“`htmسیستم بازیابی انرژی جنبشی یا Kinetic Energy Recovery System (KERS) یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در خودروهای مسابقه‌ای فرمول یک محسوب می‌شود که با هدف افزایش بازده انرژی، کاهش اتلاف انرژی ترمزگیری و بهبود عملکرد خودرو توسعه یافته است. در این شبیه‌سازی، عملکرد کامل یک سیستم KERS مورد بررسی قرار گرفته و نحوه ذخیره‌سازی انرژی در هنگام ترمزگیری و استفاده مجدد از آن در زمان شتاب‌گیری تحلیل می‌شود. این مدل نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با استفاده از ابزارهای Simscape و Simscape Electrical در محیط Matlab رفتار سیستم را در سطح کل خودرو مدل‌سازی و ارزیابی کرد.

معرفی سیستم بازیابی انرژی جنبشی

در خودروهای معمولی و حتی خودروهای مسابقه‌ای، هنگام ترمزگیری مقدار بسیار زیادی از انرژی جنبشی خودرو به صورت گرما در سیستم ترمز تلف می‌شود. سیستم KERS با هدف جلوگیری از این اتلاف طراحی شده است. در این فناوری، انرژی حاصل از کاهش سرعت خودرو توسط یک موتور-ژنراتور دریافت شده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. سپس این انرژی در تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی نگهداری شده و در زمان مناسب مجدداً برای افزایش توان محرکه خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این شبیه‌سازی فرض شده است که انرژی بازیابی شده در ترکیبی از یک باتری لیتیوم-یونی و یک ابرخازن ذخیره می‌شود. این ساختار ترکیبی باعث می‌شود بتوان از مزایای هر دو فناوری به صورت همزمان بهره برد؛ به گونه‌ای که باتری ظرفیت ذخیره انرژی بالایی داشته و ابرخازن نیز توان بسیار زیادی برای شارژ و دشارژ سریع فراهم می‌کند.

هدف از شبیه‌سازی

هدف اصلی این شبیه‌سازی بررسی تأثیر استفاده از سیستم KERS بر عملکرد یک خودروی فرمول یک در طول یک دور کامل پیست مسابقه است. مدل امکان بررسی اثر پارامترهای مختلف طراحی بر زمان طی کردن یک دور مسابقه را فراهم می‌کند و به طراح اجازه می‌دهد بهترین ترکیب اجزا را انتخاب کند.

در این مدل فرض شده است که حداکثر ۴۰۰ کیلوژول انرژی در هر دور مسابقه قابل استفاده بوده و حداکثر توان خروجی سیستم برابر با ۶۰ کیلووات است. این محدودیت‌ها مشابه قوانین رایج مسابقات فرمول یک در زمان استفاده از فناوری KERS در نظر گرفته شده‌اند.

پارامترهای طراحی سیستم

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این شبیه‌سازی، امکان تغییر پارامترهای طراحی و مشاهده تأثیر آن‌ها بر عملکرد خودرو است. سه جزء اصلی سیستم شامل باتری، ابرخازن و موتور-ژنراتور دارای جرم مشخصی هستند که مستقیماً بر عملکرد خودرو اثر می‌گذارند.

افزایش جرم هر یک از این تجهیزات موجب افزایش وزن کلی خودرو شده و در نتیجه شتاب خودرو کاهش پیدا می‌کند. از طرف دیگر، افزایش ظرفیت تجهیزات ذخیره انرژی باعث می‌شود انرژی بیشتری بازیابی و مجدداً استفاده شود. بنابراین طراحی سیستم یک مسئله بهینه‌سازی محسوب می‌شود که در آن باید میان وزن تجهیزات و میزان انرژی بازیابی شده تعادل مناسبی برقرار شود.

در صورتی که جرم هر سه مؤلفه برابر با مقدار بسیار کوچک ۰٫۰۱ کیلوگرم در نظر گرفته شود، عملاً خودرو فاقد سیستم KERS خواهد بود و زمان طی کردن یک دور پیست برابر با ۹۵ ثانیه خواهد شد.

