بخشی از مقاله
الکترونیک قدرت در خودروهای هیبریدی برقی: ساختارها، مدارات و چالشها
چکیده
فناوری خودروهای برقی، هیبریدی برقی و هیبریدی پیل سوختی مدیون فناوری الکترونیک قدرت میباشد. سیستم الکتریکی این خودروها بخش عمدهای از الکترونیک از جمله تبدیل DC به DC، AC به DC و DC به AC را پوشش میدهد. از میان این خودروها، خودروهای هیبریدی برقی با توجه به فناوری و زیرساختهای موجود دارای بیشترین مزیت و قابلیت، جهت جایگزینی با خودروهای سوخت فسیلی هستند. لذا در این مقاله کاربردهای الکترونیک قدرت و انواع مدارات مورد استفاده در خودروهای هیبریدی برقی از جمله اینورترها، برشگرها، یکسوسازها و شارژرها معرفی شده و مورد مقایسه و بررسی قرار گرفتهاند و تحقیقات جدید صورتگرفته مربوط به آنها آدرسدهی شدهاند. همچنین مسائل و چالشهای مربوط به الکترونیک قدرت در خودروهای هیبریدی برقی به منظور نشان دادن مسیرهای تحقیقاتی آینده در این زمینه، مورد بحث قرار گرفتهاند.
-1 مقدمه
خودروهای کنونی در سراسر جهانعمـدتاً از سـوختهـای فسیلی استفاده مـیکننـد. رونـد رو بـه کـاهش منـابع ایـن نـوع سوختها و افزایش قیمت آنها یکی از مهمترین مسایل انـرژی در سراسر کشورها میباشد .[1] همچنین این نوع خودروها به خاطر تعداد زیادشان مسائل و معضلات زیست محیطی زیـاد ی بـه بـار میآورند. در سالهای اخیر تحقیقات و فعالیتهای مـوثری بـرای جایگزینی خودروهایی با سوختهای پاک و کارآمدی بهتـر انجـام گرفته است. خودروهای هیبریدی برقی، برقـی و هیبریـدی پیـل سوختی از جمله گزینههای خوب برای جایگزینی بـا خودروهـای سوخت فسیلی هستند .[ 2] با این حال هنـوز بـه خـاطر مسـا ئل فناوری و قیمت بالا، این خودروها تعـداد قابـل تـوجهی در میـان خودروهای موجود ندارد.
هر کدام از این خودروهـای برقـی، هیبریـدی برقـی و پیـل سوختی دارای مزایا و محدودیتهای خاص خود از جمله قابلیـت اعتماد، کارایی، قیمت، تطبیق با زیرساختهـای موجـود، تـأمین انرژی و قابلیت تعمیر و نگهداری هستند. از میان ایـن خودروهـا، خودروهای هیبریدی برقی با توجه به فنـاوری و زیرسـاختهـای موجــود دارای بیشــترین مزیــت و قابلیــت، جهــت جــایگزینی بــا خودروهای سوخت فسـیلی هسـتند .[3] خودروهـای هیبریـدی برقــی مجموعــهای از چنــد فنــاوری از جملــه مهندســی بــرق و الکترونیک، مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی میباشند. لذا در طراحی و ساخت این خودروها این فناوریها با همـدیگر هیبریـد میشوند. سیستمهای پیشرانه خودروهای هیبریـدی برقـی دارای دو بخش مکانیکی و برقی هستند. قسمت برقی شامل موتورهـای الکتریکی، درایورها، مبدلهای توان و کنترلکننـدههـا مـیشـود. قسمت مکانیکی هم مانند خودروهای معمولی یک موتور احتـراق داخلی و سایر قطعات مکانیکی را شامل میشـود. در واقـع وجـه تمایز خودروهای هیبریدی برقی نسبت بـه خودروهـای سـوخت فسیلی وجود قسمت الکتریکی در آنهاست.
