翻閱近年來的車壇新聞,有關環保節能的篇幅日益增長,代表著消費者與車廠的環保意識已逐漸抬頭。特別是在石化能源價格攀高、減低碳足跡等議題加溫下,如何擺脫石化能源束縛,創造出更為環保的汽車替代動力方案,便成為各大車廠所共同努力的目標。

在目前已知的替代動力方案中,不論是以 Toyota 為首的油電混合 Hybrid 車款,還是 Tesla 等小規模的純電動驅動 EV 車款,以至於目前尚未有量產車款問世的燃料電池 Fuel-Cell 車款,皆與電動傳動系統有關。

不論是 Hybrid、純電動 EV、或是 Fuel-Cell 燃料電池等替代能源方案,皆與電動傳動系統有關。

傳統汽柴油引擎所採用的內燃機技術,在經過汽車工業長久以來的研發演變下已趨成熟,目前就能源效率改善而言,每一回的研發成果,所能提升的幅度可能僅有百分之個位數。但近十餘年才開始獲得關注的電動傳動系統,不論在能源轉換、電力儲存系統方面,產品成熟度雖不若汽柴油動力系統;然而另一方面,這也代表電動傳動技術上,存在很大的進步空間。

汽車五年一次大改款,電子技術進展空間大

電動傳動技術在各方投入大量研發資源後,電動傳動系統所牽涉的電池、電動馬達效能、能源管理乃至複合動力的 Hybrid 系統均持續改善;陸續出爐的研發成果,就如同 3C 產品一樣,每次的產品世代更新,都代表產品力長足的進步。

汽車業常見的 5 年一次大改款,若以一般 3C 電子商品的角度來看,在 5 年的時間內,CPU 運算性能便得以提升 8 倍以上;若是 10 餘年前的電子產品,以現在科技水準而言,老化的程度都已經可以被視為恐龍了。

第一代 iPod nano 於 2005 年問式,至 2008 年的第四代產品,在外觀及功能等方面已大幅進化。若再與 10 年前的第一代 iPod 相比,其間的差異將難以想像。但在這樣的時間之內,汽車的改款進化,則可能只有一、二代的改變。

這樣的背景之下,Toyota Hybrid 系統的代表車款 Prius,在 2009 年底特律車展正式以三代目的身份大改款登場,產品力的大幅提升是可以預期的,也是 U-CAR 此次來到日本試駕的主要體驗目的。

現今汽車上的電裝系統數量已不少,但對 Prius 來說,電子系統更是產品力的核心,大改款推出所帶來的產品力進展,更如 3C 商品般,有極大進步的想像空間。圖為第三代 Prius 於 2009 年初首度在底特律舉行的北美車展亮相。

提升能源管理效率

自 1997 年第一代 Prius 問世以來,12 年間 Prius 車系成功在全球締造超過 120 萬輛的銷售成績。經過長年的市場銷售,以及實際的使用經驗回饋下,Toyota 得以累積許多資訊數據,並就各世代 Prius 的優缺點進行強化或改善。

就負責 Prius 產品研發的總工程師大塚明彥表示,新一代 Prius 所搭載的 THS 油電混合系統 (Toyota Hybrid System) ,在追求能源效率表現提升上,主要就幾個方面加以著手進行。首先,是在能源管理的效能方面。

由於 Hybrid 系統為傳統內燃機引擎、電動馬達和電池模組等多個系統整合而成。因此,能源的管理將是影響效率的主要因素之一。新一代 Prius 能源管理的進步,主要在於經驗的累積下,發展出更有效的管理機制,並在電腦運算效能提升的基礎下,可以更複雜的運算來達成管理效能提升。

新一代 Prius 的動力系統,自原本的 1.5 升汽油引擎升級至 1.8 升汽油引擎,再加上馬達、變速系統、電池組的改進,提供更好的效能。

汽油動力排氣量加大,高速階段是改善重點

而就動力系統本身,新一代 Prius 與上一代車型最重要的差異,則在於換裝 1.8 升汽油引擎。

就 Hybrid 系統的運作原理而論,電動馬達及汽油引擎各司其職,在不同的行駛階段,扮演不同的角色。大體來說,起步或低速階段,主要由電動馬達擔綱,因為在這個階段,通常是汽油引擎能源效率最差、污染排放最嚴重的階段。但到了高速行駛階段,由於汽油引擎運轉效率高、汙染排放低,因此是由汽油引擎運轉為主。

