سیستم‌های انتقال قدرت هیبریدی یکی از راهکارهای مهم برای افزایش بهره‌وری انرژی در خودروها هستند. در این ساختارها، توان موردنیاز برای حرکت خودرو میان منابع مختلف انرژی تقسیم می‌شود و با استفاده از راهبرد مدیریت توان، نحوه تأمین انرژی و تبادل توان میان موتور احتراقی، ژنراتور، باتری و موتور الکتریکی کنترل می‌شود. در این شبیه‌سازی، ساختار پایه یک Series Hybrid Transmission یا انتقال قدرت هیبریدی سری در محیط Matlab و Simscape بررسی می‌شود.

در معماری هیبریدی سری، موتور احتراقی مستقیماً به چرخ‌های خودرو متصل نیست. تمام توان مکانیکی تولیدشده توسط موتور احتراقی ابتدا به ژنراتور منتقل می‌شود و ژنراتور این توان مکانیکی را به توان الکتریکی تبدیل می‌کند. توان الکتریکی حاصل می‌تواند در شبکه DC خودرو جریان پیدا کند و بخشی از آن برای شارژ باتری یا تغذیه موتور الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. در نهایت، موتور الکتریکی وظیفه تبدیل توان الکتریکی به توان مکانیکی موردنیاز برای حرکت خودرو را بر عهده دارد.

این ساختار باعث می‌شود مسیر انتقال توان در مقایسه با سیستم‌های هیبریدی موازی متفاوت باشد. در سیستم سری، موتور احتراقی از نظر مکانیکی از چرخ‌ها جدا است و کنترل حرکت خودرو عمدتاً از طریق موتور الکتریکی انجام می‌شود. همین ویژگی، مدل‌سازی و بررسی راهبردهای مدیریت توان را به یکی از موضوعات مهم در شبیه‌سازی سیستم‌های انتقال قدرت هیبریدی تبدیل می‌کند.

معماری انتقال قدرت هیبریدی سری

در مدل ارائه‌شده، اجزای اصلی سیستم شامل موتور احتراقی، ژنراتور، شبکه الکتریکی DC، باتری و موتور الکتریکی هستند. در کنار این اجزا، مدل خودرو و بار مکانیکی نیز قرار دارد تا رفتار واقعی‌تر سیستم انتقال قدرت بررسی شود. ارتباط میان این اجزا امکان مشاهده مسیر جریان انرژی از منبع اولیه تا چرخ‌ها و همچنین مسیر بازگشت انرژی در هنگام ترمز احیاکننده را فراهم می‌کند.

موتور احتراقی در این معماری وظیفه تأمین توان مکانیکی برای ژنراتور را بر عهده دارد. ژنراتور این توان را دریافت کرده و به توان الکتریکی تبدیل می‌کند. در نتیجه، انرژی حاصل از سوخت مستقیماً به چرخ‌ها منتقل نمی‌شود، بلکه ابتدا وارد بخش الکتریکی سیستم می‌شود. موتور الکتریکی نیز با دریافت انرژی از شبکه DC و باتری، گشتاور لازم برای حرکت خودرو را ایجاد می‌کند.

یکی از نکات مهم این معماری آن است که موتور الکتریکی تنها عملگر مکانیکی مستقیم در مسیر انتقال توان به خودرو محسوب می‌شود. بنابراین کنترل سرعت و گشتاور خودرو می‌تواند با کنترل موتور الکتریکی انجام شود، در حالی که موتور احتراقی بر اساس نیاز سیستم مدیریت توان، توان موردنیاز ژنراتور را تأمین می‌کند.

سناریوی حرکتی خودرو در شبیه‌سازی

برای بررسی عملکرد سیستم، یک چرخه حرکتی ساده برای خودرو در نظر گرفته شده است. در ابتدای آزمایش، خودرو با سرعت اولیه حرکت می‌کند. سپس خودرو وارد مرحله شتاب‌گیری می‌شود و سرعت آن افزایش پیدا می‌کند. پس از رسیدن به سرعت بالاتر، خودرو برای مدتی این سرعت را حفظ می‌کند و در نهایت با کاهش سرعت، به وضعیت اولیه بازمی‌گردد.

