سیستم‌های انتقال قدرت هیبریدی یکی از مهم‌ترین راهکارهای توسعه خودروهای کم‌مصرف و افزایش بهره‌وری انرژی در سامانه‌های حمل‌ونقل مدرن محسوب می‌شوند. در این ساختارها، موتور احتراق داخلی در کنار یک یا چند ماشین الکتریکی و یک مجموعه انتقال قدرت مناسب قرار می‌گیرد تا بتوان توان موردنیاز خودرو را با راندمان بالاتر و انعطاف‌پذیری بیشتر تأمین کرد. یکی از معماری‌های پیشرفته در این حوزه، سیستم انتقال قدرت هیبریدی دوحالته یا Two Mode Hybrid Transmission است که امکان بهره‌گیری از نسبت‌های دنده ثابت و حالت‌های تقسیم توان را در یک سامانه واحد فراهم می‌کند.

شبیه‌سازی ارائه‌شده در محیط Matlab/Simscape Driveline ساختار پایه یک سیستم انتقال قدرت هیبریدی دوحالته را بررسی می‌کند. این مدل از سه مجموعه دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ تشکیل شده است. ترکیب این اجزا امکان ایجاد چهار نسبت دنده ثابت و همچنین دو حالت تقسیم توان را فراهم می‌کند. استفاده از حالت‌های مختلف انتقال قدرت باعث می‌شود سامانه بتواند در شرایط مختلف رانندگی، از جمله شتاب‌گیری، کاهش سرعت و حرکت با سرعت ثابت، نقطه کاری مناسبی داشته باشد.

ساختار کلی سیستم انتقال قدرت هیبریدی دوحالته

هسته اصلی این شبیه‌سازی، یک مجموعه انتقال قدرت متشکل از سه مجموعه دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ است. دنده‌های سیاره‌ای به دلیل قابلیت ایجاد روابط مختلف بین سرعت و گشتاور اجزای خود، در سامانه‌های انتقال قدرت هیبریدی کاربرد بسیار زیادی دارند. در یک مجموعه دنده سیاره‌ای، اجزایی مانند خورشیدی، رینگی و حامل سیاره‌ها می‌توانند نقش ورودی، خروجی یا عضو ثابت را داشته باشند.

با تغییر وضعیت کلاچ‌ها، ارتباط مکانیکی میان اجزای مختلف مجموعه‌های سیاره‌ای تغییر می‌کند. در نتیجه، مسیر انتقال توان و نسبت سرعت بین موتور و چرخ‌های خودرو نیز تغییر خواهد کرد. در مدل دوحالته، این قابلیت به سامانه اجازه می‌دهد که علاوه بر نسبت‌های ثابت، وارد حالت‌های تقسیم توان نیز شود.

ترکیب سه مجموعه دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ در این شبیه‌سازی، در مجموع امکان ایجاد چهار نسبت دنده ثابت و دو حالت Power-Split را فراهم می‌کند. این موضوع یکی از ویژگی‌های مهم معماری انتقال قدرت دوحالته است، زیرا سامانه مجبور نیست در تمام محدوده سرعت خودرو تنها از یک روش انتقال توان استفاده کند.

حالت‌های مختلف عملکرد انتقال قدرت

در این شبیه‌سازی، سیستم انتقال قدرت می‌تواند در چند حالت متفاوت فعالیت کند. بخشی از این حالت‌ها نسبت دنده مشخص و ثابتی دارند و بخشی دیگر از ساختار تقسیم توان استفاده می‌کنند. انتخاب حالت مناسب به شرایط کاری خودرو و سرعت آن وابسته است.

حالت‌های تقسیم توان به‌خصوص برای انتقال بین نسبت‌های ثابت و همچنین شرایطی مانند شتاب‌گیری شدید یا کاهش سرعت اهمیت دارند. در مقابل، نسبت‌های دنده ثابت در زمان حرکت پایدار و کروز می‌توانند به بهبود بازده کلی سیستم کمک کنند.

حالت تقسیم توان اول؛ Input-Split

اولین حالت تقسیم توان با عنوان Input-Split Regime شناخته می‌شود. در این وضعیت تنها Clutch 1 درگیر است. در این حالت، مسیر انتقال توان به گونه‌ای تنظیم می‌شود که توان ورودی به سیستم انتقال قدرت میان مسیرهای مختلف تقسیم شود.

