در سال‌های اخیر، توسعه خودروهای هیبریدی به عنوان یکی از مهم‌ترین راهکارهای کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی‌های زیست‌محیطی مورد توجه گسترده قرار گرفته است. در میان معماری‌های مختلف خودروهای هیبریدی، ساختار Power Split Hybrid به دلیل انعطاف‌پذیری بالا در مدیریت توان و امکان بهینه‌سازی مصرف انرژی، جایگاه ویژه‌ای در پژوهش‌های صنعتی و دانشگاهی پیدا کرده است. در این نوع سیستم، یک مجموعه دنده سیاره‌ای (Planetary Gear Set) نقش کلیدی ایفا می‌کند و به همراه موتور الکتریکی و ژنراتور، امکان تقسیم و ترکیب توان بین مسیر مکانیکی و الکتریکی را فراهم می‌سازد.

در این شبیه‌سازی، هدف اصلی بررسی رفتار دینامیکی شبکه الکتریکی خودرو در شرایط رانندگی شامل شتاب‌گیری و کاهش سرعت است. به طور مشخص، خودرو از سرعت 15 متر بر ثانیه به 20 متر بر ثانیه شتاب می‌گیرد و سپس مجدداً تا 15 متر بر ثانیه کاهش سرعت می‌دهد. این فرآیند امکان تحلیل کامل تبادل توان بین اجزای مختلف سیستم شامل موتور، ژنراتور، باتری و مبدل DC-DC را فراهم می‌کند. نکته مهم در این مدل آن است که استراتژی مدیریت توان تنها بر پایه انرژی الکتریکی طراحی شده و از مداخلات پیچیده مکانیکی در کنترل توان اجتناب شده است.

در معماری Power Split، مجموعه دنده سیاره‌ای به عنوان یک تقسیم‌کننده توان عمل می‌کند. این مجموعه شامل سه جزء اصلی یعنی دنده خورشیدی (Sun Gear)، دنده حلقه‌ای (Ring Gear) و حامل سیاره‌ای (Carrier) است. هر یک از این اجزا به یکی از منابع یا مصرف‌کننده‌های توان متصل می‌شود. موتور احتراق داخلی (در صورت وجود)، موتور الکتریکی و ژنراتور به گونه‌ای در این ساختار قرار می‌گیرند که بتوانند به صورت همزمان نقش تولیدکننده و مصرف‌کننده توان را ایفا کنند. در این شبیه‌سازی خاص، تمرکز بر رفتار الکتریکی سیستم بوده و مدل‌سازی به گونه‌ای انجام شده است که جریان توان تنها از طریق مسیرهای الکتریکی بررسی شود.

برای پیاده‌سازی این سیستم از محیط شبیه‌سازی :contentReference[oaicite:0]{index=0} و به طور خاص کتابخانه :contentReference[oaicite:1]{index=1} استفاده شده است. این ابزار امکان مدل‌سازی مبتنی بر انرژی را فراهم می‌کند، به طوری که معادلات سیستم در سطح فیزیکی و بر اساس تبادل توان بین اجزا تعریف می‌شوند. یکی از مزایای مهم این رویکرد، در نظر گرفتن تلفات واقعی در تبدیل انرژی است که شامل تلفات مسی، تلفات سوئیچینگ در مبدل‌ها و تلفات ناشی از مقاومت داخلی باتری می‌شود.

در ساختار مدل، موتور الکتریکی به عنوان محرک اصلی خودرو عمل می‌کند. این موتور انرژی الکتریکی را از باتری دریافت کرده و آن را به گشتاور مکانیکی تبدیل می‌کند. در مقابل، ژنراتور در شرایط خاص، به ویژه هنگام کاهش سرعت خودرو، نقش بازیابی انرژی را ایفا می‌کند. این فرآیند که به عنوان ترمز احیایی (Regenerative Braking) شناخته می‌شود، امکان بازگرداندن بخشی از انرژی جنبشی خودرو به باتری را فراهم می‌سازد و نقش مهمی در افزایش بهره‌وری کلی سیستم دارد.

