ترجمه مقاله مدیریت انرژی هوشمند و اندازه گیری اجزای یک وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی

مدیریت انرژی هوشمند و اندازه گیری اجزای یک وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی سنگین بر اساس یک چرخه درایو واقعی

Component sizing and intelligent energy management of a heavy hybrid electric vehicle based on a real drive cycle

 

چکیده – در این مقاله، هیبرید‌سازی یک وسیله نقلیه سنگین ارائه شده است. یک لوکوموتیو سوئیچر برای هیبریداسیون در نظر گرفته شده است. لوکوموتیو‌های سوئیچر با توجه به سرعت عملیاتی پایین آنها، در مقایسه با انواع دیگر لوکوموتیو‌ها نیاز به قدرت خیلی کمتری دارند. علاوه بر این، لکوموتیوهای سوئیچر اتلاف انرژی بالاتری به دلیل استارت و توقف مکرر دارند. وسایل حمل و نقل تغذیه ترکیبی به عنوان جایگزین بسیار عالی برای وسایل نقلیه حمل و نقل عادی در نظر گرفته می شوند، چراکه وسایل نقلیه تغذیه ترکیبی مجهز به بیش از یک منبع قدرت کِشنده هستند. بنابراین، چرخه درایو یک لوکوموتیو سوئیچر از داده های اندازه گیری شده‌ی صحیح مشتق شده و برای محاسبه و طراحی اجزای خودروهای هیبریدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک '' کنترل کننده فازی '' برای برنامه ریزی یک کنترلر مناسب برای لوکوموتیوهای هیبریدی، استفاده می شود. مقایسه‌ها کاهش قابل توجهی در مصرف سوخت و آلودگی ناشی از طراحی لوکوموتیو سوئیجر هیبریدی در مقابل لوکوموتیوهای برقی دیزلی معمولی نشان می دهند.

 

کلمات کلیدی – لوکوموتیو دیزلی – الکتریکی؛ HEV؛ مدیریت انرژی؛ اندازه گیری اجزا؛ ذخیره سازی انرژی

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

 

 

1. مقدمه

در سال های اخیر، افزایش بهره وری وسایل حمل و نقل و کاهش مصرف سوخت آنها به یکی از نگرانی‌های عمده در بسیاری از جوامع تبدیل شده است. دلایل اصلی افزایش قیمت سوخت های فسیلی و افزایش آلودگی های زیست محیطی به عنوان نتیجه مصرف سوخت های فسیلی است. ظاهرا، وسایل حمل و نقل ترکیبی ساده ترین و بهترین راه حل ممکن برای مشکلات ذکر شده هستند، و بسیاری از محققان و تولید کنندگان خودرو در حال انجام پژوهش و سرمایه گذاری پول در موضوع راه حل های ترکیبی هستند. خودروهای هیبریدی الکتریکی (HEV) معمولا با اضافه کردن یک منبع توان الکتریکی به منبع توان اصلی خودرو (به عنوان مثال یک مبدل سوخت فسیلی) طراحی شده اند. بر اساس تجربه، این می تواند بازده کلی سیستم را با کاهش اندازه موتور بهبود بخشد. استفاده از '' ترمز احیا شونده'' بهره وری بیشتری به سیستم به ارمغان خواهد آورد. با یک بررسی جامع در مصرف سوخت، تولید گازهای گلخانه ای و هزینه های سرمایه‌ای خودروهای هیبریدی، و مقایسه آن با دیگر انواع وسایل نقلیه در نقاط مختلف جهان، توسط سیلوا و همکاران، چان و همکاران، جدید ترین یافته ها در مورد خودروهای الکتریکی، ترکیبی، و سلول سوختی، با تمرکز بر معماری و مدل سازی برای مدیریت انرژی، مورد بررسی قرار گرفت.

