در این شبیه‌سازی، یک مدل ساده‌سازی‌شده از خودروی هیبریدی الکتریکی نوع سری-موازی مورد بررسی قرار می‌گیرد که در آن دو منبع اصلی تولید توان شامل موتور احتراق داخلی (ICE) و ماشین سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPMSM) به‌صورت همزمان یا مستقل وظیفه تأمین گشتاور مورد نیاز خودرو را بر عهده دارند. همچنین در این ساختار، موتور احتراق داخلی علاوه بر تأمین مستقیم توان مکانیکی، از طریق یک ژنراتور الکتریکی نیز امکان شارژ باتری ولتاژ بالا را فراهم می‌کند. این ساختار یکی از رایج‌ترین معماری‌های خودروهای هیبریدی مدرن است که به دلیل انعطاف‌پذیری بالا در مدیریت انرژی، بازده مناسبی در شرایط مختلف رانندگی ارائه می‌دهد.

در این شبیه‌سازی از محیط MATLAB به همراه ابزارهای Simulink، Stateflow و Simscape استفاده شده است تا رفتار دینامیکی سیستم در شرایط واقعی رانندگی به‌صورت دقیق‌تری مدل‌سازی شود.

### ساختار کلی سیستم هیبریدی سری-موازی

در ساختار سری-موازی، دو مسیر اصلی انتقال توان وجود دارد. در مسیر اول، موتور احتراق داخلی مستقیماً از طریق سیستم انتقال قدرت (گیربکس با نسبت ثابت) نیروی محرکه را به چرخ‌ها منتقل می‌کند. در مسیر دوم، همین موتور احتراق داخلی به عنوان محرک ژنراتور نیز عمل کرده و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند تا باتری ولتاژ بالا شارژ شود.

در کنار این دو مسیر، ماشین IPMSM نقش بسیار مهمی در تأمین گشتاور دینامیکی خودرو دارد. این ماشین الکتریکی می‌تواند به‌صورت مستقل یا مکمل با موتور احتراق داخلی عمل کند و در شرایط مختلف مانند شتاب‌گیری، حرکت در سرعت ثابت یا بازیابی انرژی ترمز (Regenerative Braking) نقش کلیدی ایفا می‌کند.

—

### مدل‌سازی اجزای سیستم در شبیه‌سازی

مدل کلی شامل چند زیرسیستم اصلی است که هر کدام وظیفه مشخصی را بر عهده دارند:

#### 1. زیرسیستم کنترل خودرو (Vehicle Controller)

این بخش به عنوان مغز سیستم عمل می‌کند و ورودی‌های راننده مانند پدال گاز و ترمز را دریافت کرده و آن‌ها را به دستورات گشتاور برای هر یک از اجزای محرک تبدیل می‌کند. این تبدیل بر اساس یک منطق کنترلی تعریف‌شده در محیط Stateflow انجام می‌شود که امکان تعریف حالت‌های مختلف عملکرد خودرو را فراهم می‌کند.

حالت‌هایی مانند:

* حالت رانندگی تمام الکتریکی
* حالت ترکیبی (ICE + IPMSM)
* حالت شارژ باتری در حین حرکت
* حالت ترمز احیایی

در این بخش به صورت دقیق مشخص می‌شود که هر منبع توان چه مقدار گشتاور باید تولید کند.

#### 2. کنترل‌کننده موتور احتراق داخلی (ICE Controller)

در این زیرسیستم، هدف اصلی تنظیم گشتاور خروجی موتور احتراق داخلی بر اساس نیاز سیستم و وضعیت باتری است. اگر سطح شارژ باتری پایین باشد، بخشی از توان موتور برای حرکت ژنراتور و شارژ باتری اختصاص داده می‌شود. این کنترل باعث می‌شود که مصرف سوخت بهینه شده و از عملکرد غیرضروری موتور جلوگیری شود.

—

#### 3. کنترل‌کننده ژنراتور (Generator Controller)

ژنراتور به موتور احتراق داخلی متصل است و وظیفه آن تبدیل توان مکانیکی به توان الکتریکی برای شارژ باتری است. در این شبیه‌سازی، گشتاور ژنراتور به‌گونه‌ای کنترل می‌شود که تعادل بین بار موتور و نرخ شارژ باتری حفظ شود.

—

#### 4. کنترل‌کننده IPMSM (Drive Controller)

مهم‌ترین بخش این شبیه‌سازی مربوط به کنترل ماشین سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPMSM) است. این ماشین الکتریکی به دلیل ساختار خاص خود، قابلیت تولید گشتاور بالا در سرعت‌های مختلف را دارد و راندمان بسیار بالایی نسبت به موتورهای الکتریکی معمولی ارائه می‌دهد.

