بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق شبیه سازی و بهینه سازی خودرو الکتریکی به کمک بهینه سازی چند هدفه انجام شده است. بدین منظور شبیه سازی خودرو الکتریکی در نرم افزار Advisor با استفاده از یک سیکل رانندگی ابداعی انجام شده است.سپس خودرو الکتریکی شبیه سازی شده با هدف کمینه کردن هزینه، جرم و حفظ عملکرد مطلوب شتابگیری توسط الگوریتم ژنتیک بهینه سازی شده است. نتایج بهینه سازی، حاکی از کاهش قابل توجه هزینه و جرم با حفظ زمان شتابگیری خودرو الکتریکی می باشد.
.1 مقدمه
توسعه وسایل نقلیه موتوری یکی از بزرگترین دستاوردهای تکنولوژی مدرن است. در این میان سهم خودرو های سواری در رشد جامعه مدرن قابل توجه می باشد. در حال حاضر آلودگی محیط زیست، افزایش سریع در هزینه سوخت و کاهش ذخایر سوخت فسیلی از جمله مهم ترین نگرانی های سوق دهنده برای حرکت به سوی حمل و نقل الکتریکی شده است. این موضوع در کلیه کشورها به ویژه کشورهای توسعه یافته نظیر ایالات متحده و ژاپن اهمیت ویژه ای یافته است. علاوه بر آن، کشورهایی نظیر چین و هند نیز به پیشرفت های قابل ملاحظه ای در این خصوص دست یافته اند
در همین راستا، در دهه های اخیر فعالیت های تحقیق و توسعه بر روی حمل و نقل ایمن و تمیز متمرکز شده اند لذا در آینده ای نزدیک می توان خودروهای الکتریکی، خودروهای الکتریکی هیبریدی و پیل سوختی را به جای خودروهای معمولی پیشنهاد کرد
همچنین در سال های اخیر صنعت خودروسازی برای سازگاری با محیط زیست تکنولوژی خود را برای محقق شدن محصول بدون آلودگی و توسعه وسایل نقلیه سبز از طریق افزایش راندمان انرژی و کاهش قابل توجه گازهای خروجی اگزوز، متمرکز شده است. در این زمینه خودروهای الکتریکی که توان موثر بیشتری دارند، تولید گازهای گلخانه ای را به صفر رسانیده اند
دراین راستا تولید خودرو الکتریکی بهینه شده می تواند جایگاه ویژه ای برای تولید کنندگان و مشتریان داشته باشد.برای بهینه سازی خودرو الکتریکی مشخصات خودرو در یک سیکل رانندگی وارد الگوریتم بهینه ساز می شود. در این بین نرم افزارهای شبیه ساز خودروهای الکتریکی کمک موثری در جهت ایجاد این سیکل ها و بهینه سازی خودرو ایفا می کنند. برای شبیه سازی خودرو الکتریکی نرم افزارهای زیادی وجود دارند که از میان آنها ADVISOR وPSA1T از شاخص ترین آنها میباشد.
مراجع [4] و [5] نرم افزار ADVISOR را مورد بررسی قرار داده اند. همچنین مرجع [6] قابلیت نرم افزار PSAT را برای مدل کردن خودرو هیبریدی بررسی نموده است. در این مقاله قابلیت شبیه سازی خودرو معمولی، خودرو الکتریکی، خودرو هیبریدی موازی و خودرو هیبریدی سری توسط PSAT بررسی شده است. در پایان تواناییPSAT در شبیه سازی سیستم انتقال قدرت با آرایشهای مختلف اثبات شده است.
با وجود بلوغ نرم افزارهای شبیه سازی خودرو، بدست آوردن خودرو الکتریکی بهینه در کوتاه ترین زمان یکی از دغدغه های شرکت های طراح می باشد. برای نیل به این هدف مهم، شرکت ها از نرم افزارهای شبیه ساز مختلف و از الگوریتم های بهینه سازی متنوعی بهره می گیرند.
مرجع [3] به بهینه سازی اجزای خودرو الکتریکی هیبریدی پرداخته است، آنها مسئله بهینه سازی خود را براساس الگوریتم 2PCOA فرموله و حل کرده اند. مرجع [7] به بهینه سازی سیستم ذخیره انرژی مبتنی بر باتری در خودروی الکتریکی پلاگین تسلا روداستر پرداخته است. برای حل این مسئله از یک الگوریتم بهینه سازی فوق ابتکاری به نام 3TLBO استفاده کرده است.
نتایج کار این پژوهشگران نشان داد که خودروی مذکور با موفقیت سیکل رانندگی را طی کرده است و در الگوریتم بهینه سازی آنان زمان محاسباتی نسبت به الگوریتم های مشابه کمتر است.
در مرجع [8] به مطالعه طراحی تفضیلی یک خودروی نظامی متوسط به همراه بهینه سازی و شبیه سازی طراحی و پارامترهای کنترل آن پرداخته شده است. آنان نشان دادند که ابعاد اجزا در بهینه سازی موثر هستند.
مرجع [9] به کمک الگوریتم ژنتیک به بهینه سازی پارامترهای کنترل یک خودروی هیبریدی موازی پرداخته است. در کار تحقیقاتی آنان استراتژی کنترل خودرو الکتریکی هیبریدی، الگوریتمی منطبق بر انرژی تولید شده، انرژی استفاده شده و انرژی ذخیره شده می باشد.
در تحقیق آنان مدیریت بهینه اجزای انرژی موفقیت کلیدی برای خودروی مذکور می باشد. در تمامی مقالات پیشین زمان شبیه سازی کاهش نیافته بود بلکه با تغییر نوع الگوریتم به کاهش زمان در فرآیند بهینه سازی رسیده اند . اما در این تحقیق با ساختن یک سیکل ابداعی زمان شبیه سازی را برای الگوریتم بهینه سازی کاهش داده ایم و سپس از نتایج بدست آمده در گرفتن نتایج نهایی در سیکل UDDS بهره گرفته ایم. همچنین در این تحقیق بر خلاف تحقیق های پیشین علاوه بر کمینه کردن هزینه، جرم و زمان شتابگیری را در تابع هدف لحاظ کرده و مجموع آنها را کمینه کرده ایم.
.2 خودرو الکتریکی
خودرو الکتریکی به خودرویی اطلاق می شود که نیروی کشش و حرکت آن توسط موتور الکتریکی تامین شود و منبع انرژی آن متحرک، قابل حمل و دارای ماهیت شیمیایی یا الکترو شیمیایی باشد. اجزای اصلی یک خودروی الکتریکی شامل موتور الکتریکی، باتری، کنترل کننده، منبع نیرو و سیستم انتقال قدرت می باشد.
در این خودروها، باتری به همراه موتور الکتریکی به عنوان فراهم کننده نیروی محرکه و نیز باتری به تنهایی برای تامین انرژی لازم برای سایر تجهیزات استفاده می شود. باتری ها می توانند هم از طریق اتصال به برق شهری و هم از انرژی ترمز گیری و حتی از منابع الکتریکی غیر شبکه ای نظیر پیل های خورشیدی شارژ شوند. خودروهای الکتریکی دارای آرایش مختلفی در قسمت سیستم انتقال قدرت خود هستند. شکل 1 ساده ترین آرایش سیستم انتقال قدرت را نشان می دهد.
همان طور که در شکل 1 مشاهده می شود، سیستم انتقال قدرت یک خودرو الکتریکی شامل سه زیر مجموعه اصلی است: نیرو محرکه الکتریکی، منبع انرژی و تقویت کننده الکتریکی که این سه زیر مجموعه، خود دارای زیر مجموعههایی هستند. بسته به ورودیهایی که از طریق پدالهای گاز و ترمز اعمال میشوند، کنترل کننده خودرو، سیگنال کنترل مناسبی را به مبدل الکترونیکی قدرت ارسال میکند.
وظیفه مبدل الکترونیکی قدرت، تنظیم توان جاری شده بین موتور الکتریکی و منبع انرژی میباشد. جریان توان برگشت، به دلیل احیای ترمز خودرو الکتریکی رخ میدهد. این انرژی بازیافت شده میتواند در منبع انرژی ذخیره شود زیرا منبع انرژی قابلیت پذیرش این انرژی را دارد. باتریها می توانند به عنوان منبع ذخیره انرژی الکتریکی در خودرو های الکتریکی استفاده شوند. باتری ها با توجه به خصوصیات خود دارای انواع مختلفی هستند که در این تحقیق باتری لیتیوم یون بدلیل ظرفیت زیاد و چگالی انرژی مناسب در نظر گرفته شده است. چرا که ذخیره انرژی بالا در باتری، خودرو را قادر به پیمایش بیشتری می کند. موتور استفاده شده در این تحقیق نیز از نوع موتور الکتریکی جریان متناوب بدون جاروبک1 می باشد.
شکل.1سیستم انتقال قدرت خودرو الکتریکی
.3 سیکل رانندگی
برای تست خودرو، از سیکل های رانندگی استفاده می شود. این سیکل ها در واقع نمودارهای سرعت-زمان هستند که معادل کوچکی از عملکرد خودرو در شرایط کارکرد واقعی هستند. خودرو در حین تست طبق این سیکل حرکت می کند. برای اینکه یک معیار جهانی برای تست خودروها و مقایسه نتایج عملکرد خودروها وجود داشته باشد، سیکلهای مختلفی تعریف شدهاند.
هر سیکل نمودار سرعت -زمان یک خودرو در شرایط ترافیکی خاص است که برای حرکت در شهر، اتوبان یا پیست مسابقه تهیه شده است. برای نمونه سیکل UDDS در شرایط ترافیکی شهر نیویورک تهیه شده است. علت استفاده از سیکل های استاندارد جهت بهینه سازی اجزای خودرو عبارت است از محاسبه مصرف انرژی در یک سیکل مشابه عملکرد واقعی خودرو است.