بر اساس ترکیبات مولفه های آنها، خودروهای هیبریدی-الکتریکی به انواع '' هیبریدی سری ''، '' هیبریدی موازی '' و '' تقسیم توان'' طبقه بندی شده اند. در نوع هیبریدی سری، هیچ اتصال مکانیکی بین مبدل سوخت و چرخ خودرو وجود ندارد، و این نوع هیبرید بیشتر در وسایل نقلیه سنگین مانند کامیون و یا لوکوموتیو استفاده می شود. برخی محققان تحقیقات خود را بر اساس هیبریدی سری انجام داده اند، در حالی که در "ژانگ و لیو" و "پورعبدالله و همکاران"، طرح‌ها بر اساس هیبریدی موازی انجام شده اند که در آن نیروی کشش از هر دو منبع قدرت به چرخ ها منتقل می شود. طراحی موازی عمدتا در خودروهای سبک استفاده می شود. هر نوع هیبریدی دارای مزایا و معایب خود است. هیبرید نوع "تقسیم توان" توسط شرکت تویوتا طراحی شده است و دارای مزایای هر دو مدل هیبرید سری و موازی می باشد.

چن و همکاران مدل سازی ریاضی، تجزیه و تحلیل، و نتایج شبیه سازی یک انتقال برق جدید برای HEV سری-موازی را توصیف کرده اند. جدا از مبدل های سوخت فسیلی که عمدتا موتورهای احتراق داخلی (ICE) هستند، سلول های سوختی نیز نوع دیگری از منبع انرژی هستند که در طراحی HEVها استفاده می شوند. تمرکز ویلیامسون و همکاران به طور عمده در بهره وری تجزیه و تحلیل مولفه های قطارهای قدرتِ HEV کلی و خودروهای سلول سوختی است. وسایل نقلیه برقی دیزلی نیز از سوخت های فسیلی و ICE ها استفاده می کنند. آنها وسایل نقلیه هولر اصلی در سیستم حمل و نقل راه آهن ایران هستند. بسیاری از این لوکوموتیوها قدیمی هستند و هزینه های نگهداری بالا و همچنین آلودگی بالایی دارند. بهینه سازی و ارتقاء این وسایل حمل و نقل قدیمی برای کاهش مصرف سوخت و کاهش آلودگی یکی از چالش های بسیاری از مدیران راه آهن است. حدود 30٪ از تمام لوکوموتیوهای موجود در ایران در ایستگاهها به عنوان لوکوموتیو سوئیچر (شانت) استفاده می شوند. لوکوموتیوهای سوئیچر اتلاف انرژی بالایی به دلیل استارت و توقف مکرر دارند. به این دلیل و به دلیل توان مصرفی پایین، وسایل نقلیه حمل و نقل ترکیبی جایگزین بسیار خوبی برای وسایل نقلیه سوئیچینگ عادی هستند. طراحی این وسایل نقلیه به صورت هیبریدی می تواند مصرف سوخت را کاهش دهد و انتشار آلودگی در سیستم حمل و نقل راه آهن ایران تا حد زیادی کاهش یابد. Cousineau در مورد مزایای استفاده از سیستم های ترکیبی در طراحی و تبدیل لوکوموتیوهای سوئیچر بحث کرده است.

