臺北科技大學車輛工程系所學位論文
國立臺北科技大學,正常發行
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在電聲設計分析中，常以類比電路法做為揚聲器電聲模擬的主要方法。類比電路法主要將揚聲器零件轉換成等效的電子元件，並且依據相對應的關係繪製成電路，再利用電子電路進行等效電路的分析。此分析的結果雖可以將揚聲器與音箱的聲學特性進行模擬，但類比電路法對於產品外型在聲場中所造成的聲音繞射卻無法進行分析。由實際量測結果得知，聲音傳遞過程中的繞射效應確實存在而使得分析的結果有誤差。LEAP Enclosureshop是揚聲器分析工具，雖提供了不同音箱設計的繞射分析，但卻不適用於3C產品複雜的外型上。 為了分析並解決產品外型造成音波繞射的問題，本研究利用CAD建立3D產品模型，將此3D模型匯入LEAP模擬工具。再依據聲學的觀點，將腔體的複雜幾何形狀利用CAD進行體積精確的計算，將結果於LEAP軟體中以相對應的幾何形狀、參數以及分析的條件輸入。最後利用LEAP不同條件的分析方式進行聲場的模擬，並且與實際量測結果做為驗證。此方法最大的優勢在於了解不同產品造型設計上對聲音繞射的影響，提供3C產品聲學設計時的參考價值。
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本研究是將虛擬麥克風技術運用在模擬行駛的車子中，目的是將不是放置在耳朵的參考麥克風聲壓，運用演算法估測到駕駛者耳朵附近虛擬麥克風的聲壓，藉由檢測麥克風來檢測估測是否準確，若估測準確，將非常有助於耳廓的局部主動式噪音控制的效果。實驗步驟第一步比較演算法；第二步以單顆揚聲器在車廂播放原音訊和低通濾波的音訊，並調整取樣頻率錄音，藉由調整濾波器長度階數來收斂誤差；第三步以實車四顆揚聲器做實驗，實驗方法同第二步；第四步考量駕駛者駕車時，頭部並不會固定不動，所以麥克風隨著人偶頭部移動位置，藉由調整濾波器長度階數以及距離來觀察誤差變化；第五步為將參考麥克風擺在車廂內不同位置，以參考麥克風和虛擬麥克風之間不同距離，參考專利把參考麥克風擺在車廂內不同位置，目的為找出參考麥克風在車廂內的適用位置。實驗結果可知揚聲器播出經過濾波後的音訊，經由參考麥克風經過演算法後耳廓的虛擬麥克風訊號和檢測麥克風訊號間的誤差，並非演算法濾波器長度階數越高，誤差就比較小；而參考麥克風與檢測麥克風距離若太大，演算法計算出的虛擬麥克風和檢測麥克風間的誤差會提升很多，雖然近距離誤差比較小，但是若音訊過於複雜，參考麥克風經由演算法所估測出來的虛擬麥克風值，也會和檢測麥克風間的誤差增加。
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由於3C產品快速的發展，人們變得更加容易隨時隨地的享受音樂，不過如果是在公車、火車或是其他有低頻噪音的環境使用耳機，很容易會受到低頻噪音的干擾，雖然說使用更高音量的音樂可以覆蓋噪音，但是長時間使用會對使用者的聽覺造成傷害，並不是一個理想的方法。 本論文主要研究頭戴式主動噪音控制，實驗環境在聆聽室進行，控制方法為整合式迴授主動式噪音控制(Integrated Feedback ANC,IFBANC)，並使用德州儀器所生產的數位訊號處理器TMS320C6713 DSK作為主動噪音控制的平台，以頭戴式耳機的揚聲器產生反噪音和播放音樂。實驗分為兩大部分，首先先探討第二路徑轉移函數50、100、150階對減噪的影響，噪音源為單頻、雙頻、三頻以及頻帶噪音。當轉移函數階數選定為150階後，耳機播放音樂訊號來觀察在噪音聲壓等級60dB、70dB、80dB三種條件下的減噪效果，噪音源為單頻及雙頻。
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傳統的車廂內噪音降噪技術，大多使用被動式降噪原理，利用吸音或隔音材料來減少噪音。但此種方法運用在低頻噪音時，往往效果不彰。主動式噪音控制方法因而產生，其對低頻噪音的減噪效果較佳。本論文以主動噪音控制理論為基礎，應用於車廂內噪音減噪。利用數位訊號處理器TMS320C6713DSK來實現，以頭枕型式的減噪喇叭來降低駕駛人耳邊的噪音。本文採用迴授式控制系統架構，第二路徑轉移函數採用FIR(Finite Impulse Filter)濾波器架構，並討論濾波器的階數對FXLMS、Leaky FXLMS、FXNLMS三種演算法的影響。實驗是在車廂內發出單頻、複頻以及頻帶的噪音，藉由改變噪音的聲壓大小和增加實驗時間來比較三種演算法的減噪效果和穩定性。
