TWI448863B - Energy saving control method of electric vehicle - Google Patents

Description

電動車之節能動力控制方法

本發明係有關於一種電動車之節能動力控制方法，特別是有關於一種應用模糊理論預測駕駛行為的踏板扭力及一齒輪比輸出並進而最佳化的動力控制方法。

在電池容量的技術尚未有進一步的技術突破下，通常在電動車或汽電混合動力車上，特別需要控制電力的使用，以維持或提高車輛的續航力。

目前所知的電能控制方式有，利用剎車(或引擎剎車)額外地回充電力者、或利用馬達(或引擎)扭力與轉速之關係，以控制電子換檔系統之最佳換檔時機、或在當該電量訊號的相對應實際電量與該電池單元的最大蓄電容量的電量比例低於一設定比例時，使切換至該節能模式、或對發動機的驅動力進行輔助，在變速器的變速檔為驅動力的傳遞效率最高的規定檔時，將電動機的輔助扭矩最大值設定為比除了規定檔之外時大。使變速控制裝置盡可能不損害駕駛性能，並實現傳遞效率的提高以及油耗的降低。

本發明係揭示一種利用現有的電動車動力構件，以油門、馬達扭力結合模糊理論及最佳化踏板扭力及一齒輪比的控制方法。

本發明係提供之電動車之節能動力控制方法包含：提供一模糊控制器，以多數個模糊規則模擬並預測一駕駛者加速及減速之駕駛行為之一踏板扭力及一齒輪比的輸出變數。提供一節能運算器，係用來計算該駕駛者為達到一目標車速所需要的該兩個輸出變數的最佳值。

上述動力控制方法中，模糊控制器的多數個模糊規則包含根據該目標需求扭力與車體實際扭力的差異值來判斷馬達輸出扭力以及根據車速來估測檔位。

上述動力控制方法中，模擬一駕駛者行為的模糊規則更包含：根據目標車速與實際車速的差異值的值來預測駕駛者踏板的角度、踏板的角速度以及根據駕駛者踏板的角度、踏板的角速度來估測車體實際需求扭力。

上述動力控制方法中節能運算器的目標函數定義為：

利用最陡坡降法(Steepest Descent Method)之最佳化搜尋法，可得k ₁ 、.k ₂ 之調整率為

β _Tw 、是常數、T _m 是馬達扭力、ω _m 是馬達的轉速、是輪子的角加速度。

本發明所具有的特點為：本發明可利用現有之動力構件，進而以油門、扭力的控制達成節能效果，具有低成本、高效能的特性。另外，本發明可再結合如剎車回充等省能充電的技術手段，並沒有排斥其他對電池用電的省能技術的特性。

茲配合圖式將本發明諸實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構。因此在該等圖示中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

本發明之模糊控制器的模糊規則，其基本控制概念係如圖1所示，駕駛者10在操控車輛20時，駕駛者10欲達到之車速(即目標車速V_d )，傳至車輛20後，車輛20所達到之車速回授至駕駛者10，並由駕駛者10決定下一目標車速。而在駕駛者10行為中，當駕駛者10有目標車速V_d 後，駕駛者10的行為約分為三大項，為加速、減速及轉向，本發明即針對加速、減速加以模擬分析，其係依據駕駛者10之行為，設計模糊策略以利於模擬駕駛者10的行為，其駕駛者10之行為依據主要為駕駛者10之需求而定義，其中包含的加速、剎車二者為本發明之主要依據，並利用模糊策略之人性化特性來模擬駕駛者10之實際行為，以確保模擬結果之真實性。實際人為操控之車輛系統中，人藉由雙眼觀察週圍環境變化與速度儀表板來取得目前車速並回傳至大腦，大腦一但接收其資訊，即可立即做出反應。而模糊控制器主要慨念亦由此而生，其模糊控制器30輸入與輸出之關係如圖2所示。

圖3所示的本發明之控制流程的方塊流程圖，其繪示由駕駛者10所輸出的駕駛行為數據由節能運算器40分析並計算最佳的扭力T及齒比G提供給馬達21，使馬達21輪出扭力T到齒輪22，以驅動車輛20，其中G為齒比、T為扭力。

圖4所示為本發明之結合駕駛行為分析及預測的控制流程圖，其中該車輛20之驅動過程主要由一電池23供給馬達21電力，馬達21驅動齒輪22而使車輛20加速或減速，假設：

α為節氣門的角度、T _cm 為馬達的扭矩、T _cma 為輪子的扭矩、V 為實際車速、α _e 為踏板的角度、為踏板的角加速度、T _d 為車體目標需求扭力、ΔT 為目標需求扭力與車體實際扭力的差異值、T _m 是馬達的扭力、R _m 是齒比、ΔV 為目標車速與實際車速的差異值、V _d 為目標車速。