برخی از نویسندگان یک سلول سوختی را به عنوان منبع انرژی استفاده کرده اند. میلر و همکارانش روش ها و نکته هایی را بررسی کرده اند که باید در هنگام طراحی یک لوکوموتیو هیبریدی مجهز به سلول های سوختی در نظر گرفته شود. میلر و همکارانش یک لوکوموتیو را آنالیز کرده اند که از سلول های سوختی استفاده می کند و در مورد مزایا و معایب آن با باتری و سوپر خازن بحث کرده اند. برخی از نویسندگان یک موتور دیزلی را به عنوان منبع قدرت بدون تجزیه و تحلیل دقیق چرخه استفاده کرده اند و مولفه های آن را بر اساس یک چرخه رانندگی 6 ساعته انتخاب کرده اند. Akli و همکاران یک ذخیره انرژی مشترک ساخته شده از باتری و ابرخازنها استفاده کرده اند، و استراتژی کنترل آنها بر اساس فرکانس توان مورد نیاز است. سیستم کنترل تعیین می کند که کدام منبع قدرت باید تامین توان را در هر لحظه اداره کند. همان استراتژی کنترل توسط جعفر و همکاران استفاده شده است، که در طراحی آنها، باتری ها، سوپر خازنها، و چرخ لنگرها به عنوان دستگاه های ذخیره سازی انرژی، با استفاده از سوپر خازن به عنوان دستگاه های ذخیره سازی انرژی و با پیشنهاد یک مولفه خاص ترکیبی برای لوکوموتیو GTW در نظر گرفته شده اند. Destraz و همکاران در حذف یکی از دو موتور دیزلی 380 کیلوات موجود موفق بودند، و 44٪ کاهش در مصرف سوخت نسبت به موارد قبلی به دست آوردند. شین و یی یک  توسعه ثانویه از نرم افزار ADVISOR ارائه دادند، و یک مدل لوکوموتیو الکتریکی هیبریدی ساختند که شامل شش موتور فرعی و محور انتقال بار فرعی بود.

در این مقاله، باتری ها به عنوان منبع ذخیره سازی انرژی و پیک توان استفاده شده اند. دو هدف برای رسیدن وجود دارد: یکی "انتخاب اجزای سازنده برای یک لوکوموتیو شانتینگ'' است و از دیگری '' کنترل موثر از توان'' می باشد. در یک لوکوموتیو با فضا و وزن محدود، استفاده از باتری خود به نظر می رسد کافی باشد و نیاز به استفاده از سوپرخازن وجود ندارد. برای انتخاب مناسب مولفه ها، توان سیکل رانندگی از اطلاعات موجود نمونه برداری و تجزیه و تحلیل شد. داده ها در یک لوکوموتیو سوئیچر  نمونه در طول یک سفر روزانه جمع آوری شد. مولفه ها با استفاده از تجزیه و تحلیل قدرت چرخه رانندگی انتخاب و سپس سیستم کنترل قدرت انتخاب شد به طوری که موتور دیزلی را در منطقه عملکردی کارآمد نگه داشته و همچنین بهره وری کل را بهبود می بخشید. بار بین موتور های دیزلی و باتری توزیع می شد به طوری که موتور دیزلی در حداکثر محدوده کارایی خود کار کند، و عمر موتور و اجزا در نظر گرفته شود.

لوکوموتیو همیشه دوست دارد موتور آن از لحاظ مکانیکی از وسایل دیگر جدا باشد، و به این دلیل، هیبریدی سری به عنوان یکی از بهترین انتخاب برگزیده شده است. شکل 1 پیکربندی و اتصالات اجزای سازنده در یک وسیله نقلیه هیبریدی سری را نشان می دهد. همانطور که در این تصویر نشان داده شده، قطعات مولد برق شامل ''موتور دیزلی'' و '' منبع اوج توان'' است که برای ذخیره انرژی الکتریکی است. انتخاب مناسب قدرت و ظرفیت این ژنراتور توان نقش مهمی در کاهش مصرف سوخت و هزینه های کلی سیستم نهایی ایفا می کند. در این پروژه بین باتری و باس هیچ مبدلی نیست که دلیل آن بعدا توضیح داده خواهد شد.