این سناریوی ساده برای تحلیل رفتار سیستم هیبریدی بسیار مناسب است؛ زیرا سه وضعیت مهم عملکردی را در خود جای می‌دهد: شتاب‌گیری، حرکت با سرعت ثابت و کاهش سرعت. در مرحله شتاب‌گیری، توان موردنیاز خودرو افزایش می‌یابد و موتور الکتریکی باید گشتاور بیشتری تولید کند. در مرحله سرعت ثابت، نیاز توان خودرو نسبتاً پایدارتر می‌شود و موتور احتراقی می‌تواند توان مشخصی را از طریق ژنراتور در اختیار شبکه DC قرار دهد. در مرحله کاهش سرعت نیز موتور الکتریکی می‌تواند وارد حالت ترمز احیاکننده شود.

نقش موتور احتراقی در سیستم هیبریدی سری

در این مدل، موتور احتراقی مستقیماً وظیفه شتاب دادن به خودرو را بر عهده ندارد. توان مکانیکی آن به ژنراتور منتقل می‌شود و ژنراتور این توان را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این موضوع یکی از تفاوت‌های اصلی سیستم هیبریدی سری با معماری هیبریدی موازی است.

بر اساس توضیحات این شبیه‌سازی، راهبرد مدیریت توان به‌گونه‌ای تنظیم شده است که برای انجام مانور شتاب‌گیری و کاهش سرعت، از توان ذخیره‌شده الکتریکی استفاده شود و موتور احتراقی تنها توانی را تولید کند که برای حفظ سرعت اولیه خودرو موردنیاز است. بنابراین در زمان شتاب‌گیری، افزایش ناگهانی توان موردنیاز خودرو الزاماً با افزایش توان موتور احتراقی پاسخ داده نمی‌شود.

این روش نشان می‌دهد که باتری در سیستم هیبریدی سری می‌تواند به‌عنوان یک منبع انرژی موقت برای پاسخ به تغییرات سریع توان عمل کند. موتور احتراقی و ژنراتور می‌توانند در یک نقطه کاری مناسب‌تر فعالیت کنند و باتری نیز تغییرات سریع بار را پوشش دهد.

عملکرد ژنراتور و شبکه DC

ژنراتور یکی از اجزای کلیدی در معماری سری است. این تجهیز توان مکانیکی دریافت‌شده از موتور احتراقی را به توان الکتریکی تبدیل می‌کند. توان تولیدشده وارد شبکه DC می‌شود و از طریق این شبکه در اختیار سایر اجزای الکتریکی سیستم قرار می‌گیرد.

در نتایج شبیه‌سازی مشخص می‌شود که ژنراتور توان تقریباً ثابتی را از موتور احتراقی دریافت کرده و به شبکه DC تحویل می‌دهد. این ویژگی اهمیت زیادی در تحلیل راهبرد مدیریت توان دارد، زیرا نشان می‌دهد موتور احتراقی الزاماً مجبور نیست تغییرات سریع توان موردنیاز خودرو را دنبال کند.

در یک سیستم واقعی، ثابت یا متغیر بودن توان ژنراتور به راهبرد کنترل، وضعیت شارژ باتری، سرعت خودرو و نیاز توان وابسته خواهد بود. با این حال، مدل ارائه‌شده یک ساختار ساده و مناسب برای مطالعه مفهومی جریان توان در سیستم هیبریدی سری فراهم می‌کند.