根據踏板角度α _e 與踏板角速度來估測車子當時的需求扭力，其模糊規則如下：

對T _d 輸出之第i 條模糊規則

Ifα _e isB _i andα _e isC _i thenT _d isD _i

其中A _i {A _n ,0,A _P }，A _n 表示目標車速與實際車速誤差值為負、A _p 表示目標車速與實際車速誤差值為正(請參照圖5a之A集合的歸屬函數圖形)；B _i {B _s ,B _m ,B _l }，B _s 表示踏板的角度較小、B _m 表示踏板的角度適中、B_l 表示踏板的角度較大(請參照圖5b之B集合的歸屬函數圖形)；C _i {C _n ,0,C _P }，C _n 表示踏板的角速度遞減、C _p 表示踏板的角速度遞增(請參照圖5c之C集合的歸屬函數圖形)；D _i {D _s ,D _m ,D _l }，D _s 表示需求扭力較小、D _m 表示需求扭力適中、D _l 表示需求扭力較大(請參照圖5d之D集合的歸屬函數圖形)。

因此，本發明之模糊控制器之設計係根據車體目標需求扭力與車體實際扭力的差異值利用模糊演算法進行預測並輸出適當之馬達輸出扭矩，以車速來判斷檔位：對T _m 輸出之第i 條模糊規則：

k ₁ 為適應性增益將隨節能器之作用進行調整、為常數則去模糊化後，可得：

μ _Ei 為E _i 集合的歸屬值、μ _FTmi 為F _Tmi 集合的歸屬值

其中E _i {E _n ,0,E _p }，E _n 表示目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為負值、E _p 表示目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為正值(請參照圖5e之E集合的歸屬函數圖形)；F _Tmi {F _s ,F _m ,F _l }，F _s 表示馬達扭力較小、F _m 表示馬達扭力適中、F _l 表示馬達扭力較大(請參照圖5f之F集合的歸屬函數圖形)；對R _m 輸出之第i 條模糊規則：

k ₂ 為適應性增益將隨節能器之作用進行調整、為常數則去模糊化後，可得：

μ _Gi 為G _i 集合的歸屬值、μ _HRmi 為H _Rmi 集合的歸屬值

其中G _i {G _s ,G _m ,G _l }，G _s 表示車速較小、G _m 表示車速適中、G _l 表示車速較大(請參照圖5g之G集合的歸屬函數圖形)；H _Rmi {H _s ,H _m ,H _l }，H _s 表示檔位較小、H _m 表示檔位適中、H _l 表示檔位較大(請參照圖5h之H集合的歸屬函數圖形)。

上述本發明中所使用的模糊規則詳列如下：在預測駕駛者行為模糊規則為：

(1)根據目標車速與實際車速的差異值(△V )來預測駕駛者踏板的角度α _e 、踏板的角速度α _e ，其中，模糊規則1.若目標車速與實際車速的差異值為負值，則踏板角度較小、踏板角速度遞減，模糊規則2.若目標車速與實際車速的差異值為0，則踏板角度適中、踏板角速度為0；以及模糊規則3.若目標車速與實際車速的差異值為正值，則踏板角度較大、踏板角速度遞增。

(2)根據駕駛者行為(駕駛者踏板的角度α _e 、踏板的角速度α _e )來估測車體實際需求扭力，其中，模糊規則1.若踏板角度較小，角速度遞減，則需求扭力較小；模糊規則2.若踏板角度較小，角速度為0，則需求扭力較小；模糊規則3.若踏板角度較小，角速度遞增，則需求扭力適中；模糊規則4.若踏板角度適中，角速度遞減，則需求扭力較小；模糊規則5.若踏板角度適中，角速度為0，則需求扭力適中；模糊規則6.若踏板角度適中，角速度遞增，則需求扭力較大；模糊規則7.若踏板角度較大，角速度遞減，則需求扭力較小；模糊規則8.若踏板角度較大，角速度為0，則需求扭力較大；以及模糊規則9.若踏板角度較大，角速度遞增，則需求扭力較大。

模糊預測控制器的模糊規則包含：(1)根據目標需求扭力與車體實際扭力的差異值(ΔT )來判斷馬達輸出扭力，其中，模糊規則1.若目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為負值，則馬達輸出扭力較小；模糊規則2.若目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為0，則馬達輸出扭力適中；以及模糊規則3.若目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為正值，則馬達輸出扭力較大。以及(2)根據車速(V)來估測檔位，其中，模糊規則1.若車速較低，則檔位較小；模糊規則2.若車速適中，則檔位適中；以及模糊規則3.若車速較高，則檔位較大。

