مروری بر خودروهای الکتریکی / هیبریدی

خودروهای الکتریکی برای کشش، از یک موتور الکتریکی استفاده می‌کنند و به طور متناظر از باتری‌های شیمیایی، پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها و یا فلای‌ویل‌ها به عنوان منابع انرژی استفاده می‌کنند. خودرو‌ی الکتریکی نسبت به خودرو‌ی معمولی با موتور احتراق داخلی (ICEV) دارای مزایای بسیاری همچون عدم تولید آلاینده، بازده بالا، عدم وابستگی نسبت به نفت و عملکرد نرم و آرام هستند. همانطور که در آینده مشاهده خواهید کرد، عملکرد و اصول بنیادین خودروهای الکتریکی و احتراق داخلی، شبیه به یکدیگر می‌باشند. با این حال، تفاوت‌هایی نیز بین این دو وجود دارد از جمله، استفاده از مخزن بنزین در خودروهای احتراق داخلی در مقابل استفاده از باتری در خودروهای الکتریکی؛ استفاده از موتور احتراق داخلی در خودروهای احتراق داخلی در مقابل استفاده از موتور الکتریکی در وسایل نقلیه الکتریکی و اجزاء متفاوت انتقال دهنده.

شکل 1 ) خودروی الکتریکی / هیبریدی در کنار منابع DC و سیستم انتقال توان AC

در شکل 1 ، شماتیک کلی یک سیستم خودروی هیبریدی نمایش داده شده است. یکی از مهمترین منابع در تامین توان خودروی هیبریدی الکتریکی پیل های سوختی می باشند که انواع آنها بکار می روند. در کنار این از بانک های خازنی برای ذخیره سازی و تثبیت ولتاژ خط DC و باتری برای ذخیره سازی و یا جبران توان استفاده می شود

همه این منابع در یک خط DC مشترک به هم اتصال می یابند. آنچه در درجه اول اهمیت دارد لزوم تثبیت ولتاژ در این خط می باشد تا بتوان به طور مناسب و بهینه از یک کانورتر DC به AC برای بدست آوردن توان AC استفاده کرد. در ادامه از این توان برای تغذیه موتور AC استفاده می شود که برای سیستم پیشران خودرو بکار می رود.

پیکربندی خودروی هیبریدی

در گذشته، با جایگزین کردن موتور احتراق داخلی و مخزن سوخت با یک موتور الکتریکی محرک و یک باتری، خودرو‌ی احتراق داخلی تبدیل به یک خودرو‌ی الکتریکی می‌شد و دیگر اجزاء، بدون تغییر باقی می‌ماندند. اشکالاتی همچون وزن سنگین، انعطاف پذیری کمتر و تضعیف عملکرد موجب شد تا استفاده از اینگونه خودروهای الکتریکی کمتر و کمتر شود. از این رو، خودروهای الکتریکی مدرن بر اساس بدنه و طراحی ساختار‌های منحصر به فرد توسعه داده شدند. این موجب شد تا از لوازمی منحصر به فرد در ساختار خودروهای الکتریکی استفاده شود تا انعطاف پذیری و نیروی محرکه‌ی آن‌ها بهبود یابد.

قوای محرک یک خودرو الکتریکی شامل سه زیر مجموعه‌ی اصلی است: نیروی محرکه‌ی الکتریکی، منبع انرژی و کمک دهنده که این سه زیر مجموعه، خود دارای زیر مجموعه هایی هستند که در ‏شکل 2 به طور کامل نمایش داده شده اند.

شکل 2 ) پیکربندی کلی یک خودروی هیبریدی

بسته به ورودی‌هایی که از طریق پدال‌های گاز و ترمز اعمال می‌شوند، کنترل­ کننده‌ی خودرو سیگنال کنترل مناسبی را به مبدل الکترونیکی قدرت ارسال می‌کند که وظیفه‌ی مبدل الکترونیکی قدرت، تنظیم توان جاری شده بین موتور الکتریکی و منبع انرژی می‌باشد. جریان توان برگشت، به دلیل احیای ترمز خودرو‌ی الکتریکی رخ می‌دهد. این انرژی بازیافت شده می‌تواند در منبع انرژی ذخیره شود زیرا منبع انرژی قابلیت پذیرش این انرژی را دارد. اکثر باتری‌های خودروهای الکتریکی همچون ابرخازن‌ها و فلای‌ویل‌ها، به آسانی توانایی پذیرش انرژی بازیافت شده را دارند. واحد مدیریت انرژی با کنترل کننده‌ی خودرو همکاری می‌کند تا احیای ترمز و انرژی بدست آمده از طریق آن را کنترل کند. این بخش همچنین با واحد سوخت گیری در ارتباط است تا آن را کنترل کند و میزان قابلیت استفاده از منبع انرژی را به تصویر بکشد. منبع توان کمکی، توان مورد نیاز با سطوح ولتاژهای مختلف را برای همه‌ی بخش‌های کمکی خودرو‌ی الکتریکی تأمین می‌کند، مخصوصاً برای واحدهای کنترل کننده‌ی شرایط هوا و توان فرمان.

گام های شبیه سازی خودروی هیبریدی در سیمولینک متلب

شبیه سازی یک خودروی هیریدی فرآیندی پیچیده می باشد چرا که عملا با سه بخش الکتریکی DC ، AC و بخش مکانیکی سر و کار داریم. هر کدام از این بخش ها نیاز به یک سیستم کنترلی مورد خواهند داشت. همانطور که قبلا نیز عنوان شد در بخش DC منابع الکتریکی توان خود را به اشتراک می گذارند و هدف این بخش علاوه بر حفظ ولتاژ خط DC ، تامین توان مطلوب خط AC نیز می باشد. در نتیجه این بخش را می توان یک ریزشبکه در ابعاد خیلی کوچک تصور کرد که بالتبع در حالت جزیره ای قرار گرفته است. از انواع سیستم های کنترلی در این بخش می توان بهره برد متداول ترین کنترل کننده های بکار رفته در بخش DC ، سیستم کنترل PID می باشد . این سیستم کنترل بر روی منبعی با ساختار VSC (voltage source control) بسته می شود. بهترین منبع با این شرایط باتری می باشد. مجموعه باتری از اجزای لاینفک در سیستم خودروهای هیبریدی می باشد. در بخش AC وظیفه اصلی بر روی کانورتر می باشد که توان DC را به AC تبدیل می کند. نهایتا در بخش مکانیکی معمولا با یک موتور الکتریکی روبرو هستیم که توان AC را دریافت کرده و آن را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند.

در نرم افزار متلب یک مدل خودروی هیبریدی به صورت دمو قرار داده شده است که می توان به عنوان یک خودروی هیبریدی متداول از آن استفاده کرد. شکل 3 شماتیک این خودرو را نشان می دهد.

شکل 3 ) خودروی هیبریدی در دموی نرم افزار متلب

چالش های پیش رو در خودروهای هیبریدی

در بحث راه اندازی و کنترل خودروهای هیبریدی می توان چالش های فراوانی را موضوع کار پایان نامه یا پروژه خود قرار داد که موارد زیر از آن جمله است :

• از چه منابعی در بخش DC استفاده کنیم
• نحوه مدیریت توان بین منابع به چه صورتی باشد
• مجری مدیریت توان به چه صورت باشد ؟ کلاسیک یا هوشمند
• نحوه کنترل ولتاژ بخش DC به چه صورت باشد
• از چه اینورتری در تبدیل توان استفاده کنیم

منبع : برق تِک