رانا هیبریدخودروی شبیه سازی و طراحی سیستم محرکه الکتریکی

3، سامان رضازاده2،آراز سالکی1*حسن مقبلی

دانشجوی کارشناسی، دانشگاه صنعتی اراک -3 دانشجوی کارشناسی، دانشگاه صنعتی اراک -2 عضو هیئت علمی،گروه برق دانشگاه صنعتی اراک -1

hamoghbeli@yahoo.com1 , araz.slk@gmail.com

2 , samanrezazade1371@yahoo.com

3

مورد تجزیه و تحلیل پلت فرم رانا با نیروی محرکه الکتریکی خودروی هیبرید مختلف های بخششبیه سازی و طراحی این مقاله در - چکیده

وتور . ماستفاده می شود آرایش هیبرید موازی از در این طراحی تکنولوژیکی محدودیتهای مشخصات خودرو و . با توجه بهقرار گرفته است

القایی بوده که تنظیم سرعت نوعاز kW55می باشد. موتور الکتریکی به کار رفته یک موتور 5TU از نوع موتور رانااحتراقی مورد استفاده خودرو

55باتری مجموعه 4 ازساز انرژی سیستم ذخیره برای .شده است تغذیه kW05 اینورترکه از می شود انجام روش کنترل برداری گشتاور آن با و

Regenerative در حالتمی دهد و یا درایوانرژی را از باتری گرفته و به این مجموعه .باشد پلیمر می -از نوع لیتیم سری استفاده شده که ولتی

Braking سیستم های جانبی در می نماید. بصورت انرژی الکتریکی در باتری ها ذخیره ( حالت ژنراتوری)را درایو الکتریکی انرژی ترمزی

که به استفاده می شود نشان دهنده هایی و از سیستم ها، عالوه بر سیستم های جانبی الکتریکی خودروی رانا هیبریدالکتریکی خودروی

.واسطه هیبرید شدن خودرو ، اضافه گردیده اند

، اینورتر ، باتری. AC، درایو کنترل استراتژیککلیدی: خودروی هیبرید موازی ، ه هایواژ

مقدمه -5

آرایش خودروی هیبرید طراحی شده از نوع موازی می باشد

در کشور، موجود که این انتخاب با توجه به وجود تکنولوژی

از میان ].1[می باشدپایین بودن هزینه و عدم پیچیدگی

1موازیآرایش ،موازی و موازی مستقلآرایش های هیبرید

یده است که دانتخاب گر (2و ) (1نشان داده شده در شکل )

این انتخاب به دلیل مزایایی از قبیل بهینه کردن نقطه کار

م سکون و اشارژ شدن باتری ها در هنگ وموتور احتراقی

آرایش موازی مستقل به زیرا ].2[ترافیک صورت گرفته است

یحجم زیاد نیاز به دلیل نیاز به باال بودن توان موتورها ،

لکتریکی به عنوان یک موتور ا موازیدر ساختار ].3[اردد

کمک کننده برای موتور احتراقی بکار می رود به گونه ای که

هنگامی که موتور احتراقی از نقطه کارش خارج شود موتور

الکتریکی روشن شده وبخشی از توان سیستم را بر عهده می

بخش های مختلف وطراحی در این مقاله به بررسی ].4[گیرد

طراحی شده شامل موتور ویسیستم محرکه الکتریکی خودر

1 Parallel

کنترلر و اینورتر ، سیستم کنترل انرژی و سیستم ،الکتریکی

های جانبی پرداخته می شود.

بلوک دیاگرام خودروی هیبرید سری و موازی: 1شکل

: بلوک دیاگرام خودروی هیبرید موازی 2شکل

موتور الکتریکیطراحی و انتخاب -2

اینورتر ساخت نمونه های ادوات الکترونیک قدرت با پیشرفت

DC، عمال سبب کنار گذاشتن موتورهای ACبرای موتورهای

برید علیرغم مزایای آن در کاربردهای خودروی برقی و هی

شتاب ACده از موتورهای در مقابل استفاکه گردیده است

رهای الکتریکی ، بیشتری گرفته است. از میان انواع موتو

،سنکرون 2بدون جاروبک DC موتورهای،1القاییموتورهای

بیشتری دارند. هریک از این 3دائم رواج مغناطیس سنکرونو

( 1دارند که در جدول ) اموتورها ، مزایا و معایب خاص خود ر

( بین چهار موتور 2در جدول ) به آنها اشاره شده است.

