مقدمه‌ای بر گیربکس هیبریدی دوحالته

گیربکس‌های هیبریدی یکی از اجزای مهم در سامانه‌های انتقال قدرت خودروهای هیبریدی هستند که با هدف بهبود بهره‌وری انرژی، کاهش مصرف سوخت و فراهم‌کردن عملکرد مناسب در شرایط مختلف رانندگی طراحی می‌شوند. در این خودروها، موتور احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی می‌توانند به‌صورت هماهنگ در تأمین توان موردنیاز خودرو مشارکت کنند. نحوه ترکیب توان تولیدشده توسط این منابع و چگونگی انتقال آن به چرخ‌ها، تأثیر مستقیمی بر عملکرد کلی خودرو دارد.

یکی از ساختارهای قابل‌توجه در این حوزه، گیربکس هیبریدی دوحالته (Two Mode Hybrid Transmission) است. این سامانه با استفاده از مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای و کلاچ‌ها، امکان فعالیت در چند نسبت انتقال ثابت و دو حالت تقسیم توان را فراهم می‌کند. چنین ساختاری به سیستم انتقال قدرت اجازه می‌دهد تا متناسب با شرایط رانندگی، میان حالت‌های مختلف کاری جابه‌جا شود.

در شبیه‌سازی ارائه‌شده در محیط Matlab و ابزار Simscape Driveline، معماری پایه یک گیربکس هیبریدی دوحالته بررسی می‌شود. مدل از سه مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ تشکیل شده است. ترکیب این اجزا امکان ایجاد چهار نسبت انتقال ثابت و دو حالت تقسیم توان را فراهم می‌کند. هدف از این شبیه‌سازی، بررسی نحوه تغییر حالت‌های انتقال قدرت، تحلیل سرعت شفت‌های مختلف و مشاهده تغییرات نسبت انتقال در طول یک پروفایل شتاب‌گیری است.

ساختار کلی گیربکس هیبریدی دوحالته

ساختار اصلی گیربکس در این مدل از سه مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ تشکیل شده است. این اجزا به‌گونه‌ای به یکدیگر متصل شده‌اند که امکان ایجاد چند آرایش مکانیکی متفاوت برای انتقال توان فراهم شود. با تغییر وضعیت کلاچ‌ها، ارتباط میان اعضای مختلف مجموعه‌های سیاره‌ای تغییر می‌کند و در نتیجه، رفتار سینماتیکی و نسبت انتقال گیربکس نیز دستخوش تغییر می‌شود.

چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای به دلیل ساختار فشرده و قابلیت ترکیب چند مسیر انتقال حرکت، در بسیاری از سامانه‌های انتقال قدرت خودروهای هیبریدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر مجموعه سیاره‌ای معمولاً از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود: چرخ‌دنده خورشیدی، چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای و حامل سیاره‌ای. در بسیاری از طراحی‌ها، چرخ‌دنده حلقوی نیز به‌عنوان یکی از اجزای اصلی مجموعه حضور دارد.

سرعت چرخش این اجزا به یکدیگر وابسته است. بنابراین، با اتصال هر یک از اعضا به ورودی، خروجی یا سایر اجزای مجموعه انتقال قدرت، می‌توان رفتارهای متفاوتی ایجاد کرد. در گیربکس هیبریدی دوحالته، ترکیب سه مجموعه سیاره‌ای باعث می‌شود چندین مسیر انتقال توان در اختیار سیستم قرار گیرد.

چهار کلاچ موجود در مدل، نقش مهمی در تغییر آرایش مکانیکی گیربکس دارند. این کلاچ‌ها با برقرارکردن یا تغییر ارتباط میان اجزای انتقال قدرت، شرایط لازم برای ایجاد نسبت‌های انتقال ثابت و حالت‌های تقسیم توان را فراهم می‌کنند.

نکته مهم آن است که عملکرد این گیربکس تنها به تعداد چرخ‌دنده‌ها یا کلاچ‌ها وابسته نیست؛ بلکه نحوه اتصال اجزا، وضعیت درگیری کلاچ‌ها و سرعت نسبی اعضای مختلف نیز در تعیین رفتار سیستم نقش دارند. به همین دلیل، شبیه‌سازی دینامیکی برای بررسی عملکرد این ساختار پیچیده اهمیت زیادی دارد.

