota則是除了回生之外還備有以引擎驅動的發電機馬達,當電池電量不足時,視狀況啟動引擎驅動發電機,維持電池經常處於最佳充電狀態。
 
而PHV的最大特色,就是在這種以往就使用的HV充電方式之外,加上能以100V或200V的一般家用電源進行充電。根據Toyota公佈的數字,Prius PHV以100V充滿電約需要180分鐘,200V約為90分鐘,由於還設有倒數計時功能,因此可配合出發時間、有效率地充滿電,也可指定於電費費率較低的夜間離峰時段進行充電。
 
PHV
PHV除了有與HV相同的回生發電之外,還能以家用電源插座進行外部充電,以100V充滿電需時180分鐘、以200V則需90分鐘完成,充滿電後的Prius PHV光靠電池即能行駛26.4公里(JC08測試模式)。


 
只要出發前以家用電源插座將高能量密度的鋰電池充滿電,就可以進行純馬達模式的長距離行駛。此外,運用智慧型手機的連線功能,除了可以確認電池殘量,還能掌握全國設置充電站的地點,支援純電動行駛的體制也得以完備。
 


 
日本PHV第二彈:Mitsubishi Outlander
Mitsubishi也加入了PHV的行列,名為Outlander PHEV的車款於2013年上市銷售,該系統最大的特色是可根據即時狀況自動選擇純電動、串聯、並聯共三種行駛模式。規格數據方面,純以電池的電力,在JC08測試模式下可行駛60.2公里。串聯行駛模式下,引擎不直接驅動傳動軸,而是驅動發電機,以電力進行純馬達行駛。引擎和馬達及傳動軸的連接及斷開採用簡潔的溼式多片離合器方式。總電壓12kWh的鋰電池以200V/15A約4小時可充滿電,快速充電80%的場合則約30分鐘完成。
 
2013年上市的Outlander PHV,以三種模式進行高效率的運作。
 

Mitsubishi的油電混合是採用僅在引擎和馬達之間插入溼式多片離合器的簡潔方式,由於配備大容量電池,純電動行駛距離達到60.2公里。
 (左上起逆時針)引擎/前傳動/發電機/前馬達/前變流器/汽油箱/後馬達/後傳動/後變流器/