الکتریکی پر کاربرد در خودروهای هیبرید الکتریکی مقایسه

ای از لحاظ عملکرد ، وزن و قیمت انجام شده است. در این

این موتورها نشان دهنده باالترین امتیاز 5جدول ها ، عدد

می باشد)باالترین بازده ، کمترین وزن وکمترین هزینه(

]5،5.[

1 Induction Motor (IM)

2 Brushless DC Motor (BLDC) 3 Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)

که دارای امتیاز از بین موتورهای نام برده شده موتور القایی

باالتری نسبت به سایر موتورها می باشد انتخاب گردیده است.

تامین توان توسط موتور مربوط به (1باتوجه به رابطه )

و مشخصات خودرو ی رانا در در خودروی هیبریدالکتریکی

توان موتور الکتریکی مورد نیاز در خودروی هیبرید (3جدول )

δجرم خودرو، mدر رابطه زیر کیلووات می باشد. 5/44 رانا

Vfصفر تا صد خودرو ، سرعت زمان taضریب جرم خودرو ،

به ترتیب سرعت نهایی خودرو با موتور الکتریکی و Vb و

.]5،5[سرعت پایه خودرو می باشد

ین پروژه را نشان می دهد ( موتور مورد استفاده در ا3شکل )

کشور آلمان و مدل آن از Getragشرکت که ساخت

7HDT300 ، می باشد. به دلیل توان باالی موتور الکتریکی

خنک سازی موتور بوسیله آب و یک رادیاتور مستقل انجام می

( 4و )( 3) هایبا توجه به اطالعات ذکر شده در جدول گیرد.

خروجی گشتاور ماکزیمم و متوسط موتور در شبیه سازی

به صورت شکل Advisorدر نرم افزار CYC_UDDSسیکل

باشد.( می 4)

معایب مزایا موتورنوع

سه فاز

ACالقایی

Three phase Induction

Motor

توان باال ، گشتاور

شروع باال

سرعت آسنکرون

سنکرون AC

Synchronous Motor

قیمت باال طول عمر باال

DCموتور بدون

جاروبک

Brushless DC Motor

نگهداری کم ، بازده باال ، طول عمر زیاد

نیاز به کنترلر ، قیمت باال

قیمت ارزان ، DC DC Motorموتور

کنترل ساده

نگهداری دشوار ،

طول عمر محدود

SRM PM IM DC

چگالی توان 5/2 5/3 5 5/3

بازده 2 4 5 5/4

کنترل پذیری 5 5 4 3

قابلیت 3 5 4 5

اطمینان

تکنولوژیکى 5 5 4 4

قیمت 4 5 3 4

نمره کل 22 5/22 25 44

kg + 159 kg 1190 سرنشین(جرم خودرو )با دو

δ 68/0ضریب جرم خودرو

ta 4/11صفر تا صد سرعت زمان

Vf 106 km/h = 30 m/sسرعت نهایی خودرو

Vb 40km/h = 1/11سرعت پایه خودرو m/s

: مقایسه انواع موتور های مورد استفاده در خودروهای هیبرید 1جدول

مقایسه پارامترهای مورد نظر در انتخاب موتور الکتریکی خودروی هیبریدی :2جدول

مورد استفاده در خودرو رانا 7HDT300 Getrag: موتور 3شکل

: مشخصات خودروی رانا 3جدول

(1)

( داریم:3با استفاده از مقادیر پارامترهای جدول )که

𝑃𝑚 𝑚𝑎𝑥= 1259×0/86 × 11.1 2+ 30 2

2×1000×11.4= 48.6 kW

و مدار کنترل اینورترطراحی و انتخاب -3

عبارتند از: القاییروش های متداول کنترل سرعت موتور های

کنترل اسکالر،کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور

(DTC) از این بین روش کنترل برداری به دلیل عملکرد .