نقش کلاچ‌ها در تغییر حالت‌های کاری

کلاچ‌ها در گیربکس هیبریدی دوحالته وظیفه دارند ارتباط مکانیکی میان بخش‌های مختلف سیستم را برقرار یا قطع کنند. تغییر وضعیت این اجزا موجب تغییر درجات آزادی مکانیکی مجموعه و در نتیجه تغییر نحوه انتقال توان می‌شود.

در این مدل، ترکیب وضعیت کلاچ‌ها امکان دستیابی به شش حالت کاری اصلی را فراهم می‌کند. این حالت‌ها شامل چهار نسبت انتقال ثابت و دو حالت تقسیم توان هستند. هر یک از این حالت‌ها برای شرایط مشخصی از حرکت خودرو مناسب است.

در حالت‌های تقسیم توان، بخشی از توان ورودی می‌تواند از مسیر مکانیکی و بخشی دیگر از مسیر الکتریکی منتقل شود. در مقابل، در حالت‌های نسبت انتقال ثابت، آرایش مکانیکی مجموعه به‌گونه‌ای است که نسبت مشخصی میان سرعت ورودی و خروجی ایجاد می‌شود.

در حالت نسبت انتقال ثابت، بسته به طراحی و شرایط کاری، امکان کاهش نیاز به تبدیل پیوسته سرعت از طریق مسیرهای الکتریکی وجود دارد. این ویژگی می‌تواند در شرایط رانندگی پایدار، مانند حرکت با سرعت نسبتاً ثابت در جاده، برای بهبود بهره‌وری انرژی مفید باشد.

از سوی دیگر، حالت‌های تقسیم توان انعطاف‌پذیری بیشتری برای تنظیم سرعت موتور احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی فراهم می‌کنند. به همین دلیل، این حالت‌ها برای تغییر وضعیت گیربکس و همچنین شرایط شتاب‌گیری یا کاهش سرعت شدید اهمیت دارند.

حالت اول تقسیم توان؛ Input-Split

یکی از دو حالت تقسیم توان در این گیربکس، حالت Input-Split یا تقسیم توان در ورودی است. در این وضعیت، فقط کلاچ شماره یک درگیر می‌شود و کلاچ شماره دو در حالت آزاد قرار دارد. این آرایش مکانیکی، شرایط لازم برای عملکرد گیربکس در حالت تقسیم توان ورودی را فراهم می‌کند.

در حالت Input-Split، توان ورودی به مجموعه انتقال قدرت می‌تواند میان مسیرهای مختلف توزیع شود. یکی از این مسیرها انتقال مکانیکی از طریق چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای است و مسیر دیگر می‌تواند از طریق سامانه الکتریکی شامل موتور-ژنراتورها و مبدل‌های مرتبط برقرار شود.

در چنین ساختاری، سرعت موتور احتراق داخلی لزوماً رابطه‌ای ثابت و مستقیم با سرعت خودرو ندارد. موتورهای الکتریکی می‌توانند با تغییر سرعت و گشتاور خود، شرایط عملکرد مجموعه سیاره‌ای را تنظیم کنند. این قابلیت به سیستم اجازه می‌دهد تا سرعت موتور احتراق داخلی را با نیاز توان خودرو هماهنگ سازد.

یکی از مزایای این حالت، فراهم‌شدن امکان تغییر پیوسته رفتار انتقال قدرت بدون نیاز به تعویض متوالی نسبت‌های مکانیکی ثابت است. البته این عملکرد به ظرفیت موتورهای الکتریکی، محدودیت‌های سرعت و گشتاور، وضعیت باتری و راهبرد کنترلی سیستم نیز وابسته است.

در شبیه‌سازی Matlab، بررسی سرعت شفت موتور احتراق داخلی و شفت‌های موتور-ژنراتورها در این حالت می‌تواند اطلاعات مناسبی درباره نحوه تقسیم توان و ارتباط سینماتیکی اجزای انتقال قدرت فراهم کند.

حالت دوم تقسیم توان؛ Compound-Split

حالت دوم تقسیم توان با عنوان Compound-Split شناخته می‌شود. در این حالت، فقط کلاچ شماره دو درگیر است و کلاچ شماره یک درگیر نیست. این وضعیت، آرایش متفاوتی از مجموعه‌های چرخ‌دنده سیاره‌ای ایجاد می‌کند و امکان تقسیم توان را در بخش‌های مختلف مسیر انتقال قدرت فراهم می‌سازد.

