工業基礎專欄 | 電動巴士動力系統之能耗分析

作者:

楊正平

刊登日期:2020/05/29

如今新能源車的快速發展,對於能源使用策略逐漸重視,就如電動車而言,充滿電後的行駛里程將決定消費者是否買單,能否有如傳統燃油車一般使用。然而該如何規劃能源管理策略並不容易,其中牽涉到各式車型的規格、次系統(如馬達、傳動、電池系統)的規格參數以及行駛路段皆會影響能源性能表現。多項變數影響之下無法在車輛設計階段直接透過實測取得,因此,藉由建立一套能源管理分析模擬平台,即可針對多項不同的變數進行模擬分析,透過相關的車輛系統參數及路況參數調變分析,即可得知能源性能的變化趨勢。此外,也可利用該平台進行最佳化模擬分析,即針對一種車型及路況,分析數種可能的能源控制模式,再比較出具有最佳效率的結果。

本研究所建立之車輛動力分析系統,其概念為根據車輛行駛的速度與行駛路段的狀況推算出動力源所需提供的動力,進而探討各項參數的模擬結果進行分析。分析步驟:一、匯入車速數據(Course speed)。該數據可以是實際車輛行駛而量測記錄下的資料,也可以是任一車輛規範所要求的車速資料。二、車輛阻力計算(Driving force calculation)。配合該行駛路段的狀況,主要是坡度數據以及車輛規格(車重、輪胎規格等)計算車輛所受的阻力值。三、輪端動力計算(Tire and transmission)。將車輛阻力與車速進行計算後,即可得知車輪端所需的動力,包含扭力及轉速。四、馬達動力計算(Motor power calculation)。依據車輛的傳動系統規格,如傳動鏈的齒比、檔位數等,即可計算動力源所需提供的動力。就此車輛能源分析技術,最終可得電池電力的模擬計算值。首先,由初始設定的SOC(State of charge)電荷狀態值取得OCV(Open circuit voltage)電壓值。其次,代入馬達所需功率,該功率已透過車輛動力系統模擬取得,並搭配電池設定之內電阻值,藉由公式求解電流值。已知的電流值可透過積分求得消耗的電量,由該電量則可得知電池的輸出功率。最後,隨著車輛動態進行迴圈運算,重新計算得下個時間點的電量消耗,最終即可推得SOC變化曲線。

模擬實例以一輛純電動力巴士為分析對象,該車動力源馬達之動力規格為220kW,傳動鏈搭載本部門開發之單速齒輪箱[1]。

1.選用分析路程

模擬選用馬祖南竿海線之公車路線作為分析路程,如圖1(a)標示紅線部分;圖1(b)為總路程車輛行駛速度與路程相對高度對應時間之曲線。此為該路段公車實際行駛,經量測而取得之數據資料。該分析路程之特徵為上下坡變化頻繁,最大上、下坡度皆超過30%,對車輛的扭力需求大。另外,就該行駛車輛之車速量測數據而言,極速不超過50 km/h,而平均車速約26.6 km/h。

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