另外，本發明之節能運算器(Fuel Economizer)主要是用來搜尋上述之踏板扭力及一齒輪比等兩個輸出變數的最佳值，以達到節能的效用，其中目標函數定義為：

上述β _Tw 、是常數、T _m 是馬達扭力、ω _m 是馬達的轉速、是輪子的角加速度。

我們的目的就是利用調整k _i ，i =1.2，在前述模糊預測控制之輸出各變數中之增益來將L (t )到最小化，以達成節能最佳化之效能。

由前述中可知，T _m =、且因為=T _m /R _m ，所以：

利用最陡坡降法(Steepest Descent Method)之最佳化搜尋法，可得k ₁ .k ₂ 之調整率為

進一步言，上述模糊控制器中分別內含駕駛者行為所輸出之踏板扭力及齒輪比兩個模糊控制器，但光運用上述兩個模擬控制器只可預測駕駛者(人)的駕駛行為，而無法達到節能效果，故再運用節能運算器去計算出駕駛者欲達到目標車速所需之最佳扭力及齒比以控制到馬達最佳效率點上，進而達到最節能之效果。因此，請參照圖6所示，本實施例中的電動車之節能動力控制方法係適於應用在一電動馬達為動力的車輛，該動力控制方法包含：步驟S10，提供一模糊控制器，以多數個模糊規則模擬並預測一駕駛者加速及減速之駕駛行為之一踏板扭力及一齒輪比的輸出變數。步驟S20，提供一節能運算器，係用來計算該駕駛者為達到一目標車速所需要之最佳的計算後扭力及計算後齒比值。

值得一提的是，本發明進一步提供節能的動力控制方法之模擬數據：圖7為行駛目標行車型態馬達轉速與扭力、圖8a為行車型態ECE-40(歐洲行車型態)、圖8b為行駛ECE-40所需之馬達扭力、圖8c為行駛ECE-40馬達轉速、圖8d為檔位之變換、圖9為在不同檔位下行駛目標行車型態輸出扭力及車速、圖10a為行駛ECE-40四循環消耗之總電量、圖10b為行駛ECE-40四循環所需之總煞車力、圖10c為行駛ECE-40四循環所行駛之距離、圖11為依據最佳化演算法所模擬之最佳檔位變換模擬、圖12為經由控制後馬達輸出扭力所落之位置以及圖13為未經控制馬達輸出扭力所落之位置。由上述模擬圖式及數據可看出，實際車速及行駛目標行車型態馬達扭力及馬達轉速及扭力變化及所消耗之總電量(在模擬中可看見電量回充為因模擬中有設計煞車回充部分)，而在圖13可看見經由控制後馬達輸出扭力皆落在最佳操作點範圍內，而500rpm至2500rpm無法到最佳效率點內乃因車輛起步，而在圖12所模擬之結果為不做齒比控制而依駕駛者目標扭力去計算出所需之齒比，可看到馬達扭力及轉速皆落在較差之操作點範圍內，由圖12及圖13內可看出，依照齒比控制可達到省能之效果，而依照控制及最佳化所搭配出的切換檔為時機為正確(至於齒比有小數點的主要原因是齒比在ID的過程中的確會有小數點存在，此現象為正常)。

由上述的模擬結果可知，利用適當的齒輪比切換可使馬達運作於高效率之區域，以節能的觀點而言，馬達若長時間工作於高效率之區域，將可達到節能之功效。再以此模擬(圖7、圖8a～圖8d)為例，此切換檔位為5組擋位切換(如圖8d)，並且經由轉矩與轉速訊號搭配出適當的切換檔位已取得馬達最佳工作點之位置。再者，為減少機械損失，本動力控制方法採取低檔為切換至高檔為之策略，以減少跳檔而得以減少機械損壞之風險。

由上述可知，本發明之特點係在於本發明可利用現有之動力構件，進而以油門、扭力的控制達成節能效果，具有低成本、高效能的特性。另外，本發明可再結合如剎車回充等省能充電的技術手段，並沒有排斥其他對電池用電的省能技術的特性。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