در حالت Input-Split، تمرکز اصلی بر تقسیم توان در ورودی مجموعه انتقال قدرت است؛ اما در حالت Compound-Split، مسیرهای انتقال توان به‌گونه‌ای ترکیب می‌شوند که تقسیم توان می‌تواند هم در ورودی و هم در خروجی مجموعه انتقال قدرت مطرح باشد.

این تفاوت در آرایش مکانیکی موجب تغییر روابط سرعت و گشتاور میان موتور احتراق داخلی، موتورهای الکتریکی و خروجی گیربکس می‌شود. در نتیجه، حالت Compound-Split می‌تواند برای شرایطی مناسب باشد که به ترکیب متفاوتی از توان مکانیکی و الکتریکی نیاز است.

عملکرد دقیق این حالت به طراحی مجموعه چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای، تعداد دندانه‌ها، اتصالات مکانیکی و شرایط کنترلی وابسته است. بنابراین، نمی‌توان بدون بررسی پارامترهای مدل، یک محدوده سرعت یا گشتاور مشخص را برای آن تعیین کرد.

شبیه‌سازی این حالت در Simscape Driveline کمک می‌کند تا اثر تغییر وضعیت کلاچ شماره دو بر سرعت شفت‌ها و نسبت انتقال کلی سیستم بررسی شود. همچنین مقایسه نتایج این حالت با حالت Input-Split می‌تواند تفاوت رفتار دو آرایش تقسیم توان را آشکار کند.

نسبت‌های انتقال ثابت و نحوه ایجاد آن‌ها

علاوه بر دو حالت تقسیم توان، گیربکس مورد بررسی قادر است چهار نسبت انتقال ثابت ایجاد کند. این نسبت‌ها با تغییر وضعیت کلاچ‌ها و ایجاد محدودیت‌های مکانیکی مناسب در مجموعه چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای شکل می‌گیرند.

هنگامی که دو کلاچ به‌طور هم‌زمان درگیر می‌شوند، یک درجه آزادی از سیستم حذف می‌شود. این محدودیت مکانیکی باعث می‌شود رابطه سرعت میان ورودی و خروجی به یک نسبت ثابت تبدیل شود. در نتیجه، گیربکس وارد یکی از حالت‌های انتقال با نسبت ثابت می‌شود.

در این وضعیت، حرکت اجزای مختلف مجموعه سیاره‌ای دیگر به‌اندازه حالت‌های تقسیم توان آزاد نیست. درگیری هم‌زمان دو کلاچ، ارتباط مکانیکی مشخصی میان اجزای سیستم برقرار می‌کند و رفتار انتقال قدرت را محدودتر می‌سازد.

چهار نسبت ثابت ایجادشده در این گیربکس، امکان استفاده از آرایش‌های مکانیکی متفاوت را متناسب با شرایط حرکتی خودرو فراهم می‌کنند. در زمان حرکت پایدار، استفاده از نسبت مناسب می‌تواند به کاهش تلفات مرتبط با تبدیل توان الکتریکی و مکانیکی کمک کند.

البته میزان واقعی بهبود بهره‌وری به شرایط کاری، راندمان موتور احتراق داخلی، راندمان موتورهای الکتریکی، تلفات چرخ‌دنده‌ها، وضعیت باتری و نحوه مدیریت انرژی بستگی دارد. بنابراین، وجود نسبت ثابت به‌تنهایی تضمین‌کننده بیشترین بازده در تمام شرایط نیست؛ بلکه انتخاب صحیح حالت انتقال قدرت اهمیت اساسی دارد.

اهمیت درجات آزادی در گیربکس هیبریدی

یکی از مفاهیم مهم در تحلیل گیربکس‌های سیاره‌ای، درجه آزادی مکانیکی است. درجه آزادی نشان می‌دهد برای تعیین وضعیت حرکتی یک سیستم، چند متغیر مستقل باید مشخص شوند.

