در سیستم‌های نوین خودروهای هیبریدی و الکتریکی، مدیریت انرژی و توزیع توان میان شبکه‌های ولتاژی مختلف یکی از مهم‌ترین چالش‌های طراحی محسوب می‌شود. یکی از ساختارهای پرکاربرد در این حوزه، سیستم استارتر-ژنراتور 48 ولتی است که به عنوان یک راه‌حل میانی میان سیستم‌های سنتی 12 ولت و معماری‌های تمام الکتریکی عمل می‌کند. در این شبیه‌سازی، یک ماشین سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPMSM) به عنوان استارتر/ژنراتور در یک سیستم ساده‌شده خودرویی مورد استفاده قرار گرفته است.

این سیستم شامل دو شبکه الکتریکی مجزا یعنی شبکه 48 ولت و شبکه 12 ولت است که از طریق یک مبدل DC-DC به هم متصل شده‌اند. موتور احتراق داخلی (ICE) نیز به صورت بلوک‌های مکانیکی ساده مدل‌سازی شده است. هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی تعادل توان و پایداری ولتاژ در شرایط تغییر بارهای الکتریکی و تغییر وضعیت عملکرد ماشین الکتریکی از حالت موتور به حالت ژنراتور است.

ساختار کلی سیستم

در این شبیه‌سازی، IPMSM نقش دوگانه‌ای ایفا می‌کند. در ابتدا، این ماشین به عنوان موتور عمل کرده و وظیفه راه‌اندازی موتور احتراق داخلی را بر عهده دارد. پس از رسیدن ICE به سرعت دور آرام (idle speed)، عملکرد ماشین به حالت ژنراتوری تغییر می‌کند. در این حالت، انرژی مکانیکی تولید شده توسط ICE به انرژی الکتریکی تبدیل شده و به شبکه 48 ولت تزریق می‌شود.

شبکه 48 ولت شامل یک مصرف‌کننده اصلی با نام R3 است که بار الکتریکی قابل توجهی را به سیستم تحمیل می‌کند. از سوی دیگر، شبکه 12 ولت نیز شامل دو مصرف‌کننده R1 و R2 است که از طریق یک مبدل Buck DC-DC از شبکه 48 ولت تغذیه می‌شوند. این ساختار چندسطحی امکان بررسی دقیق جریان توان بین اجزای مختلف سیستم را فراهم می‌کند.

سناریوی زمانی شبیه‌سازی

زمان کل شبیه‌سازی برابر با 0.5 ثانیه در نظر گرفته شده است. تغییرات کلیدی در سیستم در زمان‌های مشخصی رخ می‌دهند که به شرح زیر هستند:

در t = 0.05 ثانیه، موتور احتراق داخلی روشن می‌شود و فرآیند راه‌اندازی آغاز می‌گردد. در این مرحله، IPMSM به صورت فعال به عنوان استارتر عمل کرده و گشتاور لازم برای چرخش اولیه ICE را تأمین می‌کند. در t = 0.1 ثانیه، بار R3 به شبکه 48 ولت متصل می‌شود که باعث افزایش ناگهانی مصرف توان در این شبکه می‌گردد. سپس در t = 0.3 ثانیه، بار R2 در شبکه 12 ولت فعال شده و فشار بیشتری بر مبدل DC-DC وارد می‌کند. این تغییرات پله‌ای در بار، امکان بررسی پاسخ دینامیکی سیستم را فراهم می‌سازد.

مدل کنترل ماشین الکتریکی (EM Controller)

یکی از بخش‌های کلیدی این شبیه‌سازی، کنترلر ماشین الکتریکی است که از یک ساختار آبشاری (Cascade Control) مبتنی بر کنترل‌کننده‌های PI تشکیل شده است. در این ساختار، یک حلقه کنترلی بیرونی برای تنظیم ولتاژ و دو حلقه کنترلی داخلی برای کنترل جریان محورهای dq در نظر گرفته شده‌اند.

حلقه بیرونی وظیفه دارد ولتاژ لینک DC را در مقدار مرجع نگه دارد، در حالی که حلقه‌های داخلی جریان‌های استاتور را کنترل کرده و پاسخ سریع و دقیق سیستم را تضمین می‌کنند. این ساختار چندلایه باعث افزایش پایداری سیستم در شرایط بار متغیر و دینامیک سریع می‌شود.

کنترل جریان در محور dq به دلیل تبدیل پارک (Park Transformation) امکان جداسازی مؤلفه‌های گشتاور و شار را فراهم می‌کند. در نتیجه، کنترل گشتاور ماشین با دقت بالا انجام می‌شود و پاسخ سیستم نسبت به تغییرات بار بهبود می‌یابد.