مبدل DC-DC نیز یکی از اجزای کلیدی این شبکه الکتریکی محسوب می‌شود. این مبدل وظیفه تنظیم سطح ولتاژ بین باتری و سایر اجزای الکتریکی را بر عهده دارد. در شرایطی که نیاز به توان بالا در موتور وجود دارد، مبدل انرژی را با حداقل تلفات ممکن انتقال می‌دهد. همچنین در حالت بازیابی انرژی، این مبدل نقش مهمی در کنترل جریان برگشتی به باتری ایفا می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در مرحله شتاب‌گیری، موتور الکتریکی بیشترین سهم مصرف انرژی را دارد و توان مورد نیاز خود را از باتری تأمین می‌کند. در همین زمان، ژنراتور نیز در حال تولید توان الکتریکی نسبتاً پایدار است که از طریق ارتباط مکانیکی با مجموعه دنده سیاره‌ای تأمین می‌شود. این توان تولیدی به صورت مستقیم وارد شبکه DC شده و به پایداری ولتاژ کمک می‌کند. در مقابل، در مرحله کاهش سرعت، جریان توان معکوس می‌شود و موتور به عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

از منظر تحلیل توان، یکی از مهم‌ترین نتایج این شبیه‌سازی، بررسی جریان انرژی در شبکه DC است. نمودارهای توان نشان می‌دهند که در طول شتاب‌گیری، جریان اصلی انرژی از باتری به سمت موتور حرکت می‌کند، در حالی که ژنراتور یک جریان تقریباً پایدار و مستقل از دینامیک خودرو به شبکه تزریق می‌کند. این رفتار نشان‌دهنده نقش تثبیت‌کننده ژنراتور در ساختار Power Split است. در مقابل، هنگام ترمزگیری، جهت جریان توان تغییر کرده و بخشی از انرژی به باتری بازگردانده می‌شود.

از نظر تلفات انرژی، نتایج شبیه‌سازی بیانگر آن است که بیشترین میزان تلفات در سیستم مربوط به موتور الکتریکی و باتری است. این موضوع کاملاً با رفتار واقعی سیستم‌های الکتریکی همخوانی دارد، زیرا موتور به دلیل تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی و باتری به دلیل مقاومت داخلی خود، همواره بخشی از انرژی را به صورت حرارت تلف می‌کنند. ژنراتور نیز دارای تلفات است، اما مقدار آن نسبت به دو جزء دیگر کمتر گزارش شده است. این تحلیل‌ها نشان می‌دهد که بهینه‌سازی عملکرد موتور و باتری می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر افزایش راندمان کلی سیستم داشته باشد.

یکی از نکات مهم در این نوع شبیه‌سازی، امکان بررسی رفتار سیستم در شرایط گذرا (Transient Conditions) است. تغییرات سرعت خودرو باعث ایجاد نوسانات در جریان و ولتاژ شبکه می‌شود که باید به دقت مدل‌سازی شوند. استفاده از رویکرد مبتنی بر انرژی در Simscape این امکان را فراهم می‌کند که این نوسانات با دقت بالا و بدون نیاز به حل‌های پیچیده عددی جداگانه شبیه‌سازی شوند.

از منظر طراحی سیستم کنترل، نتایج این شبیه‌سازی می‌تواند نقش مهمی در توسعه الگوریتم‌های مدیریت انرژی ایفا کند. به عنوان مثال، می‌توان بر اساس الگوی جریان توان بین اجزا، استراتژی‌هایی طراحی کرد که در آن موتور در شرایط خاص بهینه‌ترین نقطه عملکرد خود را حفظ کند و ژنراتور نیز به گونه‌ای کنترل شود که کمترین تلفات کلی در سیستم ایجاد گردد. همچنین استفاده از داده‌های شبیه‌سازی برای طراحی کنترلرهای پیش‌بین (Predictive Controllers) نیز امکان‌پذیر است.

در مجموع، این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که معماری Power Split Hybrid یکی از کارآمدترین ساختارها برای مدیریت توان در خودروهای هیبریدی محسوب می‌شود. ترکیب هوشمندانه اجزای مکانیکی و الکتریکی در کنار استفاده از ابزارهای پیشرفته مدل‌سازی مانند MATLAB و Simscape Electrical، امکان تحلیل دقیق رفتار سیستم را فراهم می‌سازد. نتایج به دست آمده نه تنها برای درک بهتر عملکرد سیستم مفید هستند، بلکه می‌توانند به عنوان پایه‌ای برای توسعه نسل‌های آینده خودروهای هیبریدی با راندمان بالاتر مورد استفاده قرار گیرند.