وجود ماشین‌های الکتریکی در چنین معماری‌ای اهمیت زیادی دارد، زیرا بخشی از توان مکانیکی می‌تواند از طریق مسیر الکتریکی منتقل شود. در نتیجه، موتورهای الکتریکی امکان کنترل انعطاف‌پذیرتر سرعت و گشتاور را فراهم می‌کنند و مجموعه دنده‌های سیاره‌ای می‌تواند رفتاری مشابه یک انتقال قدرت با نسبت متغیر داشته باشد.

در حالت Input-Split، ارتباط بین سرعت موتور احتراق داخلی، سرعت شفت‌های موتور-ژنراتور و سرعت خروجی توسط روابط سینماتیکی مجموعه‌های سیاره‌ای تعیین می‌شود. بنابراین، با تغییر سرعت ماشین‌های الکتریکی می‌توان شرایط کاری موتور احتراق داخلی را نیز تحت تأثیر قرار داد.

حالت تقسیم توان دوم؛ Compound-Split

حالت دوم تقسیم توان با عنوان Compound-Split Regime شناخته می‌شود. در این حالت تنها Clutch 2 درگیر است. تفاوت اصلی این حالت با حالت Input-Split در نحوه توزیع توان در مجموعه انتقال قدرت است.

در حالت Compound-Split، تقسیم توان نه‌تنها در بخش ورودی، بلکه در ساختار انتقال قدرت به شکل گسترده‌تری انجام می‌شود و امکان ایجاد ارتباط پیچیده‌تری میان مسیر مکانیکی و الکتریکی فراهم می‌گردد. به همین دلیل این حالت می‌تواند در محدوده‌های مختلف سرعت و گشتاور برای مدیریت توان استفاده شود.

ترکیب این دو حالت تقسیم توان باعث می‌شود سیستم هیبریدی بتواند بدون نیاز به تغییرات ناگهانی در سرعت موتور احتراق داخلی، محدوده کاری وسیعی را پوشش دهد.

نقش کلاچ‌ها در تغییر حالت انتقال قدرت

کلاچ‌ها در این شبیه‌سازی نقش اصلی را در انتخاب وضعیت مکانیکی انتقال قدرت بر عهده دارند. هر کلاچ با درگیر شدن، ارتباط مشخصی را میان اجزای مجموعه انتقال قدرت برقرار می‌کند و با آزاد شدن، آن ارتباط را حذف می‌کند.

یکی از نکات مهم در معماری دوحالته این است که در حالت‌های تقسیم توان، تنها یکی از کلاچ‌های مشخص‌شده درگیر می‌شود. برای حالت Input-Split، کلاچ اول فعال است و برای حالت Compound-Split، کلاچ دوم فعال می‌شود.

در مقابل، زمانی که دو کلاچ به‌صورت هم‌زمان درگیر می‌شوند، یکی از درجات آزادی سیستم حذف می‌شود. در نتیجه، سیستم از حالت تقسیم توان خارج شده و یک نسبت دنده ثابت ایجاد می‌شود. این ویژگی امکان ایجاد چهار نسبت دنده ثابت را در معماری مورد بررسی فراهم می‌کند.

از دیدگاه دینامیکی، کاهش درجه آزادی اهمیت زیادی دارد، زیرا رفتار سینماتیکی سیستم را محدود و مشخص می‌کند. در حالت Power-Split، چند متغیر سرعت می‌توانند با یکدیگر تغییر کنند، اما با درگیر شدن دو کلاچ، بخشی از این آزادی حذف شده و نسبت سرعت مشخصی بین ورودی و خروجی ایجاد می‌شود.

اهمیت نسبت‌های دنده ثابت در رانندگی

اگرچه حالت‌های تقسیم توان انعطاف‌پذیری زیادی ایجاد می‌کنند، استفاده دائمی از این حالت‌ها لزوماً بهترین انتخاب از نظر بهره‌وری نیست. در سرعت‌های پایدار و شرایط کروز، نسبت‌های دنده ثابت می‌توانند باعث شوند مسیر انتقال توان مکانیکی‌تر و ساده‌تر باشد.