که اغلب خودروهای برقی و هیبریدی ساخته شدهدربسیار باال

روش است.کنند، بکار برده شده استفاده می ACاز موتور

DTC به سوییچینگ بودن علیرغم سادگی و همچنین سریع ،

به اندازه روش 1دلیل ریپل گشتاور باال در کاربردهای تراکشن

فراگیر نشده است. در عین حال حجم کنترل برداری

نسبتا باالست که البته با محاسبات در روش کنترل برداری

ها، این DSPاستفاده از پردازشگرهای دیجیتالی سریع نظیر

گردیده است. عمال برطرفمشکل

روش امورد استفاده در این پروژه ب القاییکنترل سرعت موتور

ل برداری انجام می شود. سرعت واقعی از روی سیگنال کنتر

محاسبه DSPهای موقعیت ارسال شده توسط شافت اینکودر

1 Traction

می گردد. اینورتر مورد استفاده از نوع شش سوئیچه با سوئیچ

بردار فضایی است که به روش مدوالسیون IGBTهای از نوع

(SVM) که نسبت به دیگر انواع روش ها نظیر شش پله ای و

PWM 7[سینوسی بهتر است ، کلید زنی می گردد[.

مشخصات مورد نیاز خودرو وبا توجه به مطالعات انجام شده

می DMC5 مدل BRUSAاینورتر انتخاب شده از شرکت

].4[ذکر شده است( 5) که مشخصات آن در جدول باشد

مورد الکتریکی و طراحی درایو یشبیه ساز -4

در خودروی رانا استفاده

و شبیه سازی DMC5و اینورتر القاییبا استفاده از موتور

تست ( آورده شده است ،5انجام شده در متلب که در شکل)

CYC_UDDSدر سیکل Advisorانجام شده توسط نرم افزار

تست خودروی طراحی شده در برای UDDS، سیکل می باشد

( آورده 5شرایط شهری می باشد که مشخصات آن در شکل)

گشتاور خروجی و خروجی های گشتاور حداکثر ، شده است.

آمده است. (7لحظه ای موتور کنترلر نیز در شکل)سرعت

(Nm) 399 گشتاور ماکزیمم موتور الکتریکی

(kW)55-15 پیوسته توان

(V)469-44 سطح ولتاژ

طول نصب 364

(kg) 65 جرم

(A) 335-114 ورتر جریان این(Inverter Current)

( Vdc ) 549-139 محدوده ولتاژ(Voltage Range)

(kW) 149-49 توان پیوسته(Continuous Power)

(Efficiency)بازده 77%

الکتریکی استفاده شده در خودروی هیبرید : مشخصات موتور 4جدول

رانا

Advisorموتور الکتریکی توسط نرم افزار گشتاور خروجی : 4شکل برای خودروی هیبرید رانا DMC5: مشخصات اینورتر انتخاب شده 5جدول

Advisor : موتور کنترلر شبیه سازی شده در نرم افزار 5شکل

باتری و انتخاب طراحی و شبیه سازی -5

با توجه به معیارهای طراحی،از موتور الکتریکی فقط در ناحیه

ده می گردد.در این خودروی هیبریدسرعت های پایین استفا

( که km/h 44طراحی شده ، در سرعت های پایین)کمتر از

است ،فقط از موتور موتور احتراقی از راندمان کمی برخوردار

الکتریکی استفاده می شود.هم چنین در موقع ترمز گرفتن ،

انرژی جنبشی خودرو حتی االمکان توسط عملکرد بازگشت

)حالت ژنراتوری موتور الکتریکی(در سیستم یترمز انرژی

باتری های بکار رفته در .ذخیره انرژی،ذخیره می گردد

-Pb)را می توان به انواع سرب اسیدی کاربردهای تراکشن

Ac) کادمیوم –، نیکل(Ni-MH ) انواع لیتیومی شامل لیتیوم ،

پلیمر دسته -مو نوع جدید و مقاوم تر لیتیو (Li-Ion)یون –

مقایسه مشخصات انواع باتری ها (5).جدول]7[بندی نمود

نسبت به یکدیگر را نشان می دهد.

