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中心現況

低碳能源及系統關鍵技術產業

發展背景及現況介紹

 

領域一 車用電能系統技術

a. 金屬燃料電池複合系統

燃料電池為新興能源產業,目前使用成本仍屬偏高,主要還是靠政府獎勵及環保法規支持來推動;不過隨著石油日漸匱乏、燃料電池技術不斷進步更新及20052月正式生效的國際環保公約「京都議定書」的影響,直接鼓勵潔淨能源之燃料電池產業發展。根據FreedoniaGroup公司預測,世界燃料電池之市場需求將由2004年 3.75億美元,成長為2009年約25.8億美元,預計至2014年,世界燃料電池系統需求值可成長為135.5億美元,其中汽機車市佔率約3.8﹪;日本野村研究機構則對未來燃料電池市場的擴展速度看法較為保守,預估至 2010年,每年市場規模約可成長 2,240 億日圓;其中車輛應用市場約240億日圓。

金屬燃料電池具有低成本、低污染、放電電壓平穩、高效率、高能量密度和高功率密度等優點,又有豐富的資源,可使用鋅、鋁、鎂、鈣、鐵等活性金屬做為燃料,考慮其金屬特性以鋅最具有發展價值及潛力。鋅空氣燃料電池是以成本低及安全性高之金屬鋅代替儲存技術仍具瓶頸和安全性顧慮之氫氣燃料電池,將金屬鋅以加料方式置入電池中,不但無安全、儲存、運送問題,且具有高效率、高能源密度、高功率密度、低污染、低操作溫度、低成本及結構簡單等特性。相對氫氧燃料電池的燃料為氫,常態下為氣態,所有的氣態燃料都具有低能源密度、低功率密度、容易洩漏等缺點且氫氣無色無味,閃火點低,有自燃的危險性;若要使氫氣液化就必須要長時間維持高壓低溫的狀態,不僅危險又耗費能源,其他儲氫技術如金屬儲氫或奈米儲氫,能源密度及功率密度仍然偏低,因此考慮到氫燃料的儲存、運輸、安全與低能源、功率密度等問題,氫氧燃料電池作為高性能車輛動力源的適切性實屬疑問。

鋅空氣電池要能達到實際應用,加料式鋅燃料電池是須先解決的課題。流動金屬燃料的技術發展已經有相當的研究,如LBLMetallic Power公司(如圖二)等。LBL首創流動電解方式生成球狀金屬鋅,但由於該電解球狀金屬必須先置入微小金屬微粒當作核晶種,雖解決了部份金屬燃料供給流動問題,但對於反應後殘餘物的排放並未獲得完全解決。以色列的電池公司曾發展出一再燃式鋅空氣電池系統。賓士與GM公司曾將其應用於電動車之能源供應上並完成測試,其續航力可達300公里。美國Evionyx公司也曾改裝商用車為鋅空氣電池電動車,其續航力可達345km。美國聖地牙哥也曾對巴士做過改裝,對於運行一天約200km之鋅空氣電池全電動冷氣公車,其所需能量約 300kwhr ,但最高功率約需 190kW ,因傳統鋅空氣電池無法作此大能量輸出, 故需再加裝一顆 Ni-Cd 電池。

圖二 美國Metallic Power公司的鋅-空氣單電池及電池系統

b. 電池充放電/22kW一體式馬達發電機技術

考慮採用電池為動力源取代內燃機汽油引擎之車輛而言,電池續航力為電動車所面臨之最大問題癥結,是故油電複合動力車輛(HEV)為現階段符合節能與環保要求之最佳過渡解決方案。日後HEV以及未來全電動車輛普及,車輛將成為耗電量最大的 ”日常用品”,是以充電器扮演極重要之角色,既要提高充電效率亦要兼顧功率因數修正(Power Factor Correction,PFC)之功能,降低電廠發電負擔及虛能往返於電力線上之消耗,更要在符合使用便利性的快速充電以節省時間、與電池壽命之間折衷。再者,為了適用於各國電網規格以及因應市電電壓經常隨大眾用電量變動,充電器應備有全輸入範圍AC90VAC 260V之功能。目前HEV中所使用的電池種類以能量密度高、效率高、壽命長、工作電壓較高以及放電特性穩定之鋰離子(Li-ion)電池應用最為廣泛,且價格已逐漸隨著應用範圍的擴大、使用量增加與製程的開發而大幅降低。本計畫擬研製一具有功率因數修正功能之鋰離子電池充電器,以滿足現階段HEV之需求。