 

2. چرخه رانندگی لوکوموتیو در ایستگاه

در یک سیستم ترکیبی، مولفه های تولید و ذخیره سازی باید طوری ایجاد شود که اندازه ICE، که از سوخت های فسیلی استفاده می کند، تا آنجا که ممکن است کاهش یابد. علاوه بر این، دستگاه های ذخیره سازی نباید بسیار بزرگ باشند، به طوری که هزینه کلی سیستم کاهش یابد، و تمام اجزا باید طوری انتخاب شوند که در محدوده عملیاتی مطلوب خود کار کنند. بهترین راه برای دستیابی به اهداف مورد بحث انتخاب اجزا بر اساس انتظارات ما از وسیله نقلیه است. برای این منظور، یکی از لوکوموتیو های فعال در ایستگاه مرکزی تهران، نمونه برداری و چرخه رانندگی یک روزه آن مطالعه شد. برای به دست آوردن چرخه رانندگی، سرعت قطار و بار در طول یک روز کاری اندازه گیری شد. در شکل 2، نتیجه سرعت چرخه رانندگی نشان داده شده است. شکل 3  5000 ثانیه اول چرخه  را در جزئیات بیشتر نشان می دهد. می توان از این شکل دریافت که نه تنها تعداد شتاب گیری ها و ترمزها برای یک لوکوموتیو بین ایستگاه بالا است بلکه اوج سرعت نیز هرگز بیش از 30 کیلومتر/ساعت نمی شود.

 

شکل 1. اتصالات اجزا و پیکربندی در یک وسیله نقلیه هیبرید سری.

 

شکل 2. مشخصه سرعت اندازه گیری شده.

محاسبات انرژی و قدرت

لوکوموتیوها باید نیروی کشش لازم برای غلبه بر نیروهای مقاومتی داشته باشند. مقاومت های حرکت قطار نتیجه ویژگی های قطار و هندسه خط است. نیروهای مقاومتی که نیروی کشش باید بر انها غلبه کند عبارتند از:

(الف) مقاومت های افقی و عمودی خط (مکانیکی و آیرودینامیکی)

(ب) مقاومت به دلیل انحنای خط

(ج) مولفه های گرانشی اعمال شده در شیب که در پایین تپه منفی در بالای تپه مثبت است.

(د) اینرسی ناشی از شتاب گیری از حالت سکون و همچنین هنگامی که سرعت قطار ثابت نیست.

 

برای محاسبه نیروی کشش لازم برای حرکت قطار از مشخصات سرعت و وزن قطار، معادله دیویس اصلاح شده استفاده می شود:

 

در این رابطه، r مقاومت حرکت برای قطار 1000 کیلوگرمی است، وزن w وزن پرش، V سرعت بر حسب متر بر ثانیه، k ضریب مقاومت هوا است که  برای اتومبیل های معمولی 0.07 است، برای کانتینرها 0.0935 ،و  برای تریلرها 0.1600 است، و ''r'' مقاومت ضد جنبش است. شکل 4 مقاومت قطار محاسبه  شده را با استفاده از سرعت قطار واقعی و پارامترهای واقعی، بر اساس معادله دیویس، نشان می دهد.

بر اساس معادلات ذکر شده، وزن و سرعت لحظه ای قطار، قدرت موتور لازم (اسب بخار) محاسبه شده است:

 

در این معادله: قدرت Pr توان لازم (وات)، Fr نیرو (N) که از کل مقاومت محاسبه شده در معادله دیویس و نیروی شتاب لازم به دست آمده، و V سرعت بر حسب m / s است. در این روش، توان چرخه رانندگی لوکوموتیو بر حسب کیلو وات برای یک روز کامل محاسبه شده و در شکل 5 ارائه شده است.

 

شکل 3. مشخصه سرعت 5000 ثانیه اولیه.

 

شکل 4: منحنی مقاومت قطار.

 

شکل 5. قدرت چرخه رانندگی لوکوموتیو در ایستگاه.

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

3. تعیین مشخصه های اجزای هیبریدی

شکل 5 نشان می دهد که حداکثر توان مورد نیاز که باید توسط موتور الکتریکی تولید شود 380 کیلو وات است، و با محاسبه گشتاور مورد نیاز چرخها، گشتاور حداکثر تولید شده توسط موتور 68 kNm  است.