باید مجموع حداکثر توان موتور الکتریکی، زبرای استفاده ا

ها از توان ژنراتور و باتری –های مجموعۀ موتور احتراقی توان

Pb-Ac Li-pol Ni-MH Li-Ion پارامتر

39 58 58 58 راندمان

دانسیته

(Wh/Iانرژی)

08-88 098-088 088 088-088

انرژی

(Wh/kgویژه)

08-08 068-088 68-08 088-088

توان

(w/kgویژه)

988 0088-888 0988-888 9888-588

تا 68 (C°دمای کار)

98-

-08تا 88 -08تا 88 -08تا68

خود دشارژی

(%month)

5-0 08 08 8-0

<0888 >0888 0088 088 تعداد سیکل ها

08 038-58 08 08-88 (kW/$)قیمت

CYC_UDDS شهری سیکل مربوط به : اطالعات و منحنی 5شکل

گشتاور خروجی لحظه ای ( ب : الف( گشتاور ماکزیمم موتورکنترلر 7شکل

CYC_UDDS ( منحنی سرعت لحظه ای در سیکلج

(ج

: مقایسه انواع باتری های مورد استفاده در خودروهای هیبرید 5جدول

(الف

(ب

(ج

موتور الکتریکی بیشتر باشد تا پس از جبران تلفات، بتوان از

رابطه با توجه به . نمودحداکثر قابلیت موتور الکتریکی استفاده

(2):

بازدهی موتور mتوان موتور الکتریکی، Pm در آن که

ژنراتور –مجموعۀ موتور احتراقیتوان Pe/gالکتریکی و

انتخاب شده برای طراحی بزرگتر PB،باید توان باتری باشد می

باشد. (2)رابطه از قسمت سمت راست

معرف بیشترین و کمترین Ecbبیشترین و کمترین مقدار

در (4همان گونه که در شکل )باشد. ها می وضعیت شارژ باتری

ها )وضعیت موجود در باتری ابتدای شروع سیکل، مقدار شارژ

یعنی ها( دقیقاً وسط دو مقدار بیشینه و کمینه شارژ در باتری

Ecb نظر شود، در انتهای سیکل اگر از اتالفات صرف کهاست

ظرفیت انرژی باید وضعیت شارژ به مقدار اولیه رسیده باشد

.محاسبه می شود (3)ابطه ها با استفاده از ر باتری

Cb در ها است. ، معرف ظرفیت کل انرژی باتری(3) هدر رابط

ترتیب بیشترین و کمترین تغییرات به Ebmin و Ebmaxاین روابط

ها در طول سیکل هستند و شده در باتری انرژی ذخیره

SOCmax وSOCmin وضعیت شارژ ترتیب بیشینه و کمینه به

باتوجه به توان مورد نیاز،فضای ].14[باشند ها می باتری

، باتری های (5در جدول) موردنظر و پارامترهای مورد مقایسه

پلیمر انتخاب شده –مورد استفاده در این پروژه از نوع لیتیوم

. در نشان داده شده است (7)است که مشخصات آن در جدول

الکتریکی باتری انتخاب شده برای نیز مدار معادل (7شکل )

خودروی هیبرید رانا نشان داده شده است.

می kW 51توان دشارژ نامی مجموعه باتری در حالت دائمی

می رسدکه از توان مورد نیاز kW 75باشد و درحالت گذرا به

است بیشتر می باشد. kW 75موتور که در شرایط ماکزیمم

نیازمند دانستن وضعیت شارژ (HCU)سیستم کنترل هیبرید

می باشد تا بتواند هنگامی که سطح شارژ باتری ( SOC)باتری

ها از سطح شارژحداقلی کمتر است عمل شارژ باتری ها را

که سطح شارژ باتری به مقدار حداکثر انجام دهد و هنگامی

با توجه به پارامترهای باتری رسید عمل شارژ قطع شود.

