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電動車之系統開發與控制器設計
  • 發布年度:2011
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:ecHo通訊
  • 車輛研究測試中心 綠能車輛發展處 陳建安

    電動車,其是綠色環保及油價高漲議題下的新寵兒。在全球各界的關注下,各大車廠皆投入研究與開發,可見不久將引發一次車輛產業革命。電動車輛依其動力來源可分成純電動車、混合電動車;而混合電動車依其動力架構組成可分成串聯式、並聯式及串並聯式。然而無論哪種形式之電動車,其系統開發與控制器設計都將是未來電動車技術成熟化之關鍵指標。

    電動車之開發,包含了整車零組件的匹配、系統(零組件)建模、系統開發、整車性能模擬及控制器設計…等流程,在整車零組件的匹配上,乃基於車輛性能目標、車款規格來決定;在系統建模上,除可協助整車性能模擬外,亦可搭配應用在系統開發及控制器設計。

    圖1為電動車輛在動力系統開發之設計程序,其次在擁有組件規格後,針對開發系統或設計控制器時,各組件之建模是非常關鍵的,目前一些商業軟體(表1)雖然提供了許多組件的模型可供使用,但大多受限於特定公開之零組件資料,因此對於自行選用或非公開的組件則需自行建立其模型,以馬達為例需建構其功率、效率及轉矩關係圖,如圖2;而在動力電池上則需其內電阻、充放電能力、開路電壓等參數加以建構,因此各零組件的建構真實性,仍是整體模擬真實性的重要指標,在擁有良好的規格選配技術及完備的分析模擬軟體下,如何完成其真實性的零組件特性模型的建構,將是未來研究的重要課題。

    表1 電動車模擬分析軟體特色及功能分析
     圖1 電動車輛動力系統開發設計程序
     
     圖2 電動車輛用馬達轉矩及效率關係圖

    在建構完組件模型後,其次依車輛運動方程式建構簡易車輛模型,而駕駛模式則可依實際車速與目標車速之誤差,進入PI控制器來模擬加速踏板及煞車踏板之動作,最後可以此駕駛模式來設計整車控制單元(VCU),其可依據馬達/驅動器及動力電池之輸出參數來做設計。由於VCU之設計除了考量整車性能表現外,亦須考量各組件之狀態監視,例如馬達溫度、轉速及動力電池之溫度、電壓及殘電量…等,因為若無監控,將造成各系統間元件損壞或減少使用壽命,同時若沒有對應之防護機制,將會有系統安全疑慮的問題存在。

    其次,對於動力電池之溫度、電壓及殘電量之變化情形,亦可開發管理系統來對其作保護,可知從組件匹配、建模到控制器設計與系統整合是非常重要的,而在完成開發後如何驗證系統功能之完整性,則是另一重要議題。硬體迴路模擬(HIL)是目前控制器開發功能驗證常用之方式,其避開了實車驗證風險與縮短開發時程,其常見之開發流程為一V字型開發架構,如圖3。

    圖3 電動車輛V字型開發架構

    電動車技術範圍廣泛,如何快速入門且能参與設計,最簡單的方式為建立整車系統模擬架構,係因其可從中瞭解各組件之動態特性到整車性能的表現,也能評估匹配之合理性,最後可依此模型來開發控制器,建議有意投入研究電動車領域之人員,可朝此研究方式來實現開發。
     

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