وبلاگ

یک خودروی برقی سه چرخ سبک ارائه گردیده است. ویژگی اصلی خودروی برقی سبک از استراتژی کنترلی آن نشات می گیرد که سیستم مدیریت انرژی را برای باتری، پیل سوختی و ابرخازن تحت بار های مختلف پشتیبانی می کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم کنترلی می تواند بصورت کاملاً برنامه ریزی شده، سیستم چند منبعی را مدیریت کند. کاربرد مهم سیستم مدیریت انرژی، مصالحه بین ذخیره سازی سوخت به همراه یک رانندگی پاک و همچنین کمک به موتور و باتری از نظر هزینه است. در این پایان نامه در سیستم کنترل قدرت از کنترلرهای تناسبی-انتگرالی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان داده است که استفاده از کنترلرهای فازی در مقابل کنترلرهای بهره ثابت تناسبی-انتگرالی، قابلیت سیستم مورد مطالعه را در پیگیری سرعت مرجع بیشتر افزایش می دهد. کنترلرهای فازی نسبت به کنترلرهای تناسبی-انتگرالی که در مقابل نوسانات سرعت پارامترهای آن ها ثابت می باشد، پارامترهای خود را به روز کرده که به این کنترلرها خودتنظیم گفته می شود. بنابراین در برابر تغییرات سرعت عملکرد بهتری از خود نشان می دهند.
کلمات کلیدی: سیستم ترکیبی تولید توان، باتری، پیل سوختی، ابر خازن، الگوریتم کنترلی سیستم مدیریت انرژی، کنترلر فازی
1-1 مقدمه
صنعت حمل و نقل و ترابری جز صنایعی است که همیشه مورد توجه متخصصین و صنعتگران می باشد. دانشمندان همیشه در این تلاش بوده اند تا خودروهایی تولید کنند که نسبت به خودروهای معمولی، عملکرد بهتر، مصرف سوخت پایین تر و آلودگی کمتری داشته باشند. در این راستا تلاش قابل توجهی در جهت ارتقای کیفیت سوخت های مصرفی در خودرو ها از بنزینی به صورت های دیگر انجام پذیرفته است. بعنوان مثال تحقیقات گسترده ای در مورد سوخت های هیدروژنی و پیل های سوختی[1] انجام شده است. اما به دلیل هزینه تولید بالا و همچنین مشکلات ناشی از ماهیت این نوع سوخت ها (اشتعال پذیری بالا و شرایط ذخیره سازی دشوار) مصرف آن ها بصورت فراگیر امکانپذیر نشده است ]1[.
امروزه استفاده از خودروهای الکتریکی که در آن ها موتور الکتریکی به تنهایی نیروی پیشران را تولید می کند مرسوم نشده است. اولین عامل هزینه بسیار بالای تولید این خودروها می باشد که باعث افزایش قیمت آن ها می گردد. علاوه بر این این خودروها به ازای هر بار شارژ شدن مسافت کمی را طی می کنند. از طرف دیگر مدت زمان لازم برای شارژ باطری در این خودروها بسیار زیاد است که استفاده از این خودرو ها را نسبت به خودروهای احتراقی محدود نموده است ]1[.
بر طبق آمار بدست آمده در سال 1980، حدود 30 در صد از کل آلودگی کربنی تولید شده در ایالات متحده در اثر استفاده از موتورهای احتراقی[2] بوده که این میزان در سال 2000 به 40 درصد افزایش پیدا کرده است. یک موتور احتراقی معمولا در بهترین شرایط، بازدهی در حدود 32 درصد دارد. در حالت عادی، بازده موتور احتراقی معمولی در شهر حدود 18 درصد و در بزرگراه ها حدود 26 درصد است ]2[. یکی از راهکارهایی که برای بالا بردن بازده موتورهای احتراقی بکار میرود پایین آوردن مصرف سوخت آن ها می باشد. به این صورت آلودگی خودروها را نیز می توان کاهش داد.
از معایب خودروهای احتراقی می توان به موارد زیر اشاره کرد ]2[:

اندازه موتور احتراقی بگونه ای است که بتوانند قدرت لازم جهت شتاب گیری مطلوب را برای خودرو

