سامانه‌های انتقال قدرت هیبریدی یکی از راهکارهای مهم برای افزایش بهره‌وری خودروها، کاهش مصرف سوخت و استفاده مؤثرتر از انرژی الکتریکی هستند. در یک خودروی هیبریدی، توان موردنیاز برای حرکت خودرو می‌تواند از یک موتور احتراق داخلی، یک موتور الکتریکی یا ترکیبی از هر دو تأمین شود. نحوه اتصال و مدیریت این منابع انرژی، معماری سامانه هیبریدی را مشخص می‌کند. یکی از ساختارهای مهم در این حوزه، انتقال قدرت هیبریدی موازی یا Parallel Hybrid Transmission است.

در شبیه‌سازی ارائه‌شده در محیط Matlab و Simscape، معماری پایه یک سامانه هیبریدی موازی بررسی می‌شود. ویژگی اصلی این ساختار آن است که توان الکتریکی در کنار توان تولیدشده توسط موتور احتراق داخلی به سامانه انتقال قدرت اعمال می‌شود. در این معماری، موتور الکتریکی می‌تواند گشتاور موردنیاز را مستقیماً در محور چرخ‌ها ایجاد کند. البته از نظر ساختاری امکان اعمال گشتاور الکتریکی در قسمت فلایویل موتور احتراق داخلی نیز وجود دارد.

معماری سامانه هیبریدی موازی

در یک سامانه هیبریدی موازی، موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی هر دو در تأمین توان مکانیکی موردنیاز خودرو نقش دارند. برخلاف ساختار هیبریدی سری که در آن موتور احتراق داخلی معمولاً مستقیماً چرخ‌ها را به حرکت درنمی‌آورد و بیشتر برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود، در ساختار موازی هر دو منبع می‌توانند در مسیر انتقال توان مکانیکی مشارکت داشته باشند.

این ویژگی باعث می‌شود که معماری هیبریدی موازی از نظر انتقال انرژی، ساختاری نسبتاً مستقیم داشته باشد. در شبیه‌سازی Simscape Driveline، مسیر توان مکانیکی موتور احتراق داخلی و مسیر توان الکتریکی موتور به‌گونه‌ای مدل می‌شوند که عملکرد کلی خودرو در شرایط مختلف حرکتی قابل بررسی باشد.

در این مدل، گشتاور الکتریکی به محور چرخ‌ها اعمال می‌شود. بنابراین موتور الکتریکی می‌تواند در هنگام افزایش سرعت خودرو مستقیماً بخشی از گشتاور موردنیاز محور را تأمین کند. این موضوع امکان بررسی نحوه توزیع توان بین موتور احتراق داخلی، موتور الکتریکی و باتری را فراهم می‌کند.

هدف از شبیه‌سازی

هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی رفتار یک سامانه انتقال قدرت هیبریدی موازی در یک سیکل حرکتی ساده است. در آزمون تعریف‌شده، خودرو ابتدا از سرعت اولیه خود شتاب می‌گیرد، سپس سرعت بالاتر را حفظ می‌کند و در ادامه دوباره کاهش سرعت داده و به سرعت اولیه بازمی‌گردد.

نکته مهم در این آزمون، نحوه مدیریت توان توسط استراتژی مدیریت انرژی است. در این سناریو، شتاب‌گیری و کاهش سرعت خودرو عمدتاً با استفاده از توان الکتریکی انجام می‌شود و موتور احتراق داخلی تنها به اندازه‌ای توان تولید می‌کند که برای حفظ سرعت اولیه خودرو لازم است.

این شرایط آزمایشی به شکل مناسبی امکان بررسی عملکرد موتور الکتریکی و باتری را فراهم می‌کند؛ زیرا در زمان شتاب‌گیری، باتری انرژی الکتریکی موردنیاز موتور را تأمین می‌کند و در زمان کاهش سرعت، موتور الکتریکی می‌تواند در نقش ترمز احیاکننده عمل کرده و بخشی از انرژی جنبشی خودرو را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل کند.

نحوه عملکرد موتور احتراق داخلی

در این شبیه‌سازی، موتور احتراق داخلی برای انجام کامل مانور شتاب‌گیری و کاهش سرعت استفاده نمی‌شود. استراتژی مدیریت توان به گونه‌ای تنظیم شده است که موتور احتراق داخلی فقط توان لازم برای حفظ سرعت اولیه خودرو را تأمین کند.

این موضوع از دیدگاه مدیریت انرژی اهمیت زیادی دارد. اگر موتور احتراق داخلی برای تأمین توان شتاب‌گیری نیز به کار گرفته شود، توزیع توان میان دو منبع انرژی تغییر خواهد کرد. در مقابل، استفاده از موتور الکتریکی برای شتاب‌گیری این امکان را ایجاد می‌کند که انرژی ذخیره‌شده در باتری به‌صورت مستقیم برای افزایش سرعت خودرو مورد استفاده قرار گیرد.

