TW201819222A - 車輛之行車節能系統 - Google Patents

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Abstract

一種車輛之行車節能系統，包含一路況資訊接收裝置、一車輛動態偵測裝置、一節能巡航控制裝置及一車輛控制裝置，該行車節能系統依據相關於該車輛的前方道路資訊、交通動態資訊、車輛定位資訊及車輛動態資訊，並以一預設的行車節能之目標函數進行最小化求解，而以所得到的符合行車節能目的之參考車速資訊來調節該車輛之車速。

Description

車輛之行車節能系統
本發明相關於一種巡航控制系統，特別是相關於一種車輛之行車節能系統。
巡航控制系統（cruising control system，CCS）是一種安裝在車輛中而能夠控制車輛行駛速度的電子控制裝置，其大致可分為最基本的定速巡航控制與可自動調節車速之適應性/主動式巡航控制系統。定速巡航控制系統僅藉由控制煞車、油門將車速維持於駕駛者設定之目標車速。適應性/主動式巡航控制系統則會根據前車與本車之相對距離及車速，動態調整車速，以避免追撞前車，進而提升安全性。
目前，一般路面車輛已普遍配備有巡航控制系統。此類自動化車輛系統著重在自動化的程度上，旨在以自動化車輛系統完全控制車輛，使駕駛者只需啟動系統或是完全無須人為干預。然而，目前自動化車輛系統之設計上尚未將行車節能性納入考量，自動行駛車速為駕駛者設定或是系統內定之值，此一車速值在不同地形起伏、道路曲率及交通動態變化下，並不會是最節能的行車速度。
緣此，本發明的目的即在提供一種車輛之行車節能系統，在不影響行車安全與原有系統功能性前提下，進一步提升自動化車輛系統之行車節能性。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種車輛之行車節能系統，包含： 一路況資訊接收裝置，設置於該車輛，而接收相關於該車輛的前方道路資訊、交通動態資訊及車輛定位資訊； 一車輛動態偵測裝置，設置於該車輛，而偵測該車輛之車輛動態資訊，其中該車輛動態資訊至少包括該車輛之目前實際車速； 一節能巡航控制裝置，設置於該車輛，且連接於該路況資訊接收裝置及該車輛動態偵測裝置，該節能巡航控制裝置根據該前方道路資訊、該交通動態資訊、該車輛定位資訊、該車輛動態資訊及一預設的巡航車速，而對於該車輛之每個行程預測區間個別以一預設的行車節能之目標函數J(k)進行最小化求解，而得到參考車速資訊；以及 一車輛控制裝置，設置於該車輛，且連接於該節能巡航控制裝置及該車輛動態偵測裝置，該車輛控制裝置對於每個該行程預測區間個別根據該參考車速資訊及該車輛動態資訊而調節該車輛之車速， 其中該行車節能之目標函數J(k)係如下所示： 【數學式1】其中，k係為代表第k個的該行程預測區間， E(k)係為代表該車輛的動力系統之能耗的函數， R(k)係為代表該車輛的縱向力與地形作用力之合力的函數， C(k)係為代表該車輛之車速與該巡航車速之差距的函數。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該車輛係為具複數個動力單元的車輛，該車輛控制裝置包括一動力分配單元，該動力分配單元經配置而基於預設的效率分配資訊，即時因應於該車輛之車速與動力需求而調整各個該動力單元之力距與轉速的動力分配，其中該效率分配資訊係為基於量測出的該車輛之動力單元的效率圖所計算得到的對應於力矩與轉速的動力分配比例的資訊。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該動力單元包括馬達，該動力分配單元係經配置而藉由該動力分配使該馬達運作於馬達高效區。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該車輛動態偵測裝置包括一車速偵測單元及一防撞感測單元，該車速偵測單元用以偵測該車輛之目前實際車速，該防撞感測裝置用以感測該車輛之前方車況。