｜增程式電動車發電系統的設計輸入介紹

摘要：由於目前電池技術無法滿足中大型車輛對續航里程要求，附載發電系統之增程式電動車，成為國際上電動車輛開發的熱門項目。一般認為增程式電動車較混合動力車簡單，然而系統架構不同，增程式電動車仍具有其特性。本文整理工研院增程式電動車發電系統發展工程經驗與相關文獻，分別以車輛、發電機、引擎及系統整合的觀點，說明系統規格選擇依據，與其零組件設計的注意事項，提供國內各界進行相關研究的參考。

Abstract: The range extend electric electrical vehicle(REEV) has low cost and low complexity benefits than the other electrical vehicle. However, its electrical power generate system (Gen-set) has some technology issues about compatibility of conventional power train and electrical generator. Based on a prototype development experiment and paper review, this paper introduce some design inputs of Gen-set for REEV.

關鍵詞：增程式電動車、永磁同步電機、扭轉振動

Keywords：Range extend electric vehicle, Permanent magnet synchronous motor, Torsion vibration

前言
由於對應石油枯竭以及氣候變遷，運輸領域已逐漸往高效率與清淨化的電動化方向發展，然而電動車的推廣長期以來，主要障礙之一是電池能量偏低造成續航力不足。圖1是目前電動車上常用的數種電池的性能，有些高電池能量密度用於純電動車（BEV），有些電池功率高用於混合動力車（HEV），然而即使能量密度最佳的磷酸鋰鐵電池，目前技術也不到200 Wh/kg，約為汽柴油10,000 Wh/kg的2 %。因此車輛動力車輛要突破續航力，除在動力系統上妥善設計，發揮電動動力最大的效率外，目前技術還是必需使用液態燃料才有辦法達成。此類搭載引擎等動力源用於純粹發電的電動車輛，稱為增程型電動車REEV（range extended electric vehicle），與另一類似名稱的插電式混合動力車PHEV（plug-in hybrid vehicle）的差異是，PHEV一定有插電充電功能，REEV不一定，PHEV中的引擎得以機械連接到車輪為併聯式系統，REEV則專指串聯式系統，引擎只接發電機不連接至車輪。

HEV經多年發展，目前已確認以豐田Prius代表的全混合動力系統具最佳的效率。串聯式混合動力由於能量經由引擎、發電機、轉換器與電池等多層轉換，即使每次轉換都有極佳效率，相乘後效率仍明顯低於引擎直接驅動。加上車輛全部靠電力驅動，代表驅動馬達、電池皆需較大規格，重量與成本偏高，因此在中小型車輛上應用的實績較少。然而在大型車輛上，由於系統簡單，機械佈置上可行，以及成本較低，成為大型車輛混合動力系統的主流之一[2]。
工研院曾進行多年的全混合動力系統研究，期間亦曾進行一次REEV的探索研究，使用一具1.2升四缸汽油引擎，同軸連接一個20 kW永磁同步機（PMSM），組成一套發電系統（Gen-set）雛型機如圖2所示。發展結果實測最佳發電效率約93 %，轉矩漣波（torque ripple）控制在5 %以下[3]。本文為即為整理此次工程經驗，以及相關文獻調查結果，簡要說明REEV發電系統的一些技術特色，提供國內各界進行相關研究者未來開發規劃的參考。