پیکربندی هوشمند خودروهای برقی: از طراحی تا عملکرد برتر

خودروهای برقی به دلیل اینکه آرایش‌های مکانیکی پیچیده در راه‌اندازی خودروهای معمولی را ندارند، کاملا منعطف هستند. خودروهای برقی تنها یک بخش متحرک دارند که موتور آنهاست. منبع تغذیه لازم برای موتورها می­تواند از منابع گوناگونی تامین شود. موتور و منبع تغذیه اگر به وسیله سیم­های الکتریکی به یکدیگر وصل شوند، قابل جایگذاری در بخش­های مختلف خودرو هستند. بعلاوه، همانطور که بیان کردیم، خودروهای برقی یا منحصرا با برق حرکت می­کنند یا از EM و ICE با هم استفاده می‌کنند. این قابلیت انعطاف در پیکربندی ECUها، راه را برای پیکربندی­‌های مختلف براساس نوع خودرو هموار کرده‌­اند. در این مقاله از تیران آکادمی، درباره پیکربندی خودروهای برقی با شما سخن می‌گوییم.

در حالت کلی، خودروهای برقی را می­توان سیستم هایی شامل سه زیر سیستم در نظر گرفت: یک منبع انرژی، زیر سیستم پیش­رانش و زیرسیستم کمکی. منبع انرژی شامل تامین انرژی، سیستم شارژ، سیستم مدیریت انرژی و سیستم ذخیره‌سازی است. سیستم پیش­رانش نیز از EM، مبدل­‌های توان، کنترل کننده‌ها، جعبه دنده و چرخ‌های متحرک تشکیل می­‌شود. زیرسیستم کمکی از سه بخش تشکیل می­‌شود: یک منبع توان کمکی، یک سیستم کنترل دما و یک واحد فرمان خودکار. در شکل 6 نگاهی کلی به این زیر سیستم‌ها داده شده است.

پیکان‌­ها در این شکل جریان این قطعات را نشان می­‌دهند. برخی از ویژگی­‌ها مانند ترمز احیا کننده می ­توانند جریان برق رو به عقب تولید کنند. بیشتر باتری های خودروی برقی و ابرخازن­‌ها/ چرخ لنگرها (UCs/FWs) اغلب با این استراتژی­‌های بازتولید انرژی سازگار هستند. چیدمان موتور درون چرخی به گونه‌ای است که به موتور مرکزی، جعبه دنده، دیفرانسیل، مفاصل همسویی و محور محرک نیازی نیست و وزن سیستم محرک را به طور موثری کاهش می­‌دهد. ویژگی­های دیگر شامل فرمان ارتقایافته و ظرفیت بزرگتر برای باتری‌­های ذخیره کننده، سلول­های سوختی یا بار است. با این وجود در این پیکربندی به سیم های اتصال دهنده موتور و سیستم­های توان و کنترل نیاز است که ممکن است در اثر سختی محیط اطرافشان، لرزش یا شتاب آسیب ببینند. در  سیستم موتور درون چرخی بی­سیم (W-IWM) ارائه شده است و با استفاده از این معماری، به طور آزمایشی در یک ماشین آزموده شد. آنها این سیم­ها را با دو سیم پیچ که می­توانند توان را بین خود انتقال دهند، جایگزین کردند. در شکل 7 پیکربندی موتور درون چرخی نشان داده شده است. شکل 8 راندمان این سیستم­ها را در مراحل مختلف نشان می­دهد. در این شرایط می توان مشکلات مربوط به ناهم محور بودن را با استفاده از تزویج رزونانس مغناطیسی که باعث انتقال توان بی­سیم (WPT) می­‌شود، برطرف کرد. توان مبدل ثانویه نیز می تواند به کنترل کننده که با ولتاژ بخش ثانویه تغییر می‌­کند، اعمال شود. WPT هنگام استفاده از توان 2 کیلووات ممکن است به راندمان انتقال 90% در هر دو جهت به دلیل تزویج رزونانس مغناطیسی دست یابد. در نتیجه، W-IWM با ترمز احیا کننده سازگار است. 

