بخشی از مقاله
چکیده -
در سال های اخیر، ترمز بازیاب به یکی از مؤثرترین روش ها در طراحی سیستم ترمز خودروهای برقی تبدیل شده است. از دلایل رشد و اهمیت استفاده از ترمز بازیاب در خودروهای برقی می توان دست یابی به مزیت هایی همچون امنیت بیشتر ترمز، کوتاه تر شدن مسافت ترمز و استهلاک کمتر لنت ترمز اشاره کرد. بنابراین در سیستم های ترمز امروزی از ترمز بازیاب در کنار ترمز هیدرولیکی استفاده می شود تا سیستم ترمز عملکرد مطلوب تری داشته باشد. اما استفاده از این دو ترمز در کنار هم مستلزم بکارگیری استراتژی های کنترلی ترکیبی برای کنترل همزمان این دو ترمز می باشد.
در این مقاله بر اساس پارامتر قدرت ترمز، میزان گشتاورترمزی مورد نیاز برای متوقف کردن خودرو محاسبه می شود. سپس به کمک استراتژی توزیع گشتاور میان دو گشتاور هیدرولیک و بازیاب، میزان گشتاور مورد نیاز هر بخش معین می شود. برای حفظ تعادل خودرو و فرمان پذیری در هنگام ترمز از یک استراتژی کنترل بهینه لغزش چرخ ها استفاده شده است تا میزان گشتاور مورد نیاز را تنظیم کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که سیستم ترمز ترکیبی نسبت به سیستم ترمز معمولی عملکرد بهتر و مؤثرتری دارد.
-1 مقدمه
در ترمزهای قدیمی، هنگامی که راننده پدال ترمز را فشار می دهد در اثر تماس لنت های ترمز با چرخ ها انرژی بوجود می آید که به صورت انرژی حرارتی به هدر می رود. اما با پیشرفت های صورت گرفته در سیستم های ترمز امروزی می توان این انرژی را ذخیره کرد تا در صورت نیاز از آن انرژی استفاده شود. به همین دلیل ترمزهای بازیاب رفته رفته جای خود را در سیستم های ترمز جدید پیدا کردند. ترمز بازیاب در خودروی برقی به مکانیزم بازگرداندن انرژی از سمت موتور - های - الکتریکی به یک منبع ذخیره ساز انرژی - مثلاً باتری - در طی فرآیند ترمز گفته می شود.گشتاوری که موتور الکتریکی در حین ترمز ایجاد می کند در جهت عکس حرکت خودرو می باشد که از این جهت به آن گشتاور ترمز بازیاب گفته می شود.
شمای کلی از عملکرد یک خودروی برقی در شکل 1 نشان داده شده است. همان طوری که مشاهده می شود با فشار دادن پدال گاز انرژی الکتریکی از طریق باتری به موتور الکتریکی داده می شود و باعث شتاب گرفتن خودرو می شود. وقتی که پدال ترمز فشار داده می شود موتور الکتریکی به صورت ژنراتور کار می کند و انرژی ناشی از ترمز چرخ ها را به سمت باتری بازمی گرداند و باعث کاهش سرعت خودرو می شود. در فرآیند افزایش سرعت باتری دشارژ و در فرآیند ترمز باتری شارژ می شود و این گونه باعث می شود تا خودرو برقی دارای ترمز بازیاب بتواند مسافت بیشتری را نسبت به خودرو برقی بدون ترمز بازیاب طی کند و در هنگام ترمز گرفتن در مسافت کمتری متوقف گردد.
شکل :1 شمای کلی عملکرد یک خودرو با مکانیزم انرژی بازیاب
قدرت ترمز به معنی میزان فشرده شدن پدال ترمز توسط راننده است. بر اساس این پارامتر میزان گشتاور مورد نیاز ترمزی محاسبه می گردد. به دلیل اینکه گشتاور ترمز بازیاب تولید شده بوسیله موتور الکتریکی محدود می باشد همچنان از سیستم ترمز هیدرولیکی در خودروی برقی استفاده می شود چرا که در مواردی که میزان گشتاور ترمزی مورد نیاز بیش از میزان گشتاور موتوری تولید شده باشد بایستی مابقی گشتاور توسط سیستم ترمز هیدرولیکی تأمین شود.
