電動汽車原理與實務 -FindBook 找書網

章節試閱

1. 電動車的歷史與展望
一般大眾只要想到汽車，通常腦海中所浮現的是上下振動的引擎，並穿插著排氣管洩出的廢氣，最後則是車輛奔馳於道路上所引發的轟轟巨響。若要探討起為什麼大多數人會有這個印象，其實多半與人類歷史對於能源載體轉換的技術極限有關。傳統車輛的運作，來自於化石燃料藉由點火燃燒產生的化學能，這部分能量通常被進一步轉換為機構的動能，從而誘導出車輛的速度。然而，這將必產生兩點不可避免的副作用：
第一、能量轉換效率不佳，大量佚失。受限於現實，任何一種能量形式的轉換效率都有其極限，若以相同原理的火力發電廠來說，化石燃料的燃燒就意味著能量在空氣中的溢散，而根據臺灣電力公司自己的評估，縱使是最新的火力發電機組，其中也有高達約七成的能量轉換成人類無法利用的熱能，從而消逝在空氣中。這還不打緊，能量轉換成機械能之後，機構與機構間的磨擦力即使經過潤滑，也同樣會變成熱能溢散。上述的情況便成為了傳統汽車引擎下發展的一大難處。
第二、廢氣排放嚴重。化石燃料中內含大量的碳氫氧、氮化合物，甚至是具有毒性的硫化物都含納其中，這意味著汽車每一次引擎的燃燒啟動都對環境是一種傷害。在歐洲針對汽車廢氣也有嚴格規範，從1992年開始，歐盟便實行了歐洲一號汽車廢氣標準，並且標準每四年更新一次。儘管這個規格相對於美國和日本的汽車廢氣排放標準來說，其測試要求已經比較寬泛，但歐洲標準已是開發中國家沿用的汽車廢氣排放體系，由此也能顯見一般傳統汽車造成的環境問題。
綜上兩點，傳統汽車儘管給我們帶來了方便，但不效率與傷害也隨著使用者的遽量增加，而給我們造成了強烈的問題，大家開始思考著，更新更環保也更有效率的作法，於是乎，電動車的概念由此興起。以下，本文將介紹電動車的過去、現在及未來，並說明其發展脈絡之流變。
1.1∣早期的電動車（1839～1935）
在19世紀30年代之前，運輸工具只是通過蒸汽動力，因為電磁感應定律，因此，電動機和發電機，尚未被發現。法拉第早在1820年通過電動機的原理證明了一個攜帶電流和磁鐵的線材，但在1831年，他發現了電磁感應定律，這使得電動機和發電機的開發和演示，成為電動運輸必不可少的。電動機動力始於1827年，當時匈牙利神父ÁnyosJedlik建造了第一台粗糙爛製但可行的電動機，配備了定子、轉子和換向器，並在用它為一輛小型汽車提供動力的一年後。幾年後，在1835年，教授Sibrandus Stratingh在荷蘭格羅寧根大學建立了一個小規模的電動車，以及1832和1839年之間，羅伯特‧安德森在蘇格蘭發明了第一個原油電動車，由不可充電的原電池供電。在同一時期，早期的實驗性電動汽車也在軌道上移動。美國鐵匠和發明家托馬斯達文波特於1835年建造了一個由原始電動機驅動的玩具電力機車。1838年，一位名叫羅伯特戴維森的蘇格蘭人製造了一種速度達到每小時4英里（6公里／小時）的電力機車。在英格蘭，1840年授予了使用軌道作為電流導體的專利，並且在1847年向Lilley和Colten頒發了類似的美國專利。1895年，大發明家Thomas Edison托馬斯—愛迪生和他發明的電動車—Edison Baker，這是一輛用一塊電池驅動的四輪敞篷馬車式車輛，最高時速可達20英里／小時（約等於32公里／小時）。愛迪生曾說：「電是一種「魔法」，它不需要連杆、曲軸和吱吱作響的齒輪，不會發出噪音，更沒有難聞的氣味。」
19世紀90年代末和20世紀初，對機動車的興趣大大增加。電動汽車的出租車於19世紀末上市。在倫敦，Walter C. Bersey設計了一隊這樣的出租車，並於1897年將它們引入倫敦街頭。由於他們製造的特殊嗡嗡聲，它們很快被暱稱為「蜂鳥」。同年在紐約市，塞繆爾的電動馬車和旅行車公司開始運行12輛電動駕駛室。該公司運營至1898年，最多有62輛出租車運營，直到其金融家改組為電動車公司。與20世紀初的競爭對手相比，電動汽車具有許多優勢。他們沒有與汽油車相關的振動、氣味和噪音。他們也不需要換檔。（雖然蒸汽動力汽車也沒有變速，但是在寒冷的早晨，它們的啟動時間長達45分鐘。）汽車也是首選，因為他們不需要手動啟動，汽油車也是如此其中有一個手搖曲柄啟動發動機。
20世紀初，第一批大規模生產的電動汽車出現在美國。1902年，「史蒂倍克汽車公司」以電動汽車進入汽車業務，雖然它也在1904年進入汽油車市場。然而，隨著福特廉價裝配線車的出現，電動汽車倒在了路邊。由於當時蓄電池的限性，電動汽車並沒有獲得太大的普及，但電動火車由於其經濟性和可實現的快速速度，而獲得了極大的普及。到了20世紀，電動鐵路運輸變得司空見慣。隨著時間的推移，他們的通用商業用途減少到專業角色，如平台卡車、叉車、救護車、牽引車和城市運輸車輛，如標誌性的英國Milk float；在20世紀的大部分時間裡，英國是世界上最大的電動公路車輛用戶。
電動汽車在使用它們作為城市汽車的富裕客戶中受到歡迎，其有限的範圍被證明更不利。由於操作簡便，電動車通常作為女性駕駛員的合適車輛上市銷售；實際上，早期的電動汽車被認為是「女性汽車」的恥辱感受到了侮辱，導致一些公司將散熱器固定在前面，以掩蓋汽車的推進系統。電動汽車的接受最初受到缺乏電力基礎設施的阻礙，但到了1912年，許多家庭都接通電力，使汽車普及率大增。在世紀之交的美國，40%的汽車由蒸汽驅動，38%由電力驅動，22%由汽油提供動力。在美國共登記了33,842輛電動汽車，美國成為電動汽車獲得最多認可的國家。大多數早期的電動汽車都是為上流社會客戶設計的大型華麗車廂，使其受歡迎。它們擁有豪華的內飾，並配有昂貴的材料。電動汽車的銷售在20世紀10年代初達到頂峰。為了克服電動汽車的有限運行範圍，以及缺乏充電基礎設施，早在1896年就首次提出了可更換的電池服務。這一概念最早由哈特福德電燈公司實施。通過GeVeCo電池服務，最初可用於電動卡車。車主在沒有電池的情況下，從General Vehicle Company（GVC，通用電氣公司的子公司）購買車輛，並且通過可更換電池從Hartford Electric購買電力。業主支付每英里可變費用和每月服務費，以支付卡車的維護和儲存。車輛和電池都經過修改，以便快速更換電池。該服務於1910年至1924年間提供，在此期間覆蓋超過600萬英里。從1917年開始，在芝加哥為Milburn Wagon公司的車主提供類似的成功服務，他們也可以在沒有電池的情況下購買車輛。
可惜的是，電動汽車的黃金時代也就停在這時候了。探究其背後的原因，除了自身在降低製造成本和改善使用便利性方面，沒有明顯的進步，燃油汽車的幾波有力反擊，也讓電動汽車失去招架能力。1920年代，隨著遍布全球的石油大發現，汽油的價格暴跌到大眾完全能輕易負擔得起的水平，加上基礎艦上的實施下，公路的快速發展、加油站如雨後春筍般湧現，使得人們嚮往長途的旅行，1911年，第一屆全美道路會議標誌美國大規模科學築路開始，從此四通八達的公路將整個美國大通，開車旅行成為了現實，這讓內燃車可以跑得更快、更遠的優點吸引了大眾的注意。更進一步來說，美國凱特琳公司發明的火星塞、消音器更讓內燃車駕乘變得更為簡單舒適，缺點從而消失。電動車的全盛時期過去了，又過了十年，從1935年開始，全世界的電動車產業事實上已經完全消失了。

