本研究前半部主要對速比進行數值分析，整理與歸納出速比的架構與型態。
接下來，將使用車輛模擬分析速比型態、檔數與數列法的改變對車輛油耗與性能 的影響。將以MATLAB 進行車輛模擬理論驗證，本章首先說明模擬方法及流 程，包含使用的ADVISOR 車輛模擬軟體及自行撰寫的程式，前者模型架構較為 完整，主要用以分析油耗與引擎操作狀態；後者使用單一方向模擬車輛狀態，架 構較簡單，主要進行車輛性能之分析。接著利用車輛模擬比較不同速比規劃所產 生的變化。
5-1 模擬方法
車輛模擬的計算方式有兩種，分別為反向式模擬及正向式模擬，以下將分別 說明兩種模擬方法之架構：
(1)反向式模擬 (Backward-Facing approach)
反向式的模擬方法是從車輛行駛狀態(包含速度、坡度等)，反向推導車輛系 統各個元件的狀態，此方法可忽略慮駕駛者的特性。模擬預先假設車輛能達到期 望狀態，接著推算每一時間步進(time-step)車輛所需的速度及加速度，由輪端順著 傳動系統往內計算動力源所需提供的扭力及轉速，與現實車輛動力流的方向相 反，最後計算的結果是達成此行駛狀態下燃油的消耗量。此種模擬方法建構相對 容易，計算也較為迅速，但需預先假定車輛狀態達成，若無法滿足期望狀態，模 擬容易出現誤差，很難正確反映真實情況。
(2)正向式模擬 (Forward-Facing approach)
正向式模擬需包含駕駛者模型，考量當前車輛速度及目標速度。模擬系統必 須先假設駕駛者操作行為，產生油門或煞車訊號，再由動力源輸出的扭力及轉速
但缺點為駕駛者模組建構不易，計算也較為費時。
車輛模擬軟體
ADVISOR(ADvanced VehIcle SimulatOR)為美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)發展的一套車用模擬軟體[34]。利用
MATLAB/SIMULINK 以圖形介面的操作方式進行撰寫，利於使用者操作。圖 5-1 為ADVISOR 的資料傳遞路線，使用者需要先輸入各項車輛資料(Input Scripts)，透 過Simulink 所構成的車輛模型(ADVISOR Block Diagrams)計算後，將結果繪製成圖 表輸出 (Output Scripts)。以上的程序皆可利用 ADVISOR 的圖形化介面(ADVISOR Control Scripts)完成。各項參數，包含車輛的選定、動力元件與控制方式，亦能透過 圖形化介面進行修改。參數設定完成後，選定車輛要行駛的行車型態，便可進行模 擬。
圖 5-1ADVISOR 的資料傳遞路線[34]
圖 5-2 ADVISOR 傳統引擎車模型為 ADVISOR 背後使用 Simulink 建立的傳統 引擎車的車輛模型，每個方塊都代表不同的元件模組，模組之間以箭頭方向資料傳 遞資料。透過輸入行車型態，程式會計算需要提供多少動能才能使車輛達到此車 速，再資料傳送到輪胎、傳動系統、離合器、引擎、排汙等模組，計算各個元件模 組在達到此車速時，所輸出扭力及轉速等資料。
圖 5-2 ADVISOR 傳統引擎車模型
此程式以正向式模擬方法建構，首先假定駕駛者的駕駛型態與車輛初始狀
新歐盟行車型態(New European Driving Cycle，NEDC)，由市區行車型態 (ECE Urban Driving Cycles)與非市區行車型態(Extra Urban Driving Cycle，
EUDC，又稱高速行車型態)兩路段所構成，如圖 5-4。市區行駛路段為 ECE15 Cycle 行車型態，其車速對時間作圖如圖 5-5(a)，各車速對應時間比例如圖 5-5(b)。高速行駛路段為 EUDC 行車型態，其車速對時間作圖如圖 5-6(a)，各車 速對應時間比例如圖 5-6(b)。
圖 5-4 新歐盟行車型態[35]
0 200 400 600 800 1000 1200
0
(a) (b)
圖 5-5 ECE15 Cycle (a)行車型態 (b)車速對應時間分布比例[35]
(a) (b)
圖 5-6 EUDC (a)行車型態 (b)車速對應時間分布比例[35]