در این شرایط، هدف سیستم می‌تواند نگه‌داشتن موتور احتراق داخلی در محدوده‌ای از سرعت و گشتاور باشد که مصرف سوخت مناسبی دارد. بنابراین، سیستم انتقال قدرت می‌تواند با انتخاب نسبت مناسب، شرایط کاری موتور را به نقطه مطلوب نزدیک کند.

در این معماری، چهار نسبت دنده ثابت در اختیار کنترل‌کننده قرار دارد. این نسبت‌ها به سیستم اجازه می‌دهند که در محدوده‌های مختلف سرعت خودرو، انتقال توان را با شرایط مناسب‌تری انجام دهد. حالت‌های Power-Split نیز به‌عنوان وضعیت‌های مکمل برای انتقال میان این نسبت‌ها و پوشش شرایط دینامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

Subsystem مربوط به Strategy

یکی از بخش‌های مهم مدل، زیرسیستم Strategy است. این بخش مجموعه‌ای از قوانین را تعریف می‌کند که تعیین می‌کنند سیستم انتقال قدرت در چه شرایطی از یک حالت به حالت دیگر تغییر کند.

در شبیه‌سازی حاضر، استراتژی کنترل برای یک پروفایل شتاب‌گیری پایدار در نظر گرفته شده است. بنابراین، با افزایش سرعت خودرو، منطق کنترلی وضعیت مناسب انتقال قدرت را انتخاب می‌کند و در زمان مناسب میان نسبت‌های ثابت و حالت‌های تقسیم توان جابه‌جا می‌شود.

هدف این استراتژی، نمایش منطق پایه انتخاب حالت انتقال قدرت است. با این حال، برای ایجاد یک سیستم کنترل کامل خودرو، تنها سرعت خودرو کافی نیست. یک کنترل‌کننده واقعی باید پارامترهای بیشتری را در نظر بگیرد.

از جمله این پارامترها می‌توان به تقاضای راننده، سرعت خودرو، توان الکتریکی موردنیاز، وضعیت شارژ باتری و شرایط کاری موتور احتراق داخلی اشاره کرد. بنابراین مدل حاضر را می‌توان یک ساختار پایه برای مطالعه معماری انتقال قدرت دانست که قابلیت توسعه به سمت مدل‌های کنترلی پیچیده‌تر را دارد.

نقش موتورهای الکتریکی در معماری دوحالته

یکی از ویژگی‌های مهم این سیستم، استفاده از دو ماشین الکتریکی یا موتور-ژنراتور است. این دو ماشین الکتریکی فقط برای تأمین توان الکتریکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، بلکه در کنترل رفتار سینماتیکی مجموعه‌های دنده سیاره‌ای نیز نقش دارند.

در یک سیستم انتقال قدرت معمولی، نسبت بین سرعت موتور و سرعت خروجی توسط دنده‌های مکانیکی تعیین می‌شود. اما در ساختار Power-Split، ماشین‌های الکتریکی می‌توانند سرعت برخی از اجزای دنده سیاره‌ای را کنترل کنند. همین موضوع باعث می‌شود مجموعه دنده‌ها بتواند رفتاری شبیه یک انتقال قدرت با نسبت متغیر پیوسته ایجاد کند.

بنابراین، دو موتور الکتریکی نقش مهمی در ایجاد انعطاف‌پذیری سیستم دارند. تغییر سرعت این ماشین‌ها می‌تواند موجب تغییر نسبت مؤثر انتقال قدرت شود، بدون اینکه الزاماً نیاز به تعویض پله‌ای دنده به روش انتقال قدرت‌های متداول وجود داشته باشد.

بررسی نتایج شبیه‌سازی با Simscape Logging

یکی از مهم‌ترین بخش‌های شبیه‌سازی، بررسی نتایج حاصل از Simscape Logging است. با استفاده از این قابلیت می‌توان متغیرهای مختلف سیستم مکانیکی را در طول زمان ثبت و بررسی کرد.

