این شبیه‌سازی به بررسی یک خودروی الکتریکی (Electric Vehicle) می‌پردازد که به‌طور خاص برای اجرای در چارچوب Hardware-in-the-Loop (HIL) طراحی و پیکربندی شده است. در چنین ساختاری هدف اصلی، ایجاد یک مدل دقیق، پایدار و قابل اجرا در زمان واقعی (Real-Time) است که بتواند رفتار دینامیکی خودرو را در شرایط مختلف رانندگی و محیطی بازتولید کند. اهمیت این نوع شبیه‌سازی در آن است که امکان تست و اعتبارسنجی کنترل‌کننده‌ها و سخت‌افزارهای واقعی را بدون نیاز به نمونه فیزیکی خودرو فراهم می‌سازد.

در این مدل از روش‌های مبتنی بر انرژی (Energy-Based Modeling) استفاده شده است تا از پیچیدگی‌های مربوط به کلیدزنی با فرکانس بالا در درایوهای الکتریکی جلوگیری شود. این رویکرد باعث می‌شود مدل برای اجرای بلادرنگ مناسب‌تر باشد و در عین حال پایداری عددی بالاتری در حل‌گرهای با گام زمانی ثابت (Fixed-Step Solvers) داشته باشد. چنین ویژگی‌ای برای پیاده‌سازی در سیستم‌های HIL ضروری است، زیرا سخت‌افزارهای real-time معمولاً محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای در زمان محاسبات دارند.

ساختار کلی مدل خودرو الکتریکی

مدل ارائه‌شده از چند زیرسیستم اصلی تشکیل شده است که هر کدام نقش مهمی در رفتار کلی خودرو ایفا می‌کنند. این زیرسیستم‌ها شامل درایو موتور PMSM، سیستم خنک‌کننده، مدل الکتریکی و حرارتی و همچنین واحد کنترل خودرو هستند. تعامل بین این بخش‌ها موجب می‌شود رفتار سیستم به‌صورت یکپارچه و نزدیک به واقعیت شبیه‌سازی شود.

در این ساختار، موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) به عنوان محرک اصلی خودرو عمل می‌کند. این موتور به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب و قابلیت کنترل دقیق، انتخاب رایجی در خودروهای الکتریکی مدرن است. در شبیه‌سازی حاضر، مدل PMSM به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند هم در حالت موتوری و هم در حالت ژنراتوری عمل کند؛ موضوعی که برای بررسی بازیابی انرژی در هنگام ترمزگیری (Regenerative Braking) بسیار حیاتی است.

زیرسیستم درایو PMSM

زیرسیستم درایو PMSM مسئول تولید گشتاور مورد نیاز برای حرکت خودرو است. در فاز ابتدایی شبیه‌سازی، موتور وظیفه دارد خودرو را شتاب دهد تا به سرعت مرجع تعیین‌شده توسط راننده برسد. سپس در شرایط حرکت یکنواخت یا سربالایی، موتور همچنان گشتاور تولید می‌کند تا مقاومت‌های مختلف شامل نیروی گرانش و مقاومت آیرودینامیکی را جبران کند.

یکی از ویژگی‌های مهم این مدل، تغییر علامت گشتاور در فازهای مختلف عملکرد است. در زمانی که خودرو در حال حرکت در سراشیبی است یا راننده ترمز می‌گیرد، موتور وارد حالت ژنراتوری شده و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی به باتری بازگردانده می‌شود که نقش مهمی در افزایش بهره‌وری کلی سیستم دارد.

سیستم خنک‌سازی

سیستم خنک‌سازی یکی دیگر از اجزای کلیدی در این شبیه‌سازی است که برای کنترل دمای موتور و اجزای قدرت استفاده می‌شود. افزایش دما در موتور PMSM می‌تواند منجر به کاهش راندمان، افزایش تلفات و حتی آسیب به سیستم شود. بنابراین مدل حرارتی به صورت همزمان با مدل الکتریکی اجرا می‌شود تا تغییرات دما در شرایط کاری مختلف بررسی شود.

در این بخش، تولید حرارت ناشی از جریان‌های الکتریکی و تلفات مکانیکی در نظر گرفته شده و با استفاده از یک مدل انتقال حرارت ساده‌سازی شده، دمای موتور در طول زمان محاسبه می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که در فاز شتاب‌گیری، به دلیل افزایش گشتاور، دمای موتور به تدریج افزایش یافته و در فاز ترمز یا کاهش بار، این دما کاهش می‌یابد.

مدل الکتریکی و حرارتی یکپارچه

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، یکپارچه‌سازی مدل الکتریکی و حرارتی است. این رویکرد باعث می‌شود رفتار سیستم در شرایط واقعی به‌طور دقیق‌تری بازسازی شود. در خودروهای الکتریکی واقعی، ارتباط بین دما و عملکرد الکتریکی بسیار مهم است، زیرا مقاومت سیم‌پیچ‌ها و راندمان موتور به شدت به دما وابسته هستند.