新歐盟市區(ECE15 Cycle)行車型態綜合數據於表 5.1，其中怠速狀態約有三 分之一時間，加速行駛區間皆由靜止狀態開始加速，無定速巡航轉為再加速的模
表 5.1 ECE15 Cycle 行車型態數據表
說明 數值 說明 數值
行車時間 195 𝑠𝑒𝑐 最大減速度 -0.83 𝑚/𝑠2 行車距離 0.99 𝑘𝑚 平均加速度 0.64 𝑚/𝑠2 最大車速 50 𝑘𝑚/ℎ 平均減速度 -0.75 𝑚/𝑠2 平均車速 18.26 𝑘𝑚/ℎ 怠速時間 64 𝑠𝑒𝑐 最大加速度 1.06 𝑚/𝑠2 停車次數 3 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑠
表 5.2 EUDC 行車型態數據表
說明 數值 說明 數值
行車時間 400 𝑠𝑒𝑐 最大減速度 -1.39 𝑚/𝑠2 行車距離 6.96 𝑘𝑚 平均加速度 0.38 𝑚/𝑠2 最大車速 120.1 𝑘𝑚/ℎ 平均減速度 -0.93 𝑚/𝑠2 平均車速 62.6 𝑘𝑚/ℎ 怠速時間 35 𝑠𝑒𝑐 最大加速度 0.83 𝑚/𝑠2 停車次數 1 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑠
5-3 車輛設定
在進行模擬前，需要收集足夠的車輛參數，以便模型建構，本章將參考國內 車廠之車輛進行模擬，模型原型為LUXGEN U7 TURBO ECO HYPER[36]。
圖 5-7 LUXGEN U7 TURBO ECO HYPER[36]
車輛規格
本章設定之小客車相關參數主要以LUXGEN U7 TURBO ECO HYPER 車型 進行模擬，分別對高速(high speed)行駛於高速公路(highway)與低速行駛(low speed)於市區道路(local street)，進行模擬，車輛相關規格如下表 5.3。
表 5.3 車輛參數規格表[36]
參數 參數值
尺寸
長×寬×高(𝑚𝑚) 4820× 1935× 1730
車重(空車重) 1970 𝑘𝑔
Af (前方投影面積) 2.83 𝑚2
L (軸距) 2.91 𝑚
r (車輪半徑) 0.357 𝑚 (235/55 R18)
引擎參數
本章設定之小客車動力源相關參數如下表 5.4，分析用的 BSFC 油耗圖與最 大扭力曲線如圖 3-8。
表 5.4 引擎相關參數[36]
扭力(𝑁𝑚) 引擎轉速(𝑟𝑝𝑚)
引擎最大扭力 287 3254
引擎最大功率 239 5527
引擎極限轉速 210 6000
變速箱參數
本章主要透過第四章中速比設計方法進行計算與定義，方便後續章節進行應 用。速比設計將會利用圖 3-8 之引擎進行設計。速比設定如下，結果於表 5.5。
第一檔：方法一，最大坡度 35%；方法二，依車重扭力比選用加速扭力比區間
8%~17%
極速檔：Optimum
最高檔：依車重扭力比選用加速扭力比區間80%~110%
高扭節點：依車重扭力比選用高扭節點之極限車速，型態三選用120 與 160 𝑘𝑚/ℎ。將節點極限車速根據引擎極限轉速反推速比。
表 5.5 速比設定
檔位 總變速比
第一檔(方法一) 9.4
第一檔(方法二) 19.87
極速檔 3.7
最高檔 2.39
高扭節點(型態三：120 𝑘𝑚/ℎ) 6.75 高扭節點(型態三：160 𝑘𝑚/ℎ) 5.06
5-4 車輛油耗模擬分析
本節主要希望透過第三方可信度較高的軟體ADVISOR 進行速比對油耗影響 之分析，分析內容主要依照前幾節的行車型態與車輛規格為基礎，再將第三章所 提出的速比型態進行分析與比較，而主要分析型態為一到三，因為型態四與型態 五為型態三演變而成，避免重複分析。本研究主要對象為速比規劃，故換檔策略 將統一，以凸顯速比對效率之影響。各型態分析重點如下：
(1) 型態一：
分析檔數、數列法與第一檔兩設計方法對油耗的影響。
(2) 型態二：
分析增加節能區段與最高檔對油耗的影響。
(3) 型態三：
分析高扭節點與單一區段分割成兩區段對油耗的影響，如將型態二全功率區 段分割成高扭與全功率區段。