نقش باتری در انتقال قدرت هیبریدی سری

باتری در این شبیه‌سازی نقش بسیار مهمی در ذخیره و تأمین انرژی دارد. هنگامی که خودرو برای شتاب‌گیری به توان بیشتری نیاز دارد، موتور الکتریکی می‌تواند انرژی موردنیاز خود را از باتری دریافت کند. به این ترتیب، باتری به تأمین توان اضافی موردنیاز خودرو کمک می‌کند.

یکی از مزایای اصلی این ساختار، امکان استفاده از انرژی ذخیره‌شده برای پاسخ سریع به تغییرات بار است. موتور احتراقی و ژنراتور معمولاً دارای محدودیت‌هایی در سرعت تغییر توان هستند، در حالی که سیستم الکتریکی و باتری می‌توانند تغییرات سریع توان را با سرعت بیشتری پاسخ دهند.

البته استفاده از باتری بدون تلفات نیست. مقاومت داخلی و سایر مدل‌های اتلاف انرژی باعث می‌شوند بخشی از انرژی ورودی به باتری به گرما تبدیل شود. بنابراین در تحلیل راندمان کلی سیستم، نمی‌توان تنها توان ورودی و خروجی باتری را در نظر گرفت و باید تلفات آن نیز در محاسبات لحاظ شود.

عملکرد موتور الکتریکی در هنگام شتاب‌گیری

در مرحله شتاب‌گیری، نیاز توان مکانیکی خودرو افزایش پیدا می‌کند. موتور الکتریکی با دریافت انرژی الکتریکی از باتری، گشتاور موردنیاز برای افزایش سرعت خودرو را تولید می‌کند. هرچه شتاب موردنیاز بیشتر باشد، توان مکانیکی موردنیاز نیز افزایش خواهد یافت.

در این وضعیت، جریان انرژی عمدتاً از باتری به موتور الکتریکی و سپس از موتور به بخش مکانیکی خودرو منتقل می‌شود. بنابراین می‌توان مسیر اصلی توان را به صورت انرژی ذخیره‌شده در باتری، توان الکتریکی، توان مکانیکی موتور و در نهایت توان موردنیاز خودرو در نظر گرفت.

البته در موتور الکتریکی تمام توان ورودی به توان مکانیکی تبدیل نمی‌شود. تلفات الکتریکی و مکانیکی باعث می‌شوند بخشی از انرژی در موتور تلف شود. مدل‌سازی این تلفات یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه‌سازی است و امکان بررسی دقیق‌تر عملکرد سیستم را فراهم می‌کند.

ترمز احیاکننده و بازگشت انرژی به باتری

در مرحله کاهش سرعت، سیستم می‌تواند از قابلیت Regenerative Braking یا ترمز احیاکننده استفاده کند. در این حالت، موتور الکتریکی به‌جای مصرف توان الکتریکی، در شرایطی قرار می‌گیرد که انرژی مکانیکی خودرو را دریافت کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.

توان الکتریکی تولیدشده در این فرآیند به باتری بازگردانده می‌شود. بنابراین بخشی از انرژی‌ای که در حالت ترمز معمولی می‌توانست عمدتاً به صورت گرما در سیستم ترمز تلف شود، قابلیت بازیابی و ذخیره‌سازی پیدا می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که موتور در هنگام کاهش سرعت می‌تواند توان را در جهت معکوس منتقل کند. این رفتار یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های سیستم‌های هیبریدی و خودروهای الکتریکی است و تأثیر قابل‌توجهی بر بهره‌وری انرژی سیستم دارد.

مدل‌سازی تلفات در سیستم

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه‌سازی، در نظر گرفتن تلفات موتور، ژنراتور و باتری است. اگر یک مدل ایده‌آل ایجاد شود و تمام اجزا با راندمان صددرصد در نظر گرفته شوند، نتایج به‌دست‌آمده برای تحلیل عملکرد واقعی سیستم کافی نخواهند بود.

