電動車動力系統架構評估與分析
摘要
近年節能政策及環保議題廣受矚目，油耗與碳排放法規也日趨嚴苛，世界車廠皆陸續開發電動車。電動車之動力系統可依據不同使用場合而設計，無論是單一馬達搭配傳動系統，或者雙馬達獨立控制左右輪，甚至是四組馬達四輪獨立控制，都可以達到車輛所需的動力需求，因此，評估與分析適配的電動車動力系統架構為一研究課題。本文將介紹電動車動力系統設計流程之概述，並整理電動車動力系統機構配置常見類型與優缺點分析，可做為開發電動車動力系統架構評估與分析參考。
In recent years, energy conservation policies and environmental protection issues are more and more important. Fuel consumption and carbon emission regulations are becoming increasingly stringent. The importance of pure electric vehicle development cannot be underestimated. The power system of the electric vehicle can be designed according to different use occasions. Whether it is a single motor with a transmission system, or a dual motor independently controlling the left and right wheels, or even four sets of four-wheel motor independent control, the power demand of the vehicle can be achieved. So the evaluation and analysis of the adaptive electric vehicle powertrain architecture could be a research topic. This article will introduce the overview of the design process of electric vehicle powertrain, and sort out the common types and advantages and disadvantages of electric vehicle powertrain configuration. It can be used as a reference for the evaluation and analysis of electric vehicle powertrain architecture.
關鍵詞(Keywords)
電動車、動力系統、傳動系統
Electric vehicles, Powertrain, Transmission
前言
近年節能政策及環保議題廣受矚目，在與生活息息相關的交通運輸方面，除了推廣大眾運輸工具外，民眾使用汽車習慣也勢必有所改變，一方面購車習慣逐漸以省油、節能的小型都會車取代以往的大型豪華車種。在環保意識高漲之下，油耗與碳排放法規也日趨嚴苛，汽油、柴油引擎車輛將逐漸難以達成環保法規的嚴苛要求，各國紛紛尋找替代能源方案，油電混合動力車及純電動車的市占率也逐年上升，但畢竟油電混合動力車的部份動力來源仍為石化燃料，勢必得面對石油耗竭的問題，純電動車發展的必要性不容忽視。
電動車相對於汽油、柴油引擎車輛的絕對優勢在於以下兩點：第一點，馬達相對於引擎有極佳的能量轉換效率，且能大幅降低排放的汙染；第二點，馬達與電動車傳動系統的構造皆較引擎和內燃機車輛的多檔位變速箱簡單，更容易達成體積小與輕量化以減少佔用底盤空間和節能的目標。
電動車之動力系統依不同使用場合而設計，無論是單一馬達搭配傳動系統，或是雙馬達獨立控制左右輪，甚至是四組馬達四輪獨立控制，都可以達到所需的動力需求，因此，評估與分析適配的電動車動力系統架構為一研究課題。
本文將介紹電動車動力系統設計流程之概述，並整理電動車動力系統機構配置常見類型與優缺點分析，可做為開發電動車動力系統架構評估與分析參考。
