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電動汽車原理與實務

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作　　者╱

曾逸敦

出版社別╱

五南

出版日期╱

2023/02/03 (1版 2刷)

I S B N ╱

978-986-522-289-5

書　　號╱

5DL9

頁　　數╱

176

開　　數╱

20K

定　　價╱

320

電動車的動力為馬達、基本上分成直流馬達及交流馬達二類。書裡面將分別介紹這兩種馬達的基本原理及特別敘述各自不同的驅動方式、讓讀者可以更了解馬達在電動車裡面的應用。

此外書中介紹了電池的原理及應用，希望能夠讓讀者有廣泛的了解。最後也介紹最近非常流行的油電混合車的基本架構及他與純電動車的差別。

曾逸敦
　　1982年自臺灣大學機械系畢業後，至美國里海大學及密西根大學安娜堡校區取得碩士及博士學位，期間並獲得福特汽車公司奬學金。返國後旋至中山大學機械工程學系任教。現任中山大學機電工程學系終身免評鑒教授，開授汽車學及科技產業分析等相關課程。
　　學術研究主要致力於光收發模組的精密構裝及行動載具之研發。產學合作部分則為輔導廠商將傳統製程電腦整合自動化──主機板組裝、電腦零組件自動檢測、雷射加工機自動檢測等。
　　亦成立部落格「曾教授與古董保時捷」：http://eatontseng.pixnet.net/blog

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. 直流馬達驅動
5.1 電力驅動部件
5.2 DC驅動器
6. 電動車感應馬達的工作原理
6.1 三相交流電
6.2 推導轉子感應電動勢
6.3 計算轉矩
6.4 滑差
6.5 啟動
6.6 速度控制
7. 感應馬達的驅動
7.1 感應馬達速度控制迴路
7.2 驅動原理
8. 電動汽車建模
8.1 簡介
8.2 牽引力
8.3 建模車輛加速度
8.4 電動機車的加速度
9. 能源種類
9.1 電化學電池
9.2 超級電容器
9.3 超高速飛輪
9.4 儲能混合
9.5 燃料電池


交流電機控制與仿真技術：帶你掌握電動車與變頻技術核心算法	微處理器原理與應用─組合語言與PIC18微控制器	半導體IC產品可靠度：統計、物理與工程

動畫基礎概論	自動化控制元件設計與應用：台達PLC/HM I/SERVO 應用開發	處理核廢料之完整藍圖

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。