شکل 6: زیرسیستم­های خودروهای برقی

شکل 8: پیکربندی W-IWM نشان دهنده عملکرد با 100% گشتاور

شکل 7: IWM بی­سیم و معمولی 

پیکربندی HEV

HEV ها هر دو سیستم ICE و پیش­رانش الکتریکی را دارند. پیکربندی­های مختلف این خودروها براساس چگونگی تنظیم شدنشان به چهار دسته تقسیم می‌شوند.

• پیکربندی هیبریدی سری
• پیکربندی هیبریدی موازی
• پیکربندی هیبریدی سری – موازی
• پیکربندی هیبریدی مختلط

پیکربندی هیبریدی_سری

این پیکربندی آسان­ترین نوع پیکربندی در یک HEV است، زیرا چرخ­ها فقط به موتور متصل هستند. موتور ژنراتوری را که برق تولید می­کند، تغذیه می­کند. به طور ساده می­توان آن را یک HEV با یک ژنراتور ICE دانست. شکل 9 سیستم محرکه این نوع پیکربندی را نشان می­دهد. دلایل موافق و مخالف این نوع پیکربندی در جدول 2 آورده شده است.

پیکربندی هیبریدی_موازی

این نوع پیکربندی EM و ICE را پشت سر هم به چرخ‌­ها وصل می­‌کند. هرکدام از آنها می­توانند نیرو تولید کنند و بنابراین یک خودروی با موتور ICE کمک الکتریکی است ]6[. در این نوع وسیله نقلیه، EM می­تواند ذخیره انرژی را به کمک ICE یا ترمز احیا کننده شارژ کند. در شکل 10 پیکربندی سیستم محرکه هیبریدی موازی نشان داده شده است. درجدول 3 دلایل موافق و مخالف این ساختار بیان شده است و در جدول 4 دو سیستم هیبریدی سری و موازی با هم مقایسه شده­‌اند.

شکل 10: پیشرانه سیستم 30

شکل 9: پیشرانه سیستم هیبرید سری

جدول 2: دلایل مخالف و موافق پیکربندی EV هیبریدی سری

جدول3: دلایل مخالف و موافق پیکربندی PHEV

جدول 4: مقایسه ساختارهای PHEV و SHEV

پیکربندی هیبریدی موازی

سیستم EV هیبریدی سری موازی (SPHEV) از ترکیب پیکربندی­های هیبریدی سری و هیبریدی موازی به وجود می آید. در این شیوه مزایای هر دو لحاظ می­شود. اما دشوارتر و گران قیمت است. پیچیدگی­های این پیکربندی تا حدودی به دلیل واحد چرخ دنده سیاره ای است ]30[. در شکل 11 پیکربندی یک چرخ دنده سیاره ای نشان داده می­شود. در اینجا چرخ دنده خورشیدی به یک ژنراتور، چرخ دنده حلقه ای به محور خروجی،  حامل سیاره ای به موتور احتراق داخلی وصل است و جعبه دنده جناحی اتصال را در سرتاسر سیستم حفظ می­کند. ماشین ترانس نسخه ساده تری است که موتور آن به استاتور و روتور آن از طریق چرخ دنده ها به پیشرانه متصل است ]30[. پیکربندی یک پیشرانه هیبریدی سری موازی با واحد چرخ دنده سیاره ای در شکل 12 نشان داده می­شود. در شکل 13 سیستم تعویض موتور ترانس نشان داده می‌شود.