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本研究為提升電動機車的續航力，並改善電池充電不便的問題，因此整合電動機車現有動力系統並結合氫燃料電池，使其達到具有增程效果的雙電力系統，並使用NI cRIO-9074嵌入式系統（Embedded System）搭配Labview圖形化介面的程式語言作為開發監控實驗車整車狀態之雙電力監控系統；並將鋰錳電池為主電力源並即時監測其殘電量(state-of-charge，SOC)，以氫燃料電池為輔助電力源並穩定提供電力回充至鋰錳電池或單獨電力提供電動機車低速行駛。 本研究使用車體動力計達到車輛行駛於一般道路的條件，並使用PI控制器自動行駛ECE-40與JP10行車型態，並觀察增加額定200W氫燃料電池的輔助電力行駛ECE-40與JP10 的行車型態結果顯示分別能夠增程18%、17%。 為了解決長時間駕駛導致的精神疲勞與手動駕駛時急加速所造成的功率損耗，因此設計出能夠依照駕駛者需求車速進行定速巡航的定速巡航系統，並且通過有坡度的實際道路測試，實驗結果發現有使用定速巡航可以減少5.7%馬達能量消耗。
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有鑑於現今市售電動機車於使用及開發時之最大問題為電池續航力不足，為提升其續航力，本研究試以54V/24Ah鋰錳電池為主動力源，並加裝一200W質子交換膜式氫氧燃料電池作為輔助動力源，驅動1.5kW輪轂馬達，延續於實驗平台之雙電力增程系統研究，改裝一電動機車成為氫燃料電池複合電力增程機車，並搭配無線網路基地台，使平板電腦可以WiFi傳輸作為無線監控面板及儀表板。 本研究開發能量管理及行車控制系統，於改裝過程中改進了電池殘電量（State of Charge, SOC）的量測方式，並撰寫一電容量更新程式來防止因電池老化造成的量測失準。為使此機車更符合實際上路的需求，本研究於行車控制系統設計了許多配合實際行駛的程式，並以切換模式及限制加速性作為能量管理策略，降低電池在低電量時的輸出功率。實驗結果顯示，雙電力模式約可減少17%的電池功率輸出，而加速性限制約可降低12.82%的整體馬達功率消耗，使用車體動力計所作之實車測試，與實驗平台之差異約在2~5%，與道路測試之差異值則不超過1.5%。
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近年來的能源問題與溫室效應是國際重大議題，而引擎的節能技術日新月異，為了有效降低燃油消耗率與提升引擎效率。本研究蒐集國內外文獻，建立各效率的標竿。針對2.2 L 汽油引擎進行實驗，計算出實驗引擎熱效率、機械效率、容積效率和燃燒效率，將與標竿比較分析出實驗引擎的優劣。 本研究首先進行進排氣道流量係數測試，發現進排氣道流量低於標竿，此將造成流動阻力較大。進行原廠引擎實驗，計算各項效率，實驗引擎FMEP (Friction Mean Effective Pressure)數據高於FMEP國際標竿平均曲線，代表摩擦損失高於一般引擎水準。而制動熱效率數據與國際標竿數據比較，其熱效率在水準內，代表該引擎的熱效率不差。燃燒效率在中低負載時高達95%，但高負載時降低到70%，此乃因空燃比過濃。 由燃燒分析數據，各負載Pmax發生角度為6~40 o，不太合理。藉由熱釋放率分析發現，低負載時熱釋放率明顯地過於提前，甚至在壓縮上死點前已燒完50%燃料，造成上死點前浪費太多功去推動活塞。而高負載時熱釋放率明顯地過於延後，不利於對外作功。所以，該引擎體質不差，若能重新設計進排氣道以提升流量係數，以及修正點火角度，將可大幅改善引擎扭力與熱效率。