در نتایج ارائه‌شده، سرعت موتور احتراق داخلی، سرعت شفت‌های موتور-ژنراتور و سرعت خودرو در طول فرآیند شتاب‌گیری نمایش داده می‌شوند. این نمودار امکان مشاهده تغییر وضعیت سیستم در زمان عبور از حالت‌های مختلف انتقال قدرت را فراهم می‌کند.

در ابتدای فرآیند ممکن است سیستم در یکی از حالت‌های تقسیم توان قرار داشته باشد. سپس با افزایش سرعت خودرو، استراتژی کنترل وضعیت انتقال قدرت را تغییر می‌دهد و سیستم وارد نسبت دنده دیگری می‌شود. این فرآیند می‌تواند چندین بار تکرار شود تا خودرو در محدوده‌های مختلف سرعت، شرایط مناسب انتقال توان را داشته باشد.

بررسی هم‌زمان سرعت موتور و سرعت خودرو اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان می‌دهد آیا سیستم توانسته است سرعت موتور احتراق داخلی را در محدوده موردنظر نگه دارد یا خیر. همچنین سرعت موتور-ژنراتورها اطلاعات مناسبی درباره نحوه عملکرد مسیر الکتریکی سیستم ارائه می‌کند.

بررسی نسبت انتقال قدرت

یکی دیگر از نتایج مهم شبیه‌سازی، نمودار Gear Ratio یا نسبت دنده انتقال قدرت هیبریدی دوحالته است. این نمودار نشان می‌دهد که نسبت مؤثر انتقال قدرت چگونه در طول فرآیند حرکت خودرو تغییر می‌کند.

در حالت‌های دنده ثابت، نسبت انتقال قدرت مقدار مشخصی دارد و تغییرات آن محدود به انتقال از یک نسبت به نسبت دیگر است. اما در حالت‌های Power-Split، نسبت مؤثر می‌تواند به‌صورت پیوسته تغییر کند. این رفتار حاصل تعامل میان مجموعه‌های دنده سیاره‌ای و دو ماشین الکتریکی است.

از این منظر، می‌توان مشاهده کرد که سیستم هیبریدی دوحالته ترکیبی از ویژگی‌های انتقال قدرت معمولی و انتقال قدرت با نسبت متغیر را ارائه می‌دهد. نسبت‌های ثابت امکان بهره‌وری مناسب در شرایط کروز را فراهم می‌کنند و حالت‌های تقسیم توان انعطاف‌پذیری بیشتری را در شرایط تغییر سرعت و بار ایجاد می‌کنند.

مزیت استفاده از سه مجموعه دنده سیاره‌ای

استفاده از سه مجموعه دنده سیاره‌ای باعث افزایش تعداد روابط سینماتیکی قابل دستیابی در سیستم می‌شود. هر مجموعه دنده سیاره‌ای می‌تواند ارتباط مشخصی میان اجزای ورودی، خروجی و عضو واکنش‌دهنده ایجاد کند. هنگامی که چند مجموعه به‌صورت یکپارچه مورد استفاده قرار می‌گیرند، تعداد بیشتری از حالت‌های عملکردی امکان‌پذیر می‌شود.

البته افزایش تعداد اجزای مکانیکی، پیچیدگی مدل و کنترل را نیز افزایش می‌دهد. بنابراین، طراحی چنین سیستمی نیازمند بررسی هم‌زمان دینامیک مکانیکی، کنترل کلاچ‌ها و مدیریت توان الکتریکی است.

محیط Simscape Driveline برای چنین شبیه‌سازی‌هایی مناسب است، زیرا می‌تواند رفتار اجزای مکانیکی، چرخشی، دنده‌ها، کلاچ‌ها و مسیر انتقال گشتاور را در یک مدل یکپارچه نمایش دهد.

محدودیت‌های استراتژی کنترل این شبیه‌سازی

اگرچه زیرسیستم Strategy در مدل حاضر تغییر حالت‌های انتقال قدرت را بر اساس یک مجموعه قوانین مشخص انجام می‌دهد، یک کنترل‌کننده کامل خودرو بسیار پیچیده‌تر خواهد بود. در یک خودرو واقعی، تصمیم‌گیری درباره وضعیت انتقال قدرت تنها بر اساس سرعت خودرو انجام نمی‌شود.

