111 高普考高考三級 汽車工程 汽車電機學 考古題詳解

核心觀念

本題屬於標準的「汽車電子與先進車輛控制系統」名詞解釋申論題，測驗考生對當代智慧車輛（ADAS、xEV 及底盤主動安全）四大關鍵技術系統的專業認知。各子題對應的核心概念與技術規範如下：

1. LKA System：先進駕駛輔助系統（ADAS）中的橫向控制技術（Lateral Control），依循 SAE J3016 定義之 Level 1～Level 2 駕駛自動化架構，涵蓋影像特徵辨識、車道線幾何模型建立及電動輔助轉向（EPS）閉迴路控制。
2. HEV：電動化車輛（xEV）動力架構，結合內燃機（ICE）與電能動力總成（Electric Powertrain），以提升整體系統熱效率、降低排放及動能回收（Regenerative Braking）為核心。
3. ESC System：車輛橫擺動態（Yaw Dynamics）主動安全控制，結合防鎖死煞車（ABS）與循跡防滑控制（TCS），依據感測器估測之側滑角（Sideslip Angle $\beta$）與偏擺率（Yaw Rate $\gamma$），透過非對稱主動煞車介入維持車身循跡極限。
4. BMS：動力電池組（Traction Battery Pack）之監控與安全保護核心單元，涵蓋電氣參數監測、演算法狀態估測（SOC、SOH、SOP）、單體電芯均衡（Cell Balancing）以及熱管理系統（TMS）控制。

解題方法

解答「工程系統名詞解釋」之申論題型，切忌僅提供中英文直譯。欲取得閱卷委員評分之高分群（20～25 分滿分標準），答題骨架必須具備「三層結構」：

1. 系統本質與定義（What）：給出權威定義、所屬範疇及主要功能。
2. 核心組成與感測元件（Composition）：列出關鍵感測器（Sensors）、電子控制單元（ECU）及致動器（Actuators）。
3. 運作原理與控制邏輯（How & Why）：說明系統如何判斷輸入訊號、採取何種介入手段，並具體點出能解決何種車輛工程問題。

選項分析（各子題深層解析）

本題為申論名詞解釋題，以下針對四項子題之技術意涵逐一解析：

(一) Lane Keeping Assistance System（LKA System，車道維持輔助系統）

• 系統定義： LKA 為主動式橫向輔助系統。車輛於標線清晰之道路行駛且未撥打方向燈時，若系統判定車輛即將偏離所屬車道，將主動介入轉向或施加橫向偏擺力矩，引導車輛返回原車道線內。
• 主要硬體組成：

1. 感測端：前擋風玻璃內側之「單眼／雙眼車載前視攝影機」（CMOS Camera），負責擷取前方道路影像。
2. 運算控制端：ADAS 運算模組（整合邊緣辨識演算法與影像處理晶片）。
3. 致動端：電動輔助轉向系統（EPS 馬達）或電子式煞車輔助系統（透過單側輪差動煞車產生轉向力矩）。

• 控制原理與流程： 攝影機即時辨識車道標線並擬合道路曲率（Curvature），計算車輛質心相對於車道中心之「橫向位移偏差」（Lateral Offset）與「航向角誤差」（Heading Angle Error），並依據車速計算「跨線時間」（Time to Line Crossing, TLC）。當 TLC 小於安全門檻值且駕駛人未開啟方向燈時，系統先行觸發人機介面（HMI）警告（方向盤震動、儀表警示），若駕駛人未修正，ECU 隨即命令 EPS 馬達輸出反向修正扭力，使車輛重回車道中央。

(二) Hybrid Electric Vehicle（HEV，油電混合動力車）

• 系統定義： HEV 是指同時搭載「傳統內燃機（汽油或柴油引擎）」與「至少一具電能驅動馬達（Electric Motor / Generator, MG）」兩種動力源之車輛。車載動力電池僅由引擎驅動發電機充電或由減速煞車動能回收充電，無法透過外部電網插電充電（與 PHEV 之主要區隔）。
• 動力架構分類：

