第一章 緒論
1.1 前言
電動車發展至今已超過一個世紀，直到大約 1918 年代以來，電動車都有很 良好的銷售量，然而電動車由於速度不夠快而且價格昂貴，因此其在運輸上的能 力遠遠不及汽油車，到了 1933 年，電動車的使用數量幾乎減少到趨近於零的地 步[1]。
然而，在當今人民生活水準提高的情況下，環保意識逐漸抬頭，人們開 始重視汽油車排放廢氣所帶來的汙染，而電動車以電能為動力來源，不會對環境 帶來污染的特性，成了人們代步工具的新選擇。因此政府將電動車列為我國 2009 年國家發展重點計畫之一，除了於 2009 年納入綠色能源產業旭升方案，政府預 計於西元 2012 年至 2016 年規劃用新台幣 96 億來推動四大智慧產業之智慧電動 車發展策略與行動方案計畫[2]。然而台灣的電動車市場並不成熟，因此需要向國 民宣導電動車相關知識，以增進人民對電動車的理解度，目前國內諸多觀光地點 均以提供電動機車或電動車來讓人民租用的方式去向大家宣導電動車，因此人民 便能更了解電動車的優點[3]。
國內在電動車研發方面，至 2012 年 6 月止，必翔、裕隆及華德動能等自主 開發電動車品牌之廠商陸續有通過交通部安全審核標準之電動車研發成功，證明 臺灣具有開發電動車的能力[4]。儘管民間政府投入大量資源對電動車相關組件 進行研發，電動車航程短的缺點還是依然存在，根據各國作法，增加電動車充電 站數量似乎解決此問題的最佳辦法，這方面還需要民間、政府對此項建設投入資 金做投資。然而目前以台灣的電動車環境來說，電動車充電站尚未普及，因此煞 車回充便成為能增加電動車續航力的替代方案。煞車回充可以為電動車增加將近 20%的續航力，對電動車來說是極為重要的系統元件之一，目前已將該技術使用 在 Nissan Leaf 與 GM Volt 等電動車上[5]。因此本研究選定電動車中極為重要的 再生煞車系統進行研究，期望能因應產業趨勢改善電動車續航力，對業界做出貢
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獻。
1.2 研究動機
自從工業革命以來，石油與煤等石化燃料便開始成為人們用來驅動機械之 主要燃料，然而過了三個世紀後，石化燃料都經歷了大量的耗用，使得地球上能 使用的資源越來越稀少，並產生一些問題；其中，最廣為人知的莫過於是石油的 枯竭。Richard 提到：石油開採在 2015 年達到高峰值，此後便會以不可逆的情勢 迅速下滑，約在 2050 年消耗殆盡[6]。
在未來能源即將枯竭及油價不斷上漲的未來，人們開始尋找各種替代的方 式來運用能源，再加上由於近年來環保意識抬頭以及政府大力宣導節能減碳政策，
人們開始嘗試利用電能來取代傳統汽油作為車輛動力來源，電動車因而成為新興 產業。詹傑民[7]提到:目前各大國際汽車製造廠商紛紛投入大量的資金和人力進 行電動車的研究與開發，許多電動車頻頻湧現，發展混合動力電動車、純電池驅 動電動車和燃料電池電動車成為汽車工業三大主流。
然而，電動車雖然不會對環境造成汙染，但作為動力來源的電能確實來自於 目前最常使用的核能發電及火力發電，而且電動車在行駛路程上較短也為問題之 一，因此在電動車的研發上，如何增加馬達及驅動器的效率去以最有效率的方式 運用電能就成了當前最重要的事。但是無論是何種馬達，當騎士在煞車或是下坡 路段時，馬達的高轉速都會產生出反電動勢，此時的馬達相當於一個發電機，而 在一般驅動器設計中，均是以大功率的飛輪二極體去消耗這類的能量，並沒有對 此類的能量作一回收，因此常常浪費了許多能量[8]。
然而，在車輛中之煞車回充系統能夠將馬達消耗的能量進行回收的動作讓 電動車購更有效率的運用電瓶中的電能，進而提升續航力以彌補電動車行駛路程 短及所需頻繁進入充電站進行充電的問題。
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1.3 研究目的
電動車所使用煞車回充系統能夠提升車輛能源的使用效率，當電動車在煞 車和在下坡路段行駛時，煞車回充能夠提供一負力矩給被馬達驅動的輪軸，使馬 達以發電機模式運轉，並將動能轉換為電能回充給電池[9]。因此本研究將煞車回 充系統應用於電動車上，當煞車時，則透過煞車回充對電瓶進行充電，以達到運 輸節能之效果。
本研究依據現有電動車系統之動態特性建立煞車回充系統之物理模型，並 將煞車安全性納入系統設計因素，同步提升車輛駕駛效能與煞車回充效益。本研 究目的主要可分為以下兩大項:
1. 現有電動車系統之動態特性建立再生煞車系統之物理模型:為評估煞車 回充效益，需建立電動車(Electric Vehicle，EV) 之 Matlab/Simulink 動態 物理模型。此動態物理模型包含有:大功率電池、高功率馬達、整車慣量、
輪胎動態、動力總成系統以及機械煞車等部分。並且將各動態模型之各 項參數相互聯結，以作煞車回充效率之計算。
