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- 2014年
- 530期－汽車科技（2月號）
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2014-02-01動力輔助好節能—混合動力系統BSG
530 期
Author 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。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第530期】