什麼是電動車動力系統？

電動車 (EV) 是指仰賴電能來移動的車輛。這種動力通常是由蓄電池 (BEV) 或燃料電池 (FCEV) 提供。電動車動力系統是指將電能轉換為機械運動的電動車系統。

電動車動力系統包含：

• 能源儲存系統 — 蓄電池或燃料電池
• 電力電子元件 — 具有相關控制器的變流器/轉換器
• 電機機械 — 能量轉換系統 (電動機)
• 機械系統 — 傳動系統

值得注意的是，電動車驅動系統也包含驅動軸及其機械零件。此外，電動車動力系統在運作過程中不會產生排放物，有助於提供更環保的交通運輸方式。  

動力系統是車輛內的一組元件，可產生並控制動力，讓車輛移動。

蓄電池電動車 (BEV) 已成為 電動車的標準。由於設計更簡單且維護成本也更低，它們在 2023 年佔全球電動車市佔率 70%，2022 年的電動輕型商用車銷售額達 98%。

BEV 動力系統整合儲存電能的電池組；進行電能轉換以驅動電動機的變流器；將電能轉換為機械運動的電動機，也稱為「原動機」；以及控制馬達與車輪之間輸出的變速箱。

相較於需要引擎、燃油噴射系統和排氣系統的內燃機引擎 (ICE)，電動車動力系統是完全不同的架構，不會產生排放物和內燃機噪音。由於移動零件較少，因此磨損較少，在一般情況下維護成本較低，因為不再需要更換火星塞和換油等保養成本較高的項目。 

隨著全球致力於打造更能為永續發展的未來，電動車的優勢已廣為人知。雖然電池是電動車的關鍵元件，但在幕後也有一系列的電力電子元件和控制系統協同運作，來調節電力的流動。

事實上，電力電子元件是電動車動力系統中很重要的一部分。它們有助於確保最佳能源轉換，以及電動車的最佳運作、安全性和性能。

電動車動力系統中的發電系統

發電系統提供車輛運作所需的電力。

電池組：電池組包含多個作為主要能源儲存機制的電池 (通常為鋰離子電池)。鋰離子電池擁有高能量密度，可在每單位體積儲存大量能量。燃料電池是另一種能源儲存類型。

電池組還包含電池管理系統 (BMS)，提供防止過度充電或放電的策略，以確保電池的安全運作。

車載充電器：車載充電器會將來自外部充電來源 (電網) 的交流電 (AC) 轉換為直流電 (DC)，以儲存於電池中。車載充電器會與車輛控制單元和外部充電站通訊，以調節電力輸送。其中還可能包含網路安全性功能。

電動車動力系統中的配電系統

配電系統控制來自電源的電力。它們整合電力電子元件，包括將電池中的直流電源轉換為電動機所需的交流電源的變流器。不同的電力電子控制拓撲也能透過不同的變流器切換策略來協助提高性能，例如提高效率或達到最大扭矩。 

直流至交流變流器 (牽引變流器)：直流至 交流變流器可將直流電源轉換為交流電源，產生控制馬達速度與加速所需的交流電壓。直流至交流變流器採用絕緣閘極雙極電晶體 (IGBT) 或碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體 (SiC MOSFET) 電源裝置，由印刷電路板 (PCB) 陣列和/或匯流排連接。這些功率半導體裝置的運作方式如同高速開關，可將高電流和電壓「開啟」和「關閉」電動機，模擬正弦波電流波形。

直流至直流轉換器：直流至直流轉換器調整電池的高電壓直流輸出，提供輔助系統供電所需的低電壓直流，例如照明、娛樂系統或空調。它整合電力電子元件，包括功率半導體、二極體、電容器和磁性元件。直流至直流轉換器也可整合至包含充電器和接線盒的電力傳輸模組 (PDM) 中。

