بخشی از مقاله
چکیده
خودروی هیبرید پلاگ- این یک خودروی هیبرید است که قابلیت شارژ از طریق یک منبع تغذیه الکتریکی خارجی را داراست. ظرفیت باتریها در این خودرو بالاتر از خودروی هیبرید متعارف است تا بتواند مقدار قابل ملاحظهای از توان مورد نیاز خود را از طریق شبکه برق تأمین کند. بنابراین در ازای کاهش مصرف سوخت، هزینه برق مورد نیاز برای شار باتریها به هزینههای جاری عملکرد خودرو افزوده میشود. در این مقاله طراحی، شبیهسازی و کنترل یک نمونه خودروی هیبرید الکتریکی پلاگ-این بر پایه خودروی سمند ارایه شده است.
به منظور ایجاد مدل خودروی هیبرید پلاگ- این، در مدل خودروی هیبرید متعارف تغییرات مورد نیاز اعمال شده است. سپس جهت برآوردن عملکرد مطلوب، مجموعه باتری خودرو و استراتژی کنترل فازیدر مدهای کاری مختلف مجدداً طراحی شده است. طراحی کنترلر بهینه با استفاده از الگوریتم ژنتیک صورت گرفته است. استراتژی های کنترلی ژنتیک- فازی برروی خودروی هیبرید الکتریکی پلاگ-این پیاده سازی شدهاند.
در انتها عملکرد خودرو، مصرف سوخت، آلایندهها و رفتار مجموعه باتری با استفاده از هر یک از استراتژیهای کنترلی فوق تحلیل شده است و مزایا و معایب هر یک از کنترلر های بررسی شده است. نتایج بهینهسازی نشان میدهد با استفاده از کنترلر بهینه، مجموعه باتری در مد عملکرد آمیخته تخلیه میشود و در انتهای سیکل به کمترین میزان سطح شارژ میرسد. همچنین مصرف سوخت و تابع هدف مجموع برق، سوخت و آلایندگی کمینه میشود.
مقدمه
امروزه به دلایل زیست محیطی و کمبود سوختهای فسیلی، سازندگان خودرو با استفاده از فن آوری های موجود و ایدههای نوین درسددند فاصله بین شرایط فعلی خودروها و شرایط مطرح شده در استانداردهای مصرف سوخت و استانداردهای زیستمحیطی را از بین ببرد
در این راستا یکی از ایدههای نو که در قرن اخیر به صورت تجاری درآمده است، خودروی هیبرید الکتریکی است. فناوری هیبرید الکتریکی گذری از خودروی با موتور درونسوز به سمت خودروی الکتریکی است. هزینه بسیار بالای تولید خودروهای الکتریکی از یک سو و پیمایش مسافت کم در هر بار شارژ و زمان زیاد شارژ باتری از سوی دیگر، استفاده از این خودروها را نسبت به خودروهای با موتور درونسوز محدود نموده است. با پیشرفت سریع تکنولوژی باتری، امید است که در آینده خودروهای الکتریکی ارزانتر و با برد بالاتر و عملکرد بهتر جایگزین خودروهای متعارف شوند.
خودروی هیبرید الکتریکی همزمان از موتور درونسوز وموتور الکتریکی به منظور رفع نواقص هر یک، بهره می برد. موتور درونسوز می تواند در ناحیه بهینه عمل کند، نیازی به استفاده از تعداد زیادی باتری نیست، مصرف سوخت به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و عملکرد1 خودرو - شامل شتاب گیری، شیب پیمایی، برد، سرعت و شتاب بیشینه - نیز قابل رقابت با خودروهای متعارف است.در حال حاضر تحقیقات بسیاری بر روی خودروی هیبرید در مراکز تحقیقات خودرو در نقاط مختلف جهان در دست انجام است
در دهه اخیر خودروی هیبرید الکتریکی پلاگ-این به جهت مزایا نسبت به خودروی هیبرید متداول، توجه بسیاری از طراحان و سازندگان خودرو را به خود جلب کرده است. خودروی هیبرید پلاگ-این یک خودروی هیبرید است که قابلیت شارژ از طریق یک منبع تغذیه الکتریکی خارجی را داراست.
ظرفیت باتری ها در این خودرو بالاتر از خودروی هیبرید متعارف است تا بتواند مقدار قابل ملاحظه ای از توان مورد نیاز خود را از طریق شبکه برق تأمین کند. بنابراین در ازای کاهش مصرف سوخت، هزینه برق مورد نیاز برای شار باتری ها به هزینه های جاری عملکرد خودرو افزوده میشود
با توجه به رشد روزافزون استفاده از خودروی هیبرید پلاگ-این و پیش بینی های صورت گرفته مبنی بر جایگاه پیشتاز تولیدات خودرو تا سال [9] 2050، به نظر می رسد بهزودی این خودروها در کشور ما ایران نیز مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین لازم است تحقیقات در زمینه طراحی این خودروها و زیرساختهای لازم، هرچه سریعتر آغاز گردد. در این مقاله به منظور ایجاد مدل خودروی هیبرید پلاگ-این، در مدل خودروی هیبرید تغییرات مورد نیاز اعمال شده است. سپس جهت برآوردن عملکرد مطلوب، مجموعه باتری خودرو و استراتژی کنترل در مدهای کاری مختلف مجدداً طراحی شده است. به این منظور استراتژی کنترلی ژنتیک-فازی برروی خودروی هیبرید الکتریکی پلاگ-این پیادهسازی شدهاند.