電動車輛之電力主要來自二次電池,通常需要多種電力提供車輛中各子系統運作能量,因此電池管理更顯其重要。本計畫所提管理系統必須針對電池組進行即時監控,在合理操作生命週期內,保持高效能之電源供應,須有良好的電力流量的管理能力,諸如需要電荷補充之充電時機以及避免過度放電等,藉以維持最高表工作效率與延長使用壽命。

1997 年Toyota公司標榜省油、低污染的油電複合車(Hybrid Electrical Vehicle,HEV)Prius問世後,迄今已成為全球該類車輛的標竿,同時也宣告車輛的高度跨領域整合時代已經來臨。資訊、通訊、電子與電機技術的挹入對車輛之燃油效率、降低污染、乘駕與安全等性能皆有大幅的提升;而這些技術中又以電機產業的電力電子與電動機系統對整車節能與降低污染之貢獻較顯著。相關現況說明如後:

(1) 電機產業:於2004年預估總產值達到3,524億,預估年成長率為10.6%,出口值亦達到新台幣1966億元,約占總產值之55.8% 。電機產業為工業化國家所必需的基礎工業,因此受到景氣循環的影響不大。最近,石油價格高居不下,節能與新能源之相關技術已成為最貼近電力市場之電機產業的重要利基,其中又以電力電子為核心的功率處理(Power Processing)技術最重要。雖然電機產業擁有電機與電力電子等設計與製造能力,且與國際接軌多年,但惟獨對電動載具與車載電控產品或因市場規模不一、進入障礙過高等因素,一直無法有效地導入。目前台達電子與東元電機亦投入經費進行電動車輛之相關研究,惟相關資訊為公司機密因此外界所知有限。

(2) 車輛產業:車輛產業包含汽車、機車、自行車與電動載具等四類,其中前三項在 2004 年的產值為 5360 億新台幣,外銷以零組件為主約為1500億新台幣。電動載具部分主要是因應高齡化與福利社會所需之電動代步車與電動輪椅等兩項,產值約為百億新台幣台灣汽車2004年產量約為40萬輛,排名全球第18名,基本上多為內銷;車廠以製造、組裝為主,自主之研發能力較薄弱且多仰賴母廠技術支援,面對未來主流的油電複合車相關技術著力有限,目前雖有車廠參與工研院機械所之小型油電複合車技術研發,但受限於投入時間與規模不足,因此離實用化尚有一段距離。其他事項說明如下 :

•  因應休閒所需的電動載具如高爾夫球車已逐漸吸引車廠投入整車(含馬達與驅動控制)之研發。

•  電動機車在2005年因應歐洲之環保需求,在外銷上有明顯之成長。

•  大陸輕型機車需求強勁其動力系統逐漸轉移到低價、低輸出功率之永磁同步輪鼓馬達,屆時是否會有廉價組件進入台灣,衝擊本土市場之生態則有待觀察。

•  以車輛研究測試中心為首之車輛EMC檢測能量已逐步建立,但目前車輛之EMC法規與設計人力仍相當欠缺。

•  大陸於2004年6月1日頒佈『汽車產業發展政策』取代1994年『汽車工業產業政策』,其中第八條明訂「國家引導和鼓勵發展節能環保型小排量汽車。汽車產業要結合國家能源架構調整戰略和排放標準的要求,積極開展電動汽車、車用動力電池等新型動力的研究和產業化,重點發展複合動力汽車技術和轎車柴油發動機技術。國家在科技研究、技術改造、新技術產業化、政策環境等方面採取措施,促進複合動力汽車的生產和使用。」隨後在其836計畫的「能源技術領域」中亦配套提出多項有關燃料電池與複合動力汽車重點技術研發計畫,此政策對台灣車輛產業之影響需審慎評估;目前台灣在此方面之研究仍侷限在工研院,其投入之人力、規模與大陸相去甚遠。

•  Toyota Prius2油電複合車上使用的電子、電機組件成本已由一般車輛之15%提升到47%,使用微處理機之數量亦超過60只;此項發展已引起電機、電子等產業高度之興趣,期望在繼已呈現飽和的3C產業後創造第4C之榮景 。

