多電源電動車輛實驗平台建置與系統即時監控設計 ·...

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


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


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


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。


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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