Vantage Power 以混合式匯流排替換柴油，並節省 40% 的燃料

「透過 LabVIEW 和 CompactRIO 之間的順暢整合，我們的團隊即可專心研發演算法，不必耗費時間實作硬體。」

- Toby Schulz， Vantage Power Ltd

挑戰：

開發出混合式傳動技術並將其用於現有的雙層巴士，並且能夠在實際的操作條件下節省 40% 的燃油。我們必須開發出全新的電子控制器，以便銜接 32 個以上的輸入與輸出通道，並控制其他 13 個以上的裝置，最終打造出道路上最具能源效率的混合動力巴士。

解決方案：

使用 CompactRIO 和 LabVIEW 系統設計軟體，打造出混合動力車的內建嵌入式控制器。此系統會持續計算引擎和電池之間最理想的動力分配方式，同時解譯駕駛指令，藉此提供順暢的車輛行駛效能，並且確保所有的元件都在安全限制內運作。

作者：

Toby Schulz - Vantage Power Ltd
Balazs Pal -

隨著燃油成本增加，政府所提供的燃油津貼也跟著下降，同時政府處理巴士廢氣的壓力更是有增無減。巴士業者也必須面對嚴苛的車輛規範。英國境內某些最大型的業者擁有 7，500 輛以上的巴士，每輛車的壽命都超過 25 年。如要迅速改善車輛油耗，唯一可行的方式就是把更環保的推進器安裝至現有車輛。

典型的混合動力巴士傳動包含了一個電子驅動馬達、功率轉換器、鋰電池、發電機和引擎。如圖 1 配置所示，序列混合傳動系統會根據引擎依序產生能源，同時自車輪分割出來。在此情況下，能源轉換鏈的每一個主要元件都要經過控制，功率輸出才會符合下列元件的需求。

系統架構

由於這種控制系統非常複雜，我們需要的架構必須能夠高速執行反覆的計算作業，同時兼具高精確度，藉此分析並記錄大量的資料。此外，還必須更新驅動程式，並且把資訊傳送至其他的傳動系統元件和原型製作儀表板。 CompactRIO 透過單一硬體完美整合了 Real-Time 處理器和使用者可程式化的 FPGA 優勢，可說是理想的控制系統平台。FPGA 提供了最佳平台，這有助於實作高度精準並講究安全的功能，例如把油門踏板輸入處理至指令內，以便控制加速和剎車功能，以及錯誤管理。其他較不需要精確效能且不甚講究安全的功能則會在 real-time 處理器上執行，例如高階動力和熱能管理、資料記錄、提供資料給原型製作儀表板。

傳動控制系統

CompactRIO 是混合汽車控制系統的核心。其可透過控制器區域匯流排介面控制每個動力供應元件。透過輸入與輸出模組，即可擷取類比感測器訊號，例如油門/剎車踏板位置和燃油流速。

就混合動力車而言，電子驅動馬達不只可提供加速度，也可做為剎車使用，主要是因為此馬達能夠重新產生車輛動能並儲存至電池。CompactRIO 裝置的工作項目之一就是解讀駕駛透過踏板所提供的輸入資訊，並且把這些資訊轉換成順暢的加速和減速指令，最後提供給驅動馬達。傳動控制器會隨時嘗試滿足駕駛的加速和減速需求，同時也要透過充分的動力才能夠完成這些指令。因此傳動控制器必須持續評估電池和引擎或發電器可提供的動力。如果電池所儲存的能源不足，引擎或發電機就必須提高輸出。效能提升的速度必須夠快，才能夠確保駕駛不會感覺到任何延遲問題，此外也可確保不會超過操作限制，這樣會造成引擎熄火。

傳統車輛的引擎速度會配合車輛的道路速度，而混合動力車的速度和扭力運作點主要取決於控制策略。傳動控制器的設定採用了一組對應的速度和扭力點，這取決於所需的動力，不過更重要的是，可以即時計算電池和引擎之間的最佳動力分配狀況，藉此優化車輛油耗。

