بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش ابتدا مدل خودروی تویوتا پریوس به عنوان یک خودروی سری موازی هیبرید از شبیهساز Advisor انتخاب و اطلاعات لازم در مورد خودرو و چرخهی رانندگی از این نرم افزار استخراج میگردد. همچنین، به منظور مدیریت بهتر انرژی، یک جبرانساز فازی در کنار مجموعه دندهی سیارهای که وظیفهی تقسیم توان بین منابع انرژی را بر عهده دارد طراحی شده و مورد استفاده قرار گرفت. این جبرانساز در تامین سرعت و گشتاور درخواستی و تقسیم بهتر توان بین منابع انرژی با توجه به وضعیت لحظهی قبل هر یک از منابع انرژی به مجموعه دندهی سیارهای کمک میکند. همچنین به منظور بازیابی بهتر انرژی ترمزی، از جبرانساز فازی دیگری برای کمک به ژنراتور استفاده گردیده است. در انتها، نتایج عملکرد این جبرانساز با عملکرد سیستم اصلی در محیط شبیهساز مقایسه گردیده است. نتایج نشان میدهند که جبرانسازهای فازی قانونمندطرّاحی شده، توانایی بهبود هزینههای خودروی مورد نظر را دارا میباشند.
-1 مقدمه
در خودروهای هیبرید الکتریکی با بهرهگیری از دو یا چند منبع انرژی - حداقل یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی - به منظور به حرکت در آوردن خودرو، از مزیتهای این منابع در حرکت استفاده میشود. مسئلهی چگونگی انشعاب توان بین منابع انرژی، یعنی موتورهای احتراق داخلی و الکتریکی در حین عملکرد خودرو، استراتژی مدیریت انرژی یا استراتژی کنترل خودروی هیبرید الکتریکی نامیده میشود.
با مدیریت صحیح انرژی در هر لحظه میتوان به حداکثر راندمان لحظهای خودرو دست یافت. با توجه به ویژگیهای پیکربندی هیبرید شامل داشتن طبیعت غیرخطی و متغیر با زمان، به نظر میرسد منطق فازی، یکی از بهترین انتخابها برای حل این مسئله باشد. بدین معنی که در عملکردهای زمان حقیقی و شیوهی تقسیم توان بین منابع احتراقی و الکتریکی به جای استفاده از قوانین قطعی، میتوان از ویژگی تصمیم گیری منطق فازی بهره برد.
در یکی از نخستین تحقیقات انجام شده در مدیریت هوشمند انرژی در خودروهای هیبرید الکتریکی، در [1] به منظور مینیمم سازی آلایندهی NOx از یک استراتژی کنترل بر مبنای منطق فازی با شروط تامین نمودن تقاضای راننده و پایدار نگه داشتن شارژ باتری ارائه شده است. ورودیهای کنترلکنندهی منطق فازی، میزان فشرده شدن پدال گاز و سرعت موتور الکتریکی میباشند. به کمک زنجیرهی حرکتی و کنترل کنندهی ارائه شده، میزان انتشار آلایندهی NOx در مقایسه با خودروی دارای موتور دیزلی به میزان 20 درصد کاهش یافت. مهمترین عیب این کار در این است که پایداری شارژ باتریها تضمین نمیشود.
به منظور غلبه بر این مشکل، در [2] یک کنترل کنندهی پیشرفتهتر ارائه گردید که در آن سیستم مدیریت انرژی از دو کنترل کنندهی منطق فازی استفاده میکند: پیشبین تقاضای راننده و کنترل کنندهی تعادل توان. ورودیهای بلوک پیشبین میزان فشرده شدن پدال گاز و تغییرات آن میباشند. درحالیکه ورودیهای بلوک کنترل کنندهی تعادل توان، سرعت خودرو و سرعت چرخشی موتور دیزلی میباشند. بلوک پیشبین مرجع گشتاور را متناسب با افزایش یا کاهش سریع سرعت خودرو، بدون توجه به وضعیت شارژ باتری تولید میکند و کنترل کنندهی تعادل توان مرجع گشتاور را به منظور متعادل ساختن شارژ باتری تولید میکند.
در پژوهش [3] به منظور کنترل عملکرد موتور احتراقی، از یک کنترل کننده-ی فازی بهره گرفته شده است. در این مقاله به هدف تنظیم بهینهی کنترل کنندهی فازی از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. نتایج این پژوهش نشان میدهند که مصرف سوخت و تولید آلایندگی روی سیکلهای رانندگی مورد نظر کاهش یافته و پارامترهای عملکردی نیز تا حد امکان بهبود یافتهاند. در پژوهش [4] به منظور ایجاد مصالحهای بین کاهش همزمان مصرف سوخت و آلایندهی NOx در خودروهای هیبرید الکتریکی موازی، به طراحی یک کنترلکنندهی فازی پرداخته شده است.
