電動巴士動力系統驗證技術

摘要：因應巴士電動化需求，國內零組件業者迫切需要有一完整車輛動力系統驗證環境，因此工研院近年來致力於建立車輛電動動力系統性能與功能安全之測試驗證技術。目前除已具備馬達性能及環境可靠度驗證能量之外，工研院已建立硬體嵌入式 Hardware in the Loop (HIL) 虛擬車輛驗證平台，並協助國內相關廠商以建立之技術進行產品開發驗證。
Abstract：In response to the demand for bus electrification, domestic component manufacturers are in urgent need of a complete vehicle power system verification environment. Therefore, ITRI has been committed to
establishing testing and verification technology for vehicle electric power system performance and functional
safety in recent years. In addition to having the ability to verify motor performance and environmental reliability,
ITRI has established a hardware-embedded Hardware in the Loop (HIL) virtual vehicle verification platform
and is assisting relevant domestic manufacturers in product development and verification using the established
technology.
關鍵詞：電動巴士動力系統、可靠度測試、控制器驗證
Keywords：Electric bus propulsion System, Reliability Testing, Controller Verification

前言
國發會推出 2050 淨零碳排規劃，臺灣也在111 年 3 月 公 布「 臺 灣 2050 淨零排放路徑及策略」，其中重要戰略之一便是「運具電動化與無碳化」，運具電動化推動又以電動巴士為優先，因此，國內整車廠與馬達廠近幾年積極進行電動化動力車輛的開發，在電動車輛開發週期，需考慮動力系統於長時間的使用，若馬達、驅控器在正常使用週期中即產生失效情形，可能導致車輛行駛安全之問題，因此前期必須有適合的測試驗證方法，確認零組件的耐久性、功能性、適用性及安全性。而隨著車輛功能安全越來越受重視以及車載電子元件日益複雜，發展車輛零組件性能與功能安全之測試驗證平台，對於國內整車廠與車輛零組件廠而言是相當重要且必要的。工研院機械所近年積極整合車輛動力系統開發經驗與測試能量，針對電動車輛馬達、驅控器從零組件、系統到虛擬整車分別建立性能與可靠度驗證技術。藉著服務國內相關廠商，而達到提升動力系統的性能、可靠度及安全功能。以下章節分別介紹動力系統性能與環境可靠度驗證、虛擬車輛控制器功能可靠度驗證及虛擬車輛動力系統性能與功能可靠度驗證。

電動巴士動力系統性能以及環境可靠度驗證

電動巴士動力系統主要包含有驅動馬達、馬達控制器、變速箱及傳動單元等零組件所組成，每個元件以電動化車輛的要求而言，電動動力系統須具備以下特點：1. 高功率及高扭力密度，以符合電動車的有限空間運用及降低整車重量之要求：一般車輛的空間極為有限，若能提高馬達及驅控系統的功率密度與扭力密度，則可提高整車空間配置的彈性，增加利用率空間。
2. 高速性能、低速扭力符合加速及極速性能需求：電動巴是需求較大的起步能力，馬達的優越起動轉矩提供電動車輛起步時的動力。馬達及驅控系統的最大連續輸出功率提供車輛極速時所需的動力，馬達最高轉速則決定車輛所能達到的極速。
3. 環境可靠度要求：可靠度試驗可以在產品研發與製造時，評價、驗證、保證或提高產品可靠度，進而確認產品的安全性及可靠性。其中環境可靠度主要是指零組件在車輛極嚴苛環境溫度以及崎嶇不平道路環境下，所必須具備的環境耐受能力。以下分別簡述電動動力系統的性能試驗與環境可靠度試驗內容：
1. 動力系統性能試驗

工研院機械所於 112 年建置國內首間 700kW電動巴士專用動力系統驗證實驗室，設備主體購自奧地利 AVL，包括動力計 (3800 Nm/ 700kW/6000 rpm)、雙向電池模擬器 (1200 V/ 1600 A/ 800kW)、冷卻系統溫控 (15~90℃/ 50 Lpm)、資料擷取系統 (10 kHz) 等裝置，另外亦有車輛模擬功能Vehicle Simulation Model (VSM) ，具備三電(電機、電控、電能 ) 系統同步驗證功能，可模擬巴士實車運行之工況進行電能分配控制最佳化與調校。車輛動力系統可透過實驗室動力系統驗證平台的驗證測試如圖 1，確認各零組件系統的功能性，並驗證系統組成之性能發展，包含以下測試項目：
1. 換相測試：確認轉子位置感測器訊號及換相時序正確性。
2.電流控制測試：確認電流迴路軟硬體控制機制。
3.轉速控制測試：確認轉速迴路軟硬體控制機制。
4. 轉向測試：進行正 / 反轉向功能測試。
5. 無載測試：量測於額定電壓下可提供之最高無載轉速範圍。
6. 溫度測試：以自然或強制氣冷或自然 / 強制水冷條件下之散熱能力測試。
7. 驅動加載特性量測：包含 T-N( 扭力 - 轉速 ) 性能測試及弱磁控制測試；驅動性能與全域效率測試，如圖 2 所示。
8. 發電加載特性量測：包含發電吸收負載；發電效率全域測試。
9. 過速測試：確認整體機構機械強度。

2. 環境可靠度試驗
電動巴士動力系統環境可靠度試驗項目主要有 ISO 16750-2( 車輛電機電子裝置之環境條件與測 試 - 電力負載 )、ISO 16750-3( 車輛電機電子裝置之環境條件與測試 - 機械負載 )、ISO 16750-4( 車輛電機電子裝置之環境條件與測試 - 氣候負載 )、ISO 16750-5( 車輛電機電子裝置之環境條件與測試 - 化學負載 )、ISO 7637 ( 車輛傳導暫態雜訊測試 )、ISO 10605( 道路車輛－靜電放電之電擾動試驗法 )、ISO 11452-5( 電磁耐受 ) 及 CISPR25( 電磁干擾 )。
電力負載包括直流供應電壓、過電壓、供應電壓之緩降與緩升、供應電壓之非連續性、反向電壓、開路試驗、短路保護、耐受電壓及絕緣電阻等。目的為模擬車用電源系統的電壓變化，以驗證待測物的工作性能。電磁相容性(Electromagnetic Compatibility, EMC) 包含電磁干擾 (Electromagnetic Interference, EMI) 及電磁耐受(Electromagnetic Sensibility, EMS)兩大部份。其中，EMI 指的是電機本身通電後，因電磁感應效應所產生的電磁波對週遭電子設備造成的干擾影響；EMS 則是指電機本身對外來電磁波 ( 電磁場 ) 的干擾防禦能力。

圖 1 電動巴士專用動力系統驗證實驗室

圖 2 馬達驅動性能與效率圖