زمان‌بندی وظایف در کنترلر

زیرسیستم کنترل در این شبیه‌سازی با استفاده از Stateflow پیاده‌سازی شده است. این ابزار امکان طراحی ماشین حالت (State Machine) برای مدیریت وضعیت‌های مختلف سیستم را فراهم می‌کند. در این مدل، وظایف کنترلی در نرخ‌های زمانی مختلف اجرا می‌شوند که این موضوع به عنوان multi-rate scheduling شناخته می‌شود.

این ساختار باعث می‌شود بخش‌های مختلف کنترلر مانند حلقه‌های جریان و ولتاژ با سرعت‌های مناسب خود اجرا شوند. به عنوان مثال، حلقه‌های جریان معمولاً با نرخ بالاتر و حلقه ولتاژ با نرخ پایین‌تر اجرا می‌شود تا هم پایداری عددی حفظ شود و هم هزینه محاسباتی کاهش یابد.

مبدل DC-DC و کنترل شبکه 12 ولت

مبدل DC-DC Buck یکی از اجزای حیاتی این سیستم است که وظیفه کاهش ولتاژ از 48 ولت به 12 ولت را بر عهده دارد. این مبدل نیز توسط یک کنترل‌کننده PI ساده مدیریت می‌شود که هدف آن حفظ ولتاژ خروجی در مقدار ثابت 12 ولت است، حتی زمانی که بارهای شبکه 12 ولت تغییر می‌کنند.

عملکرد این مبدل به شدت به تغییرات بار حساس است. زمانی که R2 در t = 0.3 ثانیه وارد مدار می‌شود، جریان کشی شبکه 12 ولت افزایش یافته و کنترلر باید به سرعت Duty Cycle سوئیچینگ را تنظیم کند تا افت ولتاژ جبران شود. این فرآیند نشان‌دهنده اهمیت طراحی صحیح کنترلر در سیستم‌های قدرت چندسطحی است.

تحلیل تعادل انرژی در سیستم

یکی از اهداف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی تعادل انرژی بین شبکه‌های 48 ولت و 12 ولت است. در حالت پایدار، توان تولیدی توسط IPMSM باید برابر با مجموع توان مصرفی بارها و تلفات سیستم باشد. در شرایط دینامیکی، این تعادل به صورت موقت دچار عدم توازن می‌شود، اما کنترلرها وظیفه دارند سیستم را به حالت پایدار بازگردانند.

در لحظات تغییر بار، مانند روشن شدن R3 یا R2، جریان‌های گذرا در شبکه مشاهده می‌شود. این جریان‌ها نشان‌دهنده تبادل سریع انرژی بین اجزای مختلف سیستم هستند. با گذشت زمان، کنترلرها این نوسانات را میرا کرده و ولتاژهای شبکه 48 ولت و 12 ولت را در مقادیر مرجع تثبیت می‌کنند.

نتایج شبیه‌سازی و رفتار دینامیکی سیستم

نتایج حاصل از Scopes و داده‌های Simscape Logging نشان می‌دهد که سیستم توانایی بالایی در حفظ پایداری ولتاژ دارد. در زمان روشن شدن ICE، یک گذر اولیه در ولتاژ و جریان مشاهده می‌شود که ناشی از تغییر حالت عملکرد IPMSM است. با این حال، کنترلر جریان به سرعت این نوسان را کاهش می‌دهد.

در زمان اتصال بار R3، افت کوتاهی در ولتاژ شبکه 48 ولت مشاهده می‌شود، اما حلقه کنترل ولتاژ این افت را جبران می‌کند. همچنین در زمان فعال شدن R2، شبکه 12 ولت دچار افت ولتاژ لحظه‌ای می‌شود که توسط مبدل DC-DC اصلاح می‌گردد. این رفتار نشان‌دهنده هماهنگی مناسب بین کنترلرهای مختلف در سیستم است.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی یک دید جامع از عملکرد یک سیستم استارتر-ژنراتور 48 ولتی در یک معماری خودرویی ساده‌شده ارائه می‌دهد. استفاده از IPMSM با کنترل برداری پیشرفته، به همراه مبدل DC-DC و ساختار کنترل چندلایه، امکان بررسی دقیق جریان انرژی در شرایط واقعی را فراهم می‌کند.

نتایج نشان می‌دهد که طراحی مناسب کنترلرها، به ویژه استفاده از ساختار آبشاری PI و زمان‌بندی چندنرخی در Stateflow، نقش کلیدی در پایداری سیستم دارد. همچنین وجود شبکه‌های ولتاژی مختلف و تعامل آن‌ها از طریق مبدل DC-DC، اهمیت مدیریت انرژی در خودروهای مدرن را به خوبی نشان می‌دهد.

در نهایت، این مدل می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای توسعه سیستم‌های پیچیده‌تر در خودروهای هیبریدی و الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد و امکان بررسی سناریوهای مختلف بار و عملکرد را در محیط شبیه‌سازی MATLAB فراهم سازد.