第二代 Prius 所搭載的 THS 系統,僅採用排氣量 1.5 升的汽油引擎。在高速巡航時,低排氣量的引擎需以較高的引擎轉速運轉,這也讓高速駕駛成為二代 Prius 的弱項之一。針對此一部份,新一代 Prius 搭載的 1.8 升 Atkinson 循環式引擎,藉由加大排氣量的方式,使汽油引擎最大馬力自上一代的 77 匹,增加至第三代車型的 99 匹。

為改善前一代車款汽油引擎動力不足的問題,第 3 代的 Prius 依舊採用符合 Hybrid 需求的 Atkinson 循環引擎,但是排氣量提升至 1.8 升,最大馬力增加至 99 匹,以貼近消費者使用需求,讓能源效率提升。

排氣量提高,馬力、扭力同步上漲的情況下,最直接的助益,即在於汽油引擎動力主要所負責的高速巡航路段時,動力性能得以大幅改善。搭配 CVT 無段變速系統下,依據原廠所示數據,新一代 Prius 在高速巡航時的引擎轉速得以下降 10%,此舉也帶來更為經濟的燃油使用表現。

排氣量提升的動力增加,讓汽油引擎巡航時轉速可以下降 10%,油耗表現因而進一步改善。

除了排氣量增加直接帶來的馬力上漲外,工程師也就許多引擎細節部份進行修改,以期引擎效率得以再行提升。包括 Toyota 首見的電動水泵設計,直接由電池供電,捨棄過往的皮帶驅動設計,降低對引擎輸出動力的耗損,並可更精確的控制冷卻水量。汽門結構上,滾柱式搖臂設計也能降低內部機件摩擦力,進一步提升燃油效能。此外,諸如 EGR 廢氣再循環和廢氣熱能再循環系統,皆是 Toyota 為提升內燃機效率所做的努力。

體積、重量、容量、出力,電動系統改善重點

先前提及,多項汽車動力替代方案的關鍵,皆在於電動傳動系統。而新一代 Prius 就電動傳動系統的部份,也有相當長足的進步。首先,工程師就電傳系統進行瘦身,使其在體積和重量上更為迷你,達到整體輕量化和車室空間的改善。

主要負責驅動的電動馬達部份,新一代 Prius 則將減速齒輪整合於馬達內部,在提高扭力輸出的同時,一併縮減馬達體積和重量。同時,新一代 Prius 電動馬達的動力輸出,也自上一代的 50kW 提高至 60kW,約莫等同於 80 匹馬力之譜。

前後代驅動馬達並排,其體積縮小工程的成果清楚呈現。而右側這具更輕巧的馬達,輸出的動力更提升至 80 匹馬力的水準,讓新一代的 Prius 能擁有更好的動力表現。

就電力控制系統方面,新一代 Prius 的轉換器,輸出電壓自上一代的 500 伏特,提高至新一代的 650 伏特。而原廠也改善了鎳氫電池模組,在體積縮小的前提下,提升電力輸出。同時,周邊的冷卻系統和元件也經過妥善安排,以提供車室更寬廣的乘坐與置物空間。

總和而論,新一代 Prius 的 THS 油電混合系統,藉由汽油引擎排氣量提升,以及電動傳動系統的技術進步,使得整體動力效率達到新的境界,最大動力輸出也自前一代車款的 113 匹馬力,成長至 136 匹馬力。

外型輪廓風格不變,空氣力學大進展

除了就動力系統改造進化之外,原廠也自車身設計、車體材質以及車上配備等多面向進行著手。在外觀上,新一代 Prius 仍保有獨特易辨的三角形車側輪廓,與上一代略帶楔形的設計筆調相較,新一代 Prius 線條上更加流暢許多。嶄新的頭燈造型,賦予新一代 Prius 更富動感的全新車頭意象。

第 3 代 Prius 的外型設計延續第 2 代產品的風格,再融入新世代 Toyota 品牌的家族特色,像是直立式廠徽及中央隆起式引擎蓋、流線型頭燈組,呈現更新潮的視覺效果。而 Toyota 的廠徽亦加上了藍色的影線,彰顯 Toyota Hybrid 系統的獨到。

為了提升空氣力學表現,新一代 Prius 採用小型水箱護罩搭配大型保桿進氣壩的設計,此舉得以降低車頭風阻、並提供引擎室更佳的冷卻效能。同時,為了改善行駛時輪胎的周圍氣流,前保桿兩側邊角以及輪拱前方鈑件,也都採取線條分明的平面化造型。

自車側望去,在招牌的三角形輪廓下,新一代 Prius 擁有更為前傾的 A 柱線條,展現從車頭至車尾一氣呵成的流暢弧線。而線條通過 B 柱頂點後,也順勢收落至車尾,展現獨具的掀背造型。此外,新一代 Prius 也刻意加強車側腰線的刻劃,呈現更富動感的車身特質。