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該前方道路資訊包括道路幾何資訊及地形起伏資訊。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該行車成本之目標函數J(k)中，決定該車輛的動力系統之能耗的參數包括馬達能耗及引擎油耗。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該行車成本之目標函數J(k)中，決定該車輛的縱向力的參數包括車輛驅動力及車輛阻力，決定該車輛阻力的參數包括摩擦滾動阻力、空氣阻力及坡度阻力。
在本發明的一實施例中係提供一種行車節能系統，其中該路況資訊接收裝置係為一車載資通訊裝置。
經由本發明所採用之技術手段，行車節能系統能夠運用車載資通訊（Telematics）裝置等路況資訊接收裝置所提供的前方道路坡度、曲率、側傾角、鋪面狀況及交通動態等資訊，並根據車輛動態模型、動力系統能耗模型及駕駛者輸入之巡航車速與容許之車速調節區間等資料，計算出最符合行車節能目的之車速（參考車速資訊）。本發明的行車節能系統能夠以此參考車速資訊作為調節車速之參考依據，而在不影響行車安全性之前提下，根據目前實際車速以及防撞感測單元之判斷，進行車速之動態調整，增進行車節能效益。
再者，在較佳實施例中，本發明的行車節能系統能夠適用於兩顆或是兩顆以上馬達之多馬達自動化車輛，依據各馬達的效率圖，在不同車速與動力需求下，進行各馬達之輸出扭力最佳分配，使馬達之動態負載在行駛間維持於高效區，進一步提升行車節能效益。
以下根據第1圖至第3圖，而說明本發明的實施方式。該說明並非為限制本發明的實施方式，而為本發明之實施例的一種。
如第1圖所示，依據本發明的一實施例的一行車節能系統100包含：一路況資訊接收裝置1，設置於一車輛C，而接收相關於車輛C的前方道路資訊IR 、交通動態資訊IT 及車輛定位資訊IP ；一車輛動態偵測裝置2，設置於該車輛C，而偵測該車輛C之車輛動態資訊ID ，其中該車輛動態資訊ID 至少包括該車輛C之目前實際車速；一節能巡航控制裝置3，設置於該車輛C，且連接於該路況資訊接收裝置1及該車輛動態偵測裝置2，該節能巡航控制裝置3根據該前方道路資訊IR 、該交通動態資訊IT 、該車輛定位資訊IP 、該車輛動態資訊ID 及一預設的巡航車速，而對於該車輛之每個行程預測區間個別以一預設的行車節能之目標函數J(k)進行最小化求解，而得到參考車速資訊VOpt ；以及一車輛控制裝置4，設置於該車輛C，且連接於該節能巡航控制裝置3及該車輛動態偵測裝置2，該車輛控制裝置4對於每個該行程預測區間個別根據該參考車速資訊VOpt 及該車輛動態資訊ID 而調節該車輛C之車速，其中該行車節能之目標函數J(k)係如下所示： 【數學式1】其中，k係為代表第k個的該行程預測區間，E(k)係為代表該車輛的動力系統之能耗的函數，R(k)係為代表該車輛的縱向力與地形作用力之合力的函數，C(k)係為代表該車輛之車速與該預設的巡航車速之差距的函數。
具體而言，該路況資訊接收裝置1例如為一車載資通訊（Telematics）裝置，可接收該前方道路資訊IR 、該交通動態資訊IT 、該車輛定位資訊IP 等資訊。該前方道路資訊IR 包括道路幾何資訊與地形起伏資訊，例如：坡度、曲率、側傾角、鋪面狀況。該交通動態資訊IT 包括前方平均車流速、交通號誌等的資訊。該車輛定位資訊IP 則例如為衛星定位、地圖。
該車輛動態偵測裝置2在本實施例中除了用以偵測該車輛C之目前實際車速的一車速偵測單元21之外，還可包括一防撞感測單元22。該防撞感測單元22係用以感測該車輛C之前方車況，以警示即將來臨的碰撞。當然，本發明並不以此為限，該車輛動態偵測裝置2所偵測的該車輛動態資訊ID 視需要還可包括馬達轉速、引擎轉速等。
