وبلاگ

……………………… 131
1-5)پیاده سازی استراتژی کنترل سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید موازی………………. 134
2-5)شرایط گذر بین مدهای کنترلی………………………. 136
3-5) نتایج شبیه سازی………………………. 143
نتیجه گیری………………………. 149
نظرات و پیشنهادات………………………. 151
مراجع………………………152
ضمائم……………………… 158
آلودگی شهرهای بزرگ سالهاست که به یک مسئله حاد تبدیل شده است. تحقیقات کارشناسی نشان می دهد که علّت اصلی آلودگی شهرها، خودروهایی با موتور احتراق داخلی می باشند. خودروهای احتراقی معایب فراوانی دارند که از آن جمله می توان به مواردی چون وابستگی به یک نوع انرژی خاص (نفت)، تولیدگازهای گلخانه ای مانند ،تولید گازهای سمی مانند،و، تولید آلودگی صوتی، راندمان پائین سیستم و در نتیجه اتلاف انرژی اشاره نمود. با توجه به موارد فوق خودروهای برقی از دهه 1890مطرح شده و تا دهه 1930 پر طرفدار بوده اند. با پیشرفت خودروهای احتراقی، خودروهای برقی کم کم به فراموشی سپرده شدند تا اینکه در سال 1960 به بعد مجدداً با توجه به مشکلات خودروهای احتراقی، محققین به فکر چاره افتادند و تحقیقات مختلفی را در مورد خودروهای برقی آغاز نموده اند. خودروهای هایبرید برقی نوع تعمیم یافته خودروهای برقی خالص می باشند که معایب خودروهای برقی خالص تا حدودی در آنها برطرف گردیده است. در حقیقت این خودروها حد واسطی بین خودروهای متداول با موتور احتراقی و خودروهای برقی خالص می باشند.استفاده از موتور الکتریکی با راندمان بالا، امکان بازیابی انرژی و قابلیت جابجائی نقطه کار موتور احتراقی به نواحی با راندمان بهینه،کاهش آلودگی و افزایش راندمان کلی این خودروها را فراهم ساخته است.
انواع خودروهای هایبرید:
به طور کلی یک خودروی هایبرید از یک سیستم ذخیره ساز انرژی، یک واحد تولید قدرت و یک سیستم انتقال تشکیل شده است. موتورهای احتراق داخلی جرقه زن، موتورهای تزریق مستقیم احتراقی، توربینهای گازی و پیل های سوختی می توانند به عنوان واحد تولید قدرت ایفای نقش کنند که با ترکیب مختلف آنها و استفاده از یک موتور الکتریکی می توان نیروی محرکه رانشی خودرو را فراهم نمود.
برای واحد ذخیره انرژی می توان فلای ویل، خازن ها، باتریها را مد نظر داشت. اما در میان این انتخاب ها باتریها بیشترین کاربرد را دارند. سیستم انتقال متشکل از ادوات مکانیکی جعبه دنده، چرخ دنده ها، دیفرانسیل، کلاچ و… می باشد.
با توجه به ساختار کنترلی و روش اتصال اجزاء به یکدیگر خودروهای هایبرید به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
1-خودروهای هایبرید سری
2-  خودروهای هایبرید موازی
3-خودروهای هایبرید ترکیبی(سری-موازی)
در خودروهای سری موتور الکتریکی محرک اصلی رانشی است. در واقع مجموعه باتریها،موتور الکتریکی با توان نسبتاً بالا را تغذیه می کنند. در شرایطی که حالت شارژ باتری از کمترین مقدار مجاز کاهش پیدا کند در این موقع موتور احتراقی شروع بکار کرده و با چرخاندن ژنراتور باعث شارژ شدن باتری ها می شود.طبیعی است که این عمل باعث افزایش محدوده رانشی خودرو می گردد.