بنابراین در نمودارهای خروجی شبیه‌سازی انتظار می‌رود توان موتور احتراق داخلی در طول بخش مربوط به حفظ سرعت، مقدار نسبتاً مشخصی داشته باشد، در حالی که توان موتور الکتریکی در زمان شتاب‌گیری افزایش پیدا می‌کند. این تفاوت در رفتار منابع انرژی، یکی از نکات مهم برای تحلیل عملکرد سامانه هیبریدی موازی است.

نقش موتور الکتریکی در شبیه‌سازی

موتور الکتریکی در این سامانه دو وظیفه مهم دارد. وظیفه نخست تأمین گشتاور اضافی برای شتاب‌گیری خودرو است. هنگامی که خودرو باید از سرعت اولیه به سرعت بالاتری برسد، موتور الکتریکی توان موردنیاز خود را از باتری دریافت کرده و گشتاور مناسبی را در محور چرخ‌ها ایجاد می‌کند.

وظیفه دوم موتور الکتریکی مربوط به فرآیند ترمز احیاکننده است. هنگام کاهش سرعت خودرو، انرژی جنبشی موجود در سیستم مکانیکی می‌تواند به جای تبدیل کامل به گرما در ترمزهای اصطکاکی، توسط موتور الکتریکی دریافت شود. موتور در این حالت به‌صورت ژنراتور عمل کرده و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

در نتیجه، مسیر توان موتور الکتریکی در دو حالت کاملاً متفاوت است. در زمان شتاب‌گیری، توان از باتری به سمت موتور و سپس به سیستم مکانیکی منتقل می‌شود؛ اما در زمان ترمز احیاکننده، جهت انتقال انرژی معکوس شده و بخشی از توان مکانیکی به سمت موتور و سپس باتری بازمی‌گردد.

مدل‌سازی باتری و تلفات سیستم

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه‌سازی، در نظر گرفتن تلفات واقعی اجزای سامانه است. برای موتور الکتریکی، باتری و جعبه‌دنده تلفات مدل‌سازی شده است. در یک مدل ساده و ایده‌آل ممکن است تمام انرژی خروجی یک جزء بدون هیچ‌گونه اتلاف به جزء بعدی منتقل شود، اما چنین فرضی برای تحلیل عملکرد واقعی سامانه هیبریدی مناسب نیست.

تلفات موتور الکتریکی می‌تواند ناشی از عواملی مانند مقاومت الکتریکی سیم‌پیچ‌ها، تلفات مغناطیسی و سایر فرآیندهای تبدیل انرژی باشد. همچنین باتری هنگام شارژ و دشارژ دارای تلفات است و تمام انرژی الکتریکی ذخیره‌شده یا بازیابی‌شده به شکل کاملاً ایده‌آل قابل استفاده نیست.

جعبه‌دنده نیز بخشی از توان مکانیکی را به دلیل اصطکاک و سایر عوامل از دست می‌دهد. در نتیجه، توان موجود در محور خروجی الزاماً برابر با توان ورودی به سیستم انتقال قدرت نیست. در نظر گرفتن این تلفات باعث می‌شود نتایج شبیه‌سازی برای تحلیل سطح سیستم واقع‌بینانه‌تر باشند.

بررسی فرآیند شتاب‌گیری

در مرحله نخست آزمون، خودرو از سرعت اولیه خود شروع به افزایش سرعت می‌کند. طبق استراتژی مدیریت توان تعریف‌شده، انرژی موردنیاز برای این افزایش سرعت عمدتاً توسط بخش الکتریکی تأمین می‌شود.

باتری انرژی الکتریکی را در اختیار موتور قرار می‌دهد و موتور الکتریکی با تولید گشتاور، نیروی محرکه لازم برای افزایش سرعت خودرو را فراهم می‌کند. در این حالت، جریان توان از باتری به موتور و سپس از موتور به بخش مکانیکی انتقال قدرت برقرار است.

از آنجا که شتاب‌گیری با توان الکتریکی انجام می‌شود، تغییرات توان موتور و باتری در این بازه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بررسی نمودار توان به مهندس اجازه می‌دهد مقدار توان موردنیاز برای شتاب‌گیری و همچنین میزان انرژی مصرف‌شده از باتری را ارزیابی کند.

حفظ سرعت خودرو

پس از رسیدن خودرو به سرعت بالاتر، مرحله بعدی آزمون مربوط به حفظ سرعت است. در این قسمت، نیاز خودرو به شتاب‌گیری از بین می‌رود و توان موردنیاز عمدتاً برای جبران مقاومت‌های حرکتی و حفظ شرایط پایدار صرف می‌شود.