1. 串聯式（Series Hybrid）：引擎僅帶動發電機發電，車輪純粹由電動馬達驅動（增程式架構）。
2. 並聯式（Parallel Hybrid）：引擎與馬達各自具備機械傳動路徑，兩者可單獨或共同驅動車輪。
3. 混聯式／動力分割式（Series-Parallel / Power-Split Hybrid）：藉由行星齒輪組（Planetary Gear Set）作為動力分配裝置，實現引擎轉速解耦並同時進行發電與驅動（如 Toyota THS 系統）。

• 核心控制邏輯與節能效益：
• 最佳工作線控制：藉由馬達調配扭矩輸出，迫使引擎始終維持於「煞車比油耗」（BSFC）最佳的高效率區間（Sweet Spot）。
• 怠速熄火與純電起步（Idle Stop & EV Launch）：低速低負載時關閉引擎，消弭低速燃燒效率低劣之缺點。
• 煞車動能回收（Regenerative Braking）：將車輛減速時的慣性動能轉換為電能儲存於動力電池，減少摩擦煞車的熱損耗。

(三) Electronic Stability Control System（ESC System，電子車身動態穩定系統）

• 系統定義： ESC 係整合 ABS（防鎖死煞車系統）與 TCS（循跡防滑系統）之頂級底盤主動安全系統。其目的在於車輛面臨極限操駕、劇烈變道或濕滑低附著係數路面時，即時消除「轉向不足（Understeer）」與「轉向過度（Oversteer）」，防止車輛失控甩尾或推頭打轉。
• 主要感測元件：

1. 方向盤轉角感知器（Steering Wheel Angle Sensor）：量測駕駛人之操控意圖（轉向角度與角速度）。
2. 四輪輪速感知器（Wheel Speed Sensors）：監控各輪瞬時旋轉速度與車速。
3. 偏擺率與橫向加速度感知器（Yaw Rate and Lateral Acceleration Sensor）：安裝於車輛重心處，量測車身實際之偏擺旋轉角速度（Yaw Rate $\gamma$）及側向 $G$ 值。

• 動態判定與主動介入機制： ECU 內建「二自由度單軌二輪車輛模型（Bicycle Model）」，以方向盤轉角及車速估算車輛應有之「理論目標偏擺率 $\gamma_{\text{target}}$」，並與感測器測得之「實際偏擺率 $\gamma_{\text{actual}}$」進行比對：
• 轉向不足（推頭，$\gamma_{\text{actual}} < \gamma_{\text{target}}$）：ESC 液壓單元主動對「彎內側後輪」施加煞車阻力，並調節引擎電子節氣門降低輸出，產生向彎內的修正偏擺力矩。
• 轉向過度（甩尾，$\gamma_{\text{actual}} > \gamma_{\text{target}}$）：ESC 液壓單元主動對「彎外側前輪」施加煞車阻力，產生向彎外的反向穩定力矩，拉直車身姿態。

(四) Battery Management System（BMS，電池管理系統）

• 系統定義： BMS 是高壓動力電池模組的「大腦與守護單元」，負責監控、估測、保護及協調管理電芯與外部系統間的電能傳輸，確保動力電池於生命週期內處於高安全、長壽命與高能效狀態。
• 五大核心功能模組：

核心觀念

戴維寧等效定理指出，從負載兩端看入線性電路，可用一個等效電壓源 $V_{\mathrm{th}}$ 串聯等效電阻 $R_{\mathrm{th}}$ 取代原電路。移除 $7\,\Omega$ 負載後，求得開路電壓 $V_{\mathrm{th}}$；再將獨立電壓源短路、獨立電流源開路，求得 $R_{\mathrm{th}}$。

解題方法

以 $7\,\Omega$ 電阻的兩端作為戴維寧等效端點，以下方導線為參考點。

1. 求開路電壓 $V_{\mathrm{th}}$

先移除 $7\,\Omega$ 電阻。$1\,\text{A}$ 電流源送出的電流經左側 $3\,\Omega$ 電阻流入中央節點；由於負載已移除，這 $1\,\text{A}$ 必須經右側 $3\,\Omega$ 電阻流向右側的 $12\,\text{V}$ 節點。

