در سامانه‌های پیشرفته محرکه خودروهای هیبریدی، استفاده از موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب و قابلیت کنترل دقیق گشتاور، به یک استاندارد صنعتی تبدیل شده است. در این نوع سامانه‌ها، تحلیل رفتار دینامیکی موتور به همراه اینورتر قدرت و همچنین ارزیابی تلفات کل سیستم، نقش کلیدی در طراحی بهینه ایفا می‌کند. در این شبیه‌سازی، یک هارنس تست (Test Harness) برای درایو PMSM طراحی شده است که هدف آن بررسی تلفات کلی سیستم در شرایط کاری مشخص شامل سرعت و گشتاور معین می‌باشد.

این هارنس تست به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند داده‌های تلفات را در سطح اجزای مختلف سیستم استخراج کند. سپس این داده‌ها در قالب جداول استاندارد، برای استفاده در بلوک‌های سطح سیستم مانند Motor & Drive در Simscape Electrical مورد استفاده قرار می‌گیرند تا امکان اجرای سریع سیکل‌های حرکتی خودرو با دقت مناسب در پیش‌بینی راندمان فراهم شود.

ساختار کلی مدل در شبیه‌سازی

مدل شبیه‌سازی شده شامل چندین زیرسیستم اصلی است که مهم‌ترین آن‌ها شامل موتور PMSM پارامتری شده، اینورتر سه‌فاز مبتنی بر کلیدهای IGBT، دیودهای هر شاخه و بخش کنترل گیت درایو می‌باشد. هر یک از این اجزا به صورت دقیق مدل‌سازی شده‌اند تا بتوان رفتار واقعی سیستم را تا حد ممکن بازسازی کرد.

در بخش موتور، از مدل مبتنی بر FEM (روش اجزای محدود) استفاده شده است که امکان بررسی دقیق تلفات الکترومغناطیسی، تلفات مسی و رفتار غیرخطی شار مغناطیسی را فراهم می‌کند. این موضوع باعث می‌شود نتایج شبیه‌سازی از دقت بالایی برخوردار باشند و بتوان از آن‌ها در طراحی صنعتی بهره گرفت.

اینورتر سه‌فاز و نقش آن در سیستم

اینورتر سه‌فاز به عنوان رابط اصلی بین منبع DC (باتری یا لینک DC) و موتور PMSM عمل می‌کند. در این شبیه‌سازی، اینورتر از شش کلید IGBT تشکیل شده است که به صورت پل سه‌فاز کنترل می‌شوند. هر کلید دارای تلفات هدایتی و سوئیچینگ بوده که به صورت جداگانه اندازه‌گیری شده‌اند.

علاوه بر کلیدهای IGBT، دیودهای هر شاخه نیز نقش مهمی در مسیر جریان برگشتی ایفا می‌کنند. تلفات این دیودها نیز در تحلیل کلی سیستم لحاظ شده است. همچنین خازن لینک DC و مقاومت‌های پارازیتی نیز در مدل گنجانده شده‌اند تا رفتار واقعی مدار قدرت بهتر بازسازی شود.

نتایج حاصل از شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، سیستم در شرایط کاری مشخصی شامل سرعت 1400 دور بر دقیقه و گشتاور 200 نیوتن‌متر مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که راندمان کلی سیستم در این نقطه کاری برابر با 85.972 درصد می‌باشد.

یکی از مهم‌ترین خروجی‌های این مدل، تحلیل تلفات در اجزای مختلف سیستم است. نتایج نشان می‌دهد که بیشترین سهم تلفات مربوط به موتور PMSM است که مقدار آن حدود 3610 وات گزارش شده است. پس از آن، کلیدهای IGBT در اینورتر سهم قابل توجهی از تلفات را به خود اختصاص می‌دهند.

در ادامه، تلفات اجزای مختلف سیستم به صورت خلاصه آورده شده است:

تحلیل رفتار دینامیکی سیستم

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، بررسی پاسخ دینامیکی سرعت روتور و جریان‌های استاتور است. نتایج نشان می‌دهد که سرعت روتور علاوه بر مقدار مرجع، دارای ریپل‌های فرکانس بالا نیز می‌باشد. این ریپل‌ها عمدتاً ناشی از کلیدزنی اینورتر و همچنین هارمونیک‌های جریان در سیم‌پیچ‌های موتور هستند.

جریان‌های سه‌فاز نیز به صورت غیرسینوسی کامل مشاهده می‌شوند که این موضوع در سیستم‌های PWM کاملاً طبیعی است. وجود این هارمونیک‌ها موجب ایجاد تلفات اضافی و در نتیجه کاهش راندمان کلی سیستم می‌شود. با این حال، استفاده از روش‌های کنترلی پیشرفته می‌تواند این اثرات را تا حد زیادی کاهش دهد.

اهمیت تحلیل تلفات در طراحی خودرو هیبریدی

در طراحی خودروهای هیبریدی، یکی از اهداف اصلی افزایش راندمان کلی سیستم محرکه است. به همین دلیل، تحلیل دقیق تلفات در سطح قطعات اهمیت بسیار بالایی دارد. این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که بخش عمده تلفات مربوط به موتور است، در حالی که اینورتر و سایر اجزا سهم کمتری دارند.

این اطلاعات به مهندسان اجازه می‌دهد تا تمرکز بهینه‌سازی را بر روی بخش‌های کلیدی مانند طراحی موتور، بهبود مواد مغناطیسی، کاهش تلفات مسی و بهینه‌سازی استراتژی کنترل قرار دهند. همچنین انتخاب سوئیچ‌های IGBT با تلفات کمتر می‌تواند تاثیر قابل توجهی در بهبود راندمان داشته باشد.

کاربرد نتایج شبیه‌سازی در مدل‌های سطح سیستم

یکی از اهداف اصلی این شبیه‌سازی، تولید داده‌های تلفات برای استفاده در مدل‌های سطح بالاتر است. در Simscape Electrical، بلوک Motor & Drive می‌تواند از این داده‌ها برای تخمین سریع راندمان در سیکل‌های رانندگی مختلف استفاده کند.

این رویکرد باعث کاهش چشمگیر زمان محاسباتی در مقایسه با مدل‌های فیزیکی کامل می‌شود، در حالی که دقت قابل قبولی در پیش‌بینی رفتار سیستم حفظ می‌شود. بنابراین این روش برای تحلیل‌های خودرویی در مقیاس بزرگ بسیار کاربردی است.

جمع‌بندی

در این مقاله، یک هارنس تست برای درایو موتور PMSM در کاربرد خودرو هیبریدی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که سیستم در شرایط کاری مشخص دارای راندمان حدود 86 درصد است و بیشترین تلفات مربوط به موتور الکتریکی می‌باشد.

همچنین مشاهده شد که اینورتر سه‌فاز نیز سهم قابل توجهی از تلفات را به خود اختصاص می‌دهد، در حالی که سایر اجزا مانند دیودها و گیت درایورها نقش جزئی‌تری دارند. تحلیل دقیق این نتایج می‌تواند در بهینه‌سازی طراحی سیستم‌های محرکه الکتریکی نقش کلیدی ایفا کند.

در نهایت می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از مدل‌های دقیق و مبتنی بر شبیه‌سازی در محیط‌هایی مانند Matlab و Simscape، ابزار بسیار قدرتمندی برای طراحی و تحلیل سیستم‌های پیشرفته خودروهای هیبریدی محسوب می‌شود.