1. 電動車的歷史與展望
一般大眾只要想到汽車，通常腦海中所浮現的是上下振動的引擎，並穿插著排氣管洩出的廢氣，最後則是車輛奔馳於道路上所引發的轟轟巨響。若要探討起為什麼大多數人會有這個印象，其實多半與人類歷史對於能源載體轉換的技術極限有關。傳統車輛的運作，來自於化石燃料藉由點火燃燒產生的化學能，這部分能量通常被進一步轉換為機構的動能，從而誘導出車輛的速度。然而，這將必產生兩點不可避免的副作用：
第一、能量轉換效率不佳，大量佚失。受限於現實，任何一種能量形式的轉換效率都有其極限，若以相同原理的火力發電...

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作者序

自序

大約在十年前雖然如願的升上教授，但好像也失去生活的重心。為了重新找到對生活的熱情與活力，決定投入古董車的世界，於是買下了我人生第一台保時捷911（1992年的964）。經歷了剛購買車子的喜悅及隨之而來車子出問題的煩惱，找到正確的原因及零件通常都需要好幾次的車友討論，上網搜尋資料並向保養廠技師請教，最後耐心地等待問題解決後的成就感。

隨著上述循環次數的增加，也不斷地累積我對車子的基本知識。許多大學生也來找我進行車子相關的專題研究，我於是成立的一個部落格：曾教授與古董保時捷（/eatontseng.pixnet.net/）...

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1. 電動車的歷史與展望
1.1 早期的電動車（1839～1935）
1.2 能源危機下電動車的興起（1960～1979）
1.3 技術與環境改變下的沒落與興起（1980～1999）
1.4 近代的電動汽車（2000～現今）
2. 電動車的分類
2.1 電動車的基本架構
2.2 傳動與驅動裝置
3. 混合動力汽車（HEV）
3.1 混合種類
3.2 內燃引擎
4. 直流馬達
4.1 馬達的基本構成
4.2 馬達的基本原理
4.3 直流馬達如何轉動？
4.4 直流馬達的數學模型
4.5 穩態平衡工作點
4.6 直流馬達的應用
4.7 直流馬達種類
5. 直流馬達...

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