در سناریوی این شبیه‌سازی، موتور احتراق داخلی تنها توان لازم برای حفظ سرعت اولیه را تأمین می‌کند. بنابراین تغییرات توان الکتریکی در این بخش با حالت شتاب‌گیری تفاوت خواهد داشت. چنین شرایطی امکان بررسی مستقل عملکرد منابع انرژی در حالت پایدار را فراهم می‌کند.

از دیدگاه طراحی استراتژی مدیریت انرژی، حالت پایدار اهمیت زیادی دارد؛ زیرا تعیین میزان مشارکت موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی در این شرایط می‌تواند بر مصرف سوخت، وضعیت شارژ باتری و بازده کلی خودرو تأثیر بگذارد.

فرآیند کاهش سرعت و ترمز احیاکننده

در مرحله پایانی آزمون، خودرو کاهش سرعت پیدا می‌کند و در نهایت به سرعت اولیه خود بازمی‌گردد. در این مرحله موتور الکتریکی می‌تواند انرژی جنبشی خودرو را بازیابی کند.

هنگامی که خودرو در حال کاهش سرعت است، چرخ‌ها همچنان دارای انرژی مکانیکی هستند. اگر موتور الکتریکی در وضعیت تولید انرژی قرار گیرد، بخشی از این انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. سپس انرژی بازیابی‌شده به باتری منتقل می‌شود و موجب افزایش انرژی ذخیره‌شده در آن خواهد شد.

این فرآیند با عنوان ترمز احیاکننده یا Regenerative Braking شناخته می‌شود. در نمودار توان، جهت جریان توان در این مرحله نسبت به حالت شتاب‌گیری معکوس می‌شود. بنابراین می‌توان مشاهده کرد که موتور الکتریکی به جای دریافت توان از باتری، توان را به سمت باتری بازمی‌گرداند.

تحلیل جریان توان در Simscape Logging

یکی از امکانات مهم محیط Simscape، قابلیت ثبت و بررسی متغیرهای سیستم با استفاده از Simscape Logging است. این قابلیت امکان مشاهده رفتار توان در بخش‌های مختلف سامانه را فراهم می‌کند.

در این شبیه‌سازی، نمودارهای حاصل از Simscape Logging جریان توان بین موتور احتراق داخلی، موتور الکتریکی و باتری را در طول سیکل حرکتی نشان می‌دهند. با تحلیل این نمودار می‌توان مشخص کرد که در هر بخش از حرکت، کدام منبع انرژی در حال تأمین توان است و در چه زمانی انرژی به باتری بازمی‌گردد.

در مرحله شتاب‌گیری، موتور الکتریکی توان موردنیاز خود را از باتری دریافت می‌کند. در مرحله کاهش سرعت، موتور الکتریکی در حالت احیاکننده قرار گرفته و انرژی را به باتری بازمی‌گرداند. در مقابل، موتور احتراق داخلی در این آزمون تنها توان موردنیاز برای حفظ سرعت اولیه را فراهم می‌کند.

تحلیل تلفات الکتریکی

نمودار دیگری که در این شبیه‌سازی قابل بررسی است، مربوط به تلفات الکتریکی موتور و باتری است. تحلیل این تلفات برای ارزیابی بازده واقعی سیستم بسیار مهم است.

در هنگام انتقال توان از باتری به موتور، بخشی از انرژی به دلیل تلفات الکتریکی و تبدیل انرژی از بین می‌رود. همین موضوع در هنگام شارژ باتری از طریق ترمز احیاکننده نیز وجود دارد. بنابراین تمام انرژی مکانیکی بازیابی‌شده در هنگام کاهش سرعت الزاماً به همان مقدار به انرژی قابل ذخیره در باتری تبدیل نمی‌شود.

در نتیجه، مقدار انرژی خالص بازیابی‌شده به عملکرد موتور، باتری، سامانه انتقال قدرت و سایر اجزای دخیل وابسته است. اضافه کردن مدل تلفات به شبیه‌سازی باعث می‌شود ارزیابی عملکرد سامانه نسبت به یک مدل کاملاً ایده‌آل دقیق‌تر باشد.

اهمیت شبیه‌سازی در طراحی استراتژی مدیریت توان

یکی از کاربردهای اصلی چنین مدل سطح سیستمی، بررسی و توسعه استراتژی مدیریت توان است. در خودروهای هیبریدی، تصمیم‌گیری درباره اینکه چه مقدار توان توسط موتور احتراق داخلی و چه مقدار توسط موتور الکتریکی تأمین شود، تأثیر مستقیمی بر مصرف انرژی و عملکرد خودرو دارد.