در یک سیستم درایو هیبریدی سری، موتور دیزلی باید قادر به ارائه توان ثابت لازم برای زیر بار نرفتن تخلیه کامل منبع توان اوج باشد. هنگام طراحی یک دیزل ژنراتور، دو شرایط رانندگی باید در نظر گرفته شود: رانندگی برای یک مدت طولانی در یک سرعت ثابت و رانندگی با استارت و متوقف های مکرر. هنگامی که وسیله نقلیه حرکات استارت و استاپ مکرر دارد، تولید توان بهینه دیزل ژنراتور باید برابر یا کمی بیشتر از میانگین توان بار باشد، به طوری که تعادل ذخیره سازی انرژی در باتری (منبع قدرت اوج) حفظ شود.

چون زمان توقف قطار گاهی اوقات بیش از یک ساعت می شود، یک بازه زمانی خاص از چرخه رانندگی با مدت زمان توقف کمتر باید برای محاسبه و سنجش اجزا انتخاب شود. به این دلیل، در این مقاله چرخه توان به فواصل 5 تا 40 دقیقه ای تقسیم شده و توان متوسط در طول این فواصل محاسبه شده است. برای هر فاصله، بالاترین توان متوسط ​​محاسبه شده در شکل 6 ارائه شده است.

 

شکل 6. بالاترین توان متوسط ​​در فواصل زمانی مختلف.

 

همانطور که در شکل 6 نشان داده شده، توان متوسط به سرعت به فواصل 20 دقیقه‌ای کاهش یافته است، و پس از آن، نرخ کاهش آهسته است. به عنوان یک نتیجه، فاصله های 20 دقیقه ای به عنوان یک مرجع و نقطه پایه برای طراحی در نظر گرفته می شوند. متوسط ​​قدرت در فواصل 20دقیقه ای 50 کیلو وات است.

با توجه به آنچه ذکر شد، برای اینکه دیزل ژنراتور قادر به تولید متسط توان ​​مورد نیاز (50 کیلو وات)، و با فرض یک حاشیه ایمنی 40٪ (به گفته مقامات راه آهن برای در نظر گرفتن توسعه ایستگاه)، اگر Pe/g قدرت دیزل ژنراتور باشد داریم:

 

 

برای داشتن بازده کلی بالا در سیستم، این توان بدست آمده باید توانی باشد که در محدوده بهینه دیزل ژنراتور تولید شود. هنگامی که موتور دیزلی خاموش است، باطری ها باید قادر به تولید برق مورد نیاز لوکوموتیو باشند، و همچنین ظرفیت کافی برای ذخیره تمام انرژی مورد نیاز  داشته باشند. با توجه به فاصله پایه، در بدترین سناریوی بار، اگر موتور دیزلی خاموش شود، باطری ها باید قادر به ارائه تمام قدرت مورد نیاز برای فاصله حداقل 20 دقیقه باشند. انرژی لوکوموتیو مورد نیاز در طول این فواصل با محاسبه انتگرال توان به دست می آید. بالاترین انرژی مورد نیاز 60 مگاژول محاسبه شد. از آنجا که این انرژی برای مدت 20 دقیقه است، ما معادلات زیر را خواهیم داشت:

 

ظرفیت ذخیره انرژی باتری باید معادل 60 مگا ژول باشد. از آنجا که ظرفیت باتری معمولا با کیلووات ساعت بیان می شود و با توجه به اینکه یک ساعت 3600 ثانیه است، می توان نوشت:

ΔEmax حداکثر تغییر انرژی در باتری است و با فرض یک حاشیه ایمنی 20 درصدی محاسبه شده است. به منظور بهبود بازده کلی سیستم و جلوگیری از تخلیه کامل باتری (که در واقع می تواند به باتری آسیب برساند)، تغییرات انرژی در بین دو سطح بار باتری (بالا و پایین) مجاز است. باتری های سرب اسید برای هدف ما مناسب هستند، چرا که قیمت پایین و وزن مناسب دارند. برای دستیابی به اهداف ذکر شده، سطح شارژ بالا و پایین به ترتیب 20٪ و 80٪ فرض می شود.

