طراحی و ساخت اولین اتوبوس هیبرید الکتریکی خاورمیانه
مرکز تحقیقات خودرو، سوخت و محیط زیست
پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران
خودررهای هیبرید الکتریکی
هیبرید در لغت به معنای مرکب است. در اصطلاح فنی خودروسازی، هیبرید به معنی وجود بیش از یک منبع تامین انرژی در خودرو، جهت افزایش انعطاف لازم به منظور مدیریت بهینه مصرف انرژی و کاهش آلایندگی آن میباشد. معمولا یکی از این منابع انرژی با اولویت تولید انرژی و دیگری با اولویت ذخیره سازی آن انتخاب میشود . از مثالهای نوع اول می توان به موتور احتراق داخلی و پیل سوختی اشاره کرد. مصداق نوع دوم هم هر منبعی از انرژی است که قابل ذخیره سازی انرژی را داشته باشد. مثل باتری ها ( ذخیره کننده انرژی الکتریکی) و چرخ طیار ( ذخیره کننده انرژی مکانیکی).
خودروهای هیبرید الکتریکی جایگزین بسیار مناسبی برای خودروهای فعلی به نظر می رسند. زیرا از یک سو مشکل محدودیت مسافت حرکتی این خودروها در مقاسیه با خودروهای کاملا الکتریکی حل شده است. از سوی دیگر از نظر عملکرد و قیمت تمام شده قابل رقابت با خودروهای معمولی می باشند.
چرا هیبرید؟
به دلایل زیر میتوان گفت که خودرو های هیبرید الکتریکی عملی ترین راه جهت رسین به مصرف سوخت و آلایندگی به مراتب کمتر می باشند:
- استفاده از موتورهای احتراق داخلی کوچکتر
- کارکرد موتورهای احتراق داخلی در نواحی با بازده بالا
- استفاده از سیستم بازیاب انرژی ترمزی برای شارژ باتری ها
ساختار های هیبرید
به طور ساده به روابط میان اجزاء که مشخص کننده مسیرهای جریان قدرت هستند و کنترلی موجود در مسیر، ساختار خودروی هیبرید گفته می شود. به طور مرسوم خودروهای هیبرید به دو دسته اصلی طبقه بندی می شوند: موازی و سری. در خودروهای هیبرید الکتریکی سری دو منبع انرژی یک منبع قدرت رانش خودرو ( موتور الکتریکی) را تغذیه می کنند. در یک خودروی هیبرید الکتریکی موازی، موتور احتراق داخلی قدرت رانش خودرو را همانند یک خودروی معمولی فراهم می کند. با این تفاوت که در زنجیره قدرت هیبرید موازی،یک محور موتور الکتریکی که با موتور احتراقی کوپل شده، افزوده شده است.
دانش فنی و ساخت نمونه اتوبوس هیبرید الکتریکی
با توجه به نیاز کشور به بومی سازی فناوری خودروی هیبرید و اهمیت ناوگان حمل و نقل عمومی، از اوایل سال 1384، پروژه طراحی و ساخت اتوبوس هیبرید الکتریکی آغاز گردید. این پروژه با همکاری دفتر طرح خودرو وزارت صنایع و معادن و گروه صنعتی ایران خودرو تصویب شده و در حال حاضر با همکاری مرکز تحقیقات ، خودرو ، سوخت و محیط زیست دانشگاه تهران، دانشگاه صنعتی اصفهان و شرکت بهینه سازی مصرف سوخت در حال انجام می باشد.
برآوردهای اقتصادی هیبرید سازی اتوبوس های شهری تهران نشان می دهد که با در نظر گرفتن 16000 دستگاه اتوبوس سالانه 128 میلیارد ریال صرفه جویی در هزینه مصرف سوخت صورت خواهد گرفت. همچنین تاثیر آن در بهبود وضعیت آلودگی شهری چشمگیر خواهد بود.
شبیه سازی اتوبوس هیبرید
امروزه هزینه و زمان هنگفت فرایند طراحی و ساخت خودرو به کمک مدل سازی و شبیه سازی رایانه ای بشدت کاهش یافته است. با استفاده از یک محیط شبیه سازی کامپیوتری می توان خودرو را مدل کرده و استراتژی های کنترلی مختلفی را بر خودرو اعمال و رفتار آن را پیش بینی کرد. مدل اتوبوس در محیط های نرم افزاری AVL/Cruise و ADVISOR پیاده سازی شده است. شماتیک ساختار طراحی شده در شکل زیر مشاهده می شود.
همچنین یک مدل برای شبیه سازی رو به جلوی اتوبوس در محیط MATLAB/Simulink تدوین شده است. این مدل در تستهای نرم افزار در حلقه کنترل، سخت افزار در حلقه کنترل و کنترل مدل مبنا قابل استفاده است. شبیه سازی اجزای مختلف در این مدل به صورت ماژولی می باشد.
نتایج شبیه سازی
شبیه سازی های انجام شده در محیط های نرم افزاری متنوع، حاکی از بهبود مصرف سوخت و نیز کاهش قابل توجه آلایندگی هیبرید الکتریکی سری نسبت به اتوبوس O457 معمولی می باشد. خلاصه ای از نتایج میزان کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در دو سیکل شهری تهران و نو رنبرگ در جدول زیر نشان داده شده است.
بهبود عملکرد سیکل |
بهبود مصرف سوخت |
بهبود آلایندگی (کاهش تولید Nox) |
||
بدون ترمز بازیاب |
با ترمز بازیاب |
بدون ترمز بازیاب |
با ترمز بازیاب |
|
تهران |
20% |
30% |
71.6% |
75.6% |
نورنبرگ |
10% |
30% |
45.5% |
57.5% |
طراحی کنترلر
کنترلر در خودروهای هیبرید نقش اساسی بر عهده دارد. به طوری که در صورت عدم کارکرد صحیح آن، به هیچ یک از اهداف مورد انتظار هیبرید سازی نمی توان دست یافت. کنترلر علاوه بر دریافت فرمان از سوی راننده، از تمام قسمتهای دیگر خودرو نیز بازخورد می گیرد. به این وسیله اطلاعات مربوط به هر بخش را ( از قبیل گشتاور، سرعت خودرو و و ضعیت شارژ باتری ها) در هر لحظه تحلیل کرده و فرمان مناسب را صادر می کند . در راستای انجام این پروژه کنترلر های ترموستات، فازی ، ترموستات فازی و بهینه طراحی شده اند.
سیستم های مکانیکی اتوبوس هیبرید
اهمیت جانمایی تجهیزات در خودروهای هیبرید دوچندان است; زیرا از یکسو جانمایی تجهیزات موتوراحتراقی مانند خودروهای احتراقی معمولی بایست انجام شود و از سوی دیگر، تجهیزات حجیم و سنگین الکتریکی (مانند موتور الکتریکی، ژنراتور، باتری و سیم کشی های ولتاژ بالا) نیز باید در فضای موجود جاسازی شوند. جادادن همه تجهیزات خودرو به طوری که از نظر طراحی قابل دسترسی باشند ، نیازمند یک طراحی مبسوط و بررسی همه جانبه است. نماهایی از پشت و زیر اتوبوس هیبرید و نحوه چیدمان تجهیزات در تصاویر مشخص شده اند.