با استفاده از این مدل می‌توان رفتار سامانه را در شرایط مختلف بررسی کرد و تأثیر تغییر استراتژی مدیریت انرژی را بر توان موتور، مصرف باتری، تلفات و انرژی بازیابی‌شده مورد ارزیابی قرار داد. این موضوع به‌ویژه در مراحل اولیه طراحی سیستم اهمیت دارد؛ زیرا پیش از پیاده‌سازی سخت‌افزاری می‌توان بسیاری از رفتارهای دینامیکی سامانه را در محیط شبیه‌سازی بررسی کرد.

مقایسه معماری هیبریدی موازی با ساختارهای دیگر

مدل هیبریدی موازی را می‌توان در کنار مدل‌های هیبریدی سری و هیبریدی تقسیم توان بررسی کرد. در معماری هیبریدی سری، مسیر تبدیل انرژی و نقش موتور احتراق داخلی با ساختار موازی متفاوت است. در معماری تقسیم توان نیز سازوکار ترکیب و توزیع توان میان منابع مختلف پیچیده‌تر است.

مدل حاضر این امکان را فراهم می‌کند که رفتار معماری موازی به‌صورت مستقل بررسی شود و سپس نتایج آن با مدل‌های هیبریدی سری و هیبریدی تقسیم توان مقایسه شود. چنین مقایسه‌ای می‌تواند درک بهتری از تفاوت مسیرهای توان، نحوه استفاده از موتور الکتریکی و روش‌های مدیریت انرژی در معماری‌های مختلف ایجاد کند.

کاربرد مدل در مطالعات مهندسی خودرو

شبیه‌سازی سیستم انتقال قدرت هیبریدی موازی می‌تواند برای مطالعات مختلف مهندسی خودرو مورد استفاده قرار گیرد. از جمله این کاربردها می‌توان به بررسی رفتار دینامیکی خودرو، ارزیابی توان موتور الکتریکی، تحلیل ظرفیت موردنیاز باتری، مطالعه ترمز احیاکننده و بررسی تلفات انرژی اشاره کرد.

همچنین می‌توان با تغییر پارامترهای اجزای مدل، تأثیر مشخصات موتور الکتریکی، باتری و سیستم انتقال قدرت را بر عملکرد کلی خودرو بررسی کرد. این قابلیت باعث می‌شود مدل تنها برای مشاهده یک پاسخ مشخص کاربرد نداشته باشد و بتوان از آن به‌عنوان بستری برای مطالعات طراحی و تحلیل سیستم استفاده کرد.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی انتقال قدرت هیبریدی موازی در Matlab و Simscape Driveline نمونه‌ای مناسب برای بررسی نحوه همکاری موتور احتراق داخلی، موتور الکتریکی و باتری در یک خودروی هیبریدی است. در این ساختار، توان الکتریکی به‌صورت موازی با توان موتور احتراق داخلی وارد سامانه می‌شود و موتور الکتریکی می‌تواند گشتاور خود را در محور چرخ‌ها اعمال کند.

در آزمون تعریف‌شده، خودرو ابتدا شتاب می‌گیرد، سپس سرعت بالاتر را حفظ می‌کند و در نهایت کاهش سرعت داده و به سرعت اولیه بازمی‌گردد. استراتژی مدیریت توان به گونه‌ای تنظیم شده است که شتاب‌گیری و کاهش سرعت عمدتاً با استفاده از توان الکتریکی انجام شود، در حالی که موتور احتراق داخلی تنها توان لازم برای حفظ سرعت اولیه را تأمین می‌کند.

بررسی جریان توان با استفاده از Simscape Logging نشان می‌دهد که در زمان شتاب‌گیری، باتری انرژی موردنیاز موتور الکتریکی را تأمین می‌کند و در زمان کاهش سرعت، موتور با استفاده از ترمز احیاکننده بخشی از انرژی جنبشی خودرو را به باتری بازمی‌گرداند. همچنین با مدل‌سازی تلفات موتور، باتری و جعبه‌دنده می‌توان عملکرد سامانه را با در نظر گرفتن فرآیندهای واقعی تبدیل انرژی ارزیابی کرد.

در مجموع، این مدل یک چارچوب سطح سیستمی برای مطالعه عملکرد انتقال قدرت هیبریدی موازی و بررسی استراتژی‌های مدیریت توان فراهم می‌کند و می‌توان از آن به‌عنوان مبنایی برای مطالعات پیشرفته‌تر در زمینه خودروهای هیبریدی، مدیریت انرژی، ترمز احیاکننده و بهینه‌سازی مصرف انرژی استفاده کرد.