c. 複合電動車能量管理

自1989年以來,歐美及日本等國家陸續進行複合動力車輛的測試與運行,大多數都是運用在公車和貨車等大型車輛上。而後,美國能源局、美國汽車工程協會及福特汽車共同贊助美國30所大學,進行複合動力車輛的相關技術研究,且舉辦比賽來展現其成果。之後,全世界各大車廠紛粉展現其開發成果。1997年6月TOYOTA 於日本首度發表第一代的複合動力系統 (THS) ,並於同年 10 月撘載於 Prius 車款開始上市銷售。在日本的10-15 測試模式中,省油率可達28公里/公升,大約是一般傳統車輛的兩倍。且CO2的排放更只有傳統車輛的一半,在COHCNOx方面更僅僅只有日本法規所訂定的十分之一。在2003年所發表的第二代複合動力系統(THS-II)中,加大了馬達的規格至50Kw及提高電池電壓至500伏特,不僅整體節能與排污效率提升,車輛加速性更接近2.0L的水準。1999年9月HONDA發表其複合動力系統(Integrated Motor Assist Hybrid System , IMA) ,並在同年11月撘載於Insight 車款上開始銷售。在日本的10-15測試模式中,此一車種省油率高達35公里 / 公升,不僅大幅減少 CO 2 的排放,其他污染排放更能達到 EU2000 的標準。在歐美, 2000 年 FORD 發表其複合動力車款Prodigy,其效率高達26.8公里/公升,對於節能與低污染都有相當大的助益。此外, 2000 年 GM 發表 Precept 複合動力車,其效率則達 33.8 公升 / 公里。目前,各大汽車廠已經將汽車油耗性能的短期目標訂在進入 21 世紀時要能達到 33~ 34 公里 / 公升的水準,因此各主要車廠都投入這方面的相關研究。

雖然目前各大車廠在複合動力車輛方面已經有相當程度的基礎,但是目前複合動力車輛的市佔率則相當低,主要是因為其價格與實際的性能表現之間尚未取得經濟的平衡點。而根據更大車廠的預估,複合車輛將佔銷售量的 20% 以上。因此可見,針對複合車輛產業的投入將比針對傳統車輛產業的投入會有更樂觀的結果。所以,我們應該更積極投入複合車輛的相關研發,以作為產業界的後盾。

目前國內各大機車廠皆積極投入複合電動機車的研發,甚至已經向政府相關部門提出量產的核可,等待進一步測試確認當中。複合電動汽車方面,則停留在研發單位的雛型車開發階段。產業界方面則由華創公司主導,將積極投入複合動力汽車的開發。

 

領域二 高效率內燃機技術

a. 可完全回收引擎廢能的複合氣動系統

現階段的純內燃機動力系統因應駕駛者的需求及路面負載,必須經常處於加速或減速的狀態,而無法始終維持在燃油效率最佳的操作區域下運轉,不僅造成能源的浪費且廢氣排放問題也相當嚴重,導致內燃機引擎的車輛能源效率通常僅達到 15 %左右 ( 如圖三所示 ) 。然內燃機所排的廢氣能量占全部能源的 1/3 以上,若能有效回收使用,不僅可減少能源的浪費又可降低廢氣的排放及污染,綜觀產官學界有關廢能回收的研究,大多僅利用熱交換器廢氣回收熱能,而本系統將可完全回收內燃機所排放的廢氣能量及一部份由引擎冷卻系統所排出的熱空氣後再予應用,全車能源效率初步保守估計可達 33 % ( 如圖四所示 ) 。

圖三 內燃機引擎能源效率圖

圖四 複合氣動系統達 33% 能源使用率

關於氣體能量的應用最受矚目的為 City cat 空氣動力車,該系統利用高達 300bar 的高壓氣體儲存能量,透過特殊設計的氣動引擎將流功轉成機械能,以 100 km/h 的速度駕駛約可行駛 100 公里左右,雖然該動力系統符合綠色環保理念,但仍有功率不足、續航力差、加氣站不普及、價格昂貴等缺點。

基於上述論點,本研究提出一種前瞻創新構想-『可完全回收引擎廢能的複合氣動系統』,此系統利用(1) 創新的主動式匯流裝置,可將內燃機排放之高溫高壓廢氣完全回收循環再利用,並透過主動式機制調整管徑大小以產生文氏管效應,使內燃機的廢氣能量轉換成有效的機械能,有效地提高引擎熱效率、降低引擎的廢氣污染、油耗及製造成本,(2)前瞻的系統架構以空氣壓縮機提供固定負載給內燃機,使其能維持在低油耗與低汙染的最佳操作點下運轉,並有效減少有害氣體的排放。研究計畫推估採用主動式匯流裝置搭配空氣壓縮機的設計,可使內燃機熱效率高達 70% 以上,且能有效抑制廢氣的排放及降低對環境的汙染。