در تنظیمات پیش‌فرض مدل، استفاده از سیستم KERS باعث کاهش تقریبی یک چهارم ثانیه در زمان یک دور مسابقه می‌شود. اگرچه این مقدار در نگاه اول کوچک به نظر می‌رسد، اما در مسابقات حرفه‌ای فرمول یک اختلاف چند دهم ثانیه می‌تواند تعیین‌کننده جایگاه رانندگان باشد.

ترکیب باتری لیتیوم-یونی و ابرخازن

یکی از نکات مهم این شبیه‌سازی استفاده همزمان از باتری لیتیوم-یونی و ابرخازن است. هر یک از این تجهیزات دارای ویژگی‌های متفاوتی هستند که باعث می‌شود استفاده ترکیبی از آن‌ها بهترین عملکرد را ایجاد کند.

باتری لیتیوم-یونی دارای چگالی انرژی بسیار بالایی است؛ یعنی می‌تواند مقدار زیادی انرژی را در وزن نسبتاً کم ذخیره کند. اما محدودیت اصلی آن، توان خروجی پایین‌تر نسبت به ابرخازن است و نمی‌تواند در مدت زمان بسیار کوتاه انرژی زیادی را مبادله کند.

در مقابل، ابرخازن دارای ظرفیت انرژی کمتری است اما توان بسیار بالایی برای شارژ و دشارژ سریع دارد. به همین دلیل هنگام ترمزگیری شدید یا شتاب‌گیری ناگهانی عملکرد بسیار مناسبی ارائه می‌دهد و مکمل بسیار خوبی برای باتری محسوب می‌شود.

این ترکیب باعث می‌شود سیستم بتواند هم انرژی کافی را ذخیره کند و هم در لحظه مورد نیاز توان بالایی را در اختیار موتور الکتریکی قرار دهد.

ساختار مدل شبیه‌سازی

مدل طراحی شده از چند زیرسیستم اصلی تشکیل شده است که هر یک وظیفه مشخصی را بر عهده دارند.

زیرسیستم محرکه PMSM

در این بخش موتور سنکرون مغناطیس دائم به همراه درایو کنترلی آن مدل‌سازی شده است. این موتور در زمان ترمزگیری به صورت ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. همچنین هنگام شتاب‌گیری، انرژی ذخیره شده را مجدداً به گشتاور مکانیکی تبدیل کرده و به افزایش شتاب خودرو کمک می‌کند.

زیرسیستم باتری و ابرخازن

این زیرسیستم مسئول مدیریت ذخیره‌سازی انرژی است. انرژی تولید شده در هنگام ترمزگیری میان باتری و ابرخازن توزیع شده و در زمان مناسب برای تأمین توان موتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدیریت صحیح این بخش تأثیر مستقیمی بر راندمان کل سیستم دارد.

زیرسیستم پیش‌بینی سرعت در پیچ‌ها

یکی دیگر از بخش‌های مهم مدل، زیرسیستم پیش‌بینی سرعت خودرو در پیچ‌ها است. راننده از قبل حداکثر سرعت مجاز عبور از هر پیچ را می‌داند و سیستم کنترل نیز زمان مناسب برای آغاز ترمزگیری را محاسبه می‌کند تا خودرو دقیقاً با سرعت مورد نیاز وارد پیچ شود.

این بخش باعث می‌شود فرآیند بازیابی انرژی با بیشترین بازده ممکن انجام شود و سیستم بتواند بیشترین مقدار انرژی قابل بازیابی را ذخیره کند.

نتایج شبیه‌سازی

نتایج حاصل از شبیه‌سازی توسط ابزار Simscape Logging استخراج شده‌اند و رفتار کامل خودرو را در طول یک دور مسابقه نمایش می‌دهند.

