بخشی از مقاله
چکیده
آلودگیهای صوتی و زیست محیطی ایجاد شده توسط موتورسیکلت-ها در ایران و نگرانیهای ناشی از آن، منجر به انجام پژوهشهایی در زمینه طراحی و ساخت موتورسیکلت الکتریکی شده است؛ در این راستا گروه علمی دانشجویی شبح اقدام به تولید یک دستگاه موتورسیکلت الکتریکی شهری نموده است. پس از انجام تستهای فراوان بر روی این موتورسیکلت، نقاط ضعف و قوت بسیاری آشکار شد که این نقاط ضعف مانع کاربری آسان و سرمایهگذاری مراکز تولیدی بر روی این نوع وسایل میشود. بر این اساس در این مقاله پس از تشریح کامل این موتورسیکلت به بررسی مشکلات و ضعف-های آن پرداخته شده است و راهحلهایی جهت رفع آنها پیشنهاد میشود. در پایان نیز فعالیتهایی که انتظار میرود در پژوهشهای آتی جهت رفع این مشکلات انجام شود، مورد بحث قرار میگیرند.
واژه های کلیدی موتورسیکلت، موتور الکتریکی، درایور موتور الکتریکی، باتری، مصرف انرژی
شرح سیستم موتورسیکلت الکتریکی شهری افزایش آلودگیهای صوتی و زیست محیطی در ایران و نگرانیهایناشی از آن باعث ایجاد تغییرات متعددی در استانداردهای مربوطه در صنعت موتورسیکلتسازی، در سالهای اخیر شده است. این تغییرات سختگیرانه منجر به کاهش 48 درصدی تولید و همچنین تعطیلی 142 واحد از 220 واحد فعال در کشور شده است.بر طبق تحقیقات انجام شده، در کلانشهری مانند تهران بیش از 3 میلیون موتورسیکلت در سال 1392 تردد میکنند. میزان آلودگی صوتی به وجود آمده توسط آنها %49 کل آلودگی صوتی این کلانشهر است. میزان تراز صوت اگزوز موتورسیکلت بطور متوسط 92dB است درحالیکه حد مجاز آن 86dB میباشد لذا آلودگی صوتی ایجاد شده توسط موتورسیکلت 83dB است درحالیکه حد مجاز اعلام شده توسط سازمان حفاظت از محیط زیست 77dB می-باشد؛ همچنین %25 از آلودگی هوای این کلانشهر ناشی از موتورسیکلتهاست.
مطابق با استانداردهای فعلی آلودگی هوا، آلایندگی ناشی ازموتورسیکلت 4 برابر یک خودروی تازه تولید شده است. این آلودگی-ها علاوه بر اثرات مخرب و جبرانناپذیر بر محیط زیست، بیماریهای روانی و جسمی فراوانی را برای شهروندان به دنبال دارد.همچنین در موتورسیکلتهای بنزینی - اعم از کاربراتوری و انژکتوری - قطعات متحرک بسیاری وجود دارد که علاوه بر پیچیدهتر کردن فرآیند تولید و افزایش هزینههای ساخت، تعمیر و نگهداریموتورسیکلت را نیز مشکل و هزینهبر میکند.در راستای حل این مشکلات پژوهشهایی انجام شده است؛ پژوهشی که توسط گروه شبح وابسته به دانشکده مهندسی دانشگاه شهیدچمران اهواز انجام شده، منجر به تولید یک دستگاه موتورسیکلت الکتریکی شهری شده است که مشخصات فنی آن در جدول1 مشاهده میشود.
شاسی این موتورسیکلت به گونهای طراحی شده است که علاوه بر داشتن استحکام کافی، فضای لازم برای جایگذاری تمامی تجهیزات الکتریکی را دارا باشد. - شکل - 1 فولاد ساده کربنی - AISI1010 - جهت ساخت شاسی استفاده شده است. وزن شاسی به تنهایی حدودا 55Kg میباشد و وزن کل موتورسیکلت بدون باتری و سرنشین 80Kg است.سیستم تعلیق جلو و عقب از نوع تلسکوپی خطی میباشد؛ برای هر دو چرخ جلو و عقب از ترمز دیسکی دو پیستونه هیدرولیکی استفاده شده است که مکانیزم ترمز جلو دستی و ترمز عقب بصورت پایی میباشد.جهت طراحی بدنه با توجه به سبک اسکوتری موتورسیکلت و کاربری شهری آن - حداکثر سرعت - 50Km/h، تاثیرات نیروهای آیرودینامیکی بر بدنه و سرعت موتورسیکلت بسیار کم و تقریبا قابل صرفنظر کردن میباشد لذا در طراحی آن بیشتر به ایدههای نو و خلاقانه پرداخته شده است.