該節能巡航控制裝置3係經設置而依據預設的車輛動態模型、動力系統能耗模型，以模型預測控制（model predictive control；MPC）架構基礎，將節能行車之速度決策／控制問題視為包含拘束條件的一最佳化問題來求解。在本發明中，該節能巡航控制裝置3以J(k)作為目標函數（objective function）來進行最小化求解，而該行車節能之目標函數J(k)的可行解（feasible solution）則是車速，從而得到該參考車速資訊VOpt 。至於該最佳化問題之拘束條件則例如包括：動力元件之限制（諸如：轉速、力矩、功率限制）；行車車速限制（例如法規車輛速限）；基於安全性與舒適度考量之限制（例如：加速度限制、側向加速度限制）。
在該行車節能之目標函數J(k)中，E(k)項函數的目的在於使該行程預測區間之內能耗最小化，而會根據不同動力系統之設計而有所修改。具體而言，決定該車輛C的動力系統之能耗的參數包括馬達能耗及引擎油耗，其中，「能耗＝能耗率．時間」，對於馬達而言，能耗是考慮馬達功率對時間的積分，而對於引擎而言，能耗則是考慮引擎油耗率對時間的積分。以馬達為例，馬達功率與馬達力矩、馬達轉速、馬達效率相關，該節能巡航控制裝置3會根據當下之馬達扭力以及馬達轉速，並配合預先建置的馬達相關數據，而求得相對應的能耗。
在該行車節能之目標函數J(k)中，R(k)項函數為用來針對不同的地形來調整縱向力的函數，舉例而言： 【數學式2】其中，w1 代表預設的權重值，F(k)代表車輛的縱向力，m代表車重，g代表重力加速度，sinθ(k)代表路段之坡度函數。
在本實施例的R(k)項函數中，縱向力與地形作用力之合會取二次方，這是因為期望縱向力與地形作用力之合力越小越好。另外，決定該車輛C的縱向力的參數包括車輛驅動力及車輛阻力，其計算方式舉例如下： 【數學式3】其中，FX 代表車輛驅動力，FRoll 代表摩擦滾動阻力，Faero 代表空氣阻力，Fslope 代表坡度阻力。
在本實施例中，上述數學式3中的車輛驅動力為由馬達、引擎等的動力單元傳至輪軸之推動力所組合成，其計算方式大致如下： 【數學式4】其中，T代表動力單元之扭力輸出，rwheel 代表輪胎半徑，B代表煞車力。 【數學式5】其中，Teng 代表引擎之力矩，neng 代表引擎輸出齒輪比，Tmotor 代表馬達之力矩，nmotor 代表馬達輸出齒輪比。
如第2圖所示，在本實施例中，決定該車輛阻力的參數包括摩擦滾動阻力FRoll 、空氣阻力Faero 及坡度阻力Fslope ，其計算方式大致如下： 【數學式6】其中，μRoll 代表輪胎的滾阻係數。 【數學式7】其中，ρ代表空氣密度，Cd 代表空氣阻力係數，AF 代表車輛前視面積，V(k)代表車速，Vwind 代表風速。 【數學式8】
藉由R(k)項函數之設置，能夠調整該車輛C在行駛之加減速，使得在平地路段時相對減少加減速的變化，而在行程預測區間內有坡度變化時進行相對應加速度之調整。
在該行車節能之目標函數J(k)中，C(k)項函數的目的在於控制車速不要遠離該巡航車速，該巡航車速之設定則通常取決於駕駛者設定、速限、車流量等因素。C(k)項函數舉例如下： 【數學式9】其中，w2 代表預設的權重值，Vref 代表巡航車速。
在該車輛控制裝置4中，係可藉由對油門深度、齒輪箱檔位及煞車系統等的控制，以進行該車輛C之加減速度控制，而調節該車輛C之車速。較佳地，在該車輛C為具複數個動力單元的車輛的情況下，該車輛控制裝置4可進一步包括一動力分配單元41。該動力分配單元41經配置而基於預設的效率分配資訊，即時因應於該車輛C之車速與動力需求而調整各個該動力單元之力距與轉速的動力分配。其中，該效率分配資訊係為基於量測出的該車輛C之動力單元的效率圖所計算得到的對應於力矩與轉速的動力分配比例的資訊。
以馬達為例，配合第3圖所示，左側為示意各個馬達的效率圖，右側則示意整合後的多馬達合併效率圖，在取得該效率分配資訊時，首先量測各個馬達的效率圖，接著再將效率圖轉換成可匹配之座標，然後對各個操作點進行最佳化演算法來比較，以得到各個力矩、轉速下之最佳動力分配比例。此最佳動力分配比例作為該效率分配資訊而儲存，該效率分配資訊則作為一規則庫（rule base）而發揮作用，供該動力分配單元41據以進行即時分配，如此一來，可使馬達維持運作於馬達高效區。