步驟S10～20　方法步驟流程

10．．．駕駛者

20．．．車輛

21．．．馬達

22．．．齒輪

23．．．電池

30．．．模糊控制器

40．．．節能運算器

圖1為一駕駛者操控車輛的基本控制概念之方塊流程圖；

圖2為模糊控制器輸入與輸出之關係的系統方塊圖；

圖3為本發明的動力控制流程的方塊流程圖；

圖4為本發明之結合駕駛行為分析及預測的控制流程圖；

圖5a~5h為本發明所用之模糊規則中A集合的歸屬函數圖形～H集合的歸屬函數圖形；

圖6為之節能的動力控制方法之流程圖；

圖7為行駛目標行車型態馬達轉速與扭力曲線圖；

圖8a為行車型態ECE-40速度與時間變化圖；

圖8b為行駛ECE-40所需之馬達扭力與時間變化圖；

圖8c為行駛ECE-40馬達轉速與時間變化圖；

圖8d為行駛ECE-40的檔位變換與時間變化圖；

圖9為在不同檔位下行駛目標行車型態輸出扭力及車速的扭力曲線圖；

圖10a為行駛ECE-40四循環消耗之總電量與時間變化圖；

圖10b為行駛ECE-40四循環所需之總煞車力與時間變化圖；

圖10c為行駛ECE-40四循環所行駛之距離與時間變化圖；

圖11為依據最佳化演算法所模擬之速度與扭力之最佳檔位變換模擬；

圖12為經由控制後馬達轉速與輸出扭力所落之位置示意圖；以及

圖13為未經控制之馬達轉速與馬達輸出扭力所落之位置。

步驟S10～20　方法步驟流程

Claims (2)

1. 一種電動車之節能動力控制方法，其步驟包含：提供一模糊控制器，以多數個模糊規則模擬並預測一駕駛者加速及減速之駕駛行為之一踏板扭力及一齒輪比的輸出變數；以及提供一節能運算器，係用來計算該駕駛者為達到一目標車速所需要之最佳的計算後扭力及計算後齒比值；其中，該模糊控制器的多數個模糊規則包含：根據該目標需求扭力與車體實際扭力的差異值來判斷馬達輸出扭力：若該目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為負值，則馬達輸出扭力較小、若該目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為0，則馬達輸出扭力適中、若該目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為正值，則馬達輸出扭力較大；以及根據車速來估測檔位：若車速較低，則檔位較小、若車速適中，則檔位適中、若車速較高，則檔位較大；該節能運算器目標函數定義為： β _Tw 、是常數、T _m 是馬達扭力、ω _m 是馬達的轉速、是輪子的角加速度；利用調整k _i ，i =1.2，在前述模糊預測控制之輸出各性增益將隨節能器之作用進行調整、為常數，μ _Ei 為E _i 集合的歸屬值、μ _FTmi 為F _Tmi 集合的歸屬值E _i {E _n ,0,E _p }，E _n 表示目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為負值、E _p 表示目標需求扭力與車體實際扭力的差異值為正值，F _Tmi {F _s ,F _m ,F _l }，F _s 表示馬達扭力較小、F _m 表示馬達扭力適中、F _l 表示馬達扭力較大；該模糊控制器中，對R _m 輸出之第i 條模糊規則之去模糊化後可得： P_P 是齒比，e為自然對數的基數，k ₂ 為適應性增益將隨節能器之作用進行調整、為常數，μ _Gi 為G _i 集合的歸屬值、μ _HRmi 為H _Rmi 集合的歸屬值，G _i {G _s ,G _m ,G _l }，G _s 表示車速較小、G _m 表示車速適中、G _l 表示車速較大，H _Rmi {H _s ,H _m ,H _l }，H _s 表示檔位較小、H _m 表示檔位適中、H _l 表示檔位較大；該節能運算器目標函數定義為： β _Tw 、β _w 是常數、Tm 是馬達扭力、ω _m 是馬達的轉速、ω 是輪子的角加速度；利用調整k _i ，i =1.2，在前述模糊預測控制之輸出各變數中之增益來將L (t )到最小化，以達成節能最佳化之 效能： 利用最陡坡降法之最佳化搜尋法，可得k ₁ 、k ₂ 之調整率為
2. 如申請專利範圍第1項所述之電動車之節能動力控制方法，其中該模擬一駕駛者行為的模糊規則更包含：根據目標車速與實際車速的差異值的值來預測駕駛者踏板的角度、踏板的角速度，包含：若目標車速與實際車速的差異值為負值，則踏板角度較小、踏板角速度遞減；若目標車速與實際車速的差異值為0，則踏板角度適中、踏板角速度為0；以及若目標車速與實際車速的差異值為正值，則踏板角度較大、踏板角速度遞增；以及根據駕駛者踏板的角度、踏板的角速度來估測車體實際需求扭力，包含：若踏板角度較小，角速度遞減，則需求扭力較小；若踏板角度較小，角速度為0，則需求扭力較小；若踏板角度較小，角速度遞增，則需求扭力適中；若踏板角度適中，角速度遞減，則需求扭力較小； 若踏板角度適中，角速度為0，則需求扭力適中；若踏板角度適中，角速度遞增，則需求扭力較大；若踏板角度較大，角速度遞減，則需求扭力較小；若踏板角度較大，角速度為0，則需求扭力較大；以及若踏板角度較大，角速度遞增，則需求扭力較大。