مهم ترین موضوع این است که براساس شرایط مختلف چه میزان از گشتاور ترمزی بوسیله موتور الکتریکی و چه میزان توسط واحد هیدرولیکی تأمین گردد. برای هماهنگ سازی گشتاور بازیاب موتور و گشتاور اصطکاکی واحد هیدرولیک استراتژی های کنترلی متنوعی بیان شده است که به طور کلی به دو دسته تقسیم بندی می شوند: سری و موازی
در سیستم ترمز سری، گشتاور ترمز بازیاب تا بیشترین مقداری که چرخ ها و سطح جاده می توانند بپذیرند اعمال می شود و در صورت نیاز به گشتاور ترمزی بیشتر، مابقی به صورت هیدرولیکی تنظیم می گردد. ولی در سیستم ترمز موازی، ابتدا از گشتاور هیدرولیکی برای تأمین گشتاور ترمزی استفاده می شود و در صورت نیاز به گشتاور بیشتر، از گشتاور ترمز بازیاب استفاده می گردد. بر اساس تحقیقات صورت گرفته انرژی بازگردانده شده در هنگام ترمز در سیستم ترمز سری دارای بازدهی بالاتری نسبت به سیستم ترمز موازی می باشد
سیستم ترمز ضد قفل - ABS - به سیستمی گفته می شود که بتواند در هنگام ترمز کردن، چرخ ها را به صورت همزمان قفل کند. با قفل شدن همزمان چرخ ها قابلیت فرمان پذیری در مواقع ترمز اورژانسی نیز حفظ می گردد و ایمنی سرنشینان و سیستم ترمز بالاتر می رود. در سال های اخیر طراحی سیستم های ترمز ضد قفل رواج بسیاری پیدا کرده است .[4] هنگامی که ترمز صورت می گیرد ممکن است که میان سطح جاده با تایر لغزش صورت بگیرد و باعث سر خوردن خودرو شود
مطابق [7]، اگر که نسبت لغزش در محدوده 0,2 نگه داشته شود چسبندگی میان تایر با سطح جاده به ماکزیمم مقدار خود خواهد رسید. به کنترل کردن نسبت لغزش چرخ ها در این محدوده کنترل بهینه لغزش گفته می شود. این محدوده لغزش برای سطوح جاده ای خیس و برفی در بازه [0,1-0,25] می باشد .[8] مقاله های گوناگونی بر روی روش کنترل کردن لغزش چرخ کار کرده اند
در مقاله [9] با استفاده از روش شبکه عصبی برای ایجاد سیستم ترمز ضد قفل، گشتاور موتور برای کنترل لغزش در مقدار لغزش مناسب بهینه می گردد. در [10] نویسنده یک روش کنترلی مستقل برای چرخ های جلو و عقب ارائه کزده است که رانندگی ایمن و بدون مشکل را در طول زمان ترمز فراهم می سازد. بسیاری از مقالات از کنترل کننده های منطق فازی برای طراحی و پیاده سازی سیستم های ABS استفاده کرده اند
در این کنترل کننده ها معمولأ متغیرهای سرعت خودرو،لغزش چرخ، فرمان ترمز به عنوان پارامترهای ورودی منطق فازی انتخاب می شوند و پارامتر خروجی آن میزان گشتاور ترمزی بازیاب و هیدرولیک مورد نیاز می باشد. طبق [7]، برای حفظ کردن فرمان پذیری چرخ ها در هنگام ترمز می بایست لغزش در ناحیه پایدار نگه داشته شود. از این رو بسیاری از مقالات بر روی طراحی کنترل کننده های ضد لغزش تمرکز کرده اند
در این مقاله، یک کنترل کننده ترمز ضد قفل انرژی بازیاب با روشی ساده طراحی شده است که گشتاورهای وارد بر چرخ های جلو و عقب را بر اساس یک استراتژی کنترل بهینه لغزش تعیین می کند. این کنترل کننده جدید در مقایسه با کنترل کننده مرسوم دارای امنیت بالاتری است و در مسافت ترمز کمتر با حفظ شرایط فرمان پذیری، خودروی برقی را متوقف می سازد.
-2 مدل سازی خودرو برقی
برای مدل سازی خودرو برقی ابتدا لازم است که رابطه میان لغزش چرخ - S - با ضریب چسبندگی جاده - - بیان شود.
ضرایب B,C,D,E برای سطوح جاده خشک، خیس، برفی و یخی متفاوت می باشد .[9] شکل 2 رابطه بالا را نشان می دهد.
شکل :2 رابطه میان ضریب چسبندگی جاده با نسبت لغزش در سطوح مختلف جاده ای
شکل :3 مدل دینامیک خودرو برای مطالعه حرکت طولی
مدل نصف ماشین برای بررسی تحرکات طولی بر روی سطح جاده در شکل 3 نشان داده شده است.
بنابراین معادلات دینامیکی حاکم بر خودرو برقی را می توان به فرم زیر نوشت:
موازی دارای بازدهی دخیره انرژی بیشتری است بنابراین در این مقاله از استراتژی سیستم ترمزی سری استفاده می شود که به صورت مستقل میزان گشتاور ترمز هیدرولیکی را با توجه به مقدار گشتاور ترمزی بازیاب تنظیم می کند. این استراتژی به صورت فلوچارت در شکل 4 نشان داده شده است. در این شکل T* میزان گشتاور ترمزی مورد نیاز و Tm_available میزان گشتاور موتوری قابل تولید می باشد که با توجه به میزان سطح شارژ باتری - SOC - ، سرعت خودرو و سایر موارد تعیین می شود
در این معادلات J ضریب اینرسی چرخ ، r شعاع چرخ، g شتاب گرانشی، Tm گشتاور ترمز بازیاب، Th گشتاور ترمز هیدرولیک، Fd نیروی کششی میان تایر با سطج جاده، نسبت لغزش، N نیروی نرمال، M وزن خودرو، Vc سرعت خودرو، V سرعت چرخ، h ارتفاع مرکز جرم خودرو تا سطح جاده و L طول خودرو می باشد.
-3 استراتژی توزیع گشتاور ترمزی
-1-3 توزیع گشتاور ترمز بین ترمز بازیاب و هیدرولیک
شکل :4 استراتژی توزیع گشتاور ترمز بازیاب و هیدرولیک
-2-3 استراتژی توزیع گشتاور چرخ های جلو و عقب
پس از تعیین میزان گشتاور ترمز بازیاب و هیدرولیک نوبت به تعیین کردن میزان گشتاور چرخ های جلو و عقب می رسد. با استفاده از روابط زیر میزان گشتاور مورد نیاز چرخ های جلو و عقب - T*f , T*r - تعیین می شود:
بنابراین از طریق روابط بالا، میزان گشتاور مورد نیاز چرخ های جلو و عقب مشخص می گردد و از طریق استراتژی گفته شده در بخش 1-3 مربوط به شکل 4، میزان گشتاور ترمزی بازیاب و هیدرولیک معلوم می شود.