پیکربندی هیبریدی مختلط

در سیستم هیبریدی مختلط برخلاف سیستم هیبریدی سری، امکان جریان توان دوسویه وجود دارد. اصطلاحات فعلی این سیستم را به عنوان یک پیکربندی سری موازی نشان می­دهند. این سیستم­ها، هزینه­ و پیچیدگی بالایی دارند ]6[. در سیستم­های هیبریدی مختلط، انتقال قدرت متغیر پیوسته (CVT) می­تواند تقسیم توان یا انتخاب منبع برای پیش­رانش چرخ­ها را تسهیل کند. استفاده از تجهیزات الکتریکی برای این فرآیندها، e- CVT نام دارد که توسط شرکت تویوتا موتور معرفی شده است. CVTها به روش­های مختلفی مانند CVTهای هیدرولیکی، CVTهای مکانیکی، CVTهای هیدرومکانیکی و CVTهای الکترومکانیکی استفاده می­شوند. CVTها همچنین از یکی از دو روش تقسیم ورودی و تقسیم پیچیده برای تقسیم توان استفاده می­کنند ]30[. در ورودی انتقال قدرت، از مکانیزم تقسیم توان برای تقسیم ورودی استفاده می­شود. ماشین­های خاصی از تویوتا و فورد از این مکانیزم استفاده می­کنند ]32[. سازندگان مختلف یرای هر دو مکانیزم تقسیم توان، حالات متفاوتی دارند. شکل­های 14 و 15 برخی از این مکانیزم­ها را نشان می­دهند.این نوع HEV های تقسیم توانی شامل موتور، چرخ­ها، دو ماشین الکتریکی و یک جعبه دنده سیاره ای (PG) هستند که به 24 روش می­توان آنها را ترکیب کرد. در حقیقت، با استفاده از PC های دیگر می­توان به بیشتر از هزار روش این کار را انجام داد. یک طراحی بهینه شامل یک PG ارائه شده است ]31[. چرخ­های عقب در سیستم­های چهار چرخ متحرک (4WD) به سیستم انتقال قدرت نیاز ندارند، زیرا موتور مخصوص خود را دارند. بنابراین، می توانند پیکربندی هیبریدی دو موتوره را پیاده سازی کنند و از طریق ترمز احیاکننده مجدد انرژی تولید کنند. در شکل 16 یک ساختار 4WD HEV نشان داده شده است. در این پیکربندی­‌ها با کنترل موتور عقبی، می­‌توان پایداری را افزایش داد.

شکل 11: واحد چرخ­ دنده سیاره ای.

شکل 12: پیشرانه یک سیستم SPHEV با چرخ دنده سیاره ای.

شکل 14: سیستم e- CVT تقسیم ورودی.

شکل 16: ساختار یک  4WD HEV

منابع انرژی

خودروهای هیبریدی می­توانند منابع مختلف انرژی با معیارهای خاصی داشته باشند. از بین این معیارها، دو تا از مهم­ترین‌­ها چگالی انرژی و چگالی توان هستند. در حقیقت، منبع کامل انرژی به ویژگی­های دیگری مانند شارژ سریع، سرویس و چرخه عمر طولانی مدت، هزینه کم و نگهداری آسان نیز نیاز دارد. در رانندگی­های طولانی، انرژی ویژه بالا لازم است، درحالیکه توان ویژه بالا باعث بهبود در رانندگی­ های کوتاه می­شود. منبع ایده ­آل به ویژگی­های مختلفی نیاز دارد، بنابرین بسیاری از سیستم­های ذخیره انرژی (ESS) با ترکیبات مختلف برای برآوردن نیازهای مختلف بحث خواهند شد.

باتری

باتری­ها برای زمانی طولانی، منبع اصلی انرژی برای خودروهای برقی بودند. در واقع از فناوری­ های دیگری نیز در نهایت استفاده می­‌شد. انواع باتری های مشهور در آن زمان، باتری های اسید سربی، Ni-Cd، Ni-Zn، Ni-MH، Li-polymer و Li-ion بودند. مزیت باتری های گرافن برای خودروهای برقی و همچنین مدل­های ساختاری و پیاده سازی آن‌ها. هر نوع باتری موافقان و مخالفان خود را دارد. در جدول 5 ویژگی­های اصلی چند نوع از باتری ها آورده شده است. جدول 6 باتری‌­های رایج را براساس مزایای آنها نسبت به یکدیگر به طور متقابل بررسی کرده است.

جدول 5: انواع نوعی باتری­ها، اجزای اصلی آنها، مزایا و معایب.