در سالهـای اخیـر پیشـرفتهـای قابـل تـوجهی در زمینـه الکترونیک قدرت بـه خصـوص در کنتـرل (درایـو) ماشـینهـای الکتریکی و انواع مبدلهـای تـوان صـورت گرفتـه اسـت. همـین پیشرفتهای صورت گرفتـه در زمینـه الکترونیـک قـدرت باعـث توسعه خودروهای برقی، هیبریـدی برقـی و پیـل سـوختی شـده است. در این خودروها از بخش وسیعی از علم الکترونیـک قـدرت از جمله تبدیل DC بـه DC، DC بـه AC، تبـدیل AC بـه DC و درایو موتورها استفاده میشود. لذا سـاختارهای بسـیار زیـادی از برشگرهای DC، درایوهای AC و DC، اینورترها و یکسوسـازها در خودروهای برقی و هیبریدی برقی مورد مطالعـه و اسـتفاده قـرار گرفتهاند. علاوه بر ساختارهای مبدلهـای الکترونیـک قـدرت در این خودروها، روشهای کلیدزنی و کنترلی بسیاری نیز برای ایـن مبدلها ابداع شدهاند.
خودروهای هیبریدی برقی دارای محدودیتها و چالشهایی نیز هستند. بخش عمدهای از این چالشها به الکترونیـک قـدرت مربــوط مــیشــوند .[4] قابلیــت اعتمــاد بــالا، فنــاوری قطعــات الکترونیــک قــدرت، قیمــت، دمــا، پکــیج ســازی (Packaging)، پیچیـدگی در ســاختار و کنتــرل، نگــهداری و ســرویس از جملــه مسائل مربوط به الکترونیک قدرت در خودروهای هیبریدی برقی میباشند.
در این مقاله ساختارهای اصلی خودروهای هیبریـدی برقـی ، مدارات الکترونیک قدرت مورد اسـتفاده در ایـن خودروهـا و نیـز چالشها و مسائل مربوط به الکترونیک قـدرت در ایـن خودروهـا مورد بحث و بررسی قرار گرفته و تحقیقات جدید انجام گرفته در زمینه هرکدام آدرسدهی شدهاند. سپس بـه منظـور نشـان دادن مسیرهای تحقیقاتی برای آینده، چـالشهـا و مسـائل مربـوط بـه الکترونیک قدرت در خودروهای هیبریدی برقی معرفی شدند.
-2 خودروهای هیبریدی برقی در ایران
در ایران به طراحـی وتولیـد خودروهـای برقـی و هیبریـدی برقی توجه زیادی میشود. تشویقها و حمایتهـای مـالی خـوبی در این زمینه انجام گرفته است و محققـان دانشـگاهی و صـنعتی در این زمینه فعالیتهای چشمگیری داشتهاند. تاکنون چندین نوع خودروی برقی و هیبریدی برقی بـا همکـاری محققـین و صـنایع داخلی طراحی و تولید شـده اسـت. بـا ایـن حـال بـرای افـزایش کیفیت و ورود به بازار در مقیاس بالا، ایـن صـنعت کشـور بـرای ارتقای فناوری و کاهش قیمت، توجه هرچـه بیشـتر محققـین را میطلبد.
شکل 1 یک نمونه خودروی هیبریدی برقی با نام "دونیـرو" که در داخل کشور طراحی و تولید شده است را نشـان مـیدهـد. این خودرو یک خودروی شارژی است و در صـورت شـارژ کامـل باطری تا مسافت 85 کیلومتر حرکت میکنـد. در ایـن خـودرو از موتور بنزینی تنها برای شارژ بـاطر ی اسـتفاده مـیشـود و بـرا ی حرکت خودرو کاربردی ندارد.
-3 ساختارهای خودروهای هیبریدی برقی
خودروهای هیبریدی برقی دارای یک موتور احتراق داخلی و
شکل :1 خودروی هیبریدی برقی طراحی و تولید شده در ایران.