因此，右側 $3\,\Omega$ 電阻上的電壓升高為

中央節點的開路電壓為

核心觀念

本題評量三相交流感應電動機（Induction Motor）的基本工作原理與運轉參數計算，涵蓋以下核心觀念與公式：

1. 電磁感應與轉矩生成機制：

• 定子通入三相對稱交流電後，產生旋轉磁場（Rotating Magnetic Field, RMF）。
• 旋轉磁場切割轉子導體，依「法拉第電磁感應定律」產生感應電動勢（EMF）與感應電流。
• 依「冷次定律」與「勞侖茲力／安培力」作用，轉子感應電流與旋轉磁場交互作用產生電磁轉矩，驅動轉子同向旋轉。

2. 同步轉速（Synchronous Speed, $N_s$）： 定子旋轉磁場之旋轉速度，取決於電源頻率 $f$ 與定子極數 $P$： $N_s = \frac{120f}{P}\quad (\mathrm{rpm})$
3. 轉差率（Slip, $S$）與轉子轉速（Rotor Speed, $N_r$）： 轉子轉速必落後於同步轉速（$N_r < N_s$），兩者之相對速度差比率定義為轉差率： $S = \frac{N_s - N_r}{N_s} \implies N_r = (1 - S)N_s$
4. 轉子電頻率（Rotor Electrical Frequency, $f_r$）： 旋轉磁場相對切割轉子的頻率，等於電源頻率乘上轉差率： $f_r = S \cdot f$

解題方法

(一) 感應電動機之工作原理

感應電動機之工作機制可依物理歷程分為四個連續步驟：

1. 建立旋轉磁場： 當定子之對稱三相繞組通入對稱三相交流電流時，各相繞組所建立之交變磁場在氣隙中合成出一個振幅恆定、以同步轉速 $N_s = \frac{120f}{P}$ 旋轉之空間旋轉磁場。
2. 產生感應電勢與電流： 旋轉磁場以相對速度 $(N_s - N_r)$ 切割靜止或較慢旋轉之轉子繞組（或鼠籠導條）。依據法拉第電磁感應定律（Faraday's Law of Induction），轉子導體兩端感應出交變電動勢；因轉子導體兩端短路（如鼠籠端環閉合），轉子電路內即流通感應電流。
3. 電磁轉矩之生成： 轉子載流導體處於定子氣隙磁場中，受到磁場作用力（安培力／勞侖茲力）。根據冷次定律（Lenz's Law），轉子導體感應電流所產生之磁效應，必然傾向抵抗磁通之相對切割運動；因此轉子會順著定子旋轉磁場之旋轉方向受力，產生電磁轉矩（Electromagnetic Torque）並加速旋轉。
4. 維持穩定轉速差（轉差運轉）： 轉子實際轉速 $N_r$ 必然小於同步轉速 $N_s$。若轉子轉速達到同步轉速（$N_r = N_s$），轉子與旋轉磁場之間將無相對運動，無法切割磁力線，感應電動勢、電流及轉矩皆降為零，轉子隨即減速。因此，感應電動機在電動機模式運轉時，必須維持轉差率 $0 < S < 1$。

核心觀念

此電路是反相加法器。假設運算放大器理想且處於負回授線性工作狀態，則輸入端電流為零，且因同相端接地，反相端為虛地：

$V_- \approx V_+ = 0\ \mathrm{V}$

因此，各輸入電壓經 $R_1、R_2、R_3$ 流入反相端的電流，會由回授電阻 $R$ 流向輸出端。

解題方法

各輸入支路電流為：

$I_1=\frac{V_1}{R_1}=\frac{2\ \mathrm{V}}{1\ \mathrm{k\Omega}}=2\ \mathrm{mA}$

$I_2=\frac{V_2}{R_2}=\frac{4\ \mathrm{V}}{2\ \mathrm{k\Omega}}=2\ \mathrm{mA}$

$I_3=\frac{V_3}{R_3}=\frac{8\ \mathrm{V}}{4\ \mathrm{k\Omega}}=2\ \mathrm{mA}$

核心觀念

本題評量重點為智慧車輛與智慧型運輸系統（Intelligent Transportation Systems, ITS）之核心技術——**車聯網（Internet of Vehicles, IoV）**之理論定義與系統架構。