جهت ساخت نمونه اولیه از نوعی فایبرگلاس با استحکام قابل قبول و به صرفه اقتصادی استفاده شده است. شکل 2 نمایی از بدنه ساخته شده را نشان میدهد.ساختار موتور استفاده شده که از نوع جریان مستقیم و بدون جاروبک است باعث بالا رفتن بازده میشود. این موتور برونگرد1 بوده و درون چرخ2 قرار میگیرد. شکل3 موتورالکتریکی استفاده شده را نشان میدهد. استفاده از موتورهای درون چرخ، بینیازی از سیستم-های پیچیده و متحرک انتقال قدرت را ممکن میسازد که این امر کاهش اتلاف انرژی، سهولت تعمیرپذیری و نگهداری موتورسیکلت را بدنبال دارد.برای کنترل و راهاندازی موتور الکتریکی از یک درایور موتور الکتریکی با توان 9Kw، ولتاژ کاری 48V، حداکثر جریان مداوم 200A و حداکثر جریان لحظهای 250A، با توجه به پارامترهای عملی و نامی موتور الکتریکی بکار رفته، استفاده شده است . - شکل - 4
این سیستم وظیفه کامل کنترل سرعت و توان مصرفی و همچنین موقعیتیابی موتور الکتریکی در حین کارکرد را به عهده دارد. از طرفی الگوریتمهای کنترلی درایور و ساختار موتور الکتریکی بکار رفته، بگونهای است که عملکرد یک گیربکس CVT را شبیهسازی میکند و این امر بینیازی از جعبهدنده را ممکن میسازد.از باتریهای با کیفیت لیتیوم پلیمر با نرخ شارژ و دشارژ بالا 10C - و - 45C، ولتاژ نامی 44/4V و ظرفیت الکتریکی 30Ah، به عنوان منبع انرژی استفاده شده است . - شکل - 5 عمر این باتریها 400Cycle است. جهت دستیابی به پارامترهای لازم در کاربری یک موتورسیکلت شهری، 3 بسته باتری با مشخصات فوق که وزن هر بسته 11Kg است، در موتورسیکلت تعبیه میشود.برای شارژ باتریها، یک شارژر 360W در موتورسیکلت بکار رفته است. - شکل - 6
با اتصال سیم پاور خارج شده از آن به برق شهر، ولتاژ ورودی را به ولتاژ مطلوب - 48V - تبدیل کرده و میتواند به صورت دائم حداکثر 5A جریان خروجی دهد. مدت زمان شارژ هر بسته باتری با این شارژر حدودا 7 ساعت میباشد.جهت استفاده از حداکثر انرژی و کاهش توان تلف شده، در سیم-کشی توان بالای موتورسیکلت از سیمهای AWG10 استفاده شده که ظرفیت عبور جریان الکتریکی آنها 2 برابر جریان مورد استفاده موتور الکتریکی است - 140A - ؛ تمامی کانکتورهای توان بالا نیز با توجه به شرایط مشابه درنظر گرفته شدهاند.جهت رعایت نکات ایمنی در حین عملکرد موتورسیکلت، برای قطع و وصل کردن جریان باتریها یک فیوز 63A مینیاتوری و همچنین برای قطع و وصل کردن انرژی الکتریکی کل یک کنتاکتور 48V-200A در آن تعبیه شده است.برای سیستم روشنایی موتورسیکلت از سیستمهای استاندارد و متداول موجود استفاده شده است؛ ولیکن از آنجا که ولتاژ کاری لامپها 12V است، برای تبدیل ولتاژ 48V به 12V یک مبدل ولتاژ DC to DC با توان 250W بکار رفته است.
جهت ارزشیابی کارکرد موتورسیکلت، آزمایشات عملی و کیفی متعددی بصورت شبیهسازی شده با شرایطی دشوارتر از مسیرهای شهری در پیست اتومبیلرانی مجموعه ورزشی آزادی صورت پذیرفت. نتایج حاصل از تستهای عملی در جدول2 آورده شده است.طرح مسئله و موضوع پژوهشی با توجه به مصارف و کاربرد شهری موتورسیکلت، در طرح ارائهشده مشکلاتی در زمینه کاربری، عیبیابی و تعمیرپذیری آن مشاهده شده است که در ادامه بیان میشوند.با توجه به تحقیقات صورت گرفته، سرعت دوران موتورهای الکتریکی بدون جاروبک از نوع درون چرخ، بخاطر ساختار داخلی آن-ها محدود و بسیار پایین است که منجر به محدود شدن سرعت نهایی موتورسیکلت میشود. گرچه با تغییر سایز لاستیک محرک میتوان تا حدودی به سرعتهای بالاتر دست یافت اما این امر نه تنها منجر به کاهش شتاب میشود بلکه یافتن لاستیکی با شرایط مناسب بسیار دشوار است.
