113 高普考高考三級 汽車工程 汽車電機與電控學 考古題詳解
第 一 題30 分
請試述下列名詞之意涵:
(一) Start/Stop System(S/S System)
(二) Mild Hybrid Electric Vehicle(MHEV)
(三) Regenerative Brake System(RBS)
(四) Lane Departure Warning(LDW)
(五) Parking Assistance System(PAS)
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核心觀念
本題考查汽車電機與電控系統的基本功能,須能分辨各系統的作用目的、主要運作方式,以及是否涉及車輛驅動或安全輔助。五個名詞中,S/S 與 MHEV 著重節能與動力管理;RBS 著重煞車能量回收;LDW 與 PAS 則屬駕駛輔助系統。
解題方法
作答時可依「系統做什麼、如何運作、帶來什麼效果」逐項說明,並辨別容易混淆的功能:LDW 是車道偏離警示,PAS 是停車輔助;MHEV 可提供有限電動助力,但通常不能像純電動車般長時間單獨驅動車輛。
(一) Start/Stop System(S/S System,怠速熄火系統)
車輛在交通號誌等情況停車、且符合系統設定條件時,自動停止引擎運轉;駕駛準備起步時,再由起動馬達或整合式起動發電機重新啟動引擎。系統通常會監控電瓶電量、引擎溫度、空調需求及車速等條件,以確保熄火與再啟動不影響車輛正常使用。
目的是減少停車怠速時的燃油消耗與廢氣排放。它主要改善停車期間的引擎怠速耗油,並不代表車輛具有純電行駛能力。
(二) Mild Hybrid Electric Vehicle(MHEV,輕度混合動力車)
以內燃機為主要動力,另配置電動機與電能儲存裝置(如高壓電池),在起步或加速時提供有限電動助力,並可配合怠速熄火與煞車能量回收。常見架構包括 48 V 系統,以及整合式起動發電機(ISG)。
與全混合動力車的主要差異,在於一般 MHEV 的電動機通常不能獨立驅動車輛行駛;電動系統主要協助內燃機運轉、提升效率並回收能量。因此,MHEV 不等同於純電動車,也不宜與可由電動機單獨驅動的全混合動力系統混為一談。
(三) Regenerative Brake System(RBS,再生煞車系統)
第 二 題20 分
如圖(一)之電橋電路,請回答下列問題:
(一) 求輸出電壓 與輸入電壓 之關係。
(二) 當電阻 、、、 滿足何種關係時,則無論輸入電壓 為多少,輸出電壓 ?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查惠斯登電橋(Wheatstone bridge)及串聯分壓原理。
圖中電源 加在電橋上下兩端:
- 左支路由 、 串聯組成。
- 右支路由 、 串聯組成。
- 輸出電壓定義為左側中點對右側中點的電壓:
解題方法
(一)求 與 的關係
因為各支路均為串聯電路,先利用分壓公式求兩個中點電壓。
左支路中, 兩端電壓為:
右支路中, 兩端電壓為:
依照圖中 左正右負的極性:
因此:
通分後:
整理分子:
(二)使 的電阻關係
第 三 題30 分
請回答下列問題:
(一) 說明步進馬達(stepping motor)之工作原理。
(二) 請列舉並說明至少 5 項步進馬達之特性。
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核心觀念
本題考查步進馬達的脈波輸入與角位移控制原理,以及其相較於一般連續旋轉馬達的控制特性。步進馬達(stepping motor)將電氣脈波轉換成離散的機械轉動;控制脈波數可控制轉角,控制脈波頻率可控制轉速,改變定子繞組的通電順序則可改變轉向。
解題方法:工作原理
步進馬達的定子具有多相繞組,轉子則依馬達型式採用永磁體、軟磁材料,或兩者兼具。控制器依序向定子各相繞組送入電流,使定子磁場的位置按順序改變。轉子受到磁力作用,會朝向磁阻較小或磁極吸引力較大的位置移動,並在每次激磁切換後轉過一個固定步距角。
例如,依序激磁 A、B、C、D 相,轉子便沿一方向逐步轉動;若將激磁順序反轉,轉子便反向轉動。每輸入一個有效脈波,馬達前進一個步距;若步距角為 ,輸入 個脈波時,理想轉角為
若每轉所需脈波數為 ,脈波頻率為 ,則理想轉速為
因此,步進馬達通常以開迴路方式控制位置:脈波數決定轉角,脈波頻率決定轉速,通電相序決定方向。若負載過大、加速過快或脈波頻率超出馬達能力,轉子可能失步,實際位置便會偏離控制器依脈波數推算的位置。
步進馬達的特性
-
步距角固定,適合離散位置控制 每次激磁狀態切換,轉子按一定步距角前進。步距角由馬達結構及激磁方式決定,能以脈波數設定目標角位移。
-
轉角與輸入脈波數成正比 在不失步的前提下,脈波數越多,轉子轉角越大;脈波數可直接作為位置控制依據。
第 四 題20 分
如圖(二)之理想運算放大器(Operational Amplifier)電路,其中 、、、、。
請計算:
(一) 輸出電壓 。
(二) 電流 及 。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查理想運算放大器的兩項特性:
-
輸入端電流為零:
-
在線性負回授狀態下,虛短路成立:
齊納二極體將非反相輸入端電壓穩定為:
因此反相輸入端電壓亦為:
解題方法
(一)輸出電壓
與 串聯於輸出端與接地之間,且反相輸入端接在兩電阻的中點,因此中點電壓為分壓結果:
代入 、、:
(二)電流 及
電阻 的下端電壓為齊納電壓 ,故:
兩端電壓為: