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中華民國第二十屆車輛工程學術研討會, 大葉大學機械與自動化工程學系,台灣彰化, 2015 年 11 月 13 日。 The 20th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 13, 2015, Da-Yeh University., Changhua, Taiwan, R.O.C. C – 036 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
多電源電動車輛實驗平台建置與系統即時監控設計
陳瑞逸 1、林博煦 2、黃國修 3
13國立臺北科技大學車輛工程學系 2財團法人車輛研究測試中心
1 E-mail: [email protected]
摘要 本研究主要針對純電動車系統進行實驗平台建置
與平台即時監控系統設計,本研究透過 NATIONAL
INSTRUMENTS、搭配Labview虛擬監控程式之人機介面進
行規劃與設計,利用Labview圖形化程式語言擷取實驗
平台上各關鍵零組件訊號,如馬達的轉速及轉矩、輸出
軸轉速與轉矩..等系統平台參數,透過內部運算程式分
析以及人機介面的整合即時的記錄與儲存,進行純電動
車系統平台各元件運轉狀況及性能輸出情形的判斷參
考指標,並依據各項監控程式所擷取的訊號及參數,進
行標準行車型態的模擬分析測試及系統平台的調校,確
實掌握系統平台實際的運轉情況及預防可能發生的故
障問題,提供事前的保養與維修的能力及降低維護成本
與時間,以提升整體系統的可行性。
關鍵字: 多電源電動車輛、平台建置。
1. 前言 目前全球暖化、溫室效應越來越嚴重,綠色能源開發
越來越受到重視,各國車廠均積極發展與尋求高效
率、節能、乾淨的能源技術。因此產生多種替代石化
能源的新能源如天然氣、氫氣、乙醇燃料、燃料電
池…等的產生。這些替代能源各有其優點與缺點。因
應國際環保的潮流,各國無不努力地在研發不同型式
動力源之車輛,並慢慢發展出使用空氣動力、燃料電
池、複合動力、純電等新能源之車輛,但以綠色能源
的角度來看純電動車將會是未來的一個趨勢。
純電動車系統中,其使用電能為驅動源,基本車輛
系統架構包含電池、馬達及馬達驅動器等。驅動源的主
要來源由電瓶所提供,也就是一般所謂的蓄電池,相較
於高效能馬達及驅動器的快速發展,唯電池性能遲遲無
重大突破。常見的電動車電池問題有:能量密度及功率
密度不足、充電時間太長與充電不便、電池使用壽命過
短等。電能模組的性能對整車動力及續航力的表現影響
重大,使電動車目前無法廣泛取代傳統內燃機車。
本研究提出以多電源電動車輛設計及控制方法,將
焦點從純電池技術研究轉移至以系統整合及多電源電
能控制方式克服上述問題,利用燃料電池高能量密度的
特性,以及超級電容器充放電時間短、大電流充放電特
性,可在不提高二次電池重量下,獲得高能量密度及高
功率密度動力,達到與傳統內燃機車輛相等、甚至更高
的續航力及更優異的動力性能表現。
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument
Engineering Workbench) 是 美 國 National
Instruments公司於1986年所發展出來的一套軟體,是
一種可用圖形(Graphics)環境來建立程式的語言,又可
稱之為"G"語言。Labview因為是圖形化程式介面,在於
儀器控制與量測方面,擁有相當強大的功能,也可藉由
GPIB監控儀器系統,透過區域網路的方式,直接與電腦
連線,做訊號量測、分析、數據儲存與資料擷取等,另
外它最大的方便性是在於人機介面上的設計,達到虛擬
儀表的功能,帶給使用者相當彈性的設計,只需將所謂
的虛擬儀表(Virtual Instrument)物件以流程圖方式
加以連接組合,便可完成所需要的系統;更由於簡單、
易學因而縮短了研發時間與經費及增加了生產力。
2. 實驗平台測試系統之規劃 本研究使用含馬達、扭力計、煞車離合器、扭力計、
轉速計、超級電容、燃料電池、鋰電池與400Nm磁粉式
煞車進行平台的建置。本研究按照既定的整車為目標對
其動力系統進行設計,其平台整車參數如表2.1所示。
表2.1 多電源電動車輛整車參數
設計規格
整車空車(kg) 500
車體尺寸
長×寬×高 (mm) 3000x1250x1250
乘客數 (人) 2
輪胎尺寸 P175/65R14(0.28m)
傳動效率 0.9
空氣阻力係數 0.328
滾動阻力係數 0.015
在進行後續動力系統匹配設計前,須事先擬定符合
駕駛者需求及滿足行車型態規範之車輛動力性能指標,
其指標如表2.2所示。
表2.2 多電源電動車輛動力性能指標
動力性能指標
最高車速 (km/h) ≧55
最大爬坡度
(以車速 5km/h均速行駛) (%) ≧15
0~60km/h 加速時間(s) ≦30
市區模式續航里程
(以車速 60km/均速行駛)(km) ≧50
遠程模式續航里程
(以車速 60km/h 均速行駛)(km) ≧100
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中華民國第二十屆車輛工程學術研討會, 大葉大學機械與自動化工程學系,台灣彰化, 2015 年 11 月 13 日。 The 20th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 13, 2015, Da-Yeh University., Changhua, Taiwan, R.O.C. C – 036 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2.1 驅動馬達額定功率與最大功率的選擇 馬達功率參數的選擇要依照車輛的具體動力性能
指標,對比各指標下的需求功率值,從而選取最大的需
求功率值作為馬達最大功率。一般電動汽車整車動力性
能指標中之最高車速對應持續工作區,即馬達額定功率,
而最大爬坡度及全力加速時間對應的則是短時工作區
(1~5min),即馬達最大功率。
表 2.3 驅動馬達額定功率與最大功率設計
2.2 驅動馬達額定轉速、最高轉速、額定扭矩及
最大扭矩的選擇 本研究根據車用驅動馬達的特點並參考廠家提供
資料,選定馬達額定轉速為 2000rpm,馬達最高轉速為
7000rpm。
表 2.4 驅動馬達額定轉速、最高轉速、額定扭矩及最
大扭矩的設計
規格設計
額定功率 (kW) 2
最大功率 (kW) 4
額定轉速 (rpm) 2000
最高轉速 (rpm) 7000
額定扭矩 (Nm) 9.81
最大扭矩 (Nm) 19.62
2.3 傳動系統參數設計 傳統燃油車輛由於引擎轉速比較高,實際的車輪速
度比較低,所以傳動系統中必須包含多檔位的變速傳動
機構及主減速器。而電動汽車及本研究之多電源電動車
輛的動力完全由馬達提供,透過馬達控制器,驅動馬達
可在較大的範圍內調速以滿足車速需求,因此傳動系統
通常只採用固定速比的主減速器。其優點為減少變速箱
和離合器等傳動裝置的質量和體積,車輛操縱更簡易。
本文根據多電源電動車輛動力系統架構及動力性能匹
配需求,採用固定速比傳動系統,僅選用主減速器來完
成車輛減速。
2.4 減速比設計 傳動系統最小傳動比是變速箱最高檔的傳動比與
主減速器速比的乘積,需滿足汽車行駛最高車速需求;
傳動系統最大傳動比的選擇是變速箱最低檔傳動比與
主減速器速比的乘積,應考慮最大爬坡度以及地面附著
率;主減速器固定速比必須同時滿足最高車速和最大爬
坡度的要求,因此其值必須同時滿足式傳動系統最小傳
動比公式和傳動系統最大傳動比公式。
設主減速器速比為 𝑖𝑓 ,要滿足最高車速不低於55km/h 以及最大爬坡度高於 15%,可由下式計算求得傳動系統最小傳動比𝑖𝑚𝑖𝑛=5.4181;主減速器固定速比𝑖𝑓=9。
表 2.4 固定減速比之設計
3. 多電源電動車輛系統各元件介紹 3.1 圖表及公式
本研究多電源電動車系統實驗平台,如圖 3.1 所示。
圖3.1 多電源電動車系統實驗平台
平台關鍵零組件包括燃料電池、鋰鐵電池、超級電
容、轉速計、扭力計、磁粉式煞車等,採用4KW富田三相
無刷馬達作為電動車主要動力來源,通訊協定採用Can
Open通訊,透過Compactrio控制其馬達,搭配減速機構
使其能夠追隨行車型態曲線。
本實驗使用之扭力計如圖3.2所示,規格分別為
200Nm與500Nm,當負載端啟動產生扭力時扭力計會產生
一類比電壓訊號,此訊號透過放大器如圖3.3所示將其
訊號放大,並透過擷取卡將其訊號進行擷取,主要目的
為量測馬達端與磁粉式煞車端之扭力變化情形,配合光
纖感應式轉速計如下圖3.4所示,產生一類比電壓訊號,
經公式換算掌可控馬達在不同工作模式下輸出之功率
以及磁粉煞車輸出之負載。
三相馬達
扭力計
磁粉式煞
燃料電池
鋰鐵電池
超級電容
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中華民國第二十屆車輛工程學術研討會, 大葉大學機械與自動化工程學系,台灣彰化, 2015 年 11 月 13 日。 The 20th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 13, 2015, Da-Yeh University., Changhua, Taiwan, R.O.C. C – 036 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
圖3.2 扭力計
圖3.3 扭力計訊號放大器
圖3.4 光纖式轉速計
本研究動力來源採用48V鋰電池、超級電容與燃料
電池,如圖3.5所示以鋰電池作為主要動力來源,提供
馬達工作電壓,當系統在大負載模式下需大電流提供時,
利用超級電容快充快放特性,搭配能量控制,即時提供
馬達所需功率,燃料電池如圖3.6主要是對鋰電池以及
超級電容充電,在三種不同電源特性下,補足其優缺點,
不僅可增加電動車續航力,還能有效延長鋰電池使用壽
命。
圖3.5 Maxwell 48V/83F超級電容
圖3.6 燃料電池
磁粉式煞車組由磁粉式煞車器與磁粉式煞車控制
器所組成的,如圖3.7及圖3.8所示,其利用磁粉式煞車
控制器調整來改變磁粉式激磁電流大小,使得在實驗平
台上能模擬出複合動力車輛在平地或者是爬坡時的負
荷,提供複合動力系統之負荷變化,磁粉式煞車外部控
制器藉由Compactrio如圖3.9與電腦連結,可模擬提供
所採用行車型態之阻力利用磁粉式煞車控制外在負載
變化,來模擬行車狀態,行車狀態是採用ECE40行車型
態。磁粉式煞車器能提供最大轉矩為400 Nm,其磁粉式
煞車控制器之轉矩輸出訊號為每1 Nm為0.025 V,亦即
轉矩為400 Nm時之輸出電壓為10 V;轉速類比信號為2V
輸出時;轉速為1000rpm。藉由類比電壓訊號與轉矩輸
出關係建立行車型態電壓控制訊號,下命令給磁粉式煞
車。
圖3.7 磁粉式煞車控制器
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中華民國第二十屆車輛工程學術研討會, 大葉大學機械與自動化工程學系,台灣彰化, 2015 年 11 月 13 日。 The 20th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 13, 2015, Da-Yeh University., Changhua, Taiwan, R.O.C. C – 036 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
圖3.8 磁粉式煞車
圖3.9 Compactrio 控制器
3.2 結果與討論 多電源電動系統實驗平台之即時監控人機介面是
使用LabView軟體設計開發及整合HEV整車系統實驗平
台直覺化的使用者人機介面操作環境,並可同步擷取並
監測平台上各物理訊號,如轉速、扭力等。此系統可將
平台所需訊號整合,經內部程式分析,使操作者可得知
平台運轉情況,並且能即時紀錄及儲存實驗數據。而此
系統同時具備手動或自動控制負載功能,可依照實驗需
求選擇所需的負載模式。多電源電動系統實驗平台之即
時監控人機介面,如圖3.10所示。
圖3.10 平台系統人機介面(a)
圖3.11 平台系統人機介面(b)
監控程式包含馬達輸出軸至磁粉式煞車,平台監控
程式如圖3.12所示,當馬達轉動時其指示燈會亮起,而
馬達功率、車速可藉由測到的馬達之轉速與扭力藉由式
(1)式(2)換算的知,並顯示在人機介面上。
圖3.12 馬達監控程式
2
6000
NTP
公式(1)
P:功率(kW) N:轉速(rpm) T:扭力(Nm)
2 3600
60 1000
NV r
公式(2)
V:車速(km/h) r:輪胎有效半徑(m)
N:磁粉式煞車軸轉速(rpm)
磁粉式煞車主要功能是模擬汽車行駛在路上會遇
到的行駛阻力(滾動阻力、空氣阻力、爬坡阻力),會
依目前車速訊號藉由式換算當時行車阻力,
Compactrio 提供電壓訊號控制磁粉式煞車控制器,使
磁粉式煞車產生行車阻力,在依扭力計得知行駛阻力
是否正確。目前我們考慮的阻力有滾動阻力、空氣阻
力,其公式如下:
Rr = 𝝁𝒓 ∗ 𝒘 公式(3) 𝝁𝒓:滾動阻力係數 W:車重(kN)
Re = 𝝁𝒕 ∗ 𝑨 ∗ 𝑽𝟐 公式(4)
𝝁𝒕:空氣阻力係數 A:車身正面之截面積(𝑚2)
磁粉式煞車控制程式,如圖3.13所示。
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中華民國第二十屆車輛工程學術研討會, 大葉大學機械與自動化工程學系,台灣彰化, 2015 年 11 月 13 日。 The 20th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 13, 2015, Da-Yeh University., Changhua, Taiwan, R.O.C. C – 036 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
圖 3.13 磁粉式煞車控制介面
本實驗之行車型態追隨是利用模糊控制進理論進
行控制,其回授訊號分別為目標車速與實際車速之誤
差與車輛之加速度,再藉由模糊控制之規則庫判斷其
油門的大小以達到本實驗行車型態之追隨,程式如圖
3.14所示。
圖 3.14 行車型態追隨程式
本實驗為了更逼近實車狀況,本實驗平台之訊號
使用 can bus作為通訊協定。其 can bus架構,如圖
3.15所示。
圖 3.15 CAN 架構圖
4. 結論 本研究所設計的即時監控系統能立即顯示各動力
源扭力、轉速以及功率,使測試人員能即時記錄及儲
存,經由程式分析後以圖形顯示的概念,來判斷系統
運轉是否正常,提供事前的保養與維修的能力及故障
排除時的依據。利用磁粉式煞車之外部控制器與控制
電腦相互連接,能由控制電腦直接執行控制磁粉式煞
車取代傳統手動方式操作,能正確跟隨所設定的行車
型態各區段阻力,達到自動化測試。
5. 致謝 感謝ARTC多元彈性電動車輛電能控制與系統整合
設計計畫對本研究的支持與補助,特此致上感謝之
意。
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