برخی از راهاندازهای موتورهای الکتریکی، قابلیت پشتیبانی از برنامههای مدیریت انرژی، سرعت و گشتاور را بصورت پیشفرض دارا میباشند، لذا به کاربر اجازه مدیریت این پارامترها را در شرایط مختلف مسیر میدهند که مصرف بهینه انرژی را در مسیرهای گوناگون ممکن میسازد . درایور موتور استفاده شده در این موتورسیکلت از این برنامهها پشتیبانی نمیکند و در کلیه مسیرهای شهری و غیر شهری از یک الگوریتم برای مصرف انرژی استفاده می-کند.باتریهای استفاده شده با وجود مزایای فراوان از جمله وزن کم، نرخ شارژ و دشارژ بالا و عمر قابل قبول، بسیار حجیم و گرانقیمت هستند. این امر هزینه نهایی موتورسیکلت تولیدی را بسیار افزایش میدهد؛ در نتیجه استفاده از این باتریها از لحاظ اقتصادی بهصرفه نمیباشد.
شارژر استفاده شده قابلیت بالانس نمودن باتریها را ندارد. بالانس نشدن باتریها پس از چند مرتبه شارژ و دشارژ، احتمال انفجار و آتشسوزی را بدنبال خواهد داشت؛ بنابراین بایستی شارژری هوشمند مجهز به بالانسر باتریهای مورد استفاده، سازگار با پارامترها و قابلیتهای باتری و همچنین با امکان شارژ سریع باتریها استفاده نمود. کاهش زمان شارژ یکی از پارامترهای بسیار مهم و اساسی در وسایل نقلیه الکتریکی است.استفاده از این باتریها و لزوم جایگذاری مناسب آنها بطوریکهکاملا ایمن از هر گونه ضربات احتمالی، پاشش آب و ... باشد، مستلزم طراحی و ساخت شاسیایی نسبتا بزرگ بود. با توجه به مقرون به صرفه نبودن استفاده از این باتریها در صنعت موتورسیکلتسازی، میتوان شاسی بسیار کوچکتر و سبکتری طراحی نمود؛ این عمل تاثیر بسزایی در سرعت و شتابگیری موتورسیکلت خواهد داشت.
در این موتورسیکلت سیستم مانیتورینگ تنها ولتاژ باتریها را نمایش میدهد و قادر به ثبت ولتاژ لحظهای باتریها نمیباشد. سهولت کاربری، عیبیابی و تعمیرپذیری موتورسیکلت الکتریکی، نیازمند اطلاعات دقیق و ثبت شده از نحوه کارکرد و مصرف انرژی موتورسیکلت میباشد. لذا طراحی یک سیستم هوشمند مانیتورینگ با قابلیت ثبت و نمایش جریان الکتریکی مصرفی لحظهای، میزان مصرف انرژی - Ah - ، نحوه شارژ و دشارژ باتریها و نمایش منحنی-های مربوطه نسبت به زمان در حین استفاده و پس از آن، پاسخگوی این نیاز است.مراحل کار و انتظارات از پژوهش پیشنهادی به منظور مطالعه، بررسی، توسعه طرح و رفع مشکلات مطرح شده نیاز به تعریف طرحی تحت عنوان » توسعه و بهبود عملکرد موتورسیکلت الکتریکی شهری شبح « میباشد. اهدافی که در این طرح باید دنبال شوند، عبارتند از :
·تغییر در طراحی شاسی متناسب با جانمایی باتریها و سیستمهای الکترونیکی مورد استفاده، انجام تحلیلهای سازه-ای بر روی آن و تهیه نقشههای ساخت
·ساخت شاسی به عنوان نمونه اولیه با موادی مستحکم و سبکتر و انجام تستهای مختلف بر روی آن
·بررسی انواع موتورهای الکتریکی بدون جاروبک با بازده و توان بالاتر و انجام تستهای مختلف از جمله برد، سرعت، شتاب با موتورهای انتخاب شده، ثبت نتایج حاصل و مقایسه آنها با یکدیگر جهت رسیدن به کاربری مورد نظر موتورسیکلت
·طراحی و بکارگیری درایور موتور هوشمند و انجام تست در مسیرها و شرایط مختلف جهت بررسی نحوه مصرف انرژی و ثبت نتایج حاصل از تستها
·بررسی انواع باتریهای مناسب، انجام تستهای مختلف جهت دستیابی به نقطهکار بهینه در شرایط مختلف کاری، تهیه منحنیهای شارژ و دشارژ آنها و همچنین مقایسه تاثیرات وزن، قیمت و ظرفیت باتریها
·طراحی و بکارگیری یک شارژر هوشمند مجهز به بالانسر باتریهای مورد استفاده
·طراحی سیستم مانیتورینگ هوشمند و پیشرفته
·بررسی، مطالعه و انجام پژوهشهای لازم در زمینه ایجاد ایستگاههای شارژ موتورسیکلت
·انجام اقدامات لازم و ارائه پیشنهاداتی در زمینه مسائل زیرساختی کشور جهت سهولت استفاده از موتورسیکلتهای الکتریکی
