運具電動化已成為推動淨零轉型的國際趨勢，然而，鋰電池電動車相比傳統燃油車，存在續航力短、充電時間長、因電池重量重導致載重能力減弱，以及充電過程可能影響電網穩定性等問題，如果在交通工具中結合氫能技術，將能有效解決這些問題。
政府在2022年3月發布淨零排放路徑，將氫能列為重點規畫項目之一，並應用於發電、產業應用及載具等面向。氫氣的能量密度約為天然氣的2.5倍，且能在短短5到10分鐘內快速補充能源，這些特點使氫能成為鋰電池電動車里程焦慮的有效解方。與純電動車不同，氫能車除了鋰電池外，還包含燃料電池，透過結合氫氣與空氣的化學反應來產生電力，再與鋰電池結合來驅動電動馬達，從而推動車輛行駛。
為了彌補國內氫能移動載具系統的技術缺口，經濟部產業技術司投入科技專案，致力幫助國內車輛產業建立關鍵的氫燃料電池系統（FCS），並實現氫能與鋰電池三電（電機／電控／電池）系統的整合。初期以3.5噸氫能電動貨卡作為驗證平台，後期將開發適用於大客車的百瓩高功率、高電壓氫能動力模組系統（包括燃料電池和電堆設計技術），並發展氫能動力三電整合技術，建立氫能移動載具零組件與次系統的平台驗證。
在產業技術司補助下，工研院進行動力型FCS氫能移動載具驗證平台開發與整合，利用自主研發的3.5噸電動貨卡動力底盤，作為30kW FCS的技術驗證平台，進行系統整合與控制驗證。透過此平台，工研院驗證車載氫能的關鍵模組，建立氫能動力三電系統技術能量，進而推動國內自主FCS關鍵零組件的發展。
工研院還研發混合電力控制器（HCU），將鋰電池與FCS進行最佳電力調配，發展比純電動車更長續航里程的高功率氫能潔淨動力系統。為了確保系統的可靠性和安全性，將由模型在環測試（Model-in-the-LooP；MiL）／軟體在環測試（Software-in-the-Loop；SiL ）／硬體在環測試（Hardware-in-the-Loop；HiL,）、FCS穩態效率測試，以及透過底盤動力計行車型態下，進行整車動態混合電力控制、發展HCU控制邏輯，以及系統控制調校驗證等技術。
因應不同的車輛運行情境，採用不同混合電力運行模式。模式一：鋰電池充電模式，應用情境在於低負載時，FCS可同時供應負載電力及對鋰電池充電；模式二：鋰電池放電模式，當鋰電池在高電量或是FCS在低氫氣存量時，此時控制策略轉由鋰電池供電；模式三：最佳化電力分配比例模式，當高負載時透過調整鋰電池與FCS的輸出比例，來達到最佳的動力輸出效益；模式四：煞車回充模式，當車輛處於煞車或滑行狀態時，馬達可對鋰電池進行電量回充。
工研院已透過HCU連結商購燃料電池與鋰電池，進行DC／DC轉換器控制功率輸出測試驗證，以及啟停控制與供電至鋰電池效率測試，確保模組系統能正常運作，並於工研院院內道路進行低速試運行測試。目前亦進行第二代商購氫能動力系統研發，導入擁有低成本及高功率密度之金屬堆FCS，搭配示範場域逐步進行運行驗證，促使車載FCS由商購到自主開發，提升關鍵組件自主化比例。未來工研院將把這些科技專案的研發成果擴展至大客車等級的百瓩高功率、高電壓氫能動力模組系統，並將其應用於國道客運和重型商用車，以提升應用效益。
（本文由工研院前機械與機電系統研究所饒達仁授權轉載）
