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系統識別號 U0026-0501201713523700
論文名稱(中文) 小型電動船數位儀表板之雛型開發與建立
論文名稱(英文) Development of a Digital Dashboard Prototype Used for a Small Electric Boat
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 系統及船舶機電工程學系
系所名稱(英) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生(中文) 歐陽宇軒
研究生(英文) Yu-Hsuan Ou-Yang
學號 P16031185
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 74頁
口試委員 指導教授-李建興
口試委員-王耀諄
口試委員-王醴
口試委員-白富升
中文關鍵字 數位虛擬儀表  鋰離子電池  電源管理系統  區域控制網路 
英文關鍵字 Digital dashboard  Lithium-ion battery  Battery management system  Controller area network 
學科別分類
中文摘要 儀表板為船舶重要設備之一,且與船舶駕駛者最具有直接的關係,如何使儀表板做到更人性化也是一項發展的重點。船舶的機械式儀表板所能展現的功能有限、儀表板配置受於原廠限制,其線路也相當複雜。使用由虛擬的圖像與數字呈現數據的數位式儀表板,取代傳統的機械式儀表板已是現今的趨勢;但由於數位儀表板的開發及設計成本遠高於機械式,因此目前小型電動船主要仍是使用機械式儀表板。本文使用圖控程式LabView之人機介面搭配多種量測方法,以較低成本的方式自行開發一套適用於小型電動船之數位虛擬儀表板雛型,進而量測電動船的數種航行狀態並將資料呈現於儀表板上,用以提供駕駛即時的監控電動船狀態。另外,本文於數位儀表板內增設電動船電池的電源管理系統,即時的監控電動船電池組中各顆電池的工作狀態及充電管理,並利用區域控制網路(CAN)進行資料的傳輸。選用區域控制網路的原因是區域控制網路的通訊能力相當適合用於做為小型電動船儀表板之通訊協定,且成本不高,使得區域控制網路在通訊的能力與實現的成本間取得了適當的平衡。此外,電池管理最為重要的一項功能為對電池剩餘電量(SOC)的估測,電池剩餘電量的估測不僅提升了駕駛對於電池的掌控能力,更增加電動船航行的安全性,為儀表板上不可或缺的一項功能。
英文摘要 Dashboards are one of key equipment in boats and have the most direct relationship with captains. Many researchers focus on developing a more vivid dashboard. However, functions of mechanical dashboards used in boats are limited and they have a fairly complex line connection designed by the original equipment manufacturer. In a boat, an electronic digital instrument panel displayed with a digital readout rather than with the traditional analog gauges is a strong trend. However the cost of designing and developing a digital dashboard is much higher than that of a mechanical instrument. Thus, small electric boats usually still use the traditional analog gauges.
This thesis uses a graphical user interface based on LabVIEW with several measurement methods to develop and prototype a customized digital dashboard on a small electric boat at a lower cost. The dashboard of indicators used by captains can provide navigational status and display real-time monitoring about the electric boat. In addition, the designed dashboard has equipped with a battery management system (BMS) for detailed battery monitoring and smart battery charge management via the controller area network (CAN). This is because CAN is here to say as it offers a good balance between performance and cost of implementation. Moreover, an accurate battery state of charge (SOC) estimation is achieved to enhance the performance of the battery and increase the security of the electric boat since SOC estimation is one of the key procedures in a BMS.
論文目次 摘要 i
SUMMARY iii
誌謝 vii
目錄 ix
表目錄 xiii
圖目錄 xiv
符號說明 xvii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 本論文之貢獻 3
1.4 論文研究架構 3
第二章 儀表簡介 5
2.1 儀表的演進 5
2.1.1 機械式儀表 5
2.1.2 電氣式儀表 6
2.1.3 虛擬式數位儀表 7
2.2 一般船舶儀表 8
2.2.1 船速量測 9
2.2.2 轉速量測 10
2.2.3 燃油量量測 10
2.3 電子船舶儀表 11
2.3.1 水深量測 11
2.3.2 電子陀螺儀與加速規 11
2.3.3 GPS定位 12
第三章 數位儀表板的電池管理 13
3.1 小型電動船數位儀表的電源管理 13
3.2 二次電池 13
3.2.1 電池的比較與選用 13
3.2.2 鋰離子電池的特性 15
3.3 鋰離子電池等效電路 17
3.3.1 線性模型 18
3.3.2 戴維寧等效電路模型 18
3.3.3 阻抗電池模型 19
3.3.4 運行時間模型 19
3.4 鋰離子電池模型之建立 21
3.5 電池組的個別量測 24
3.6 電池組平衡電路 26
3.7 電池組的SOC估測 29
3.7.1 SOC估測法 30
3.7.2 實現SOC估測法 32
第四章 CAN通訊協定 38
4.1 CAN簡介 38
4.2 CAN的運作 41
4.3 CAN的錯誤檢測 44
4.4 用於電動船的通訊協定之選用 47
4.4.1 CAN與Ethernet之比較 48
4.4.2 CAN與LIN之比較 49
4.4.3 CAN與RS485及RS232之比較 49
4.5 CAN用於電動船儀表通訊的架構 49
4.6 CAN通訊實作結果 52
第五章 小型電動船數位儀表板之雛型開發 54
5.1 數位儀表架構 54
5.2 數位儀表之主頁 56
5.3 數位儀表之船狀態 59
5.4 數位儀表之電池組狀態 60
5.5 數位儀表之電池平衡監控 61
5.6 數位儀表之充電監控 61
5.7 數位儀表-電子地圖 63
5.8與現有船舶儀表之差異 64
5.9數位儀表板之電磁干擾與相容 68
第六章 結論與未來展望 70
6.1結論 70
6.2未來研究方向 70
參考文獻 72
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