در سال‌های اخیر، توسعه خودروهای هیبریدی به عنوان یکی از راهکارهای اصلی برای کاهش مصرف سوخت و آلایندگی‌های زیست‌محیطی، مورد توجه گسترده صنعت خودروسازی و مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. در میان ساختارهای مختلف خودروهای هیبریدی، معماری موازی (Parallel Hybrid Electric Vehicle – PHEV) به دلیل سادگی نسبی، راندمان مناسب و قابلیت ترکیب توان موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی، جایگاه ویژه‌ای دارد. در این نوع سیستم، هر دو منبع توان یعنی موتور احتراق داخلی (ICE) و موتور الکتریکی می‌توانند به صورت مستقل یا هم‌زمان، نیروی محرکه خودرو را تأمین کنند.

در این شبیه‌سازی، تمرکز اصلی بر کنترل گشتاور موتور سنکرون آهنربای دائم داخلی (Interior Permanent Magnet Synchronous Machine – IPMSM) در یک خودروی هیبریدی موازی است. این موتور به دلیل چگالی توان بالا، بازده مناسب و قابلیت کنترل دقیق گشتاور، یکی از گزینه‌های اصلی در سیستم‌های محرکه الکتریکی خودروهای مدرن محسوب می‌شود. موتور IPMSM قادر است در دو حالت موتورکنندگی (Motoring) و ژنراتورکنندگی (Generating) عمل کند که این ویژگی آن را برای کاربردهای هیبریدی بسیار مناسب می‌سازد.

در این سیستم، یک مدل ساده‌شده از خودرو هیبریدی موازی در نظر گرفته شده است که شامل موتور احتراق داخلی، موتور الکتریکی IPMSM، گیربکس با نسبت ثابت و دیفرانسیل است. وظیفه انتقال توان در این ساختار به گونه‌ای تعریف شده است که هر دو منبع توان بتوانند بسته به شرایط رانندگی، در تأمین گشتاور مورد نیاز خودرو مشارکت کنند.

ساختار کلی سیستم محرکه هیبریدی

ساختار سیستم مورد بررسی شامل چندین زیرسیستم اصلی است که هر کدام نقش مشخصی در عملکرد کلی خودرو دارند. این زیرسیستم‌ها عبارت‌اند از:

1. زیرسیستم کنترل‌کننده خودرو (Vehicle Controller)
2. زیرسیستم کنترل موتور احتراق داخلی (ICE Controller)
3. زیرسیستم کنترل موتور الکتریکی (Drive Controller)
4. مدل انتقال قدرت شامل گیربکس و دیفرانسیل
5. سیستم نمایش نتایج شبیه‌سازی (Scopes Subsystem)

در این ساختار، کنترل‌کننده خودرو نقش هماهنگ‌کننده اصلی را ایفا می‌کند. این بخش با دریافت ورودی‌های راننده مانند پدال گاز و ترمز، سیگنال‌های کنترلی مناسب را به دو کنترل‌کننده دیگر ارسال می‌کند. این فرآیند تصمیم‌گیری در قالب یک ماشین حالت (State Machine) و با استفاده از محیط :contentReference[oaicite:0]{index=0} پیاده‌سازی شده است.

منطق کنترلی در سیستم هیبریدی

منطق کنترلی در این سیستم به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند بین دو منبع توان به صورت بهینه سوئیچ کند یا آن‌ها را به صورت ترکیبی به کار گیرد. در شرایطی که نیاز به توان پایین است، موتور الکتریکی IPMSM می‌تواند به تنهایی وظیفه حرکت خودرو را بر عهده بگیرد. در مقابل، در شرایطی که نیاز به توان بالا وجود دارد، موتور احتراق داخلی وارد مدار شده و به تأمین گشتاور کمک می‌کند.

کنترل گشتاور موتور احتراق داخلی توسط زیرسیستم ICE Controller انجام می‌شود. این کنترل‌کننده با توجه به فرمان‌های صادر شده از کنترل‌کننده خودرو، مقدار گشتاور مناسب را برای موتور احتراق داخلی تعیین می‌کند. از سوی دیگر، Drive Controller مسئول کنترل دقیق گشتاور موتور IPMSM است و تلاش می‌کند پاسخ دینامیکی سریع و دقیق را مطابق با فرمان راننده فراهم کند.

در این میان، موتور IPMSM نه تنها در حالت محرکه، بلکه در حالت تولید انرژی نیز نقش مهمی ایفا می‌کند. در زمان ترمزگیری یا کاهش سرعت خودرو، این موتور وارد حالت ژنراتوری شده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی معمولاً به باتری بازگردانده می‌شود که این فرآیند با عنوان ترمز احیایی (Regenerative Braking) شناخته می‌شود.

مدل‌سازی سیستم در محیط شبیه‌سازی

برای تحلیل رفتار دینامیکی این سیستم پیچیده، از محیط شبیه‌سازی پیشرفته :contentReference[oaicite:1]{index=1} استفاده شده است. این محیط امکان مدل‌سازی فیزیکی اجزای مکانیکی، الکتریکی و کنترلی را به صورت یکپارچه فراهم می‌کند.