در نوع موازی، خودرو علاوه بر محرکه رانشی الکتریکی (موتور الکتریکی) از موتور احتراقی نیز سود می برد. در این نوع، موتور الکتریکی در حالتی که خودرو در مد احتراقی تنها کار می کند در نقش یک ژنراتور باعث شارژ شدن باتریها خواهد شد. بسته به نوع استراتژی کنترلی ممکن است در ابتدای امر،موتور الکتریکی شروع بکار نموده ( در سرعتهای پائین ) و بعد از آن موتور احتراقی وارد سیستم خواهد شد.( در سرعتهای بالا) .
خودروی هایبرید ترکیبی در واقع ترکیبی از دو سیستم سری-موازی است. مولفه های سیستم رانشی در خودروهای هایبرید ترکیبی عبارتند از:
1-دو منبع تولید توان،یک موتور احتراقی یا پیل سوختی و… بهمراه یک موتور ترکشن جهت ایجاد نیروی محرکه و بازیابی انرژی.
2-سیستم انتقال متغیر پیوسته،CVT[1]
3- یک کلاچ الکترو مغناطیسی برای سیستم انتقال توان
4-یک موتور الکتریکی کوچک برای تولید انرژی الکتریکی(شارژ)و استارت موتور احتراقی
5- باتریها
نحوه ارتباط اجزاء این سیستم در حالتهای مختلف حرکتی ،توسط واحد های کنترل کننده صورت می پذیرد. دو نکته ای که می بایست در مورد خودروهای برقی هایبرید مورد توجه قرار گیرد یکی مسئله بازیابی انرژی در روند کاهش سرعت و ترمز  توسط موتور الکتریکی می باشد که می تواند به نوعی باعث بهبود در مصرف انرژی شود . نکته دوم عدم آلایندگی بخاطر عدم مصرف سوخت در شرایط توقف می باشد.در این حالت ، که ناشی از مسئله ترافیک شهری می باشد خودرو در مد الکتریکی کار می کند و در نتیجه باعث کاهش آلودگی خواهد شد.
استراتژی های کنترلی در خودروهای هایبرید برقی:

تا کنون استراتژیهای کنترلی مختلفی برای مدیریت بهینه انرژی در خودرو های هایبرید برقی ارائه شده است. استراتژیهای کنترلی یا مدیریت انرژی برای خودرو های هایبرید برقی اساساً برای برآورده کردن چندین هدف همزمان بکار می روند. نخستین هدف معمولاً مینیمم کردن مصرف سوخت می باشد و همچنین تلاش برای کاهش آلودگی و برآورده کردن قابلیت رانشی خودرو از اهداف اصلی می باشد. بدون توجه به ساختار خودرو هایبرید برقی، هدف اصلی استراتژی کنترل، مدیریت لحظه ای انتقال توان بین منابع انرژی و دست یابی به اهداف کنترلی اصلی می باشد. یکی از مشخصه های مهم استراتژی کنترل ، این است که اهداف کنترلی اکثراً بصورت انتگرالی هستند (مصرف سوخت و آلودگی در هر مایل مسیر) یا بصورت شبه محلّی در زمان هستند (قابلیت رانشی در هر بازه زمانی). در حالیکه عملکرد های کنترلی بصورت محلّی در زمان هستند. علاوه بر این اهداف کنترلی اغلب تحت قید های انتگرالی ، نظیر نگداشتن حالت شارژ باتریها در محدوده مطلوب ، هستند. طبیعت کلّی همه اهداف و قیدها  نمی تواند منجر به تکنیکهای بهینه سازی کلّی گردد ، زیرا که آینده در یک شرایط حرکت واقعی نامشخص می باشد. برای این منظور بعضی از روشها وجود دارد که براساس نتایج حاصل از بهینه سازی کلّی  روی یک سیکل از پیش تعیین شده ، استراتژی کنترل را بنا می نهند. ولی این روشها بطور مستقیم منجر به پیاده سازی عملی نمی شوند، زیرا مسئله اصلی با معیار بهینه سازی کلّی این است که کلّ برنامه رانشی باید از پیش تعیین شده باشد و در این حالت استراتژی کنترل زمان واقعی به آسانی پیاده سازی نمی شود. برای این منظور در این پایان نامه، با توجه به پیچیدگی سیستم محرکه رانشی خودرو هایبرید برقی  به بررسی یک استراتژی کنترل سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید برقی پرداخته شده است. برای این منظور ابتدا مدلسازی دینامیکی زیر سیستم ها

 انجام گرفته ، سپس برای هر یک از زیر سیستم ها کنترل کننده محلّی مربوط به خودش طراحی می شود. پس از آن برای دستیابی به اهداف عملکردی، استراتژی سوئیچینگ بین زیر سیستمها برای رسیدن به استراتژی کنترل زمان واقعی طراحی می گردد.