جریان خروجی انتخاب شده و میزان سطح شارژ مورد نظر

باتری ، توان مورد نیاز مجموعه باتری و توان خروجی در

( نشان داده شده است.14دسترس مجموعه باتری در شکل )

مقدار پارامتر مقدار پارامتر

توان تخلیه 5/80 (vنامی) ولتاژ

(kwپیوسته)

58/00

جریان تخلیه

(Aپیوسته)

ماکزیمم جریان 005

(Aتخلیه )

068

وزن هر

(kgعدد)

ماکزیمم توان 06

(kwتخلیه)

83/00

008×0/080×058 (mmابعاد) 90 (Ahظرفیت )

: مدار معادل باتری7 شکل

یک سیکل رانندگی برایها باتری ای از تغییرات انرژینمونه :4شکل

رانا هیبرید : مشخصات باتری استفاده شده در خودروی7جدول

(2)

(3)

سیستمهای جانبی الکتریکی خودروی هیبرید -6

در خودروی هیبرید طراحی شده ، عالوه بر سیستم های

خودروی رانا معمولی وجود جانبی الکتریکی متنوعی که در

دارد،پارامترهای دیگری نیز باید نشان داده شوند که عبارتند

از : حالت کاری خودرو، دمای موتور الکتریکی واینورتر، سرعت

یزان موتور الکتریکی، زمان باقیمانده تا خالی شدن باتری ها، م

اطالعات پارامترهای ذکر شده از شارژ باتری ها وجریان موتور،

احدهای مرتبط کنترلی و درایو جمع آوری شده و توسط و

سخت افزارهای مناسب روی نمایشگر دیجیتالی پانل جلویی

خودرو نمایش داده می شوند.

نتیجه گیری -0

مختلف الکتریکی خودروی هیبرید سیستمهایدر این مقاله

به دالیل ذکر شده در مقاله از رانا مورد بررسی قرار گرفت و

هیبرید نوع موازی استفاده شده است. به علت آرایش خودروی

قابلیت کنترل پذیری و راندمان باال از موتور القایی با درایو با

موتور تا استفاده گردیده است، SVMکنترل برداری و اینورتر

مورد استفاده در دو حالت کنترل گشتاور و کنترل سرعت

–باتری های لیتیوم نوع قابل استفاده می باشد. هم چنین از

پلیمر مخصوص کاربرد تراکشن به دلیل مزایای گفته شده

هنگامی که موتور به استفاده گردیده است. مجموعه باتری ها

مورد احتراقی از نقطه کار بهینه خارج می شود بخشی از توان

.نیاز خودرو را تامین نماید

مراجع

[1] M. Ehsani and et al, "Introduction to ELPH: A Parallel

Hybrid Vehicle Concept", Proceedings of the ELPH

Conference, 1994.

[2] M. Ehsani, K. M. Rahman, and H. A. Toliyat, “Propulsion

system design of electric and hybrid vehicles,” IEEE Trans.

Ind. Electron., vol. 44, pp.19–27, Feb. 1997.

[3] I. Husain : "Electric and hybrid vehicles design

fundamentals" ,CRC Press, 2003

[4] IMechE "Combustion engines and hybrid vehicles" ,

Conference Transactions, 1998

[5] Naser Hashemnia and Behzad asaei, "Comparative Study of

Using Different Electric Motors in the Electric Vehicles"

,Proceedings of the 2008 International Conference on

Electrical Machines

[6] X.D.Xue, K. W. E. Cheng, and N. C. Cheung , “Selection of

Electric Motor Drives for Electric Vehicles”, 2008

Australasian Universities Power Engineering Conference

(AUPEC'08)

[7] Hasan Moghbeli,Mohammad Zarei,Seyed Sattar

Mirhoseini , "Transient and Steady States Analysis Of

Traction Motor Drive with Regenerative Braking and Using

Modified Direct Torque Control (SVM-DTC) ,Power

Electronics,Drive Systems & Technologies Conference

2015,PEDSTC

[8] http://brusa.biz

[9] Corrigan D, Masias A (2011) Batteries for electric and

hybrid vehicles. In:Reddy TB ed ,Linden’s handbook of

batteries, 4th edn. McGraw Hill, New York

[10] M. Ehsani, Y. Gao, S. E. Gay and A. Emadi, 2005. Modern

Electric Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, CRC

Press, Washington, D.C., USA.

در وان خروجی مورد نیاز مجموعه باتریت( الف: 14شکل

جریان خروجی باتری در یک سیکل ب( یک سیکل

باتریج(توان خروجی در دسترس مجموعه

الف(

ب(

ج(