مدلسازی و شبیه سازی خودروی هیبرید الکتریکی پلاگ-این بر پایه خودروی ملی
در اولین مراحل تحقیق در آزمایشگاه کنترل و شبیه سازی دانشگاه علم و صنعت ایران، مدل خودروی سمند با موتور ملی در نرم افزار شبیه سازخودرو؛ Advisor، تهیه شد. مدل موتور درونسوز با استفاده از داده های تست موتور بر روی دینامومتر تهیه شده ودر نهایت صحه گذاری گردیده است.[10] نمودارهای مشخصه مصرف سوخت و آلایندگی موتور با استفاده از این تست بدست آمده است.
جدول :1 مشخصات موتور ملی
در مرحله بعد یک نمونه خودروی هیبرید الکتریکی موازی برپایه خودری سمند طراحی شده است11]و.[12 مشخصات مجموعه پیشرانش طراحی شده در جدول 2 ارایه شده است.
جدول :2 مشخصات مجموعه پیشرانش خودروی هیبرید الکتریکی اولیه
ساختار خودروی هیبرید در این تحقیق، ساختار موازی با جعبه دنده بعد از کوپلینگ است. شماتیک مدل خودی هیبرید موازی در شکل 1 مشاهده می شود. به منظور تهیه مدل PHEV نیاز است اعمال تغییرات در مدل خودروی هیبرید صورت گیرد. طراحی مجدد مجموعه باتری خودرو و استراتژی کنترلی اجتناب ناپذیر است. همچنین قابلیت شارژخارجی باتریها به مدل خودرو افزوده شده است. به این منظور یک شارژر با توان 3,7 کیلووات - مشابه شارژر شرکت Burdsa که برای باتریهای kokam استفاده می شود - در زمان ارسال فرمان شارژ خارجی، باتریها را مجدداً شارژ میکند.
شکل :1 شماتیک مدل خودروی هیبرید موازی
از آنجایی که مدل خودروی موجود در نرمافزار MATLAB/SIMULINK می باشد، امکان ایجاد تغییرات وجود دارد. همانطور که اشاره شد، این مدل برپایه مدل خودروی هیبرید در نرمافزار Advisor تهیه شده است
با استفاده از استراتژی آمیخته، میزان مسافت طی شده با مقدار سوخت و شارژ باتری یکسان در مقایسه با استراتژی تخلیه افزایش می یابد. بنابراین می توان از باتری های کوچک تر استفاده کرد. درضمن باتری در معرض جربان تخلیه کمتری قرار میگیرد. در طراحی مجموعه باتری نرخ تخلیه باتری4 - با واحد آمپر-ساعت - در استراتژی CD-CS، حدود %30 بیشتر از استراتژی آمیخته درنظر گرفته می شود.[14] به دلیل رابطه توان با مربع جربان، اتلفات توان نیز کمتر خواهد بود. [15] در شکل 3 روند تغییرات SOC در هر دوحالت نمایش داده شدهاند.
شکل :2 مدل خودروی هیبرید موازی در نرمافزار Advisor
مدهای عملکرد باتری در خودروی پلاگ-این
نرخ تخلیه باتری ها تأثیر بسیاری در عملکرد و بازده PHEV دارد. بنابراین استراتژی کنترلی PHEV باید بتواند نرخ تخلیه باتری را در جهت برآوردن اهداف طراحی، کنترل کند.
در اغلب خودروهای تجاری استراتژی کنترل عملکرد الکتریکی خودرو تا رسیدن به مد حفظ سطح شارژ از پیش تعیین شده است. این استراتژی کنترلی تخلیه/ حفظ سطح شارژ نام دارد که به اختصار به آن CD-CS1 گفته می شود. برای مثال نسل جدید خودروی تویوتا پریوس که یک خودروی هیبرید پلاگ-این است دارای استراتژی
کنترلی است.[13] هرچند پیادهسازی این استراتژی بسیار ساده و ارزان قیمت است و نیاز به کمترین مقدار پیش دانش2 دارد، اما ضامن عملکرد بهینه خودرو نخواهد بود
روش دیگر استفاده از استراتژی آمیخته 3 است. در این روش تخلیه باتری به سرعت صورت نمی گیرد، بلکه سعی براین است که در انتهای مسیر و پیش از شارژ مجدد، باتریها در پایینترین سطح شارژ باشند.
شکل :3 روند تغییرات SOC در دوحالت تخلیه باتری
طراحی مجموعه باتری خودرو
طراحی مجموعه ی باتری و استراتژی کنترلی خودر با توجه به اهداف طراحی کلی خودروی PHEV صورت می گیرد. مهمترین اهداف در طراحی چنین خودرویی رسیدن به مصرف سوخت حداقل و برد حداکثر خودرو در هر بار شارژ باتریها، همزمان با حفظ عملکرد مطلوب خودرو است.
در طراحی مجموعه باتری خودرو باید توجه داشت که هرچند با افزایش ظرفیت باتریها، برد خودرو در هر بار شارژ افزایش می یابد، اما وزن خودرو نیز افزایش می یابد. بنابراین باید بین وزن و برد خودرو مصالحه صورت گیرد. در حال حاضرتکنولوژی باتری به سرعت در حال پیشرفت است. باتریهای سرب اسیدی در صنعت خوروهای هیبرید و الکتریکی جای خود را به نسل جدید باتریهای نیکل-متال-هایدرید - NMH - و پس از آن باتریهای لیتیومی از جمله لیتیوم-یون - LI - و لیتیوم-پلیمر - LP - داده اند. مدل خودروی ارایه شده دراین بخش بر پایه خودروی هیبرید معرفی شده در جدول 2 میباشد، با این تفاوت که باتریها از سرب اسیدی به لیتیوم-پلیمر تغییر یافته و ظرفیت آن نیز افزایش یافته است. مشخصات باترهای فوق در جدول 3 ارایه شده است.