در مجموعه‌های چرخ‌دنده سیاره‌ای، سرعت چرخش اعضا مستقل از یکدیگر نیست. روابط هندسی چرخ‌دنده‌ها، سرعت خورشیدی، سرعت حلقوی و سرعت حامل را به هم مرتبط می‌کنند. با اضافه‌شدن کلاچ‌ها و اتصالات میان مجموعه‌های مختلف، محدودیت‌های بیشتری بر حرکت اجزا اعمال می‌شود.

در حالت‌های تقسیم توان، آرایش سیستم اجازه می‌دهد سرعت برخی اجزا در محدوده‌ای مشخص تغییر کند و موتورهای الکتریکی در تنظیم رفتار انتقال قدرت مشارکت داشته باشند. اما هنگامی که دو کلاچ به‌طور هم‌زمان درگیر می‌شوند، یک درجه آزادی حذف می‌شود و سیستم به یک آرایش با نسبت انتقال ثابت می‌رسد.

این تغییر درجه آزادی از دیدگاه شبیه‌سازی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا رفتار دینامیکی گیربکس پیش و پس از درگیری کلاچ‌ها یکسان نیست. تغییر وضعیت کلاچ‌ها می‌تواند بر سرعت شفت‌ها، توزیع گشتاور و پاسخ گذرای سیستم اثر بگذارد.

در مدل‌های دینامیکی دقیق، لازم است وضعیت کلاچ‌ها و نحوه انتقال میان حالت‌ها به‌درستی تعریف شوند تا از ایجاد رفتارهای غیرواقعی یا ناپایداری عددی جلوگیری شود. همچنین شرایط اولیه، پارامترهای اجزای مکانیکی و تنظیمات حل‌گر در کیفیت نتایج تأثیرگذار هستند.

معرفی مدل شبیه‌سازی در Matlab و Simscape Driveline

این شبیه‌سازی با استفاده از محیط Matlab و ابزار Simscape Driveline انجام می‌شود. Simscape Driveline مجموعه‌ای از اجزای فیزیکی و ابزارهای مدل‌سازی را برای بررسی سامانه‌های انتقال قدرت، چرخ‌دنده‌ها، کلاچ‌ها، موتورهای محرک و اجزای مکانیکی خودرو در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

در مدل گیربکس هیبریدی دوحالته، بخش‌های اصلی شامل مجموعه‌های چرخ‌دنده سیاره‌ای، کلاچ‌ها، شفت‌های انتقال قدرت و اجزای مرتبط با منابع توان هستند. این اجزا به‌صورت یک سامانه فیزیکی به یکدیگر متصل شده‌اند تا رفتار انتقال قدرت در حالت‌های کاری مختلف قابل بررسی باشد.

یکی از بخش‌های مهم مدل، زیرسیستم Transmission است. این زیرسیستم ساختار مکانیکی گیربکس را در بر می‌گیرد و ارتباط میان اجزای انتقال قدرت را مشخص می‌کند. سه مجموعه سیاره‌ای و چهار کلاچ در این بخش نقش اصلی را در ایجاد حالت‌های کاری مختلف ایفا می‌کنند.

مدل همچنین شامل زیرسیستم Strategy است که مجموعه‌ای از قواعد را برای تعیین زمان تغییر حالت‌های انتقال قدرت تعریف می‌کند. این قواعد در شبیه‌سازی حاضر برای یک پروفایل شتاب‌گیری پایدار به کار می‌روند.

باید توجه داشت که راهبرد کنترلی ارائه‌شده در این مثال، یک راهبرد کامل مدیریت انرژی خودرو نیست. هدف آن تعیین زمان تغییر میان حالت‌های انتقال قدرت است. برای طراحی کنترل‌کننده کامل خودرو، لازم است کنترل توان الکتریکی نیز با توجه به سرعت خودرو، درخواست راننده و وضعیت شارژ باتری در نظر گرفته شود.

بررسی زیرسیستم Strategy و منطق تغییر حالت‌ها

در گیربکس هیبریدی دوحالته، تغییر حالت انتقال قدرت باید متناسب با شرایط حرکتی خودرو انجام شود. اگر تغییر حالت‌ها بدون توجه به سرعت شفت‌ها و وضعیت کاری سیستم صورت گیرد، ممکن است پاسخ انتقال قدرت نامطلوب شود یا تنش‌های مکانیکی افزایش یابد.

