استراتژی قانونمند مدیریت انرژی در خودروی هیبریدی سری

۱-معرفی :

خودرو های هیبریدی از بیش از یک منبع برای توان استفاده می کنند. به طور کلی، منابع توان موتور احتراق داخلی و باتری الکتریکی می باشند.امتیازات خودروهای هیبریدی نسبت به خودرو های معمولی عبارتند از : مصرف سوخت بهتر،آلودگی کمتر، توانایی بازیابی بخشی از انرژی جنبشی خودرو در هنگام کاهش سرعت، امکان کارکردن با سوخت ها و موتور های احتراقی دیگر.همچنین خودروهای هیبریدی بسیاری از محدودیت های خودروی الکتریکی را نیز ندارند. به طور کلی دو نوع چیدمان اصلی برای سیستم انتقال قدرت وجود دارد: سری و موازی. در چیدمان سری موتور احتراقی مستقیما به چرخ ها کوپل نمی شود و توان مورد نیاز برای راندن چرخ ها را از طریق ژنراتور و موتور الکتریکی فراهم می کند. چیدمان موازی هردو منبع انرژی را به چرخ ها متصل می کند. هر کدام از آن ها توانایی ترکیب هردو منبع توان را نیز دارند. در هردو چیدمان، باتری می تواند توان مورد نیاز برای راندن چرخ ها را فراهم کند ویا در این امر به موتور احتراقی کمک کند. باتری علاوه بر ذخیره انرژی مازاد گرفته شده از موتور احتراقی، بخشی از انرژی جنبشی خودرو را در هنگام کاهش سرعت به وسیله ترمزگیری بازیاب کننده ذخیره می کند.

عملکرد مصرف سوخت خودروی هیبریدی به نوع استراتژی مدیریت سوخت بستگی دارد. برای خودروهای هیبریدی سری ساده ترین استراتژی، استراتژی خاموش-روشن یا ترموستات است. براساس این استراتژی موتور احتراقی با توجه به وضعیت شارژ باتری ها خاموش ویا روشن خواهد شد.

برای بهبود مصرف سوخت، استراتژی مدیریت انرژی باید سبب شود که اجزای خودرو در پر بازده ترین نقاط کاری خود کار کنند. این موضوع، تلفات توانی را کاهش داده و در نتیجه مصرف سوخت را بهبود می دهد.

در این جا یک استراتژی که مبتنی بر تقسیم توان مورد نیاز بین موتور احتراقی و باتری ها است مورد بررسی قرار می گیرد. این استراتژی تقسیم توان نام دارد که در آن موتور احتراقی و باتری در بازده بالایی از نقاط کاری خود کار می کنند. این نقاط کاری بر اساس نقشه های راندمان این اجزا انتخاب می شوند. برای موتور احتراقی، یک منحنی که نقاط کاری با موثرترین نسبت سرعت به گشتاور را به هم وصل می کند وجود دارد. این منحنی محدوده ای از توان کارکردی موتور را ارائه می دهد.

۲-کنترل شتاب طولی :

برای بهبود پاسخ خودرو به خواست راننده ، کنترل شتاب مورد بررسی قرار می گیرد. کنترلر شتاب، توان مورد نیاز برای این که خودرو به خواسته های شتاب گیری راننده پاسخ دهد را تخمین می زند. خروجی این کنترلر مقذار توان مورد نیاز است. این توان لازم به موتور احتراقی، باتری یا ترکیبی از هردوی آن ها داده می شود.

۳-مدیریت انرژی :

هدف از استراتژی مدیریت انرژی حداقل کردن مصرف سوخت برای یک زمان بندی معلوم از رانندگی است. در این قسمت دو استراتژی ترموستات و تقسیم توان مورد بررسی قرار می گیرند.

۳٫۱-استراتژی ترموستات :

استراتژی ترموستات یا خاموش-روشن روشی است که قدرتمند بودن آن ثابت شده است. مطابق این استراتژی، موتور احتراقی براساس وضعیت شارژ باتری روشن و خاموش خواهد شد. مقادیر وضعیت شارژ باتری از طریق مراجعه به نقشه های راندمان باتری تعیین می شوند. استراتژی ترموستات به این صورت عمل می کند: اگر مقدار شارژ باتری کمتر شود موتور احتراقی روشن خواهد شد ودر پر بازده ترین نقطه کاری خود کار می کند. موتور هم چنان روشن باقی می ماند تا مقدار شارژ باتری به مقدار بالایی برسد در این زمان موتور خاموش می شود و همچنان در این وضعیت می ماند تا شارژ باتری افت کند و این چرخه به همین ترتیب ادامه می یابد.

۳٫۲-استراتژی تقسیم توان :

این استراتژی در خودرو های هیبریدی موازی استفاده می شود. در این مقاله سعی شده است که این مفهوم را برای خودروی هیبریدی سری بررسی کنیم.در زیر چگونگی عملکرد این استراتژی تشریح شده است: براساس وضعیت شارژ باتری، توان مورد نیاز و شتاب خواسته شده، این توان به بخش APU(موتور احتراقی و ژنراتور)، باتری ها یا ترکیبی از هردوی آن ها داده می شود.

