首頁 / 高考三級 汽車工程考古題 / 民國115年 高考三級 汽車工程 汽車電機與電控學 民國115年 高考三級 汽車工程 汽車電機與電控學考古題
民國115年 高考三級 汽車工程 汽車電機與電控學收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
試述下列名詞之意涵：（每小題5 分，共25 分）
可變壓縮比（Variable Compression Ratio）
伺服控制電動機（Servo Control Motor）
先進駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System）
車輛控制單元（Vehicle Control Unit, VCU）
磁阻馬達（Reluctance Motor）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、可變壓縮比（Variable Compression Ratio, VCR）：指引擎於運轉中可改變燃燒室容積或活塞上死點位置，使壓縮比連續或分段變化之技術。低負荷時採高壓縮比（約14:1）提升熱效率、降低油耗；高負荷或增壓時降為低壓縮比（約8:1）以抑制爆震（knock）。實現方式有可變連桿長度之多連桿機構、曲軸偏心機構、可變汽缸蓋容積等，代表產品如 Nissan VC-Turbo 引擎，惟機構複雜、成本與重量較高。 二、伺服控制電動機（Servo Control Motor）：屬閉迴路（closed-loop）控制之電動機，接收上位控制器下達之位置、速度或轉矩命令，並以編碼器（encoder）、解角器（resolver）或霍爾感測器回授實際值，於驅動器內與命令比較後修正輸出，以達成精準定位與追蹤。特性為響應快、低速轉矩大、可控性高、具過載保護。依電源分交流伺服（多採永磁同步馬達 PMSM）與直流伺服，廣泛用於線控轉向、線控煞車、機器人關節與工具機進給。 三、先進駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System, ADAS）：以攝影機、毫米波雷達（mmWave radar）、光達（LiDAR）、超音波感測器等感知車輛周邊環境，經電子控制單元融合（sensor fusion）與決策後，提供警示或主動介入轉向、加減速之系統。依 SAE J3016 自駕分級涵蓋 Level 0 至 Level 5。常見功能包括自適應巡航（ACC）、自動緊急煞車（AEB）、車道維持輔助（LKA）、盲點偵測（BSD）。其限制為天候與光線影響、感測器髒污失效、法規與事故責任歸屬未明。 四、車輛控制單元（Vehicle Control Unit, VCU）：為純電動車與混合動力車之整車主控器，負責解讀駕駛意圖（加速踏板、煞車、檔位）、進行扭矩管理與分配、協調馬達控制器（MCU）、電池管理系統（BMS）、車載充電機（OBC）與 DC/DC 轉換器，並透過 CAN／LIN 匯流排通訊。另執行故障診斷（DTC）、高壓安全監控、扭力安全監控（torque safety）與能量回收策略，堪稱整車動力系統之神經中樞。 五、磁阻馬達（Reluctance Motor）：利用轉子磁路磁阻（reluctance）變化產生磁阻力轉矩之電動機，轉子無繞組、無永磁體或僅少量永磁輔助，結構簡單堅固、耐高溫、成本低。主要分為開關式磁阻馬達（Switched Reluctance Motor, SRM）、同步磁阻馬達（Synchronous Reluctance Motor, SynRM）及永磁輔助同步磁阻馬達（PMa-SynRM）。其優點為容錯性高、轉子損耗小；缺點為轉矩漣波（torque ripple）、噪音與振動較大，需藉控制策略改善。
如圖示之理想運算放大器（Operational Amplifier）電路，其中