除了設計感的呈現,第 3 代 Prius 的車頂線條的最高點亦略為後移,提升消費者更佳的後座頭部空間。

車頂線條來到車尾,急轉直下的筆法一如前一代車型;然而設計師仍巧妙地以更豐富的鈑件變化,為新一代 Prius 營造出頗富新意的車尾造型。更為立體的小鴨尾設計,在長度上略較上一代增加,同時在保桿上緣部份,也加入一道立體摺線,整體對於車尾空氣力學和行駛穩定性,皆有相當的加分作用。

車尾進一步拉伸的整合式鴨尾設計,提供更好的整流效果,讓新一代的 Prius 在空氣力學的表現上較前一代來得優異。而搭配全新設計的燈組,讓視覺上的動感亦同步提升。

此外,就看不見的車體底板,大面積、平整化的塑料引擎底板,也有助氣流順利通過車底,進一步提升車輛的空氣力學表現。整體而言,新一代 Prius 的風阻係數達到 0.25 的驚人水準,以全球量產車而言可謂名列前茅。

提升動力效能、改善空氣力學,另一方面,工程師則就車體重量動刀。除了之前提及電動傳動系統體積縮小、輕量化外,在車身結構上,新一代 Prius 增加鋁合金和高張力鋼材的使用比例,前後煞車系統、懸吊系統也選用鋁合金材質,得以大幅降低整體的車身重量。

操控大有進步

全方位的產品進化,在此次北海道的實際駕馭過程中,即得到了驗證。駕駛感覺上最主要的差異,在於動力銜接的部份。上一代 Prius 在低速至高速的加速過程中,電動馬達與汽油引擎之間的動力銜接過程較為粗糙,較大的動力落差導致加速感略顯不平順。

第 3 代 Prius 在電池動力與引擎動力的接續表現上較第 2 代進步相當多,主要得力於動力的提升以及控制技術的進步,讓行駛的流暢度表現不凡。

而新一代 Prius 在汽油動力及電動馬達出力都有提升的情況下,加上複合動力的管理、銜接及整合上更加成熟,因此在加速性能的表現明顯順暢許多,動力銜接時除了微微感受到汽油引擎加入運作外,動力落差的反應已消弭的相當良好,對於乘坐舒適性而言也更為提升。

一如 Toyota 家族的其餘 Hybrid 產品,新一代 Prius 的動力管理系統,仍會視不同的駕馭情形,調整電動馬達、汽油引擎、發電機、電池模組等運用模式;不過實際駕駛時,若不注意觀察儀錶板上的資訊顯示,事實上,駕駛及乘客幾難發覺各系統間的切換和交互運作,整體 THS 系統的成熟度已更顯臻至。

高速性能果然大幅提升

此外,新一代 Prius 工程師特別著墨的高速駕駛部份,受惠於加大排氣量的汽油引擎,高速巡航時,不僅在轉速和燃料使用上更具優勢,同時較低的引擎轉速,對於車室靜肅性而言也有直接助益。此外在欲進行超車或再加速操作時,搭配電動馬達一同驅動,整體的油門和加速反應也更加直接迅捷許多。

空氣方面的成就,所帶來的效益亦展現於高速行駛階段。由於車子的行駛速度越高,動力用於對抗風阻也就越多。Prius 在高速行駛的穩定性、靜肅性及耗能方面,皆受惠於超低風阻係數的車體,而有了大幅改善。

左方第 3 代的 Prius 車體的空氣力學設計較右側第 2 代產品來得更佳。Toyota 的工程師針對第 2 代產品多年實際行駛的經驗,改善各項不足之處,讓第 3 代產品高速行駛的穩定性、靜肅性等,都有長足進步。

由此看來,新一代 Prius 的確針對了前代弱項的高速部份,下足了功夫。而新一代 Prius 的產品力也證明了車廠在這方面的投入沒有白費。

根據已經出爐的能源局耗能數據,新一代 Prius 的市區/高速/平均油耗,每公升行駛里程達到了 26.06/26.57/26.3 公里。在動力性能提升的情況下,耗能竟然比起前代的 22.56 km/l (市區)、24.26 km/l (高速) 及 23.3 km/l (平均) 進步許多。

首篇試車報告,先帶網友探索新一代 Prius,在油電混合動力系統上有什麼程度的革新。然而,新一代 Prius 的實際操駕性能、內裝質感設計、以及配備功能及豐富度上,與上一代車型相較也有相當程度的增長。有關此一部份,U-CAR 也將再專文進行詳細的介紹。