b. 均質進氣壓燃式引擎

二氧化碳減量以及排氣污染改善對於汽機車產業構成嚴重的挑戰,均質進氣壓燃式引擎(HCCI)是一項非常具有潛力的先進技術,目前許多大氣車廠都在進行該項研發工作。Mercedes-Benz號稱其DiesOtto F700使用 HCCI 技術於 S-Class 豪華轎車上,達到 CO 2 排放量只有 127g /km ,遠低於目前一般轎車的 200g /km 左右。我國機車產業基磐良好,已建立了自主研發技術,尤其是小型機車低污染低耗能技術,已經躍升國際舞台。本計畫的HCCI 技術,將可協助國內機車廠商一舉跨入更高層級的技術門檻,媲美汽車界的Mercedes-Benz 。所以本計畫不只可以減少國內車輛 CO 2 排放,更可以協助國內機車產業技術大幅度成長升級。

c. 生質燃料應用技術

我國於 96 年 7 月 1 日 開始由能源局 公布「 Green County 綠色城鄉應用推廣計畫」,執行期間從 96 年 7 月 27 日 到 97 年 6 月 30 日 , 在桃園與嘉義地區,試辦 推廣 使用 B1 生質柴油 6500 公秉,預估可降低粒狀物質 2.17 公噸、碳氫化合物 10.11 公噸、一氧化碳 20.22 公噸、溫室效應氣體 2 萬 1320 公噸及硫氧化物 12.64 公噸,可明顯減少溫室氣體及都會區空污。在產業部份,已有新日化、承德、積勝與預弘等四家公司,生產生質柴油。有鑑於此,本校 校務發展計畫重點 已積極充實、添購 替代性綠色能源 實驗教學設備,可提供 替代性綠色能源研究 等基礎實驗課程及產業相關專業技術完整教育訓練,立刻填補大量缺乏之先進車輛與 替代性綠色能源 相關人員,增加國際競爭力。

領域三 車艙節能與舒適度技術

a.區域性空調與車艙節能技術

本計畫以「節能、舒適、智慧車艙空間」為主要研究方向,冀望能為國人創造出高品質的移動生活空間。區域性空調的關鍵在於利用空氣的流動效果遠大於擴散效果的原理,將熱量及物質控制在某一個區域內,且區域之間不需以實物隔開,能讓區域與區域之間彼此獨立,互不干擾,以達到創造個人化區域性空調的境界,同時又能夠保持最少的換氣量及除濕量,以降低空調系統資源的浪費,達到省能的效果。此系統能有效減少引擎動力損失,比一般車輛空調系統更能提升30%以上的效率,以達到節能與舒適性的提升。


國內屏東科大車輛系曾利用我們的構想探討車廂內風口的配置以達到最佳的前座獨立流場的目的。採用CFD 模擬車內三維流場及溫度分佈的狀態,考量了不同的空調送風口、回風口位置、出風的角度及前座有人或無人(如圖五)。透過車內無人的模擬,可了解熱車時的空調需求;而車內有人的模擬則提供我們對開車時的狀況(如圖六所示)。此研究發現前置水平送風搭配儀錶板下方回風口時,適合熱車時的車內空氣循環;而車頂角度送風搭配儀錶板下方回風口,能有效將氣流控制在前座區域內。雖然目前所探討的風口位置,如:車頂送風口和前座下回風口,不符合傳統車內空調設計,但提供的概念也許可應用於將來的汽車。

 

 

圖五 送風口與回風口示意圖

圖六 車內流場示意圖

 

b.原型車設計及改裝


原型車設計及改裝將應用電腦輔助設計(3-D CAD)做原型車的空間規劃設計,用有限元素法做整車的性能分析和優化,以所設計分析的結果改裝市售的汽車。


多數的汽車業界已逐漸由嘗試錯誤、反覆試驗,改用電腦來輔助設計,做空間設計,檢測物件干涉(如圖七所示)和裝配順序設計與裝配模擬。在還未大量生產製造前即可預測可能產生的匹配、裝製、時間、週期或人體工學的問題。其應用已大量減短研發和修改時間。

圖七 物件干涉示意圖

市場上常用的設計軟體,如CATIA, PRO-E, NX (the combination of UniGraphics and Ideas), Auto-CAD, SolidWorks, ...等,都是廣為業界接受的設計軟體。


有限元素分析和優化軟體也因應各種不同性能分析而發展出不同的分析軟體。如NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、FLUENTHYPERWORKS-OPTISTRUCT...。此計畫中,將整合領域一、二、三依空間限制所研製的零組件,組裝於原型車上,以展示油電混合車的研發成果。