車輛控制單元：車輛控制單元是電動車的中央通訊中樞，負責收集與處理來自各種系統、感應器和控制器的資料。它能同步車載充電器、電池、馬達和其他系統之間的活動。

配電單元：配電單元可確保車輛內的每個系統都能獲得適當的電力。它整合開關、保險絲、繼電器，偶爾還整合半導體裝置等電力電子元件，可防止系統過載並實現高效率的操作。

韌體和 ECU：電動車動力系統元件的高效率與安全操作由一系列韌體驅動的電子控制單元 (ECU) 進行協調，確保資料交換與處理的效率。

散熱管理系統：散熱管理系統能保護電池和馬達免受極端溫度的影響，確保整個 EV 驅動系統和生態系統中的過程有效率又安全。

電動車動力系統中的電子機械能量轉換

牽引馬達：牽引馬達是負責產生道路牽引力並推動車輛前進的主要元件。通常包含：

• 定子：馬達的固定零件，由磁導率高的鋼片組成，並在周圍均勻間隔的凹槽中纏繞銅線圈。 
• 轉子：電動機的旋轉部分通常由磁導率高的鋼片組成，其中永久磁鐵經過精心設計，可以最佳方式與定子相互作用以產生扭矩。還有其他不需要磁鐵的馬達拓撲，例如使用「鼠籠」配置來代替永久磁鐵以產生扭矩的感應機器。 

電流通過定子線圈時，會引發旋轉磁場。這個磁場會與轉子的磁鐵 (或感應馬達的鼠籠) 相互作用，導致轉子旋轉並產生運動。電動車的油門踏板可控制透過控制系統和電力電子元件，從電池流至馬達的電力量和頻率，進而控制馬達產生的扭矩。

大多數電動車都配有交流電馬達 (同步型，如無刷永久磁鐵機器中的元件；或非同步型，如感應機器中的元件)。

變速箱和傳動系統：和內燃機車輛一樣，通常需要機械傳動系統使引擎或馬達的輸出與車輪所需的輸出相符。電動車變速箱通常比內燃機車輛的變速箱簡單得多，因為電動馬達可在比內燃機引擎更寬廣的速度範圍內產生扭矩，而且還能在零速度下產生扭矩。這表示不需要通常存在於內燃機車輛中的離合器和寬檔位範圍。然而，電動馬達通常設計為以比車輪所需速度更高的速度旋轉，因此會使用變速箱降低速度並增加可用的扭矩。

大部分的電動車傳動系統都有固定傳動比，不需要任何元件變更傳動比。多檔變速箱因為可擴展可用扭矩與速度範圍，所以可適用於高性能或大型商用電動車。

在 油電混合動力車動力系統中，變速箱採用傳統或行星齒輪組，在合併一個或多個馬達和引擎的動力中扮演非常重要的角色。視駕駛狀況而定，此變速箱會搭配馬達和引擎以最有效率的方式提供動力，包括在內燃機不運轉的情況下操作車輛，以及在適合駕駛狀況時使用引擎和馬達為電池充電。

在電動車中，差速器通常整合為變速箱的一部分，或視動力系統配置而定，也可以是個別的元件。

電氣化動力系統有三種主要類型，提供不同的配置和功能，滿足不同的需求和偏好。

蓄電池電動車 (BEV)：蓄電池電動車也稱為純電動車，其所有動力來自於儲存在充電式電池組中的能量。它們不使用輔助能源儲存來源，例如油箱。

蓄電池電動車必須從外部來源充電，現今的行駛路程範圍介於 100 至 400 英里 (約 160 至 640 公里)。在某些情況下，高階電動車的行駛路程範圍會更高。蓄電池電動車的例子包括 Tesla Model 3、Nissan LEAF 和 BMW i3，其中有許多近期上市的新車款。

油電混合動力車(HEV)：油電混合動力車結合內燃機和電動驅動系統，相較於傳統的內燃機車輛，可實現更佳的燃油效益和性能。

電力為油電混合動力車提供動力的程度並不是固定的。油電混合動力車包含多種優秀的特點，例如：

• 再生制動可將動能轉換回電能，以存放於蓄電池中 (蓄電池電動車也具有此特點)
• 怠速熄火系統可在怠速時關閉引擎，減少廢氣排放
• 為蓄電池充電或為電動機提供額外動力的發電機 (由內燃機驅動)