z
V
6 V
，
R
1kΩ
，
R
3 kΩ
，
R
3 kΩ
請回答下列問題：
求輸出電壓
O
V 。（10 分）
求電流I。（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、解題架構與理想運算放大器條件：理想運算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）在負回授且未飽和時，須滿足「虛短路」（virtual short）V+＝V− 及輸入端電流為零（虛斷路）兩項假設；若輸出電壓超出電源電壓範圍，則進入飽和區，虛短路假設不再成立。本題已知 VZ＝6 V、R1＝1 kΩ、R2＝3 kΩ、R3＝3 kΩ、電源 ±10 V，應先由電路圖確認各電阻之節點連接、回授路徑及電流 I 之量測位置，再以節點分析（KCL）求解。 二、若電路為非反相放大器組態：令 VZ 接至非反相輸入端（V+＝6 V），R1 由反相端接地、R2 為回授電阻，則依虛短路 V−＝V+＝6 V，流經 R1 之電流為 6 V／1 kΩ＝6 mA，同一電流流經 R2，得 VO＝6 V＋6 mA×3 kΩ＝24 V；亦可寫成 VO＝（1＋R2／R1）×VZ＝（1＋3）×6＝24 V。惟 24 V 已高於正電源 +10 V，運算放大器無法線性輸出，實際將飽和於約 +10 V（實務上約 +8～+9 V，視元件壓降而定），故線性公式之結果不成立。 三、若電路為反相放大器組態：令 VZ 經 R1 接至反相輸入端、R2 為回授電阻、非反相端接地，則 VO＝−（R2／R1）×VZ＝−3×6＝−18 V。因 −18 V 已低於負電源 −10 V，同樣進入飽和，輸出被限制於約 −10 V。判定規則為：先以線性公式求得 VO(linear)，再檢查是否滿足 −Vsat ≤ VO(linear) ≤ +Vsat；若不滿足即判定飽和，改以飽和電壓作為輸出。 四、電流 I 之求法：電流 I 之意義決定於圖示位置。若 I 為流經負載 R3 之電流，則 I＝VO／R3；在飽和情況 VO≈10 V 時，I≈10 V／3 kΩ≈3.33 mA。若 I 為流經 R1 之電流，則 I＝VO／R1＝10 V／1 kΩ＝10 mA（線性區則為 6 mA）。若 I 為流入或流出運算放大器輸出端之電流，須對輸出節點寫 KCL：Iout＝IR2＋IR3，並以各分支電壓除以電阻求得。由於題圖節點接線與 I 之標示位置未完整呈現，上述僅為各種可能組態之計算式。 五、結論與作答提醒：本題僅給予 VZ、R1、R2、R3 與電源電壓，未明確標示 VZ 接於何端、R1 與 R2 之回授關係、R3 之功能及 I 之量測支路，且未給定飽和電壓或 Zener 順向壓降，故題目資料缺漏，無法得出唯一數值。考生作答時應先繪出等效電路、標明節點電壓，列出虛短路與 KCL 方程式，再依飽和判定規則討論，並註明所採假設（理想飽和電壓＝±10 V），方能取得完整分數。
關於直流無刷馬達之特性，請回答下列問題：
直流無刷馬達之工作原理為何？請說明之。（7 分）
請列出至少3 種直流無刷馬達之優點，並說明之。（8 分）
若想控制直流無刷馬達轉速，主要可透過那些方式來完成？請分別說
明之。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、工作原理：直流無刷馬達（Brushless DC Motor, BLDC）採永磁轉子（表面貼磁式或內置式）與三相定子繞組，取消傳統機械換向器與電刷，改以電子換向。控制器依霍爾感測器（Hall sensor）或無感測方式偵測反電動勢（back-EMF）過零點，判斷轉子磁極位置，再依六步換向順序對三相繞組輪流導通 120° 電角度之方波電流，使定子合成磁場與轉子磁場維持約 90° 電角度，產生最大且近似恒定之轉矩。 