زیرسیستم Strategy در مدل، قواعدی را تعریف می‌کند که تعیین می‌کنند گیربکس در چه شرایطی از یک حالت کاری به حالت دیگر منتقل شود. این قواعد برای بررسی رفتار گیربکس در یک پروفایل شتاب‌گیری پایدار در نظر گرفته شده‌اند.

در جریان شتاب‌گیری، سرعت خودرو افزایش می‌یابد و شرایط مناسب برای استفاده از حالت‌های مختلف انتقال قدرت تغییر می‌کند. راهبرد کنترل می‌تواند بر اساس منطق تعریف‌شده، بین نسبت‌های انتقال ثابت و حالت‌های تقسیم توان جابه‌جا شود.

در حالت‌های تقسیم توان، انعطاف‌پذیری بیشتری برای تنظیم سرعت موتور احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی وجود دارد. در مقابل، در حالت‌های نسبت ثابت، ارتباط مکانیکی محدودتری میان اجزای انتقال قدرت برقرار می‌شود.

در یک سامانه واقعی، راهبرد تغییر حالت معمولاً باید علاوه بر سرعت خودرو، گشتاور درخواستی راننده، سرعت موتور احتراق داخلی، محدودیت‌های موتورهای الکتریکی، وضعیت باتری و شرایط حرارتی اجزا را نیز در نظر بگیرد.

برای مثال، اگر باتری در وضعیت شارژ پایینی قرار داشته باشد، استفاده از یک حالت انتقال قدرت که به توان الکتریکی بالایی نیاز دارد، ممکن است مناسب نباشد. همچنین در شرایط شتاب‌گیری شدید، اولویت کنترل‌کننده می‌تواند تأمین گشتاور موردنیاز باشد؛ درحالی‌که هنگام حرکت یکنواخت، کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

بنابراین، راهبرد موجود در این شبیه‌سازی را باید یک منطق پایه برای مدیریت حالت‌های گیربکس در نظر گرفت، نه الگوریتم نهایی کنترل یک خودروی هیبریدی تولیدی.

بررسی نتایج شبیه‌سازی با استفاده از Simscape Logging

یکی از قابلیت‌های مهم این مدل، امکان بررسی نتایج شبیه‌سازی با استفاده از Simscape Logging است. این قابلیت اجازه می‌دهد متغیرهای فیزیکی مرتبط با اجزای مختلف سامانه ثبت شوند و پس از اجرای شبیه‌سازی، رفتار دینامیکی آن‌ها مورد بررسی قرار گیرد.

در این مثال، نمودارهای نتایج شامل سرعت موتور احتراق داخلی، سرعت شفت‌های موتور-ژنراتورها و سرعت خودرو هستند. بررسی هم‌زمان این متغیرها به درک ارتباط میان عملکرد منابع توان و رفتار گیربکس کمک می‌کند.

نمودار سرعت‌ها نشان می‌دهد که با عبور سیستم از حالت‌های مختلف کاری، رفتار سرعت شفت‌های انتقال قدرت نیز تغییر می‌کند. این تغییرات به آرایش مکانیکی گیربکس، وضعیت کلاچ‌ها و نحوه مشارکت منابع توان وابسته است.

برای تحلیل نتایج، باید توجه کرد که سرعت موتور احتراق داخلی الزاماً هم‌زمان با سرعت خودرو افزایش نمی‌یابد. در حالت‌های تقسیم توان، موتورهای الکتریکی و مجموعه چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای می‌توانند شرایطی ایجاد کنند که سرعت موتور احتراق داخلی مستقل‌تر از سرعت خروجی گیربکس تنظیم شود.

در مقابل، در حالت‌های نسبت انتقال ثابت، محدودیت‌های مکانیکی بیشتری بر ارتباط سرعت شفت‌ها حاکم است. در نتیجه، نسبت سرعت ورودی و خروجی با توجه به آرایش درگیرشده، مقدار مشخصی خواهد داشت.

از دیدگاه مهندسی، بررسی این نمودارها برای ارزیابی موارد زیر مفید است:

• نحوه تغییر سرعت موتور احتراق داخلی در حالت‌های مختلف انتقال قدرت.
• رفتار سرعت شفت‌های موتور-ژنراتورها در زمان تغییر حالت گیربکس.
• ارتباط میان افزایش سرعت خودرو و تغییر وضعیت انتقال قدرت.
• تأثیر درگیری و آزادشدن کلاچ‌ها بر پاسخ دینامیکی سیستم.
• شناسایی تغییرات ناگهانی یا رفتارهای غیرمنتظره در زمان جابه‌جایی میان حالت‌ها.