محتوای فصل های بعدی:
هدف اصلی این پایان نامه دست یابی به یک استراتژی کنترل زمان واقعی برای خودرو هایبرید برقی می باشد. برای این منظور ابتدا در فصل اوّل به شناسایی استراتژیهای کنترلی موجود پرداخته شده است. در فصل دوّم ، به علت اینکه در انجام این پایان نامه از روشهای هوشمند نیز استفاده شده است، استراتژی های کنترل هوشمند بررسی گردیده است. در فصل سوم ساختار کنترل سلسله مراتبی خودرو هایبرید برقی به عنوان یک سیستم هایبرید با تاکید بر مدلسازی دینامیکی زیر سیستمها، مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل چهارم به طراحی استراتژی کنترل هوشمند سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید برقی پرداخته شده است و در فصل پنجم استراتژی کنترل سلسله مراتبی زمان واقعی برای خودرو هایبرید برقی و شبیه سازی آن توضیح داده شده است.
فصل اول:استراتژیهای کنترلی در خودروهای هایبرید برقی

با توجه به پیچیدگی خودرو هایبرید برقی تاکنون روش ها و الگوریتم های کنترلی متفاوتی برای کنترل آن بکار رفته است. در یک دسته بندی کلّی می توان استراتژیهای کنترلی در خودروهای هایبرید برقی را به پنج دسته  تقسیم کرد:
1) استراتژی کنترلی تجربی
این روش بر پایه نتایج بدست آمده از اطلاعات تجربی و آزمایشگاهی می باشد وبراساس مدلهای استاتیکی سیستم می باشد. در این روش مدهای عملکردی سیستم خودرو هایبرید قابل شناسایی بوده و می توان به آسانی این روش را در عمل پیاده سازی کرد.
2) استراتژی کنترلی مبتنی بر بهینه سازی استاتیکی
در این روش از فرض های استاتیکی و شبه استاتیکی برای مدلسازی استفاده شده و با استفاده از نقشه های بازده موتور احتراقی و سایر زیر سیستمهای نیرومحرکه رانشی خودرو ، استراتژی کنترل بنا می شود.
3) استراتژی کنترلی مبتنی بر کنترل بهینه
این روش مبتنی بر طبیعت دینامیکی و شبه استاتیکی زیر سیستم ها بوده و بر پایه روش های برنامه ریزی دینامیکی و تئوری کنترل بهینه استوار می باشد.
4) استراتژی کنترل مبتنی بر کنترل دینامیکی
این روشها بر پایه معادلات حالت سیستم دینامیکی خودرو هایبرید برقی بنا نهاده شده است و از روشهایی چون تئوری لیاپانوف ، کنترل تطبیقی و …  برای تحلیل پایداری سیستم استفاده می شود.
5 ) استراتژی کنترل مبتنی بر روشهای هوشمند
در این روش از روشهای هوشمند مانند الگوریتم ژنتیک، کنترل فازی ، شبکه عصبی و… استفاده می شود. استراتژیهای هوشمند در فصل دوّم بصورت کلّی آمده است.