二、優點之一為效率高、功率密度大：轉子無繞組，無銅損與電刷接觸電阻損耗，發熱主要集中於定子而易於散熱，故相同體積下輸出轉矩較大、效率較高。優點之二為免維護、壽命長：無電刷磨耗與換向火花，不產生碳粉污染，亦降低電磁干擾（EMI），適合長時間連續運轉。優點之三為調速範圍廣、響應快、低速轉矩大且可控性佳：藉電子換向可精確控制轉速與轉矩，配合閉迴路控制可勝任車輛驅動、泵浦、風扇與線控系統等場合。 三、轉速控制方式之一為 PWM 電壓控制：以脈波寬度調變（Pulse Width Modulation）改變加於繞組之平均電壓，因轉速近似與電樞電壓成正比（n ≈（V−IaRa）／KΦ），故調整占空比（duty ratio）即可無段調速，此法成本低、效率佳，惟低速時轉矩漣波較明顯。 四、轉速控制方式之二為換向策略與磁場導向控制（Field Oriented Control, FOC）：以 Clarke／Park 轉換將三相電流分解為 d 軸（磁場）與 q 軸（轉矩）分量，分別以 PI 控制器閉迴路控制，使轉矩平順、效率提升並降低噪音；六步方波換向則適用於成本導向之簡單應用。 五、轉速控制方式之三為閉迴路速度控制與弱磁控制：以編碼器或霍爾訊號取得實際轉速，與速度命令比較後經 PI 控制器輸出電流命令，形成速度外環、電流內環之雙迴路架構，可抑制負載擾動、提升穩態精度；當轉速高於額定基速時，則藉弱磁（field weakening）降低 d 軸磁通以延伸轉速範圍。此外亦可改變直流鏈電壓或採串聯電阻降壓等較傳統方式。
關於汽車含氧感知器特性，請回答下列問題：
請敘述汽車含氧感知器之功能及用途。（10 分）
目前汽車常用之含氧感知器有那些種類？其運作原理為何？（15 分）
+10 V
I
R1
R2
R3
Vo
VZ
6 V
參考解答（AI 生成，非官方） 一、功能：含氧感知器（Oxygen Sensor, O2 Sensor）裝設於排氣管，用於偵測排氣中殘餘氧氣濃度，進而推估進入引擎之混合比為濃（rich）或稀（lean）。於閉迴路燃油控制中，引擎控制單元（ECU）依其訊號修正噴油量，使空燃比維持於理論空燃比 14.7：1 附近，確保三元觸媒轉化器（Three-Way Catalyst, TWC）對 CO、HC、NOx 之轉化效率最佳。 二、用途：其一為空燃比閉迴路修正與燃油補正（含長期與短期學習值）；其二為 OBD-II 排放診斷，藉上游（前含氧）與下游（後含氧）感知器訊號比較，判斷觸媒劣化、感知器老化或混合比異常並記錄故障碼（DTC）；其三為寬域感知器可直接量測實際空燃比或 λ 值，供增壓引擎、缸內直噴與稀薄燃燒策略使用。 三、氧化鋯濃差電池式（Zirconia Switching Type）：以氧化鋯（ZrO2）陶瓷為固態電解質，兩側披覆白金電極，高溫（約 300℃ 以上）時氧離子可導通，因兩側氧分壓差產生能斯特電壓（Nernst voltage）。其特性於理論空燃比附近電壓陡變，輸出約 0.1～0.9 V，呈開關式訊號；多附加加熱器（Heated Oxygen Sensor, HOS）以縮短起燃時間。 四、寬域式（Wide-Band／UEGO，如 Bosch LSU）：由濃差電池（感測單元）與泵氧電池（pumping cell）組成，於擴散室內以泵電流將氧離子泵入或泵出，使感測單元維持於 λ＝1 之平衡狀態，泵電流大小與排氣 λ 成正比，故可線性量測 λ 約 0.65 至空氣（約 1.4 以上），適用於全負荷與稀薄燃燒控制。 五、其他型式與比較：氧化鈦式（Titania Sensor）以二氧化鈦之電阻隨氧分壓變化之特性工作，屬電阻型，不需引入參考空氣，體積較小；另有極限電流式與 NOx 感知器（廣義含氧感知器家族）。實車配置通常於觸媒前設寬域或跳躍式感知器擔任控制，觸媒後設跳躍式感知器擔任診斷，兩者訊號比值與振幅可反映觸媒儲氧能力，作為排放法規符合性之依據。