میزان فشردن پدال گاز توسط راننده، گشتاور درخواستی، وضعیت شارژ باتری، محدودیت توان موتورهای الکتریکی، سرعت موتور احتراق داخلی و شرایط حرکتی خودرو باید در تصمیم‌گیری لحاظ شوند. علاوه بر این، در هنگام ترمزگیری، امکان بازیابی انرژی جنبشی و شارژ باتری نیز باید در نظر گرفته شود.

به همین دلیل، این شبیه‌سازی را می‌توان نقطه شروع مناسبی برای توسعه یک کنترل‌کننده جامع دانست. با اضافه کردن مدل باتری، الگوریتم مدیریت انرژی، کنترل موتورهای الکتریکی و منطق دقیق‌تر کلاچ‌ها، می‌توان مدل را به یک شبیه‌سازی کامل‌تر از سامانه هیبریدی خودرو تبدیل کرد.

اهمیت شبیه‌سازی انتقال قدرت هیبریدی در Matlab

شبیه‌سازی چنین ساختاری در Matlab و Simscape امکان بررسی رفتار سیستم را پیش از پیاده‌سازی سخت‌افزاری فراهم می‌کند. در یک سامانه واقعی، آزمایش حالت‌های مختلف انتقال قدرت مستلزم تجهیزات مکانیکی و الکتریکی پیچیده و هزینه‌بر است؛ در حالی که در محیط شبیه‌سازی می‌توان سناریوهای مختلف را با تغییر پارامترها و قوانین کنترلی بررسی کرد.

همچنین می‌توان اثر تغییر نسبت‌های دنده، وضعیت کلاچ‌ها، سرعت موتورهای الکتریکی و شرایط رانندگی را بر رفتار سیستم بررسی کرد. این قابلیت برای طراحی سیستم‌های کنترل، تحلیل مصرف انرژی و مطالعه رفتار دینامیکی خودروهای هیبریدی اهمیت زیادی دارد.

از سوی دیگر، ثبت متغیرهای داخلی سیستم با Simscape Logging امکان تحلیل دقیق‌تری از فرآیند انتقال توان را فراهم می‌کند. به کمک این داده‌ها می‌توان سرعت شفت‌ها، نسبت انتقال قدرت و تغییر وضعیت سیستم را در طول زمان بررسی کرد و ارتباط میان بخش مکانیکی و الکتریکی را بهتر شناخت.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

شبیه‌سازی Two Mode Hybrid Transmission نمونه‌ای مناسب برای بررسی معماری یک سیستم انتقال قدرت هیبریدی پیشرفته در Matlab و Simscape Driveline است. این سیستم از سه مجموعه دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ تشکیل شده و با استفاده از این اجزا می‌تواند چهار نسبت دنده ثابت و دو حالت تقسیم توان ایجاد کند.

در حالت Input-Split تنها Clutch 1 درگیر است، در حالی که حالت Compound-Split با درگیر بودن Clutch 2 ایجاد می‌شود. در مقابل، درگیر شدن هم‌زمان دو کلاچ موجب حذف یک درجه آزادی و ایجاد یک نسبت انتقال قدرت ثابت می‌شود. این معماری به سیستم اجازه می‌دهد بین حالت‌های مختلف عملکردی جابه‌جا شود و در هر محدوده کاری از ساختار مناسب‌تری برای انتقال توان استفاده کند.

نتایج Simscape Logging نیز امکان بررسی سرعت موتور، موتور-ژنراتورها و خودرو را در طول تغییر حالت‌های انتقال قدرت فراهم می‌کند. همچنین نمودار نسبت دنده نشان می‌دهد که دو ماشین الکتریکی چگونه به مجموعه دنده‌های سیاره‌ای اجازه می‌دهند رفتاری مشابه یک انتقال قدرت با نسبت متغیر پیوسته ایجاد کند.

در مجموع، این شبیه‌سازی یک چارچوب مناسب برای مطالعه ارتباط میان دنده‌های سیاره‌ای، کلاچ‌ها، موتورهای الکتریکی و موتور احتراق داخلی ارائه می‌دهد و می‌تواند مبنایی برای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تر مدیریت انرژی و کنترل خودروهای هیبریدی قرار گیرد.