کنترل گشتاور IPMSM معمولاً بر اساس روش‌های کنترل برداری (Field Oriented Control) انجام می‌شود. در این شبیه‌سازی، گشتاور مرجع از کنترل‌کننده خودرو دریافت شده و به جریان‌های سه‌فاز متناظر تبدیل می‌شود.

—

### مدل دینامیکی پیشرانه و انتقال قدرت

در این سیستم، انتقال قدرت از طریق یک مدل گیربکس با نسبت ثابت انجام می‌شود. این فرض ساده‌سازی باعث کاهش پیچیدگی مدل شده اما همچنان رفتار کلی سیستم انتقال نیرو را به‌خوبی نمایش می‌دهد.

دینامیک خودرو شامل مقاومت غلتشی، نیروی آیرودینامیکی و اینرسی جرم خودرو است که همگی در محاسبه گشتاور مورد نیاز نقش دارند. این نیروها تعیین می‌کنند که در هر لحظه چه مقدار گشتاور باید توسط منابع مختلف تولید شود.

—

### نقش IPMSM در عملکرد خودرو

ماشین IPMSM در این شبیه‌سازی نقش کلیدی دارد، زیرا می‌تواند در شرایط زیر عملکرد بسیار مؤثری ارائه دهد:

* تأمین گشتاور لحظه‌ای در شتاب‌گیری
* کمک به موتور احتراق داخلی در بارهای بالا
* بازیابی انرژی در زمان ترمز
* کاهش مصرف سوخت کلی خودرو

یکی از مزایای اصلی IPMSM، قابلیت کنترل دقیق گشتاور در بازه وسیع سرعتی است. این ویژگی باعث می‌شود که خودرو در شرایط مختلف رانندگی پاسخ سریع و پایداری داشته باشد.

### تحلیل نتایج شبیه‌سازی

در بخش نتایج شبیه‌سازی، چندین کمیت مهم مورد بررسی قرار می‌گیرند که شامل گشتاور درخواست‌شده و گشتاور واقعی تولیدی، و همچنین جریان‌های فازهای ماشین الکتریکی است.

نتایج نشان می‌دهند که سیستم کنترلی توانسته است به‌خوبی گشتاور مرجع را دنبال کند. اختلاف بین گشتاور درخواست‌شده و گشتاور واقعی در اغلب بازه‌های زمانی بسیار کم بوده که نشان‌دهنده عملکرد مناسب حلقه‌های کنترلی است.

همچنین در نمودار جریان‌های سه‌فاز مشاهده می‌شود که جریان‌ها دارای شکل موج سینوسی مناسب بوده و اعوجاج هارمونیکی در سطح قابل قبولی قرار دارد. این موضوع بیانگر عملکرد صحیح کنترل برداری در IPMSM است.

—

### بررسی عملکرد حالت‌های مختلف رانندگی

در این شبیه‌سازی، تغییر حالت‌های عملکرد خودرو به‌صورت پویا توسط Stateflow مدیریت می‌شود. به عنوان مثال:

* در شروع حرکت، سیستم از IPMSM برای تأمین گشتاور اولیه استفاده می‌کند.
* در سرعت‌های بالا، موتور احتراق داخلی وارد مدار شده و سهم بیشتری از بار را بر عهده می‌گیرد.
* در شرایط کاهش سرعت، سیستم ترمز احیایی فعال شده و انرژی جنبشی به باتری بازگردانده می‌شود.

این تغییر حالت‌ها باعث افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش مصرف سوخت کلی خودرو می‌شود.

—

### جمع‌بندی شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده از معماری سری-موازی در خودروهای هیبریدی می‌تواند به شکل مؤثری عملکرد سیستم پیشرانه را بهبود دهد. ترکیب موتور احتراق داخلی با IPMSM و ژنراتور، امکان مدیریت انعطاف‌پذیر انرژی را فراهم می‌کند.

استفاده از ابزارهای MATLAB و زیرسیستم‌های آن مانند Simulink، Stateflow و Simscape باعث شده است که مدل‌سازی این سیستم با دقت بالا و قابلیت تحلیل رفتاری مناسب انجام شود.

در نهایت، نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که کنترل گشتاور IPMSM در کنار مدیریت هوشمند موتور احتراق داخلی می‌تواند نقش مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش عملکرد خودروهای هیبریدی ایفا کند.