یک موتور الکتریکی هسـتند. کـارکرد ایـن نـوع خودروهـا بـدین صورت است که قسمت الکتریکی خودرو بـا ذخیـره انـرژی ترمـز کردن خودرو و نیز ذخیره انرژی اضـافی موتـور احتـراق داخلـی، میزان مصـرف سـوخت فسـیلی را کـاهش و در نتیجـه رانـدمان خودرو را نسبت به خودروهای دارای تنها موتـور احتـراق داخلـی افزایش میدهد. البته در خودروهای هیبریـدی برقـی بـا قابلیـت شارژ شدن، این مزیت بیشتر میشود.
لازمه خودروهای هیبریدی برقی، طراحی یک الگوی کنترلی و مدیریت توان هوشمند و دقیق میباشد؛ طوری کـه خـودرو در تمام شرایط کاری به صورت بهینه کار کند. خودروهای هیبریدی برقی دارای دو ساختار اصلی سری (Series) و موازی (Parallel) هستند .[7]-[2] دو ساختار جالب دیگر، یکی هیبریـدی شـارژی (Plug-in) میباشد کـه دارای یـک مجموعـه بـاطری بـا چگـالی انرژی بالاست [1] و دیگـری خـودروی هیبریـدی پیـل سـوختی است که در آن به جای موتـور احتـراق داخلـی از پیـل سـوختی استفاده میشود .[2] علاوه بر اینها ساختارهای دیگری از جملـه سری- موازی، مخـتلط (Complex) و چنـد موتـوردار نیـز بـرای خودروهای هیبریدی برقی ارائه شدهاند .[7]-[2]
-1-3 خودروهای هیبریدی برقی سری
ساختار خودروی هیبریدی برقـی سـری در شـکل 2 نشـان داده شده است .[5] در این ساختار، توان مکانیکی خروجی موتور احتراق داخلی توسط یک ژنراتـور سـنکرون بـه تـوان الکتریکـی تبدیل میشود. سپس ایـن تـوان الکتریکـی ت وسـط یـک موتـور الکتریکی به توان مکانیکی برای چرخانـدان چـرخ هـای خـودرو تبدیل میشود. توان الکتریکی تولیدی ژنراتـور در صـورت اضـافه بودن نسبت به توان مورد نیاز موتور در باطری ذخیری میشـود. همچنین در حالت ترمز خودرو، موتور الکتریکی به صورت ژنراتور عمل میکند و انرژی ترمزی را به باطری برمیگردانـد. خـودروی هیبریدی سری برای سواری داخل شهری که در آن دفعات ترمـز کردن زیاد است مناسب میباشد. این ساختار دارای شش حالت
خودروهای هیبریـدی غیرشـارژی اسـت. شـارژ کـردن ایـن خودروها با برق خانگی قابل انجـام اسـت. همچنـین رفتـه رفتـه ایستگاههای شارژ خودرو در داخل شهرها نیز همانند پمـپهـای بنزین دایر میشوند .[1]
-4 مبدلهای الکترونیک قدرت در خودروهای هیبریدی برقی
در حالت کلی سیستم الکتریکی خودروهای هیبریدی برقـی دارای بخشهای DC و هم AC هسـتند. اسـتفاده از مبـدلهـای توان در این خودروها برای تبدیل شکلهای مختلف ولتاژ و بـرای مدیریت و کنترل توان ضروری است. لـذا سیسـتم الکتریکـی در یک خودروی هیبریدی برقی دارای چنـدین مبـدل DC بـه DC، DC به AC و AC به DC میباشد که دارای وظـایف متعـدد ی از جمله درایو موتور، ارتباط دادن بخش هـا (ماننـد مبـدل DC بـه DC که ما بین باطری و اینورتر قـرار مـی گیـرد )، شـارژ کـردن باطریها و تغذیه مصرفکنندههای جانبی هستند.
در ادامــه انــواع ســاختارهای رایــج اینورترهــا، برشــگرها ، یکسوسازها و شارژرها که در خودروهای هیبریدی برقی اسـتفاده میشوند مورد بررسی قرار میگیرند.
-1-4 مبدلهای DC به AC (اینورترها)
چندین اینورتر در خودروهای هیبریدی برقی مورد اسـتفاده قرار میگیرند. مهمترین آنها اینورتر سهفاز مربوط به درایو موتـور اصلی است که ولتاژ با دامنه و فرکـانس مـورد نیـاز را بـه موتـور اعمال میکند. این اینورتر که از کلیدهای نیمـههـادی قـدرت بـا توان و سرعت بالا ساخته میشـود، دارای خـازنهـایی در سـمت DC، سنسورها، فیلتر و سیستم کنترلکننده میباشـد. همچنـین این اینورتر در حالتی که موتور به صورت ژنراتور عمل میکند، به صورت یکسوساز عمل میکند تا توان را از سمت موتور به باطری انتقال دهد. به عبارت دیگر، این اینورتر بایستی قابلیـت عملکـرد دوجهته (Bidirectional ) باشـد. همچنـین اینورترهـای کوچـک متعددی نیز برای تغذیه موتورهای کوچک دیگر یا مصرفکننده-های داخل خودرو به کار میروند. اغلب این اینورترها، تکجهتـی (Unidirectional power) تک فاز با ساختار پل H هستند.
در این قسمت، ساختارهای اینورترهـای سـهفـاز مربـوط بـه درایو موتـور اصـلی بررسـی مـیشـوند . اینورترهـای دو سـطحی PWM، چند سـطحی (Multilevel) و Z-Source از سـاختارهای پرکاربرد در درایو موتور الکتریکی اصلی هستند. البته بـه تـازگی ساختارهای دیگری نیز بـرای ایـن مبـدلهـا جهـت اسـتفاده در خودروهای برقی و هیبریدی برقی از جمله مبدلهـای ماتریسـی (Matrix Converter) و نیز مبدلهای ساخته شـده بـا کلیـدهای نیمههادی WBG پیشنهاد شدهاند [8] و .[9]
-1-1-4 اینورتر دو سطحی PWM
در حــال حاضــر پرکــاربردترین اینورترهــا، اینورترهــای دو سطحی هستند که خصوصا در درایو موتورهـا بسـیار پـر کـاربرد هستند ( شکل .(5 در حال حاضر در خودروهای برقی و هیبریدی برقی نیز این اینورترها به خاطر قابلیت اعتماد بالا، سادگی، حجم کم و قیمت پایینشان پرکاربردترین اینورترها برای درایو موتورها میباشند [2] و .[13]-[10] مناسبترین روش کنترل این
اینورترها روش مدولاسیون پنهانی پالس (PWM) میباشـد. دامنه، فرکانس و هارمونیکها در ولتاژ خروجی اینورتر به آسـانی با این روش کنترل میشوند. در این اینورترها از کلیدهای IGBT دارای دیود معکـوس اسـتفاده مـی شـود. بازگشـت تـوان در ایـن اینورترها به سادگی صورت میگیرد.
عیب اصلی این اینورتر آن است که دامنه مولفـه پایـه ولتـا ژ خروجی آن نمیتواند از دامنه ولتاژ DC ورودی خیلی فراتـر رود. از طرفی ولتاژ DC باطریهـا خیلـی پـایین مـیباشـد. لـذا بـرای داشتن ولتاژ AC با دامنه بالا، این اینورتر نیازمند یک مبدل DC به DC افزاینده در ورودی خود است. همچنین ولتاژ خروجی این اینورتر دارای مولفههای هارمونیکی بالا میباشد.
