بخشی از مقاله
چکیده - در خوروهای الکتریکی هیبریدی سری موازی انتقال قدرت با استفاده از یک کلاچ به عنوان یک عنصر اصلی و کلیدی بسیار حائز اهمیت است. انتقال قدرت بدون هیچگونه اغتشاش و تکان در این خودروها امری ناممکن، بسیار سخت و دشوار میباشد. در این مقاله با پیشنهاد یک کنترلکننده تطبیقی مدل مرجع برای هماهنگ کردن گشتاور موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی و همچنین زمان اتصال کلاچ طرح ارائه شده است تا این انتقال تحت نظارت این کنترلکننده مدیریت شود.
سیستم کنترل برای مدیریت و کنترل دو خروجی سیستم که عبارتند از سرعت زاویه دو طرفه کلاچ شامل گشتاور موتورالکتریکی و موتوراحتراقی طراحی گردیده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که استفاده از کنترلکننده تطبیقی مدل مرجع زمان انتقال قدرت را بسیار کمتر و سرعت زاویهای دو طرفه کلاچ سریعتر به میزان مطلوب خواهند رسید که این امر موجب کاهش اصطکاک کلاچ و همچنین موجب کم شدن تکان خورو میشود.
.1 مقدمه
خودروهای الکتریکی هیبریدی سری-موازی1که با نامهای تقسیم قدرت یا هیبرید پیچیده نیز شناخته میشوند دارای مسیرهای قدرت چندگانه هستند و برای اجرا در هر دو حالت سری و موازی میتوانند پیکربندی شوند. با توجه به ویژگیهای خاص هر دو حالت سری و موازی میتوان به سمت بهبود کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندهها قدم نهاد و این مهم را به میزان قابل توجهی کاهش داده برای یک عملکرد بهینه بررسی کامل همبندیهای انتقال قدرت در این خودروها امری بسیار ضروری است.
برخی از این انتقالها اگر به صورت نادرست مدیریت شوند ممکن است به طور منفی روی ارتعاشات این خودرو اثر گذارند و عملکردی نامطلوب داشته باشند. بنابراین مدیریت انتقالها برای دستیابی به انتقال حالت پیوسته امری مهم و بحرانی برای توسعه خودروهای هیبریدی است. مکانیسمهای مختلفی برای انتقال حالات توان در خودروهای هیبریدی پیشنهاد شده است.
از این بین میتوان به دندههای خورشیدی، انتقالهای متغیر پیوسته و انتقال قدرت با استفاده از کلاچ اشاره نمود. در این میان با استفاده از فناوریهای موجود کلاچ به عنوان وسیله قطع و وصل توان با توجه به راندمان بالا، سایز فشرده و کامل بودن از نظر فن آوری، انتخابی عالی به شمار میآید. در کلاچ، توان منبع یک دستگاه محرک با استفاده از گشتاورهای اصطکاکی به دیگری برای انتقال قدرت در در هر زمان مشخص، کلاچ میتواند در یکی از سه وضعیت باز، لغزش و قفل شده باشد . در وضعیت باز کلاچ دو سمت متصل نیستند.
هنگامیکه دو طرف در تماس هستند اما سرعتهای زاویهای هنوز هماهنگ نشده باشند کلاچ در وضعیت لغزش قرار دارد. در مرحله لغزش سرعتهای زاویهای دو طرف متفاوت است، یعنی در دینامیکهای چرخشی انتقال قدرت دو درجه آزادی وجود خواهد داشت. یکی از چالشهای ویژه در مدیریت حالت انتقال برای خودروهای الکتریکی هیبریدی حالت تغییر وضعیت برای کلاچ از فاز لغزش به قفل شده است. گشتاور اصطکاکی در فاز لغزش متناسب با فشار کلاچ است که این میزان به وسیله یک محرک مکانیکی کنترل میشود. گشتاور اصطکاکی در زمان قفل شدن کلاچ میتواند حد بالای مشخص شدهای را قبول کند.
بنابراین اگر فرآیند لغزش با دقت کنترل نشود گشتاور اصطکاکی ممکن است ناپیوسته شود و هنگامی که لغزش برای انتقال قدرت صورت میگیرد به طور ناگهانی تغییر کند. این ناپیوستگی ممکن است منجر به تکان شدید خودرو گردد و احساس نامطلوبی برای راننده و دیگر سرنشینان به وجود آورد. برای حل این مسئله روشهای کنترلی متعددی به کار گرفته شدهاند تا گشتاورهای موتور و کلاچ را تنظیم کنند.
برای حل ناپیوستگی اصطکاک ایجاد شده در زمان درگیر شدن کلاچ مطالعاتی در زمینههای کنترل بهینه برای هماهنگی گشتاور و کنترل مقام برای کاهش شدت تکان خودرو، روش کنترل پیشبین برای تنظیم گشتاور کلاچ و کنترل تطبیقی برای تطبیق دادن رفتارهای غیرخطی گشتاور کلاچ انجام شده است. به طور کلی راه حلهای ارائه شده موجود بر اساس تکنیکهایی ابتکاری هستند که قابلیت شبیه سازی در آنها وجود ندارند و یا به طور واضح مدل کلاچ را در شبیهسازیهایشان وارد نمیکنند.