فراهم کنند. لذا این موتورها معمولا حجیم و سنگین هستند.
راندمان حرارتی این موتورها بستگی زیادی به نقطه کار آن ها دارد و دائما در طول حرکت اتومبیل بسته به شرایط تغییر می کند. بعلاوه چون این موتورها باید بگونه ای طراحی شوند که پاسخگوی نیاز خودرو در هنگام شتاب گیری باشند، در مواقع عادی راندمان بسیار پایینی دارند.
کل انرژی جنبشی خودرو در هنگام ترمز گیری به گرما تبدیل شده و به هدر می رود.
با بررسی انجام شده توسط پژوهشگران متوجه این مساله شده اند که استفاده از خودرو های هیبرید الکتریکی می تواند پاسخگوی مطالب بیان شده باشد. خودروی هیبرید[3] به خودرویی گفته می شود که برای تولید قدرت از دو یا چند منبع تولید کننده انرژی و مبدل انرژی بهره می برد. امروزه استفاده از منابع انرژی نو در خودروهای هیبرید با استقبال چشمگیری روبرو شده است. معمول ترین منبع انرژی نو که در این خودروها بکار میرود، پیل سوختی می باشد. همچنین از باطری نیز در این خودروها استفاده می شود. با بکارگیری خودروهای هیبرید امکان استفاده از قابلیت های هر دو نوع خودروی احتراقی و الکتریکی فراهم می گردد. بنابراین با استفاده از خودروهای هیبرید آلودگی زیست محیطی کاهش می یابد همچنین قدرت شتاب گیری ماشین تقویت می شود ]3[. با توجه به استفاده از دو منبع اصلی پیل سوختی و کمکی باطری، کنترل این دو منبع مساله ای پیچیده می باشد. با کنترل این دو منبع می توان میزان مصرف سوخت خودرو، سطح آلودگی تولید شده و همجنین میزان شارژ باطری ها را تعیین نمود.
با توجه به مطالب مطرح شده، هدف استفاده از خودروهای هیبرید این است که از مزایای هر دو موتور احتراقی و الکتریکی استفاده شده و معایب آن ها نیز مرتفع گردد. برخی از نقاط ضعف موتورهای احتراقی در زیر ارائه شده است ]2[.

با بکارگیری سیستم رانش الکتریکی در کنار سیستم رانش احتراقی، بخش عمده ای از توان خودرو در مواقع شتاب گیری و شیب پیمایی توسط سیستم الکتریکی تامین می شود. بنابراین اندازه موتور احتراقی کاهش می یابد.
شرایط کاری موتور احتراقی بطور کامل یا جزیی از شرایط کاری خودرو نظیر سرعت، شتاب، گشتاور و توان می باشد و در نتیجه موتور احتراقی در اکثر موارد در محدوده راندمان حداکثر خودش کار می کند.
در هنگام ترمز گیری، موتور الکتریکی بصورت ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را تا اندازه زیاد بازیافت می کند. این انرژی در هنگام شتاب گیری مجددا به خودرو برگردانده می شود.
با توجه به خودروهای هیبریدی در سال های اخیر مطالعات بسیاری درباره طراحی و ساخت این نوع از خودروها انجام شده است.
1-2 ساختارهای نوین در خودرو
یکی از مسائل مهم در استفاده از خودروهای با موتور احتراقی، آلودگی محیط زیست می باشد. استفاده از خودروهای احتراقی باعث آسیب های جدی محیط زیست و در نتیجه آن برای بشر شده است. ارتباط تنگاتنگی بین آلودگی محیط زیست بویژه در مناطق شهری با نحوه عملکرد خودروها وجود دارد. با بررسی انواع آلودگی های ناشی از خودروها و اثرات هر یک از آنها در آسیب رساندن به محیط زیست، استانداردها و حدود مشخصی برای هر یک از آلاینده ها تعیین کرده اند. هیدروکربن ها، اکسیدهای نیتروژن، منوکسید کربن و ذرات معلق مهمترین پارامترهایی هستند که در تمامی استانداردهای مطرح شده مورد توجه قرار گرفته اند. دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد از محصولات ناشی از احتراق سوخت های فسیلی در موتورهای احتراق داخلی می باشند ]4[.
با توجه به روند رو به کاهش سوخت های فسیلی و نوسان های شدید بازار نفت، تحول در فن آوریهای معمول مورد استفاده در صنعت خودرو امری ضروری بنظر می رسد. همچنین مصرف انرژی هر روز در حال افزایش است که این افزایش را می توان در کاهش مقدار ذخایر نفت در انبار های کشورهای صنعتی و قیمت جهانی نفت ملاحظه کرد. از طرفی تعداد خودروهای در حال استفاده روز به روز در حال افزایش است. بنابراین با توجه به مباحث مطرح شده منابع موجود قادر به تامین نیازهای انرژی جامعه بشری نمی باشد.
تا به اینجا برخی از مشکلات استفاده از خودروهای احتراقی مطرح گردید. بنابراین بایستی برای غلبه بر مشکلات ذکر شده خودرو های با مصرف سوخت و آلودگی کمتر را بکار گرفت.
1-3 تاریخچه خودروهای هیبریدی
در سال 1898 دکتر پورشه[4] مهندس آلمانی اولین خودروی الکتریکی را ساخت. این خودرو فقط با باطری قابلیت طی مسافت 40 مایل را داشت. در سال 1903 میلادی یک خودروی بنزینی-الکتریکی بوسیله شرکت انگلیسی کریگر[5] طراحی و ساخته شد. در سال 1905 یک خودروی هیبرید توسط یک مهندس آمریکایی به نام پایپر[6] ساخته شد. در این خودرو، از موتور الکتریکی به عنوان یک موتور کمکی استفاده شد زیرا موتورهای بنزینی آن زمان دارای قدرت بالایی نبودند. خودروی ساخته شده در مدت زمان 10 ثانیه قادر بود سرعت خود را از صفر به 40 کیلو متر در