現今的 油電混合動力車行駛路程範圍介於 400 到 600 英里 (約 640 到 960 公里)。除了 PHEV 之外，HEV 通常不會透過外部電源充電。油電混合動力車的例子包括 Ford Fusion Hybrid、Toyota Camry Hybrid 和 Honda Civic Hybrid。

插電式油電混合車 (PHEV)：插電式油電混合車(油電混合動力車的子類別) 可使用外部電源充電。目前純電動的行駛路程範圍介於 20 到 50 英里 (30 到 80 公里)，非常適合短程的城市旅行。長途旅行時，插電式油電混合車可以依靠汽油或柴油。插電式油電混合車的例子包括 Toyota Prius Prime、Chevrolet Volt 和 Honda Clarity。

氫燃料電池電動車 (FCEV) 是第四種類型的電動車。其運作方式是透過氫燃料電池產生電流，而非蓄電池。

內燃機作為車輛主要動力來源已超過一個世紀。

雖然內燃機的使用歷史悠久，但仍存在許多挑戰，其中最重要的是由於燃燒化石燃料而造成的環境汙染。因此，政府和個人都在努力推動電動車的採用。

作為比較點，以下是內燃機與電動車動力系統之間的主要差異：

電動車動力系統的優點

電動車動力系統的優勢會因個人駕駛習慣和偏好，以及充電站基礎設施的鄰近程度而異。電動車輛動力系統的主要優點如下：

• 零排放：在減少汙染與溫室氣體的前提下，BEV 動力系統最顯著的優勢是排氣管完全沒有因燃燒化石燃料而產生廢氣排放，並在 BEV 壽命期間減少碳足跡。
• 降低噪音汙染：除了沒有排放溫室氣體外，蓄電池電動車動力系統的噪音也比較少，為創造更安靜的環境貢獻一己之力。
• 能源效率：蓄電池電動車動力系統的能源效率顯著高於內燃機動力系統，能將 80% 以上的儲存能量轉換為運動。此外，再生制動等功能還能回收能量。
• 降低維護成本：由於移動零件較少，電動車動力系統的保養維護成本降低，在理想條件和適當保養下，電池壽命可長達 12 年。就像其他蓄電池一樣，它會隨著時間失去容量。
• 降低燃油成本：蓄電池電動車電力成本通常低於 ICE 車輛所需的汽油或柴油成本。根據密西根大學所做的研究顯示，在美國，汽油車的燃油成本是 EV 的兩倍以上。
• 降低總持有成本 (TCO)：雖然通常蓄電池電動車的前期購買成本較高，但燃油和保養方面的成本較節省，有助於降低 TCO，進而降低車輛使用壽命期間的行車成本。

電動車動力系統的缺點

電動車動力系統也具有許多缺點，包括：

• 成本：由於電動車的動力系統元件 (主要是蓄電池) 成本較高，因此前期投資會比內燃機車輛更高。
• 充電時間：蓄電池充電時間通常需要 30 分鐘到數小時不等，視充電站的充電能力而定，相比之下，內燃機車輛加油只需要幾分鐘的時間。
• 消費者行駛路程範圍焦慮：目前蓄電池電動車單次充電的行駛路程範圍有限。由於充電站的普及程度不如加油站，並且電池需要較長的充電時間，因此消費者對於使用蓄電池電動車進行長途旅行會感到焦慮。

電動車動力系統設計的主要目的是提高散熱管理效率和延長行駛路程範圍。他們更偏好於提高功率密度 (每單位體積提供的功率)，在發電和散熱之間取得精妙的平衡。電動車行駛里程、效率和整體性能可在元件、系統和架構層級進行最佳化。

舉例來說，透過將駕駛模式整合到驅動系統架構中，可根據駕駛條件啟用多種設定，大幅提升車輛性能。

整合至硬體架構的 ECU 提供增強功能，例如將駕駛的油門指令轉換為馬達和蓄電池的指令，以滿足特定需求，例如時速 0 至時速 60 英里的加速和最佳能源消耗。這些 ECU 採用動態程式設計或耗電量最小化策略等演算法。

電動車動力系統是推動電氣化的一大創新，為效率、生態環境友善和性能帶來更多益處。隨著越來越多消費者改用電動車，從 SUV、豪華車款到卡車等市場，將會出現更多的車款。

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