به نظر میرسد یک کنترلکننده مبتنی بر یک مدل مرجع، چارچوبی برای یک طراحی اصولی و منظم را فراهم آورد. از آنجایی که گشتاور اصطکاکی کلاچ در طول فاز لغزشی، زمان متغیر و غیر خطی است میتوان از آن به عنوان یک پارامتر نامعین برای سیستم انتقال قدرت در خودروهای الکتریکی هیبریدی در نظر گرفت. بنابراین کنترل سیستم دارای نامعینی یکی از مسائل مهم در طول تغییر حالت است.
این مقاله یک کنترلکننده تطبیقی مدل مرجع 1 را برای رسیدن به انتقال قدرتهای هموار و کاهش وقفه و تلفات اصطکاکی برای یک خودروی هیبریدی مجهز به کلاچ مطرح میکند. در این مقاله یک نمونه انتقال قدرت از حالت موتورالکتریکی که به تنهایی کار میکند به حالت ترکیبی - موتورالکتریکی و موتور احتراقی - تحلیل خواهد. کنترل تطبیقی مدل مرجع پاسخ مطلوب را به سیستم کنترلی نسبت به مدل مرجع میدهد در نتیجه آن انعطاف پذیری قابل توجهی را برای تنظیم هدف کنترلی به وسیله تغییر و اصلاح در مدل مرجع می دهد. برای یک انتقال قدرت بدون ناپیوستگی که هیچ اختلالی به دینامیکهای خودرو وارد یعنی عملکرد به گونه ای باشد که گویا خودرور فقط با موتور الکتریکی حرکت می کند.
بدین منظور میبایست این ویژگی به عنوان هدف کنترلکننده به این صورت تبیین گردد: گشتاورهای موتور الکتریکی، موتوراحتراقی و کلاچ به گونهای هماهنگ گردد که دینامیکهای خودرو گشتاور رانندگی فقط با موتورالکتریکی را ردیابی نماید. با توجه به موارد ذکر شده، یک خودرو سنگین با پیکر بندی سری-موازی در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است و یک راهبرد کنترلی در مورد گشتاور اصطکاکی کلاچ برای کاهش تکان خودرو پیشنهاد شده است.
.2 توصیف سیستم:
خودروهای الکتریکی هیبریدی نشان داده شده در شکل - - 1 را در نظر بگیرید. دو حالت اجرایی نشان داده شده است:
-1حرکت خودرو فقط با موتورالکتریکی
-2 حرکت خودرو به صورت ترکیبی
در حالت رانندگی فقط با موتور الکتریکی، کلاچ باز است و حرکت خودرو فقط توسط موتورالکتریکی و با استفاده از انرژی الکتریکی موجود در باطریها انجام میپذیرد. در حالت رانندگی ترکیبی کلاچ قفل شده و موتورالکتریکی همراه با موتوراحتراقی موجب حرکت خودرو میشوند. هنگامیکه گشتاور موتورالکتریکی به صفر کاهش مییابد خودرو به حالت رانندگی فقط با موتوراحتراقی وارد میشود.
انتقال حالت از موتورالکتریکی به حالت ترکیبی در دو مرحله انجام میشود: در مرحله اول، سرعت موتوراحتراقی افزایش مییابد و کلاچ در حال لغزش است و سپس قفل میشود. در مرحله دوم، کلاچ قفل شده است و گشتاور موتورالکتریکی کاهش یافته و گشتاور موتوراحتراقی به تدریج افزایش مییابد. در گام اول دینامیکهای خودرو به گشتاور کلاچ در حال افزایش، حساس هستند ولی در مرحله دوم که کلاچ در وضعیت قفل شده است گشتاور آن تأثیر چندانی بر دینامیکهای خودرو نخواهد داشت.
بنابراین مسئله هماهنگی گشتاور برای مرحله اول چالش برانگیزتر است که در این مقاله به آن پرداخته شده است . برای خودروهای معمولی با موتوراحتراقی به عنوان منبع توان اصلی در زمان اتصال کلاچ، اتصال هموار و سریع موتوراحتراقی به خودرو میباشد. با این حال برای خودروهای هیبریدی موتورالکتریکی و احتراقی دو گزینه منبع انرژی هستند و هدف صرف نظر از اینکه کدام منبع به خودرو نیرو وارد میکند، تعامل هموار کلاچ بدون ایجاد وقفه در گشتاور میباشد.
.3 مدل خودروی هیبریدی و کلاچ
مدل دینامیکی ساده شده خودروی هیبریدی در شکل - 2 - نشان داده شده است. برای سادگی در تحلیل، دینامیکهای غیر خطی کلاچ نادیده گرفته شده است و تمام بخشهای کلاچ به عنوان یک جرم متراکم فرض شده است. یک طرف کلاچ به وسیله محور A به موتوراحتراقی و طرف دیگر به وسیله محور B به گیربکس، موتورالکتریکی و بدنه خودرو متصل شده است. معادلات - 1 - و - 2 - به ترتیب میتواند به عنوان معادلات مکانیکی محور موتور الکتریکی و احتراقی در حالت انتقال نوشته شود.