1-1) استراتژی های کنترلی بر پایه قوانین تجربی
بسیاری از استراتژیهای کنترلی عملکردی برپایه مشاهدات و قوانین تجربی می باشد. در این راستا استراتژی های کنترلی ساده ای در مراکز تحقیقاتی دنیا برروی خودروهای هایبرید برقی اعمال شده است. به عنوان نمونه در مرجع[1]، در شرایطی که حالت شارژ[1] باتری ها در حد بالایی است خودرو به صورت الکتریکی خالص عمل می کند و در بزرگراهها و یا در شرایط کاهش SOC از موتور احتراقی برای جبرانسازی SOC باتریها استفاده می شود. نتایج تجربی نشان می دهد که در این شرایط خودرو قادر به طی مسافت رانشی معادل 400  کیلومتر در سیکل شهری است. در مرجع[2] استراتژی مدیریت انرژی براساس استراتژی ثابت نگهداشتن حالت شارژ باتریها ارائه شده است. در این حالت ابتدا مدهای عملکردی خودرو براساس قوانین تجربی شناسایی شده ، سپس کنترلر خودرو فرامین کنترلی را براساس فیدبک پارامترهایی نظیر ،حالت شارژ باتریها، سرعت موتور احتراقی و سرعت خودرو به کنترل کننده موتور احتراقی،کنترل کننده موتور الکتریکی ،کنترل کننده باتری و کنترل کننده ترمزها صادر می کند. در این حالت مد های عملکردی خودرو براساس قوانین انتخاب می شود. شکل (1-1) ساختار سیستم کنترل خودرو هایبرید برقی که براساس آن استراتژی کنترل بنا نهاده شده است، نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، کنترل کننده اصلی خودرو بر اساس سیگنال شتاب گیری و ترمز گیری،  به هر یک از کنترل کننده های زیر سیستم ها، فرمانهای کنترلی را اعمال می کند . در این حالت مد های عملکردی سیستم ابتدا تعیین شده و سپس بر این اساس فرمانهای کنترلی اعمال می گردد. در این قسمت به بررسی مدهای عملکردی می پردازیم:
1-1-1) مد رانشی:
فرض کنید La که بین صفر و یک می باشد ، سیگنال موقعیت شتاب دهنده باشد که به کنترل کننده سیستم خودرو فرستاده می شود. در حالتی که شتاب دهنده کاملاً آزاد باشد، La=0 و تقاضای گشتاور صفر می باشد. حالتی که شتاب دهنده کاملاٌ فشرده باشد، La=1 و نشان دهنده ماکزیمم تقاضای گشتاور (Mamax) می باشد. در این حالت گشتاور مورد نیاز در حالت شتابگیری بصورت رابطه (1-1) تعریف می شود:
Ma=La´Mamax
فرض کنید که Le سیگنال فرمان توان موتور احتراقی باشد که توسط کنترلر سیستم خودرو اعمال می شود و بین صفر و یک می باشد.دریچه هوا موتور احتراقی اگر کاملاٌ بسته باشد ، Le=0 و هیچ توانی تولید نمی شود. اگر دریچه هوا کاملاً باز باشد، Le=1 و ماکزیمم توان توسط موتور احتراقی تولید می شود(Memax) . بنابراین گشتاور موتور احتراقی در سرعت w بصورت رابطه(2-1) می باشد:
(2-1)Me=Le´Memax(w) اگر Lm سیگنال فرمان توان موتور الکتریکی که توسط کنترلر خودرو به کنترل کننده موتور الکتریکی اعمال می شود. اگر Lm<0 عملکرد موتور به گونه ای است که نقش ژنراتوری دارد و به عنوان شارژ کننده باتری و یا در حالت بازیافت انرژی ترمزی عمل می کند. وقتی که Lm>0 باشد، موتور الکتریکی نقش موتوری در رانش خودرو دارد. بنابراین گشتاور موتور الکتریکی در سرعت w بصورت رابطه (3-1) می باشد:
(3-1)  Mm=Lm´Mmmax(w)
که در آن Mmmax ماکزیمم گشتاور موتور الکتریکی می باشد.
[1] State Of Charge (SOC)
1-Continuos Variable Transmission