یکی از نمودارهای اصلی، تغییرات سرعت خودرو در طول مسیر مسابقه را نشان می‌دهد. در این نمودار مشاهده می‌شود که راننده قبل از ورود به هر پیچ عملیات ترمزگیری را آغاز کرده و سرعت خودرو را تا مقدار مورد نیاز کاهش می‌دهد. در همین مرحله بیشترین مقدار انرژی جنبشی بازیابی شده و در سیستم ذخیره می‌شود.

پس از خروج از پیچ، انرژی ذخیره شده برای افزایش شتاب خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد و باعث کاهش زمان لازم برای رسیدن به سرعت‌های بالا می‌شود.

بررسی راهبردهای مختلف استفاده از KERS

در این شبیه‌سازی دو راهبرد متفاوت برای استفاده از توان الکتریکی مورد مقایسه قرار گرفته‌اند.

در راهبرد اول، هر زمان که خودرو در حال ترمزگیری نباشد، از تمام توان الکتریکی موجود برای کمک به موتور استفاده می‌شود. این روش ساده‌ترین راهبرد مدیریت انرژی بوده و موجب کاهش زمان طی کردن مسیر می‌شود.

در راهبرد دوم، سیستم تنها در برخی پیچ‌های مشخص از انرژی ذخیره شده استفاده می‌کند. در این حالت انرژی برای نقاط مهم‌تر پیست ذخیره شده و در زمان‌های از پیش تعیین شده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نتایج نشان می‌دهد در این روش برای دستیابی به عملکرد مناسب، استفاده از ابرخازنی با ظرفیت بیشتر ضروری است؛ زیرا انرژی باید برای مدت طولانی‌تری ذخیره شده و سپس به صورت ناگهانی آزاد شود.

مقایسه نمودار گشتاور موتور در دو راهبرد نشان می‌دهد که در روش انتخابی، در برخی بخش‌های پیست گشتاور موتور الکتریکی برابر صفر بوده و سیستم هیچ کمکی به موتور اصلی نمی‌کند، در حالی که در راهبرد استفاده مداوم، موتور الکتریکی تقریباً در تمام مراحل شتاب‌گیری فعال است.

مزایای استفاده از Simscape و Simscape Electrical

یکی از مهم‌ترین مزایای این شبیه‌سازی، استفاده از محیط Simscape و Simscape Electrical برای مدل‌سازی چندرشته‌ای سیستم است. این ابزارها امکان مدل‌سازی همزمان بخش‌های مکانیکی، الکتریکی، کنترلی و ذخیره‌سازی انرژی را فراهم کرده و ارتباط میان آن‌ها را به صورت کاملاً واقعی شبیه‌سازی می‌کنند.

به کمک این قابلیت، مهندسان می‌توانند قبل از ساخت نمونه واقعی، عملکرد سیستم را در شرایط مختلف بررسی کرده و بهترین پارامترهای طراحی را انتخاب کنند. این موضوع موجب کاهش هزینه توسعه، کاهش زمان طراحی و افزایش کیفیت محصول نهایی خواهد شد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نمونه‌ای کامل از تحلیل عملکرد سیستم بازیابی انرژی جنبشی در خودروهای فرمول یک است. مدل نشان می‌دهد که طراحی مناسب سیستم KERS نیازمند ایجاد تعادل میان وزن تجهیزات، ظرفیت ذخیره انرژی، توان خروجی و راهبرد مدیریت انرژی است. استفاده همزمان از باتری لیتیوم-یونی و ابرخازن باعث افزایش راندمان سیستم شده و امکان بازیابی مؤثر انرژی ترمزگیری را فراهم می‌کند. همچنین نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که حتی کاهش چند دهم ثانیه‌ای زمان طی کردن یک دور مسابقه می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در رقابت‌های حرفه‌ای داشته باشد. استفاده از Matlab، Simscape و Simscape Electrical نیز بستری مناسب برای طراحی، تحلیل، ارزیابی و بهینه‌سازی چنین سیستم‌های پیشرفته‌ای فراهم می‌کند و امکان توسعه فناوری‌های نوین مدیریت انرژی در خودروهای الکتریکی و هیبریدی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.

“`