2. 之後分析煞車回充能量與及回充效率，建立最佳化回充控制機制:透過 1 中之系統動態模型，模擬:不同煞車開度、不同馬達轉速、不同機械/馬達 再生煞車配比下之能量回充及其效率，再以此為依據建立最佳煞車扭矩 控制機制。同時將行車安全性作為限制條件，使達到最佳回充效率的同 時並可兼顧安全性。之後導入典型之電動車測試行車型態數據，測試不 同路況下煞車回充之效益。
1.4 文獻探討
目前世界上各學界與產業界，均對於再生煞車進行多項技術開發與專利申 請。因此本研究針對各技術尚未研究之部分提出新技術。
Cikanek[10]使用再生煞車系統利用電動馬達，提供負轉矩給驅動輪，驅動輪
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再將動能轉換為電能給電池充電； Dixon[11]採用 DC-DC 電源轉換器來連接超 級電容器和主電池組，該設計藉由水冷式的功率轉換器和鋁的空芯線圈來優化重 量和尺寸；Gao[12]以 SRM(switched reluctance motor，切換式磁阻馬達)控制策略 之神經網路來求得電動車及混合動力電動車的再生煞車； Wicks[13]藉由模擬車 輛動力對於空氣動力以及滾動阻抗的需求，計算車輛的燃料消耗，並定義市區公 車的行車週期；Cao[14]以強健控制器為基礎制定了一控制策略來防止因回充電 流過大導致電池故障；Bailey, Powell 與 Villec[15] 將防鎖死系統(ABS)及牽引力 協助再生煞車系統(ATR, Anti-lock/Traction Control/Regenerative)應用於 HIL 中，
改善感測器雜訊及軟硬體間的問題；Lee[16] 從車輪所回充的電力來推估輸入電 池的能量，並比較兩輪驅動和全輪驅動在推進與再生煞車過程中其功率和能源對 轉動慣量的影響；Zhang[17] 以 Saturn SL1 做為開發對象，研究了並聯式再生煞 車的驅動循環，並制定安全的煞車控制策略，達到兼顧回收最多能量並兼顧使用 者行車安全的目的；Bird[18] 研究了兩種關於轉差能量回收系統的再生煞車策略，
第一種需要獨立的直流電源，第二種則採用連接到系統的 DC 所提供之電源；
Peng [19] 使用邏輯門檻值的控制策略(LTCS, logic threshold control strategy)調整 液壓煞車扭矩，也使用模糊邏輯控制策略(FCS, fuzzy logic control strategy) 調整 再生煞車扭矩；Mikami [20]藉由改變傳輸的變速比，用以選擇不同程度的煞車命 令給引擎做動力驅動，使引擎產生的煞車力能由對煞車驅動的命令來控制；Ito[21]
使用液壓煞車和再生煞車進行制動，再生煞車由牽引馬達提供，機械煞車則由每 個輪胎的分泵提供，並計算要提供給個車輪的煞車力，使各車輪之牽引馬達能回 收到最多能量；Crombez[22] 將機械煞車及再生煞車機制相結合成一煞車系統，
再以控制器防止鎖死事件的發生；Asanuma [23] 從感測實際減速度與理想減速 度的差異，來得到最佳煞車扭矩；Ibaraki [24]以一個再生煞車的控制器，模擬引 擎煞車扭矩來對再生煞車扭矩進行控制；Fox [25]以所使用的裝置監控直流發電 機的電流，在再生煞車模式下，輸出給電子轉換器一個控制脈衝，以維持馬達電
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流在一個預定的水平；Davis [26] 根據總泵和控制器推動前後輪的煞車力，並將 實際煞車力回傳給系統判斷是否需再增加煞車力來提升駕駛性能；Tanaka [27]
透過空氣壓力控制閥控制空氣制動功率使煞車總泵發揮最大煞車能力；Tsuchiya [28]使用一個耦合到驅動系統的旋轉式電機和一個電容器，用以儲存再生模式下 時從旋轉發電機產生的電能。
綜上述文獻所述，以上文獻主要都在研究如何使馬達發揮最大效能產生負 轉矩分配煞車力給再生煞車與機械煞車，來讓煞車系統能回收到最多能量，因此 目前業界一般之煞車回充技術為防止車輛煞車時以再生煞車煞車產生的不穩定 問題導致行車上的危險，主要都以機械煞車進行煞車，不足的再由再生煞車補足，
因此無法讓煞車回充能量有更飛躍式的提升。而本研究是以規則庫控制將煞車回 充能量最佳化，並且以步進馬達將信號送至 RTT(rotation-to-transmission，轉動至 直線運動) 直線運動機構，此 RTT 機構將轉動轉化成直線運動後，再由 RTT 直 線運動推動機構煞車總泵，使煞車總泵能分配適當煞車力給輪胎，進而在兼顧最 大回充能量的情況下使主觀適駕性提高，最後則定義一能量回收比 ERR(energy recovery ratio)來將能量回收效益予以量化。
1.5 研究問題
依據上述之研究目的，本研究具體討論的問題如下:
1. 探討在不同煞車時間下，主動式與被動式煞車所回收能量之差異。
1. 探討在不同煞車時間下，主動式與被動式煞車所回收能量之差異。