در پژوهش [5] به منظور تقسیم بهتر توان بین منابع احتراقی و الکتریکی در یک خودروی هیبرید الکتریکی موازی، به طراحی یک کنترل کنندهی فازی برای بهبود عملکرد هر یک از اجزا پرداخته شده است. در [6] به هدف حداکثر نمودن راندمان سوخت در یک خودروی هیبرید الکتریکی از یک استراتژی کنترل فازی استفاده شده است که در آن از یک کنترل کنندهی فازی قانونمند به منظور بهبود مدیریت انرژی استفاده میگردد.
در [7] به هدف بهبود اقتصاد سوخت، یک سیستم نظارتی فازی هوشمند طراحی گردید که به طور خودکار، شیوهی رانندگی و عکس العمل راننده را شناسایی کرده و در انتخاب استراتژی بهینهی رانندگی که به اقتصاد بهتر سوخت منجر میشود، به راننده کمک میکند. سیستم کنترل نظارتی ارائه شده، از دو کنترل کنندهی منطق فازی تشکیل شده است که تقاضای حداکثر راننده مربوط به یک سطح مطلوب اقتصاد سوخت را تحت شرایط کنونی عملکرد تعیین میکنند.
خروجی کنترل کننده محدودههای بالایی محاسبه شدهی میزان تقاضای مورد نیاز از طرف راننده است که به طور مداوم به راننده انتقال داده میشود. این سیستم راننده را به عملکردهایی که بدون کاهش قابل توجهی در سرعت خودرو، اقتصاد سوخت را ماکزیمم میکند هدایت مینماید. این سیستم نظارتی قانونمند فازی به منظور بهبود اقتصاد سوخت برای خودروی فورد اسکیپ آزمایش شد و بهبودی 3/5 درصدی را در اقتصاد سوخت نشان داد.
مهمترین ایرادی که به این مقاله وارد است در این است که تنها توان درخواستی کنونی راننده مورد توجه قرار گرفته است و میزان توان تامین شدهی لحظهی قبل توسط هر کدام از منابع انرژی در کنترل کننده لحاظ نشده است. همچنین عوامل مهم دیگر یعنی وضعیت شارژ باتری و میزان انتشار آلایندهها مورد بررسی قرار نگرفته است. بر پایهی مطالعات انجام شده، به نظر میرسد کنترل کننده باید 2 قانون زیر را برآورده سازد:
1 - سرعت و گشتاور تقاضا شدهی راننده را تا حد امکان برآورده کند.
- 2 از قوانین مربوط به خودروهای هیبریدی به نحوی استفاده کند که منجر به مینیمم سازی هزینههای خودرو شود. بدین منظور در مقاله حاضر علاوه بر لحاظ نمودن سرعت و گشتاور تقاضا شدهی کنونی راننده در کنترل کننده در جبرانساز، وضعیت لحظهی قبل موتورهای احتراق داخلی نیز در نظر گرفته شد. با توجه به این عامل میتوان گامهای بزرگتری در راستای حداقل کردن هزینههای رانندگی برداشت.
ساختار مقاله بصورت زیر تنظیم شده است: ابتدا در بخش دوم خودروی هیبرید سری-موازی معرفی میگردد. سپس، در بخش سوم به اجمال به معرفی شبیهساز Advisor پرداخته میشود. در بخش چهارم روش طراحی جبرانسازهای فازی مورد بررسی قرار میگیرد. در بخش پنجم شبیهسازیهای مربوطه به منظور نشان دادن کارآیی جبرانسازهای طراحی شده ارائه میشوند و در نهایت در بخش ششم نتیجه گیری کار بیان میگردند.
-2 خودروهای هیبرید سری-موازی
در خودروهای هیبرید الکتریکی سه پیکربندی متداولتر از بقیه هستند که عبارتند از: سری، موازی و سری-موازی. مزیت عمدهی پیکربندی سری در این است که موتور احتراق داخلی میتواند همواره روی منحنی حداکثر راندمان خود کار کند. اما به دلیل تبدیلات زیاد انرژی الکتریکی و مکانیکی از راندمان پایینی برخوردار است. در پیکربندی موازی موتورهای احتراق داخلی و الکتریکی میتوانند با هم برای به حرکت در آوردن خودرو استفاده شوند.
بنابراین خودرو در این حالت میتواند با توان بیشتری حرکت کند. با این وجود در این ساختار به علت غیر قابل کنترل بودن سرعت موتور احتراق داخلی، خودرو دارای راندمان پایینی خواهد بود .[8] همچنین در پیکربندی سری از اتصال سرعت و در ساختار موازی از اتصال گشتاور بین موتورهای احتراق داخلی و الکتریکی استفاده میشود. پیکربندی سری-موازی علاوه بر اتصال هم از طریق گشتاور و هم از طریق سرعت بین این دو موتور، تمام مزیتهای دو ساختار فوق را در خود دارد. در شرایط مختلف میتوان این ساختار را به صورت هیبرید سری یا موازی به کار برد. به این صورت که در سرعتهای پایین کاملا الکتریکی و بدون آلودگی و در سرعتهای بالا میتواند به صورت مستقل احتراقی و یا ترکیبی از 2 سیستم باشد .[8]
با توجه به جدیدتر بودن پیکربندی سری-موازی و پیچیدگی آن، میتوان این ساختار را از جنبههای مختلف مورد بررسی قرار داده و در بهبود عملکرد آن کوشید. در پیکربندی سری-موازی 3 منبع انرژی وجود دارد: موتور احتراق داخلی، موتور الکتریکی و ژنراتور. توان مورد نیاز برای به حرکت در آوردن چرخها میتواند از طریق دستگاه انشعاب توان که مجموعه دندهی سیارهای نامیده میشود، بین این منابع تقسیم شود. موتور الکتریکی میتواند به صورت ژنراتور حرکت کرده و باتری را شارژ کند.[9] شکل 1 این پیکربندی را نشان میدهد.