در مدل حاضر، تلفات الکتریکی اجزای مختلف بررسی می‌شود. نتایج نشان می‌دهند که بخش قابل‌توجهی از تلفات مربوط به موتور الکتریکی و باتری است. این موضوع از دیدگاه طراحی سیستم اهمیت زیادی دارد؛ زیرا کاهش تلفات در این دو بخش می‌تواند مستقیماً بر بازده کلی سیستم انتقال قدرت اثرگذار باشد.

تلفات ژنراتور نیز در مدل لحاظ شده است. بنابراین توان مکانیکی ورودی به ژنراتور و توان الکتریکی خروجی آن دقیقاً برابر نیستند. اختلاف میان این دو مقدار بیانگر بخشی از انرژی است که در فرآیند تبدیل انرژی تلف می‌شود.

تحلیل جریان توان با Simscape Logging

یکی از ابزارهای مفید برای بررسی نتایج این شبیه‌سازی، قابلیت Simscape Logging است. با استفاده از این قابلیت می‌توان متغیرهای مرتبط با انرژی، توان و رفتار اجزای فیزیکی سیستم را پس از اجرای مدل بررسی کرد.

نمودار جریان توان امکان مشاهده تغییرات توان موتور، ژنراتور و سایر اجزا را در طول زمان فراهم می‌کند. در مرحله شتاب‌گیری، افزایش توان موردنیاز موتور الکتریکی قابل مشاهده است. در مرحله کاهش سرعت نیز تغییر جهت جریان انرژی به دلیل فعال شدن ترمز احیاکننده مشاهده می‌شود.

این نوع تحلیل برای طراحی و ارزیابی راهبردهای مدیریت توان بسیار اهمیت دارد. به کمک نمودارهای توان می‌توان تشخیص داد که چه بخشی از انرژی از موتور احتراقی تأمین شده، چه مقدار از انرژی توسط باتری ارائه شده و در چه بازه‌ای انرژی حاصل از ترمز احیاکننده دوباره به باتری بازگشته است.

بررسی تلفات الکتریکی

نمودار تلفات الکتریکی در این شبیه‌سازی، اطلاعات دیگری درباره عملکرد سیستم ارائه می‌کند. در زمان شتاب‌گیری، به دلیل افزایش توان عبوری از موتور و باتری، تلفات این اجزا نیز می‌تواند افزایش پیدا کند. در زمان ترمز احیاکننده نیز به دلیل عبور توان در جهت معکوس، فرآیند تبدیل انرژی و تلفات مربوط به آن قابل بررسی است.

بررسی هم‌زمان توان مفید و تلفات امکان محاسبه و ارزیابی راندمان اجزای سیستم را فراهم می‌کند. این موضوع برای طراحی سیستم‌های انتقال قدرت هیبریدی اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا افزایش توان نامی یک جزء بدون توجه به تلفات آن الزاماً به معنای بهبود عملکرد کلی سیستم نیست.

راهبرد مدیریت توان

راهبرد مدیریت توان در یک خودروی هیبریدی وظیفه تعیین نحوه تبادل انرژی میان موتور احتراقی، ژنراتور، باتری و موتور الکتریکی را بر عهده دارد. هدف این راهبرد می‌تواند کاهش مصرف سوخت، حفظ وضعیت مناسب شارژ باتری، کاهش تلفات و تأمین توان موردنیاز خودرو باشد.

در مدل حاضر، راهبرد نسبتاً ساده‌ای استفاده شده است. موتور احتراقی تنها توان لازم برای حفظ سرعت اولیه را تأمین می‌کند و برای انجام مانور شتاب‌گیری از انرژی ذخیره‌شده در سیستم الکتریکی استفاده می‌شود. این ساختار برای مطالعه اصول اولیه مدیریت انرژی مناسب است و می‌تواند مبنایی برای توسعه راهبردهای پیچیده‌تر قرار گیرد.

