پایان نامه طراحی استراتژی کنترل سلسله مراتبی زمان واقعی در خودرو های هایبرید برقی

پایان نامه کارشناسی ارشد

 برق- قدرت

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 خودرو های 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 فصلهای 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.

Abstract

Control strategies for hybrid electric vehicles are usually aimed at several simultaneous objectives. The primary one is usually the minimization of the vehicle fuel consumption, while also attempting to minimize engine emissions and maintaining or enhancing driveability. Regardless of the topology of the vehicle, the essence of the HEV control problem is the instantaneous management of the power flows from more devices to achieve the overall control objectives. One important characteristic of this generic problem is that the control objectives are mostly integral in nature (fuel consumption and emission per mile of travel), or semi-local in time like driveability, while the control actions are local in time. Furthermore, the control objectives are often subject to integral constraints, such as nominally maintaining the battery state-of-charge (SOC). The global nature of both objectives and constraints do not lend itself to traditional global optimization technique, because the main problem with global optimization index is whole of driving cycle should be predetermined and real time control strategy is not implemented simply.  A common method to control of the complex dynamic systems with many uncertainties is designing some different of local controllers each for a specific operating area or determined objects and then designing of a switching strategy through the subsystems to achieve the global objectives of the system. In this thesis, the hierarchical control structure has been investigated due to the complexity of hybrid electric vehicle powertrain.  From the view point of hierarchy, the switching strategy relates to upper hierarchy and plays the key role in systems operating. Then for each subsystems of hybrid electric vehicle, itself local controller has been designed and after that in order to achieve the operating objectives, switching strategy through subsystems for the real time control strategy has been designed.

Keywords: Hybrid Electric Vehicles, Real Time Control Strategy, Hierarchical Structure, Hybrid System, Switching Strategy.