-3 شبیهساز Advisor و مدل تویوتا پریوس
این شبیه ساز به عنوان یک مرجع برای مقایسهی کارهای صورت گرفته در این حوزه مورد استفاده قرار میگیرد. شبیهساز Advisor با تکیه بر روابط اندازهگیری شدهی ورودی/ خروجی عناصر سیستم محرکه، به تحلیل سریع راندمان و هزینهی سوخت در خودروهای معمولی، الکتریکی و هیبرید کمک میکند. ساختار این شبیهساز به گونهای است که میتوان در محیط آن برای خودرو پیکربندیها، اجزا و استراتژیهای کنترلی مختلفی را انتخاب نمود. از کاربردهای شبیهساز Advisor میتوان به موارد زیر اشاره نمود :[11]
1 - دستیابی به اطلاعاتی در مورد چگونگی مصرف و اتلاف انرژی.
2 - ارزیابی استراتژیهای مدیریت انرژی در خودروهای هیبرید الکتریکی.
3 - بررسی میزان تقریبی انتشار آلایندهها در شرایط مختلف.
4 - محاسبه کردن میزان تقریبی انرژی مورد نیاز برای طی یک مسیر.
5 - ارزیابی میزان راندمان هر یک از عناصر سیستم محرکه.
به طور کلی روشهای مدلسازی زنجیرهی قدرت خودروهای هیبرید الکتریکی را میتوان به 2 دسته تقسیم نمود: شبیهسازی رو به عقب و شبیهسازی رو به جلو. در شبیهسازی رو به عقب چرخهی رانندگی به عنوان ورودی به آن داده میشود و شامل مدل راننده نیست. این شبیهسازی از مدل چرخها شروع شده و به مدل منابع قدرت ختم میگردد. در این نوع از شبیه-سازی فرض میشود که خودرو بتواند عملکرد مورد انتظار را برآورده کند و اینکه هر عنصر چگونه باید عمل کند قابل محاسبه است. شبیهسازی رو به جلو، از نقطهی تنظیمی که توسط راننده با استفاده از پدال گاز میزان میشود، آغاز گشته و به مدل چرخها ختم میشود. سرعت نهایی خودرو با انجام یک سری محاسبات به دست میآید .[11]
به منظور بهرهگیری از مزیتهای این 2 استراتژی، روش مبتنی بر شبیهسازی رو به جلو/رو به عقب که در شبیهساز Advisor نیز استفاده میشود، تدوین شده است. یکپارچهسازی مدل اجزا به صورت مدلسازی رو به جلو/ رو به عقب به دست آمده به گونهای که هر جزء، مقادیر سرعت و گشتاور مطلوب خروجی جزء قبلی را به عنوان ورودی میپذیرد. این روند، روند رو به عقب نامیده میشود و از مدل خودرو شروع شده و به منابع توان، موتور احتراق داخلی و باتری ختم میشود.
سپس مقادیر سرعت و گشتاور موجود که در مدلهای منابع قدرت محاسبه شدند، به اجزا فیدبک میشوند. مجددا این روند تکرار میگردد. در هر عنصر، محاسبات با استفاده از تلفات مدل و بعضی الگوریتمهای کنترلی انجام میشود و مقدار جدید به عنصر بعدی فرستاده میگردد. این روند، روند رو به جلو نامیده میشود. گام نهایی، محاسبهی سرعت خودرو با استفاده از مقادیر سرعت و گشتاور موجود است.
بنابراین میتوان گفت هر جزء 2 درگاه ورودی و 2 درگاه خروجی دارد که هر دو حاوی اطلاعات سرعت و گشتاور میباشند. شکل - 2 - ، مدل خودروی هیبرید الکتریکی سری-موازی در شبیهساز Advisor را نشان میدهد. در محیط این شبیهساز میتوان تنظیمات مختلف خودرو نظیر نوع خودروی مورد استفاده - معمولی، الکتریکی، هیبرید سری، موازی یا سری-موازی - ، چرخهی رانندگی، شرایط تست و غیره را انجام داد و به اطلاعاتی مانند جرم خودرو، منحنیهای عناصر مختلف سیستم محرکه و غیره دست یافت. در این پژوهش خودروی هیبرید سری-موازی مورد بررسی قرار گرفته است.
-1-3 چرخهی حرکتی
چرخهی حرکتی یک منحنی سرعت بر حسب زمان است که به منظور نشان دادن الگوی رانندگی یک خودروی خاص و در محیط حرکتی مورد نظر به کار میرود.