اگر در زمان تغییر حالت‌ها نوسان یا تغییر ناگهانی در سرعت شفت‌ها مشاهده شود، باید مشخص شود که این رفتار ناشی از دینامیک واقعی سیستم، نحوه اعمال کلاچ‌ها، شرایط اولیه یا تنظیمات عددی شبیه‌سازی است. بدون بررسی نمودارها و پارامترهای واقعی مدل، نمی‌توان درباره شدت یا مقدار چنین تغییراتی نتیجه قطعی گرفت.

تحلیل نمودار نسبت انتقال گیربکس هیبریدی دوحالته

یکی دیگر از خروجی‌های مهم این مدل، نمودار نسبت انتقال گیربکس است. این نمودار نشان می‌دهد که نسبت انتقال در طول حرکت خودرو و هنگام تغییر حالت‌های کاری چگونه رفتار می‌کند.

در گیربکس‌های معمولی با نسبت‌های ثابت، نسبت انتقال تنها در چند مقدار مشخص تغییر می‌کند. اما در گیربکس هیبریدی دوحالته، استفاده از دو موتور الکتریکی در کنار مجموعه‌های چرخ‌دنده سیاره‌ای این امکان را فراهم می‌کند که سیستم در حالت‌های تقسیم توان، رفتار یک گیربکس با نسبت انتقال متغیر پیوسته را ایجاد کند.

در این شرایط، نسبت انتقال مؤثر می‌تواند در یک بازه تغییر کند، بدون آنکه لازم باشد گیربکس مانند یک جعبه‌دنده معمولی به‌صورت متوالی میان تعداد زیادی نسبت مکانیکی ثابت جابه‌جا شود.

برای درک بهتر این موضوع، باید میان نسبت انتقال مکانیکی ثابت و نسبت انتقال مؤثر در حالت تقسیم توان تفاوت قائل شد. در حالت مکانیکی ثابت، آرایش اجزای درگیرشده رابطه مشخصی میان سرعت ورودی و خروجی ایجاد می‌کند. در حالت تقسیم توان، سرعت موتورهای الکتریکی و روابط سینماتیکی مجموعه‌های سیاره‌ای می‌توانند موجب تغییر پیوسته نسبت سرعت ورودی به خروجی شوند.

به‌طور کلی، اگر نسبت انتقال بر اساس نسبت سرعت ورودی به سرعت خروجی تعریف شود، می‌توان آن را به شکل زیر نمایش داد:

\[
i(t)=\frac{\omega_{\mathrm{in}}(t)}{\omega_{\mathrm{out}}(t)}
\]

در این رابطه، \(i(t)\) نسبت انتقال در زمان، \(\omega_{\mathrm{in}}(t)\) سرعت زاویه‌ای ورودی و \(\omega_{\mathrm{out}}(t)\) سرعت زاویه‌ای خروجی است. این تعریف به قرارداد انتخاب‌شده برای جهت چرخش و نحوه تعریف ورودی و خروجی وابسته است. همچنین هنگامی که سرعت خروجی به صفر نزدیک می‌شود، نسبت محاسبه‌شده ممکن است بسیار بزرگ یا از نظر عددی نامناسب شود.

با بررسی نمودار نسبت انتقال می‌توان مشخص کرد که سیستم چه زمانی در حالت تقسیم توان قرار دارد و چه زمانی به یک نسبت ثابت منتقل می‌شود. در حالت‌های ثابت، نسبت انتقال باید با مقدار متناظر با آرایش مکانیکی درگیرشده سازگار باشد. در حالت‌های تقسیم توان، این نسبت می‌تواند با تغییر شرایط کاری و سرعت موتورهای الکتریکی تغییر کند.

این نمودار همچنین برای ارزیابی عملکرد زیرسیستم Strategy مفید است؛ زیرا زمان تغییر نسبت انتقال را می‌توان با زمان تغییر حالت‌های تعریف‌شده در منطق کنترلی مقایسه کرد.