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原本國際車界中關於電機電子系統的可靠性確保議題，皆屬於各家車廠的商業機密。但隨著而車輛複雜度日益上升的車電系統整合進傳統車輛框架中，及越來越嚴重大規模召回事件，國際車界已有共識必須合力定義車用電機電子系統的 基礎安全確保方法，這不只是保護消費者，也是保護車界的從業廠商- ISO 26262 (車輛機能安全:Functional Safety Automotive)便因此誕生，並被國際車界定義為當今上最前瞻的安全技術，可用以區分善盡產品責任與否之邊界。 安全一直是汽車產業非常關注的焦點，而隨著汽車電裝相關配件數量日益漸針對 車用安全改善的各式電裝配件也越來越多元化，如先進駕駛輔助系統(Advanced driver assistance systems；ADAS)，防撞系統(Collision Avoidance System; CAS) 及馬達驅動控制器(Motor control units)等，其實這些系統必須要使用到高性能， 高安全及高可靠的微控制器(Microcontroller Unit；MCU) 來達到輔助駕駛車輛安全性為目的。因此本論文將提供如何透過ISO 26262 Safety element out of content方 式來發展微控制器使其符合機能安全設計要求使其產品在設計和原件選用上，有 遵循標準，並且提供如何將ISO26262與CMMI (Capability Maturity Model®， Integration，能力成熟度模式整合)結合，建立一個完整的機能安全管理流程使其 產品朝向高安全、高可靠及高品質之目標來符合ISO 26262標準。
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本研究主要目的是改善電動機車續航力不足、充電設施不夠完善及充電時間過於冗長之問題。故本研究以市售的電動機車作為實驗車開發平台，使用48V/24Ah鋰錳電池作為主動力源，低功率型200W氫燃料電池為輔助動力源，透過本研究研製的電力與訊號整合系統及氫燃料電池複合電動機車系統，實現雙電力增程系統，增加行駛里程，以提升電動機車的實用性。 本系統使用LabVIEW圖控程式語言與NI cRIO-9074嵌入式監控系統進行整車的訊號量測及控制，分析鋰錳電池、燃料電池及馬達消耗功率的數據，以驗證增程效果，並依據雙電力增程系統的電力狀況及實車驗證，有三種電力模式情況，如單電力模式、雙電力模式以及充電模式。 最後，本氫燃料電池複合電動機車藉由底盤動力計進行電動機車續航性能試驗，發現雙電力模式時，氫燃料電池以全時200W的輔助電力輸出與怠速充電，相較於單電力模式而言，鋰錳電池放電的電壓與殘電量下降的斜率趨於平緩。於定速巡航30km/h實驗中，行駛距離從原本的34km提升至43km，多增加了9km的行駛距離，其增程率約為20%；於變速行駛續航性能實驗中，行駛循環從原本的22次提升至26次，多增加了4次的行駛循環，其增程率約為15%。 本文所發展的低功率型氫燃料電池應用於電動機車之複合動力系統，可提升電動機車的續航力與解決充電不便的問題，而氫燃料電池系統設計為可拆卸式增程器，保有原本電動機車的架構。本系統具有架構簡單、空間配置容易等優點，值得後續研究者加以推廣應用。
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我國於2002年加入世界貿易組織(WTO)後，開放各類機車進口其中包含大型重型機車，目前國內大型重型機車污染、耗能法規測試程序中，對於非自動（腳排檔方式）變速之車輛換檔時機是依製造廠建議之換檔時機進行換檔，而換檔時機會影響油耗和污染。 本文將針對這項議題進行測試分析與探討，首先比較我國與歐盟之測試方法與程序之差異，並依照目前國內機車廢氣排放測試方法及程序進行測試研究，測試車輛A車799 cc M6及B車599 cc M6為兩輛大型重型機車，分別使用不同換檔時機進行測試，除了比照法規測試方法與程序外另外增加瞬時取樣部份以利分析各階段污染值變化，並從技術上提出不同換檔時機對污染、耗能測試結果的影響進行探討並比較其差異。 從實驗結果中得知，在不同的換檔時機下，對於耗能影響方面，A、B兩車在市區行車型態油耗部分相差約4.7~5 %，而在總油耗（包含非市區行車型態）上約3.8 %的差異，另外在污染方面，A、B兩車CO、HC相差都約有3~11 %，而NOx約有4~11 %的差異。最主要造成油耗和污染差異的原因是改變引擎轉速與負載條件，進而影響燃燒速度、溫度及效率，而往往油耗與污染的關係是互相衝突的在無法同時滿足兩方面的情況下如何在兩者之間取得平衡才是最理想的換檔時機。