در این شبیه‌سازی، موتور IPMSM با استفاده از مدل الکتریکی سه‌فاز پیاده‌سازی شده و رفتار گشتاور-سرعت آن به دقت مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، سیستم انتقال قدرت شامل یک گیربکس با نسبت ثابت و دیفرانسیل ساده‌سازی شده است تا بتوان تحلیل مناسبی از انتقال توان از منابع مختلف به چرخ‌ها ارائه داد.

کنترل‌کننده‌ها نیز در محیط :contentReference[oaicite:2]{index=2} طراحی و پیاده‌سازی شده‌اند. این محیط امکان تحلیل عددی، طراحی کنترل‌کننده‌ها و پردازش داده‌های شبیه‌سازی را فراهم می‌کند. استفاده از MATLAB در کنار Simscape باعث شده است که مدل‌سازی و تحلیل سیستم با دقت و انعطاف‌پذیری بالایی انجام شود.

عملکرد موتور IPMSM در سیستم هیبریدی

موتور IPMSM در این شبیه‌سازی نقش کلیدی در تأمین گشتاور خودرو دارد. این موتور با استفاده از میدان مغناطیسی دائم و ساختار داخلی خاص خود، قادر است گشتاور بالایی در سرعت‌های مختلف تولید کند. یکی از مزایای مهم این موتور، قابلیت کنترل مستقل مؤلفه‌های جریان در محور d و q است که امکان کنترل دقیق گشتاور را فراهم می‌سازد.

در حالت عملکرد عادی، کنترل‌کننده Drive Controller تلاش می‌کند تا گشتاور مورد نیاز راننده را با کمترین خطا تأمین کند. این کنترل به گونه‌ای انجام می‌شود که جریان‌های فاز موتور به صورت بهینه تنظیم شوند تا علاوه بر تأمین گشتاور، تلفات نیز حداقل گردد.

در حالت ترمز احیایی، جهت گشتاور موتور معکوس شده و انرژی مکانیکی خودرو به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این فرآیند نه تنها باعث افزایش بهره‌وری انرژی می‌شود، بلکه نقش مهمی در افزایش برد خودروهای هیبریدی و الکتریکی دارد.

تحلیل نتایج شبیه‌سازی

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که سیستم کنترل طراحی‌شده قادر است به خوبی گشتاور مورد نیاز را در شرایط مختلف رانندگی تأمین کند. در نمودارهای خروجی، مقایسه بین گشتاور درخواستی و گشتاور واقعی نشان‌دهنده دقت بالای سیستم کنترلی است. همچنین، جریان‌های فاز موتور IPMSM رفتار پایداری را در شرایط گذرا و پایدار از خود نشان می‌دهند.

در شرایطی که بار روی خودرو افزایش می‌یابد، موتور احتراق داخلی وارد مدار شده و سهم بیشتری از تأمین گشتاور را بر عهده می‌گیرد. این در حالی است که موتور الکتریکی همچنان نقش مکمل را ایفا می‌کند و در برخی شرایط حتی می‌تواند به صورت مستقل عمل کند.

یکی از نکات مهم در نتایج شبیه‌سازی، عملکرد مناسب سیستم در حالت گذرا است. ماشین حالت طراحی‌شده در Stateflow قادر است به سرعت بین حالت‌های مختلف کاری سوئیچ کند و از بروز ناپایداری در سیستم جلوگیری نماید.

بررسی نقش کنترل‌کننده خودرو

کنترل‌کننده خودرو به عنوان مغز اصلی سیستم عمل می‌کند و وظیفه دارد بین منابع مختلف توان هماهنگی ایجاد کند. این کنترل‌کننده با توجه به شرایط رانندگی، وضعیت باتری، سرعت خودرو و درخواست راننده، تصمیم‌گیری می‌کند که چه مقدار گشتاور از هر منبع تأمین شود.

این سطح از هماهنگی باعث می‌شود که مصرف سوخت بهینه شده و در عین حال عملکرد دینامیکی خودرو نیز حفظ گردد. در واقع، هدف اصلی این کنترل‌کننده ایجاد تعادل بین کارایی انرژی و عملکرد رانندگی است.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم خودروی هیبریدی موازی با تمرکز بر کنترل گشتاور موتور IPMSM مورد بررسی قرار گرفت. استفاده از مدل‌سازی فیزیکی در Simscape و طراحی کنترل‌کننده‌ها در MATLAB و Stateflow امکان تحلیل دقیق رفتار سیستم را فراهم کرده است. نتایج نشان می‌دهد که ترکیب موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی می‌تواند عملکردی بهینه از نظر توان، راندمان و پایداری ارائه دهد.

موتور IPMSM به عنوان بخش کلیدی سیستم محرکه الکتریکی، نقش مهمی در بهبود عملکرد دینامیکی خودرو ایفا می‌کند. قابلیت عملکرد در دو حالت موتوری و ژنراتوری، این موتور را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای هیبریدی تبدیل کرده است. در مجموع، این شبیه‌سازی نشان‌دهنده اهمیت طراحی کنترل پیشرفته در سیستم‌های هیبریدی مدرن و نقش ابزارهای نرم‌افزاری در توسعه این فناوری‌ها است.