در مدل‌های پیشرفته‌تر می‌توان محدودیت‌های مختلفی مانند حداقل و حداکثر وضعیت شارژ باتری، محدودیت جریان باتری، محدودیت توان موتور الکتریکی، محدوده عملکرد موتور احتراقی و بازده ژنراتور را نیز در راهبرد مدیریت توان وارد کرد.

اهمیت شبیه‌سازی در طراحی سیستم هیبریدی

استفاده از Matlab و Simscape برای مطالعه سیستم‌های انتقال قدرت هیبریدی این امکان را فراهم می‌کند که پیش از ساخت نمونه فیزیکی، رفتار سیستم در شرایط مختلف بررسی شود. تغییر پارامترهای موتور، باتری، ژنراتور، جرم خودرو و شرایط رانندگی می‌تواند تأثیر مستقیمی بر عملکرد سیستم داشته باشد.

یکی از مزیت‌های مهم این شبیه‌سازی، امکان مشاهده هم‌زمان رفتار مکانیکی و الکتریکی سیستم است. در واقع سیستم انتقال قدرت هیبریدی یک سامانه چندفیزیکی است و تحلیل آن تنها با بررسی یک حوزه کافی نیست. توان مکانیکی، توان الکتریکی، سرعت، گشتاور، جریان، ولتاژ و تلفات باید در ارتباط با یکدیگر بررسی شوند.

همچنین این مدل می‌تواند برای مقایسه معماری‌های مختلف هیبریدی مورد استفاده قرار گیرد. در مجموعه مثال‌های Simscape، معماری سری را می‌توان با مدل‌های Parallel Hybrid و Power-Split Hybrid مقایسه کرد. چنین مقایسه‌ای به مهندس اجازه می‌دهد مسیر جریان انرژی، نحوه عملکرد موتور احتراقی و میزان استفاده از باتری را در معماری‌های مختلف بررسی کند.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

شبیه‌سازی انتقال قدرت هیبریدی سری، یک نمونه مناسب برای مطالعه ساختار و رفتار سیستم‌های هیبریدی در Matlab و Simscape است. در این معماری، موتور احتراقی مستقیماً به چرخ‌ها متصل نیست و توان مکانیکی آن ابتدا توسط ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل می‌شود. موتور الکتریکی نیز وظیفه اصلی ایجاد توان مکانیکی برای حرکت خودرو را بر عهده دارد.

در سناریوی مورد بررسی، خودرو ابتدا شتاب می‌گیرد، سپس سرعت بالاتر را حفظ می‌کند و در نهایت به سرعت اولیه بازمی‌گردد. در زمان شتاب‌گیری، باتری انرژی موردنیاز موتور الکتریکی را تأمین می‌کند و در زمان کاهش سرعت، انرژی از طریق ترمز احیاکننده به باتری بازگردانده می‌شود. موتور احتراقی نیز مطابق راهبرد مدیریت توان، توان لازم برای حفظ شرایط اولیه را از طریق ژنراتور تأمین می‌کند.

مدل‌سازی تلفات موتور، ژنراتور و باتری باعث می‌شود نتایج به شرایط واقعی نزدیک‌تر شوند و بتوان سهم هر یک از اجزای سیستم را در اتلاف انرژی بررسی کرد. نتایج ارائه‌شده همچنین نشان می‌دهند که موتور الکتریکی و باتری می‌توانند سهم قابل‌توجهی در تلفات الکتریکی سیستم داشته باشند؛ بنابراین تحلیل راندمان این اجزا در طراحی سیستم هیبریدی اهمیت ویژه‌ای دارد.

در مجموع، این شبیه‌سازی یک نقطه شروع مناسب برای بررسی جریان توان، ترمز احیاکننده، عملکرد باتری، تبدیل انرژی توسط ژنراتور و راهبرد مدیریت توان در خودروهای هیبریدی سری محسوب می‌شود و می‌تواند پایه‌ای برای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تر و مقایسه آن با معماری‌های هیبریدی موازی و تقسیم توان باشد.