-2-1-4 اینورترهای چند سطحی
نسل جدیدی از اینورترها که در سالهای اخیر بسیار توسعه یافتهاند، اینورترهای چندسطحی هستند .[14] ولتاژ خروجی این اینورترهـا شـبه سینوسـی اسـت و از لحـاظ دامنـه و مؤلفـههــای هارمونیکی، بهتر از اینورترهای دو سطحی هستند. یـک سـاختار اینــورتر چنــدســطحی مناســب بــرای اســتفاده در خودروهــای هیبریدی برقی در شکل 6 نشان داده شده است .[15]
برای استفاده از این اینورترها در خودروهای هیبریدی برقی، بایستی ساختار و مدولاسیون آنها به گونـهای باشـد کـه قابلیـت بازگشــت تــوان بــه بــاطری را داشــته باشــند. اکثــر ســاختارهای اینورترهای چند سطحی به چند منبع DC جداگانه نیاز دارند. در حالی که ایجاد منبع DC مستقل در خودروهای هیبریدی برقـی مشکل است .[15] لذا اینورترهای چند سطحی که بـا تنهـا یـک منبع DC کار میکنند برای استفاده در این خودروها مناسـبتـر هستند. ساختارهای متعدد دیگـ ری بـرای ایـن مبـدلهـا جهـت استفاده در خودروهـای برقـی، هیبریـدی برقـی و پیـل سـوختی پیشنهاد شده اند .[21]-[18]
-3-1-4 اینورترهای Z-SOURCE
شکل 7 ساختار پایه یک اینورتر Z-Source را نشان میدهد .[20] این نوع اینورتر میتواند یکی از مناسبترین اینورترها برای استفاده در خودروهای برقی، هیبریدی برقی و پیل سوختی باشد [21] و .[22] علاوه بـر اینـورتر Z-Source، اینـورتر QZ-Source نیز برای استفاده در خودروهـا پیشـنهاد شـده اسـت .[23] ایـن اینورترها میتوانند دامنه ولتاژ خروجی بیشتری نسبت به اینورتر دو سطحی ایجاد کنند. در واقع این اینورترها نیازی به مبدل DC به DC جداگانه برای افـزایش ولتـاژ DC ندارنـد. همچنـین ایـن اینورترها نیز دارای ساختار ساده و ارزان قیمت هستند.
-2-4 مبدلهای DC به DC (برشگرها)
در خودروهای هیبریدی برقی، چنـدین مبـدل DC بـه DC برای کاربردهای مختلف به کـار مـیرونـد. در کـل، کـاربرد ایـن مبدلها ارتباط دادن شینهای DC بـا سـطوح ولتـاژ مختلـف در خودرو است. در صورتی که موتور محرکه اصلی، یـک موتـور DC باشد یک مبدل DC به DC که از باطری تغذیـه مـیشـود بـرای کنترل موتور استفاده میشود .[2] در صورتی که موتـور محرکـه اصلی یک موتور AC باشد، با توجه به اینکه ولتاژ باطریها پایین میباشد، یک مبدل DC بـه DC بـرای افـزایش ولتـاژ DC، بـین باطری و اینورتر قرار میگیرد. در سیستمهای شارژ خودرو نیـز از یک مبدل DC به DC استفاده میشودکه در بخش بعـد بررسـی میشوند. دسته دیگر مبدلهای DC به DC برای تغذیه مصـرف - کنندههای جانبی در خودرو ماننـد سنسـورها، مـدارات کنتـرل و غیره به کار میروند. این دسـته از مبـدلهـا عمـدتا از نـوع نـیم پــل((Half-Bridge و تمـــام پـــل((Full-Bridge معمـــولی یـــا تشدیدی (Resonant) می باشند [24] و .[25]
در ادامه، مبدلهای DC به DC که به اینورتر تغذیـه کننـده موتور اصلی متصلاند بررسی میشوند. این مبدلها نیز عمـدتا از نــوع افزاینــده-کاهنــده (Buck-Boost) معمــولی دوجهتــه، نــیم پــل((Half-Bridge یــا تمــام پــل (Full-Bridge) و تشــدیدی (Resonant) میباشند. البته ساختارهای دیگـ ری نیـز بـرای ایـن مبدلها جهت استفاده در خودروهای برقی و هیبریـدی برقـی از جمله مبدلهای ساخته شـده بـا کلیـدهای نیمـههـادی WBG پیشنهاد شدهاند .[30]-[26]