速比分析：型態一
型態一由單一速比區段構成，速比區段的最低與最高檔速比為第一檔與極速 檔速比，將依照模擬車輛算出的第一檔與極速檔速比代入型態一，第一檔兩方法 都採用並進行比較，極速檔採用Optimum，使車輛能有較高的極速，中間檔速比 由等比與等差數列法計算取得，分析檔位由四檔到十五檔，型態一結果模型如下 表 5.6。
表 5.6 型態一油耗分析模型
行車模式為5-3-1 節所提到之新歐盟行車型態(New European Driving Cycle，
NEDC)，換檔策略則利用 3-3-2 節的方法產生升檔與降檔控制曲線，確保各檔位
(1) 檔數對油耗的影響
從表 5.7 可以印證 3-3-3 節的結論，檔數的提升，對油耗表現確實有加分效 果，但效果隨著檔數的增加漸緩，最終不再改變。研究發現，模型a、b、c 與 d 油耗增加的漸緩檔分別為五速、五速、八速與八速，根據檔數找出相對應的平均 檔間速比，約為1.27~1.26，平均檔間速比為總變速比開(𝑛 − 1)次方根，如( 5.1 ) 式。接著分別觀察各模型漸緩檔的引擎操作圖，觀察共通特性，如圖 5 7 到圖 5 10。
平均檔間速比 = √最低檔速比 最高檔速比
n−1 ( 5.1 )
圖 5-8 模型 a 五速(等比)的引擎操作圖
此上圖為，模型a 的五速，由於使用等比數列法各檔間速比為定值，故各檔 升與降檔線相同且重疊，從圖裡可以發現當平均檔間數比1.26，換檔控制線已進 入高效率區間，因此檔數再提高對於效率無太大益處，效率提升漸緩，油耗表現 相對也漸緩。
圖 5-9 模型 b 五速(等差)的引擎操作圖
此上圖為，模型b 的五速，由於此模型使用等差數列法，檔間速比不為定 值，雖然檔間速比落差較大，但平均檔間數比接近1.26。圖 5-9 模型 b 五速(等 差)的引擎操作圖中換檔區間除了二檔之降檔控制曲線外，其他都在高效率區間，
與模型a 的五速相同，故整體油耗與模型 a 的五速差異不大，雖然最小換檔區間 確實較小於模型a 的五速，但兩者都已貼近最佳效率的等高線區域，故影響也不 大。
圖 5-10 模型 c 八速(等比)的引擎操作圖
圖 5-11 模型 d 八速(等差)的引擎操作圖
圖 5-10 與圖 5-11 為，模型 c 與 d 的八速，由於模型 c 使用等比數列法各檔 間速比為定值，故各檔升與降檔線相同且重疊。雖然此模型c 與 d 總變速比較模 型a 與 b 寬，油耗增加的漸緩檔約為平均檔間數比 1.27，卻跟模型 a 與 b 的漸緩 檔相近，換檔的區域也相當接近，由此可以說明，不論總變速比大小，檔數確實 影響油耗表現，更精準的說法，平均檔間速比受控於檔數，而平均檔間速比影響 換檔時機，最終對油耗造成影響。
(2) 數列法對油耗的影響
在表 5.7 中還可以觀察到一個特性，當檔數不高時，盡可能選用等比數列法 產生中間檔速比。在模型c 與 d 中，同為六速與同總變速比，差異在於中間檔使 用數列法不同，分別是等比與等差數列法，等比數列法很明顯優於等差數列法，
這牽涉到換檔時機，由圖 5-12 與圖 5-13 進行說明。
圖 5-12 模型 c 六速(等比)的引擎操作圖
圖 5-13 模型 d 六速(等差)的引擎操作圖
由於模型c 使用等比數列法各檔間速比為定值，故各檔升與降檔線相同且重 疊。從上面兩張圖可以看到換檔控制線差異相當大，很明顯等差數列法的第一檔 升檔控制曲線位於較高引擎轉速處約2250 𝑟𝑝𝑚，導致車輛在低扭力一檔起步 時，換檔太遲，一直處於低效率區間，反觀等比數列法的升檔控制曲線，約不到 1750 𝑟𝑝𝑚，提早換檔的優勢從油耗表現就可以看出。接著觀察模型 c 與 d 中的八 速，差異也是數列法不同，分別是等比與等差數列法，如圖 5-10 與圖 5-11，在 檔數從六速提升到八速時，兩數列法在一檔換檔轉速分別為，1600 𝑟𝑝𝑚與 1900 𝑟𝑝𝑚，檔數的提升，縮小了換檔控制曲線轉速差，油耗表現也相近了。從表中，
可以得到一個值，就是當規劃速比區段時，平均檔間速比大於等於1.27 時，若以
可以得到一個值，就是當規劃速比區段時，平均檔間速比大於等於1.27 時，若以