熱能管理系統

傳動控制器必須確保出色的駕駛效能，同時 CompactRIO 裝置可提供熱能管理控制系統。透過輸入和輸出模組，即可透過熱敏電阻器量測溫度，並使用脈寬調變訊號來控制變速風扇和幫浦。至少有 7 個不同的元件需要液體散熱，而且每個都有自己的溫度資訊，因此 CompactRIO 裝置必須具有擴充功能，以便新增輸入模組、加快開發速度。

為了估計元件的熱動力行為，我們使用參數估計函式，以打造出非線性的動態電池模型。有了 LabVIEW 的內建函式，我們幾乎可以毫不費力地實作出進階演算法，我們把它稱為進階 Kalman 過濾器，可提供關鍵的內建函式，以便掌握電池電量、健康狀態和熱能行為。

把 CompactRIO 作為開發工具

內建的 LabVIEW 模組可針對每一個開發階段提供合適的工具。LabVIEW Control Design and Simulation Module 在模擬駕駛行為中發揮相當重要的作用，LabVIEW 專業版現在也增加了這個模組。透過模擬功能，我們才能夠深入了解各種交通和環境條件下的能源指令，測試並調整控制策略和效率影響，並按照尺寸正確排列元件。我們把相同的軟體平台用於控制系統的開發與佈署作業，因此才能夠縮短時間、降低成本。

多虧了圖形化顯示方式和內建的除錯工具，我們可以更快找到問題，確認必須採取的行動，速度遠超過文字式語言。透過 LabVIEW 和 CompactRIO 之間的順暢整合，我們的團隊即可專心研發演算法，不必耗費時間實作硬體。如果是經驗豐富的使用者，團隊即可在第一個禮拜發揮 FPGA 的優勢和效能，就算沒有 VHDL 程式設計的知識也可以。此外還能夠輕鬆把程式碼佈署至硬體，這樣一來就可以即早執行測試與佈署作業，大幅縮短開發時間。

CompactRIO 不只能做為高效能、高準確度的嵌入式控制器，還可透過 LabVIEW 圖形化程式設計語言以便提供客制化開發儀表板的開發功能。如果必須先測試混合系統和車輛，這一點對於工程師可說是非常關鍵。工程師可以即時查看數量，並隨時修改控制系統的參數。這樣一來即可減少專家測試廠房或軌道的次數和費用，進一步縮短開發時間、降低成本。

該團隊使用 4 GB 的內建儲存空間和外接 USB 硬碟，藉此以高頻率記錄資料，並且使用內建的專用 VI 執行分析作業，輕鬆又快速。此外，堅固耐用的 CompactRIO 可說是開發車輛原型的最佳工具，可直接安裝至車輛機箱，簡單又方便。

贊助與教育訓練

NI 小型企業創始方案大力贊助我們，提供了 LabVIEW 軟體組合授權、教育訓練課程，以及 NI 應用工程師的工程支援服務。有了這些支援服務和教育訓練，之前沒接觸過 CompactRIO 硬體或 LabVIEW 軟體的工程師才能夠在短短幾個月內變成專家。正因為工程師能夠在這麼短的時間內學會使用如此重要的實用工具，我們才能夠在 12 個月內順利完成高效混合動力雙層巴士的設計、建置和測試作業。

結果與展望

這款控制系統現已納入混合動力車超過 6 個月的時間。無論是道路測試還是靜態測試，該團隊都在持續更新並改良軟體，隨著未來會執行更多的車輛測試，他們還是會繼續修改此軟體。巴士現已完成所有必要的認證測試，可以在道路上行駛，目前用於英國的公共服務車隊。這些試用項目主要用於實際的巴士路線，藉此證實全新混合動力傳動系統的穩定性和油耗效能，剛開始只有一輛車而已，接著就是另一個搭載更進階硬體的車輛原型。