「模擬」與「監控軟體」在節能車輛的應用

▓撰文：洪翊軒、鄧敦平

隨著京都議定書的訂定以及全球對於環境保護意識的逐年提高，各國政府無不在各種節約能源政策、再生能源技術開發等面向進行全方位的提升。節能車輛在相關節能政策與技術中占有相當的地位，本文主要針對節能車輛發展之模擬技術與監控技術發展，做概括性的介紹，使讀者瞭解加速節能車輛研發之利器。

節能車輛發展

發展節能車輛已是全球因應節能減碳的重要方向之一，並已有具體的政策與方向。例如，本田汽車（Honda）宣示未來將致力於製造小型車、混合動力車、柴油省油車等技術發展；美國總統歐巴馬宣布2015年將有100萬輛插電式油電混合動力車供使用者利用。

國內指標性汽機車廠與關鍵零組件製造商，近年來亦針對環保相關技術與零（低）碳排放動力系統進行研究，並逐漸與全球節能車輛供應鏈進行緊密結合。例如：電動車驅動馬達、電動車鋰電池單電池或模組、電動車燃料電池模組與附件系統等，均顯示臺灣在全球之車輛節能技術的重要地位。政策方面，包含行政院宣誓4年內生產10萬輛電動機車、油電混合車之關稅與貨物稅減免、計程車改裝瓦斯推進系統補助、怠速熄火等，均可對臺灣之減碳效益起巨大影響。因此，節能車輛系統發展與相關控制╱能量管理、系統╱次系統監控，逐漸成為國內財團法人研究單位、學術單位、企業研發部門的發展重點。

模擬軟體技術與發展

自1995年以來，由於電腦運算速度大幅提升，為高效率開發節能車輛，模擬（Simulation）技術已隨著電腦效能躍進，逐漸為各國際級企業所採用；從早期美系之GM與Ford、歐系之BMW，逐漸擴展至亞洲的Toyota與Honda等。模擬，逐漸成為車輛開發前的必經之路。

透過模擬先期驗證，可在實體尚未發展前即先預測其效能，進而設計變更系統設計或控制邏輯。因此，模擬可大幅減少開發之人力、物力、時間、成本。整個系統模擬軟體與動態分析流程如圖1所示。首先，為瞭解車輛系統之動態，建立系統模型（System Model）為分析前的必要工作，而系統架構、次系統初步規格與車輛基本參數則需列表建成資料庫。接著，透過各種不同商用車輛模擬軟體與自製車輛軟體，將車輛規格與參數輸入藉以分析車體動態。

目前主要市售車用模擬與分析軟體可如圖2所示。包含美國新能源實驗室開發之Advanced Vehicle Simulator（ADVISOR）、美國Argonne實驗室開發之Power System Analysis Kit （PSAT）、Mechanical Simulation公司推出的CARSIM等軟體。ADVISOR可將各類節能車款不同型號之次系統性能建立後（如引擎油耗、馬達效率、電池充放電性能），接著選擇不同測試標準便可模擬出能耗、續航力、加減速特性、污染排放等指標；PSAT可將節能動力中的馬達╱引擎╱電池等元件進行最佳化規格之疊代演算以進行整車開發；CARSIM可視覺化模擬節能車輛3-D動態行為。以上3種模擬軟體均可對系統進行能耗與駕駛性評估。

同時，若將此車輛動態軟體與控制策略結合，則可先期評估整車控制策略之可行性與能量管理的節能效益。圖3顯示控制策略如何整合車體動態軟體。為了測試控制策略的優劣與節能效益，模型前端需要送入測試條件。一般而言，是以指定車速對時間做為模擬腳本，又稱為「行車型態」。之後，須在控制策略前端建立駕駛者模型；而為追蹤指定車速，駕駛者會接收到實際車速後對車輛進行油門、煞車、換檔的操控，這些操控與次系統回饋之參數，將會送至控制策略部分供控制器下模式決策、能量管理、安全保護等。換句話說，整車動態模擬程式發展完成後，將可與待開發的控制策略結合，做為先期策略架構評估。須注意的是，若車輛模型與實車動態相較之下不準，則所開發的控制策略亦無法對實車產生實質效益，因此確保整車模型動態的準確度，為首要條件。

即時模擬軟體

第二種要介紹的節能車輛相關模擬軟體為「即時模擬軟體」（如圖4）。所謂「即時（real-time）」，或稱「線上（on-line）」，代表模擬的時間與真實世界的時間同步。即時模擬軟體之目的，並不是做為系統設計與性能評估之用，而是做為車輛控制單元（Control Unit）開發之用。

當節能車輛的整車控制策略、參數調校、運算性能尚未成熟之前，將上述車輛模擬軟體下載至裝有即時作業系統（real-time operation system）的電腦，則此電腦可模擬真實車體之動態，換句話說，此電腦變成為一台「虛擬」節能車輛。電腦中之A╱D、D╱A卡可將即時運算的車輛動態傳輸給待測的整車控制器；控制器透過輸出入介面可接收車輛動態後，便可進行控制模式切換、混合動力能量分配、安全保護模式等，接著在一個取樣時間內再將控制命令回傳給虛擬車體進行次系統與致動器控制，以觀察待測之控制器參數及控制策略是否妥適，如此聯結即時模擬電腦及控制器單元的反饋迴路，亦稱為硬體嵌入式即時模擬系統（Hardware-In-the-Loop, HIL）。目前已被多家國際車廠使用，進行節能車輛之控制器開發使用。

監控軟體技術與發展

監控軟體技術，對於節能車輛發展具有相當重要的影響。由於節能車輛的能量源，例如燃料電池、鋰離子電池與超級電容器之輸出性能對於溫度而言較為敏感，且電能模組的電壓╱電流╱電量之安全保護，相對傳統引擎車而言至關重要，因此，不論是節能車輛上監控軟體抑或是節能車輛產品開發期之研發監控軟體，對於車輛性能提升、次系統壽命延長、產品開發加速與行駛安全性等面向，具有極正面影響。因此，整車系統╱關鍵零組件監控軟體為目前各車廠在開發節能車輛時必備之要素。一個具備高傳輸速率、彈性人機介面的監控軟體，對於節能車輛開發初期時的關鍵零組件模組發展，有著十分重大影響。

以圖5為例，其為一電動車輛之混合電能系統架構，具有超級電容器、燃料電池、鋰離子電池、直流╱直流轉換器等元件。當平台建構完成後，為瞭解各系統關鍵參數如：電壓、電流、溫度等變化以便進行監控與控制反饋，因此需要透過一塊數據擷取卡，用以接收各種不同型態之資訊（類比、數位、CAN Bus等）。經過訊號處理後，便可將訊號傳至監控電腦中。監控電腦內具有自行設計的監控軟體。軟體將系統拆解成燃料電池、鋰電池、超級電容器3個子監控畫面；可透過儀表、柱狀圖、指針變化等形式，即時視覺化的顯示參數變化狀況，當參數到達臨界值或危險界線時，並可顯示為紅色警示或發出警示聲，以提醒開發工程師進行相關保護。因此，節能車輛監控軟體導入研發流程，確實可加速節能車輛關鍵技術之開發。（作者為國立臺灣師範大學工業教育學系助理教授、副教授）

關鍵字：節能車輛,模擬技術,監控技術