藉由上述結構，本發明的行車節能系統100能夠運用路況資訊接收裝置1所提供的前方道路資訊IR 、交通動態資訊IT 、車輛定位資訊IP 等資訊，並根據節能巡航控制裝置3之預設模型及拘束條件等資料，計算得到參考車速資訊VOpt ，而在不影響行車安全性之前提下，據以動態調整車輛C之車速，得到行車節能效益。再者，對於多馬達的車輛C，本發明的行車節能系統100則能藉由動力分配單元41的動力分配，使馬達維持高效運作，進一步提升行車節能效益。
以上之敘述以及說明僅為本發明之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本發明之發明精神而在本發明之權利範圍中。
100‧‧‧行車節能系統
1‧‧‧路況資訊接收裝置
2‧‧‧車輛動態偵測裝置
21‧‧‧車速偵測單元
22‧‧‧防撞感測單元
3‧‧‧節能巡航控制裝置
4‧‧‧車輛控制裝置
41‧‧‧動力分配單元
C‧‧‧車輛
Faero‧‧‧摩擦滾動阻力
FRoll‧‧‧車輛驅動力
Fslope‧‧‧空氣阻力
ID‧‧‧車輛動態資訊
IP‧‧‧車輛定位資訊
IR‧‧‧前方道路資訊
IT‧‧‧交通動態資訊
VOpt‧‧‧參考車速資訊
［第1圖］為顯示根據本發明的一實施例的行車節能系統的系統示意圖； ［第2圖］為顯示車輛阻力的示意圖； ［第3圖］為顯示多馬達合併效率圖的一範例。

Claims (8)

  1. 一種車輛之行車節能系統，包含： 一路況資訊接收裝置，設置於該車輛，而接收相關於該車輛的前方道路資訊、交通動態資訊及車輛定位資訊； 一車輛動態偵測裝置，設置於該車輛，而偵測該車輛之車輛動態資訊，其中該車輛動態資訊至少包括該車輛之目前實際車速； 一節能巡航控制裝置，設置於該車輛，且連接於該路況資訊接收裝置及該車輛動態偵測裝置，該節能巡航控制裝置根據該前方道路資訊、該交通動態資訊、該車輛定位資訊、該車輛動態資訊及一預設的巡航車速，而對於該車輛之每個行程預測區間個別以一預設的行車節能之目標函數J(k)進行最小化求解，而得到參考車速資訊；以及 一車輛控制裝置，設置於該車輛，且連接於該節能巡航控制裝置及該車輛動態偵測裝置，該車輛控制裝置對於每個該行程預測區間個別根據該參考車速資訊及該車輛動態資訊而調節該車輛之車速， 其中該行車節能之目標函數J(k)係如下所示： 【數學式1】其中，k係為代表第k個的該行程預測區間， E(k)係為代表該車輛的動力系統之能耗的函數， R(k)係為代表該車輛的縱向力與地形作用力之合力的函數， C(k)係為代表該車輛之車速與該巡航車速之差距的函數。
  2. 如請求項1所述之行車節能系統，其中該車輛係為具複數個動力單元的車輛，該車輛控制裝置包括一動力分配單元，該動力分配單元經配置而基於預設的效率分配資訊，即時因應於該車輛之車速與動力需求而調整各個該動力單元之力距與轉速的動力分配，其中該效率分配資訊係為基於量測出的該車輛之動力單元的效率圖所計算得到的對應於力矩與轉速的動力分配比例的資訊。
  3. 如請求項2所述之行車節能系統，其中該動力單元包括馬達，該動力分配單元係經配置而藉由該動力分配使該馬達運作於馬達高效區。
  4. 如請求項1所述之行車節能系統，其中該車輛動態偵測裝置包括一車速偵測單元及一防撞感測單元，該車速偵測單元用以偵測該車輛之目前實際車速，該防撞感測裝置用以感測該車輛之前方車況。
  5. 如請求項1所述之行車節能系統，其中該前方道路資訊包括道路幾何資訊及地形起伏資訊。
  6. 如請求項1所述之行車節能系統，其中該行車成本之目標函數J(k)中，決定該車輛的動力系統之能耗的參數包括馬達能耗及引擎油耗。
  7. 如請求項1所述之行車節能系統，其中該行車成本之目標函數J(k)中，決定該車輛的縱向力的參數包括車輛驅動力及車輛阻力，決定該車輛阻力的參數包括摩擦滾動阻力、空氣阻力及坡度阻力。
  8. 如請求項1所述之行車節能系統，其中該路況資訊接收裝置係為一車載資通訊裝置。
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