در این مدل، انرژی به عنوان متغیر اصلی استفاده شده است تا پیچیدگی‌های ناشی از سوئیچینگ سریع اینورترها کاهش یابد. این انتخاب طراحی، امکان اجرای مدل در محیط‌های HIL را فراهم می‌کند، زیرا نیاز به محاسبات سنگین و زمان‌بر کاهش یافته و سیستم می‌تواند در گام‌های زمانی ثابت و کوچک اجرا شود.

واحد کنترل خودرو

واحد کنترل خودرو وظیفه مدیریت رفتار کلی سیستم را بر عهده دارد. این بخش شامل الگوریتم‌هایی برای کنترل سرعت، مدیریت گشتاور موتور و تعامل با ورودی راننده است. در سناریوی شبیه‌سازی، خودرو ابتدا با ورودی راننده شروع به شتاب‌گیری می‌کند تا به سرعت هدف برسد. پس از رسیدن به سرعت مطلوب، سیستم کنترل وارد حالت Cruise Control می‌شود و سرعت را در مقدار ثابت نگه می‌دارد.

در زمان تغییر شیب جاده، کنترل‌کننده به‌طور خودکار گشتاور موتور را تنظیم می‌کند تا سرعت خودرو ثابت باقی بماند. این رفتار نشان‌دهنده یک سیستم کنترلی پیشرفته است که قادر به جبران تغییرات محیطی بدون دخالت مستقیم راننده می‌باشد. در مرحله نهایی نیز با اعمال ترمز، خودرو به‌تدریج متوقف می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی

نتایج به‌دست‌آمده از لاگ‌برداری Simscape نشان می‌دهد که رفتار خودرو در طول زمان مطابق انتظار طراحی شده است. در مرحله اول، خودرو با افزایش تدریجی سرعت مواجه است تا زمانی که به سرعت تنظیم‌شده برسد. سپس با فعال شدن سیستم Cruise Control، سرعت خودرو در سطح ثابتی باقی می‌ماند حتی زمانی که شیب جاده تغییر می‌کند.

در نمودار گشتاور موتور PMSM مشاهده می‌شود که در فاز اول، گشتاور مثبت بوده و نشان‌دهنده حالت موتوری است. در این حالت، موتور انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و خودرو را به حرکت در می‌آورد. در ادامه و هنگام حرکت در سراشیبی یا کاهش بار، گشتاور منفی شده و موتور وارد حالت ژنراتوری می‌شود. این تغییر علامت گشتاور نشان‌دهنده عملکرد سیستم بازیابی انرژی است.

همچنین نمودار دمای موتور نشان می‌دهد که در دوره‌های بارگذاری بالا، دما افزایش یافته و پس از کاهش بار، روند نزولی به خود می‌گیرد. این رفتار اهمیت مدل‌سازی حرارتی را در طراحی خودروهای الکتریکی به خوبی نشان می‌دهد.

اجرای Real-Time و کاربرد HIL

یکی از اهداف اصلی این شبیه‌سازی، امکان اجرای آن در محیط Real-Time و استفاده در سیستم‌های HIL است. این مدل بر روی یک سخت‌افزار real-time با پردازنده Intel i7 و فرکانس 3.5 گیگاهرتز اجرا شده و توانسته است با گام زمانی 400 میکروثانیه به‌صورت پایدار عمل کند.

توانایی اجرای مدل در زمان واقعی اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا امکان اتصال آن به کنترل‌کننده‌های فیزیکی واقعی را فراهم می‌کند. در این حالت، می‌توان رفتار کنترلرها، ECUها و الگوریتم‌های رانندگی را قبل از پیاده‌سازی روی خودرو واقعی مورد آزمایش و اعتبارسنجی قرار داد. این موضوع به کاهش هزینه توسعه و افزایش ایمنی سیستم کمک می‌کند.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یک چارچوب جامع برای تحلیل و بررسی رفتار یک خودروی الکتریکی در محیط HIL ارائه می‌دهد. استفاده از مدل‌سازی مبتنی بر انرژی، ترکیب سیستم‌های الکتریکی و حرارتی، و طراحی مناسب برای اجرای Real-Time باعث شده است این مدل بتواند به عنوان یک بستر مناسب برای توسعه و تست سیستم‌های کنترلی خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد.

به‌طور کلی، نتایج نشان می‌دهد که این نوع شبیه‌سازی نه تنها برای تحلیل عملکرد دینامیکی خودرو مفید است، بلکه نقش مهمی در توسعه سیستم‌های پیشرفته کنترل و مدیریت انرژی در خودروهای الکتریکی آینده ایفا می‌کند.