ارتباط موتورهای الکتریکی با عملکرد پیوسته گیربکس

یکی از ویژگی‌های مهم گیربکس هیبریدی دوحالته، استفاده از دو موتور الکتریکی است که در کنار مجموعه‌های چرخ‌دنده سیاره‌ای، امکان تنظیم رفتار انتقال قدرت را فراهم می‌کنند.

موتورهای الکتریکی در سامانه‌های هیبریدی می‌توانند نقش محرک، ژنراتور یا هر دو را داشته باشند. هنگامی که یک ماشین الکتریکی در حالت موتوری کار می‌کند، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. در حالت ژنراتوری، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

در گیربکس‌های تقسیم توان، این قابلیت امکان مدیریت سرعت و گشتاور شفت‌های مرتبط با مجموعه سیاره‌ای را فراهم می‌کند. در نتیجه، سرعت موتور احتراق داخلی را می‌توان با نیازهای حرکتی خودرو هماهنگ کرد و در برخی شرایط، آن را در محدوده‌ای مناسب از نظر مصرف سوخت نگه داشت.

با این حال، عملکرد موتورهای الکتریکی بدون محدودیت نیست. حداکثر سرعت، گشتاور قابل‌دسترس، توان نامی، راندمان و محدودیت‌های حرارتی آن‌ها بر عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارند. همچنین توان الکتریکی موردنیاز باید از طریق باتری، ژنراتور یا ترکیبی از منابع انرژی تأمین شود.

از این رو، برای بررسی کامل بهره‌وری خودرو، تنها مشاهده نمودار نسبت انتقال کافی نیست. لازم است توان مکانیکی ورودی و خروجی، توان الکتریکی موتور-ژنراتورها، تلفات تبدیل انرژی و تغییرات وضعیت شارژ باتری نیز تحلیل شوند.

محدودیت‌های مدل و تفاوت آن با کنترل کامل خودرو

اگرچه این شبیه‌سازی ساختار اصلی گیربکس هیبریدی دوحالته و منطق پایه تغییر حالت‌ها را نشان می‌دهد، اما نباید آن را معادل یک مدل کامل مدیریت انرژی خودرو دانست.

راهبرد موجود در زیرسیستم Strategy بر تعیین زمان تغییر حالت‌های انتقال قدرت در یک پروفایل شتاب‌گیری پایدار تمرکز دارد. در یک خودروی واقعی، تصمیم‌گیری درباره نحوه انتقال توان به اطلاعات بیشتری نیاز دارد.

برای مثال، کنترل‌کننده کامل باید بر اساس سرعت خودرو و درخواست گشتاور راننده، میزان توان موردنیاز را تعیین کند. سپس لازم است سهم موتور احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی مشخص شود. وضعیت شارژ باتری، محدودیت توان الکتریکی، بازده اجزا و شرایط حرارتی نیز در این تصمیم‌گیری اهمیت دارند.

علاوه بر این، در شرایط کاهش سرعت ممکن است بازیابی انرژی از طریق ترمز احیاکننده مطرح شود. در این وضعیت، ماشین‌های الکتریکی می‌توانند در حالت ژنراتوری کار کنند و بخشی از انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. بااین‌حال، مقدار انرژی قابل‌بازیابی به ظرفیت باتری، محدودیت ماشین‌های الکتریکی، شرایط رانندگی و راهبرد کنترل بستگی دارد.

برای توسعه مدل، می‌توان کنترل‌کننده‌های پیشرفته‌تر را به سامانه اضافه کرد و عملکرد آن‌ها را در چرخه‌های رانندگی مختلف مورد ارزیابی قرار داد. همچنین می‌توان مصرف سوخت، انرژی مصرفی یا بازیابی‌شده، پاسخ شتاب‌گیری و کیفیت تغییر حالت‌ها را به‌عنوان معیارهای مقایسه در نظر گرفت.

مراحل پیشنهادی برای تحلیل و توسعه شبیه‌سازی

برای استفاده آموزشی و مهندسی از مدل گیربکس هیبریدی دوحالته در Matlab، بهتر است تحلیل در چند مرحله انجام شود.

۱. بررسی ساختار مکانیکی گیربکس

در مرحله نخست، اتصالات سه مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ بررسی می‌شوند. شناسایی اعضای ورودی و خروجی و نحوه اتصال شفت‌ها به یکدیگر، درک رفتار سینماتیکی سیستم را آسان‌تر می‌کند.