電動車市場現況與分析
根據資料來源富士經濟、工業技術研究院產業經濟與趨勢研究中心(Industrial Economics and Knowledge Center ，簡稱IEK)、中華民國交通部統計查詢網資料所示，2013年至今世界地區電動車數量逐年增加，並預估2020年將突破四千四百萬輛，表示電動車富有市場潛力。現況市場大小依序為亞洲，其次為北美、歐洲，顯示亞洲之電動車輛市場潛力最大[1]。
將電動車銷售市場聚焦於台灣，2013年至今台灣電動車數量逐年增加，顯示台灣電動車市場富有潛力。由於美國的電動汽車公司特斯拉（Tesla） 於2016年進入台灣電動車市場，並已在2017年初進行首批交車，使台灣電動汽車新增掛牌數量大幅提升[2]。
電動車動力系統架構介紹
電動車驅動系統將電能轉換為機械能，包含從電池到車輪端之間所有部件，主要分為四大部分：電源轉換器(Power converter)、控制器(Controller)、驅動馬達(Motor)及傳動系統(Transmission)，電源轉換器將電池提供的電力轉換成驅動馬達所使用的電能，再透過驅動馬達將此電能通過電磁感應轉換為旋轉機械能，最後由傳動系統，如：栓槽、齒輪、軸、差速器、傳動軸…等，將機械能傳遞至車輪，提供車輛行駛所需要的動力。其中，本文以下闡述之電動車動力系統僅包含驅動馬達及傳動系統。
電動車的動力系統相較傳統汽油、柴油引擎車輛動力系統單純，單級齒比的電動車不需要變速箱與離合器等機構，因此能節省汽車中動力系統的成本與空間。電動車動力系統除了重量較輕且機構單純之外，可以透過多馬達的控制來達到分散式的驅動系統，可以進一步省下傳動軸或是差速器等元件。因此，電動車依照不同的動力系統設計、不同驅動輪數量設計與不同驅動馬達配置設計，電動車動力系統配置具備相當大的彈性，設計者可以依照不同需求與限制條件設計最適當的動力系統架構。
電動車動力系統架構設計流程中，首先要先明確定義該車輛的定位，例如：家庭用休旅車、緊湊型休旅車、家庭用轎車，動力型轎跑車...等，以及定義各系統所追求的目標，例如：動力性能高、舒適性佳、系統可靠度高、亦或是能耗表現佳...等。一般車廠在開發新車時，基於成本的考量，前述各項車輛設計目標不會在各方面都進行最佳化設計，通常會在某方面有所許取捨，以滿足新車的市場定位。
定義車輛的定位後，下一步即可定義相關的動力規格及車輛參數，例如：整車重量、重心配置、前輪驅動或後輪驅動、車輛最高車速、車輛加速性能、車輛最大爬坡性能...等，進而透過模擬分析，得到車輛行駛時的各項性能需求，例如：動力系統功率需求、傳動系統減速比設計、元件幾何尺寸設計邊界...等。再根據這些資訊進行驅動馬達設計及傳動系統設計(齒輪組、差速器、駐車機構、傳動軸...等)，評估此組合是否符合目標的設計，初步完成電動車動力系統架構的設計。
電動車動力系統配置中，無論是單一馬達搭配齒輪箱之動力系統如圖1所示，或是雙馬達獨立控制左右輪之動力系統，甚至是四輪獨立控制之分散式電動車動力系統如圖2所示，只要可以達到所需的動力需求，皆是可行的動力系統設計架構。設計電動車動力系統時，將目前市面上現有的馬達、驅動器、電池、齒輪箱...等元件技術做為限制，進而搭配可行的動力系統架構。
圖1 單一馬達電動車動力系統架構圖
圖2 分散式電動車動力系統架構圖
電動車動力系統架構的考量，由於其動力源可分散的特點，空間配置的靈活度相較於傳統汽油、柴油引擎車輛大。依車輛規格與特性設計驅動輪數量與馬達位置外，另外需考量動力系統分散之後，所對應之馬達與驅動器的規格以及散熱的問題，以現有可購買到的元件或系統，與現有技術是否能在可接受的成本下完成動力系統。電動車可以藉由多輪驅動之分散式動力系統，降低單一馬達的功率及散熱需求，並可降低傳動系統的輸入負載，還可減少驅動器內大功率元件的使用。經過評估所有元件的重量、成本、以及系統複雜度與取得難易度...等之差異，最終決定驅動輪數量、馬達的使用數量與傳動系統架構設計。
由於馬達本身不同於引擎的連續運轉，可以透過驅動器的控制暫時中斷動力輸出，因此即使有特殊的需求需要額外加裝變速箱，也不需要使用離合器中斷動力的傳遞而可直接換檔，因此電動車輛的傳動系統構造會較傳統車輛簡單且重量較輕。
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