1. 車聯網定義：IoV 係由物聯網（IoT）技術深化延伸至智慧交通場域之架構，指透過車載感測設備、智慧終端、全球導航衛星系統（GNSS）與無線通訊技術，達成車輛內部、車輛之間、車輛與外部環境的人、車、路、雲全方位資訊交換與網路整合。
2. 通訊體系（V2X）：以車聯萬物（Vehicle-to-Everything, V2X）為基礎，包含 V2V（車對車）、V2I（車對路側設施）、V2P（車對行人）、V2N/V2C（車對網路／雲端）。
3. 系統架構模型：工程界與學界主流採用的「端—管—雲」三位一體體系架構，或對應於資通訊標準之三層／四層式架構（感知終端層、網路通訊層、平台支撐層、應用服務層）。

解題方法

本題屬於標準的技術概念與系統架構問答題，切入策略應兼顧「廣度」與「規範性」：

1. 概念闡述：先破題定義 IoV 之由來與本質，指出其為車載資通訊（Telematics）與物聯網之結合；再以條列式說明其核心目標（主動行車安全、交通效率優化、自駕車協同決策、資訊娛樂服務）。
2. 架構剖析：切忌零散列舉零組件。閱卷評分重視層次感，解題採用國家考試與國際通訊標準最認可的**「端—管—雲（感知層、網路層、平台／應用層）」技術分層架構作為骨幹，並補充「V2X 通訊實體交互架構」**，展現完整的工程思維與考點掌握度。

選項分析

本題為高考三級之申論／問答題型，無選項設計。針對閱卷評分要點與答題完整性剖析如下：

• 概念定義部分：若僅回答「汽車上網」或「導航連線」，無法取得及格分數；必須點出「V2X 全方位動態交互」與「自駕／協同控制」之本質。
• 架構組成部分：
• 感知端點（端）：若未提及車內匯流排（CAN、LIN、Ethernet）及車載單元（OBU），架構將失之於車輛工程核心。
• 通訊網絡（管）：必須精確寫出 Dedicated Short Range Communications（DSRC / IEEE 802.11p）與 Cellular-V2X（C-V2X，如 4G LTE-V2X、5G-NR V2X）等主流標準名稱。
• 雲端服務（雲）：需涵蓋邊緣運算（MEC）與遠端車聯網服務平台（Telematics Service Provider, TSP），說明雲端大數據如何反饋給車輛與用路人。

解題技巧

1. 記憶口訣「端、管、雲」：回答架構題時，牢記「前端感知（端） $\rightarrow$ 網絡傳輸（管） $\rightarrow$ 後台決策與服務（雲）」，條理分明且絕不漏項。
2. 關鍵英文專有名詞必背：適度加註英文縮寫（如 V2X, OBU, RSU, DSRC, C-V2X, CAN-bus），可大幅提升答案的專業度與辨識度。
3. 避開常見陷阱：切勿將「車聯網（IoV）」與傳統單純車內藍牙連線或單向廣播的「車載資通訊系統（Telematics）」混為一談；IoV 重調**「雙向即時交互」與「車群／路網協同」**。

【答案】

壹、車聯網（Internet of Vehicles, IoV）之概念

車聯網（IoV）是物聯網（IoT）技術在智慧型運輸系統（ITS）領域的深度整合與延伸。其核心概念為：「以具備聯網與智慧運算能力的車輛為核心載體，利用車載感測設備、控制器、全球導航衛星系統（GNSS）與現代無線通訊技術，建立人、車、路、雲全方位互聯之大型分散式智慧網路系統。」

車聯網的核心內涵包含以下特點：

1. 多維度資訊交互（V2X, Vehicle-to-Everything）：

• V2V（Vehicle-to-Vehicle，車對車）：車輛間即時交換車速、航向、位置與動態碰撞警示。