۲. بررسی وضعیت کلاچ‌ها در هر حالت

در مرحله بعد، مشخص می‌شود که هر حالت کاری با کدام ترکیب از کلاچ‌ها ایجاد می‌شود. در این بخش، به‌ویژه باید تفاوت میان حالت Input-Split، حالت Compound-Split و چهار نسبت انتقال ثابت بررسی شود.

۳. اجرای مدل و ثبت متغیرهای فیزیکی

پس از اجرای شبیه‌سازی، سرعت موتور احتراق داخلی، سرعت شفت‌های موتور-ژنراتورها و سرعت خودرو از طریق Simscape Logging بررسی می‌شوند. بهتر است متغیرهای مرتبط با وضعیت کلاچ‌ها و نسبت انتقال نیز در دسترس باشند تا تحلیل نتایج دقیق‌تر انجام شود.

۴. مقایسه نمودار سرعت‌ها و نسبت انتقال

در این مرحله، نمودار سرعت شفت‌ها با نمودار نسبت انتقال مقایسه می‌شود. هدف آن است که مشخص شود تغییرات نسبت انتقال چگونه با تغییر حالت‌های کاری و سرعت اجزای مختلف ارتباط دارد.

۵. ارزیابی رفتار در زمان تغییر حالت‌ها

زمان درگیری یا آزادشدن کلاچ‌ها باید با تغییرات سرعت و نسبت انتقال مقایسه شود. این کار می‌تواند به شناسایی تغییرات ناگهانی و بررسی کیفیت منطق تغییر حالت کمک کند.

۶. توسعه راهبرد کنترل

در صورت نیاز، می‌توان قواعد ساده موجود در Strategy را با راهبردهای پیشرفته‌تر جایگزین کرد. برای مثال، می‌توان علاوه بر سرعت خودرو، گشتاور درخواستی راننده و وضعیت باتری را نیز در تصمیم‌گیری دخالت داد. سپس نتایج راهبردهای مختلف را از نظر مصرف انرژی و کیفیت پاسخ دینامیکی مقایسه کرد.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی گیربکس هیبریدی دوحالته در Matlab و Simscape Driveline، نمونه‌ای کاربردی برای بررسی ساختار و عملکرد سامانه‌های انتقال قدرت خودروهای هیبریدی است. این گیربکس از سه مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای و چهار کلاچ تشکیل شده و امکان ایجاد چهار نسبت انتقال ثابت و دو حالت تقسیم توان را فراهم می‌کند.

در حالت Input-Split، فقط کلاچ شماره یک درگیر است؛ درحالی‌که در حالت Compound-Split، تنها کلاچ شماره دو درگیر می‌شود. درگیری هم‌زمان دو کلاچ نیز با حذف یک درجه آزادی مکانیکی، امکان ایجاد نسبت انتقال ثابت را فراهم می‌کند.

زیرسیستم Strategy در این مدل، قواعد لازم برای تغییر حالت‌های انتقال قدرت را در یک پروفایل شتاب‌گیری پایدار تعریف می‌کند. با استفاده از Simscape Logging می‌توان سرعت موتور احتراق داخلی، سرعت شفت‌های موتور-ژنراتورها، سرعت خودرو و نسبت انتقال گیربکس را بررسی کرد.

نمودارهای سرعت و نسبت انتقال نشان می‌دهند که ترکیب مجموعه‌های سیاره‌ای و دو موتور الکتریکی چگونه امکان ایجاد رفتار انتقال قدرت با نسبت مؤثر متغیر را فراهم می‌کند. این ویژگی، در کنار نسبت‌های مکانیکی ثابت، انعطاف‌پذیری بیشتری برای تطبیق عملکرد سیستم با شرایط مختلف رانندگی ایجاد می‌کند.

در نهایت، این مدل می‌تواند مبنایی مناسب برای آموزش اصول گیربکس‌های هیبریدی، تحلیل درجات آزادی مکانیکی، بررسی نقش کلاچ‌ها و توسعه راهبردهای کنترل انتقال قدرت باشد. با افزودن مدل مدیریت انرژی، محدودیت‌های واقعی موتورهای الکتریکی و باتری و همچنین معیارهای مصرف سوخت و بازده، می‌توان آن را به بستری جامع‌تر برای مطالعه و ارزیابی عملکرد خودروهای هیبریدی تبدیل کرد.