این استراتژی از استراتژی ترموستات به عنوان زمینه کار خود استفاده می کند. با توجه به وضعیت ترموستات انتقال توان به این صورت محاسبه می شود: اگر شارژ باتری به مقدار کمتری برسد APU روشن شده و توان خروجی پیش فرض آن توان نقطه کارکرد بهینه آن است(ماکزیمم راندمان). اگر توان بیشتری از حداقل توان لازم باشد،APU آن را تامین خواهد کرد و اگر توان مورد نیاز از توان ماکزیمم تجاوز کند هر دو منبع آن را تامین خواهند کرد.از طرفی دیگر ، اگر شارژ باتری به مقدار بالایی برسد توان خروجی پیش فرض APU صفر خواهد بود(حالت هرزگردی). اگر توان مورد نیاز از محدوده حداقل توان تجاوز کند APU شروع به انتقال توان خواهد کرد.اگر توان مورد نیاز از توان حداقل کمتر باشد باتری به تنهایی این توان را ارضا می کند و اگر این توان از توان ماکزیمم بیشتر باشد باتری به APUکمک خواهد کرد.

در این استراتژی موتور هیچ گاه قطع نمی شود و اگر از APU توانی لازم نباشد موتور هرز می گردد.این امر باعث مصرف سوخت بیشتر می شود اما به علت محدود کردن موتور بین دو حالت روشن وخاموش موتور همواره گرم می ماند که این حالت برای موضوع نشر آلودگی به محیط مناسب تر است .

۴-کنترل APU :

مقدار انتقال توان به APU به وسیله نسبت سرعت به گشتاور تعیین می شود. بنابراین کنترل سرعت و گشتاور مو تور احتراقی برای تضمین کارکرد موتور در نقاط مطلوب مورد نیاز است. برای این هدف از دو زیرکنترلر استفاده می شود. یک کنترلر انتگرالی-تناسبی برای کنترل گشتاور خروجی موتور و یک کنترلر انتگرالی- تناسبی دیگر برای کنترل سرعت موتور با دستکاری در زاویه دریچه و گشتاور خروجی ژنراتور به کار می رود.

۵-نتایج شبیه سازی :

استراتژی های تقسیم توان و ترموستات به وسیله شبیه سازی آزمایش شدند.برای ارزیابی مصرف سوخت از دو استاندارد FUDS (شهری) و FHDS (بزرگراه) استفاده شد. خودروی بررسی شده دارای وزن کل ۱۶۲۸ کیلوگرم،توان ۴۰ کیلو وات برای APU( 40 کیلو وات موتور دیزل و ۴۰ کیلو وات ژنراتور) و باتری اسید-سرب ۶۰ کیلو وات است. توان موتور الکتریکی AC آن ۷۰ کیلو وات است. نتایج شبیه سازی های مصرف سوخت در جدول ۱ آمده است.این جدول مقادیر مصرف سوخت را برای هر دو استراتژی در حالت رانندگی در شهر و بزرگراه نشان می دهد. نتایج دیگر در جداول ۲و۳ نشان داده شده اند. در این جداول جریان انرژی (ورودی به/خروجی از) موتور احتراقی و باتری آمده است.



شکل ۵ جزئیات بیشتری را از نحوه کارکرد استراتژی تقسیم قدرت نشان می دهد. سه متغیر در شکل نشان داده شده اند: توان مورد نیاز، گشتاور خروجیAPU و توان باتری. توان مثبت باتری یعنی باتری در حالت دشارژ است. در شکل ۶ عملکرد این متغیرها در استراتژی ترموستات نشان داده شده است. در استراتژی ترموستات توان APU یا رو شن ویا خاموش است اما در استراتژی تقسیم توان ، توان APU در هر زمانی می تواند وجود داشته باشد حتی اگر توان مورد نیاز از آستانه آن ( حداقل توان) تجاوز کند.



وضعیت شارژ باتری برای سه سیکل کارکردی شهری در شکل ۷ برای استراتژی تقسیم توان ودر شکل ۸ برای ترموستات نشان داده شده است.طبق این نمودارها سیکل باتری در حالت تقسیم توان آهسته تر از ترموستات است.



۶-بحث ها ونتایج :

هدف از اجرای استراتژی تقسیم توان، استفاده از موتور احتراقی و آمادگی آن برای کارکرد موثرتر است. به همین دلیل در این حالت انرژی انتقالی توسط باتری کاهش می یابد. این دلیل اصلی بهبود مصرف سوخت در استراتژی تقسیم توان در مقایسه با ترموستات است که در جداول ۲ و۳ دیده می شود. در هردوی این جداول، راندمان دشارژ تقسیم توان از ترموستات بیشتر بوده و راندمان شارژ آن ها مشابه است.

کنترل شتاب بررسی شده در این مقاله با هدف بهبود پاسخ خودرو به خواست راننده است. نتیجه استفاده از یک کنترلر خطی انتگرالی- تناسبی برای یک سیستم غیر خطی باعث پیدایش شتابگیری ناقص در خودرو شده است. در این تحقیق اندازه های APU و باتری به مقادیر معینی ثابت شده اند اما باید دانست که عملکرد استراتژی های مدیریت انرژی تحت تاثیر انتخاب اندازه منابع توان است.

منبع:انجمن مهندسی شیمی