 

 

در روابط فوق، SOCmax سطح شارژ بالا ، SOCmin سطح شارژ پایین، و ΔEbatt ظرفیت انرژی باتری است. با در نظر گرفتن 750 ولت به عنوان ولتاژ کل باتری:

CBat ظرفیت باتری است. به این ترتیب، ظرفیت باتری فرض می شود 50 آمپر ساعت باشد. جدول 1 داده‌های نامی اجزای طراحی شده را نشان می دهد. در شبیه سازی، یک ژنراتور دیزلی با حداکثر توان تولید 140kW  استفاده می شود چرا که برای این دیزل توان مطلوب موتور دیزلی حدود 70 کیلو وات است. بر اساس اجزای طراحی شده، کشش لوکوموتیو هیبریدی محاسبه شده و در شکل 7 نشان داده شده است.

 

4. کنترل توان

با توجه به شکل 1، اگر Pout توان خروجی روی چهار چرخ لوکوموتیو باشد، P1 تلفات کل مکانیکی و الکتریکی در چرخ ها، موتور، و درایو تبدیل دو جهته است، و Pload خروجی برق از باس DC به سمت مبدل دو جهته است، سپس Pload به صورت زیر است:

 

اگر VRec، Id/g، Vbatt و IBatt به ترتیب به عنوان ولتاژ خروجی، جریان یکسوساز، و ولتاژ خروجی و جریان خروجی باتری در نظر گرفته شوند، پس از آن شکل 8 مدار معادل ساده شده باس DC را نشان می دهد.

در شکل 8، r1، r2 و r3 به ترتیب مقاومت برای اتصال یکسو کننده، مبدل و باتری دو جهته، به باش هستند. استفاده از یک مبدل باتری دو جهته لازم نیست، زیرا یک کنترل دقیق بر روی باتری بدون آن ممکن است (با کنترل جریان و توان خروجی باتری). با توجه به معادلات زیر:

 

روشن است که ما می توانیم جریان باتری را با تغییر ولتاژ خروجی یکسو کننده کنترل کنیم. با توجه به این، شکل 9 به عنوان سیستم کنترل توان لوکوموتیو هیبریدی در نظر گرفته شده است. در این سیستم، کنترل کننده فازی برای اهداف زیر انتخاب شده است:

1. کاهش مصرف سوخت با تلاش برای تنظیم تقاضای توان از دیزل ژنراتور، تا در محدوده عملیاتی کارآمد ژنراتور باشد.

2. بهبود عمر باتری با کاهش جریان پیک باتری در طول شارژ و تخلیه، به خصوص در زمانی که دیزل ژنراتور در کار است.

3. کاهش سایش موتور با کاهش زمان استارت و توقف موتور دیزلی.

4. اجتناب از تخلیه کامل و یا شارژ باتری ها به منظور داشتن ظرفیت ذخیره برای بارهای بزرگ.

 

جدول 1.  داده‌های نامی اجزای طراحی شده.

 

 

شکل 7. تلاش کشش لوکوموتیو.

 

همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، ورودی ها برای کنترلر فازی سطوح شارژ باتری (SOC)، و بار‌های توان (PL) هستند، و خروجی آن توانی است که باید توسط دیزل ژنراتور ارائه شود. با توجه به این نمودار، دیزل با توجه به وضعیت شارژ باتری روشن و خاموش می شود، و اگر دیزل روشن باشد، کنترل کننده فازی  کنترل توان را اداره کرده و توانی که باید توسط هر یک از مؤلفه ها ارائه شود را تعیین می  کند (یعنی باتری و دیزل ژنراتور).

ورودی های کنترل کننده فازی سطح شارژ باتری و میزان تقاضای توان است، و خروجی آن توانی که باید توسط دیزل ژنراتور ارائه شود را تعیین می کند. تقاضا توان باقی مانده باید توسط باتری تامین شود. خروجی کنترلر، کنترل کننده دیزل ژنراتور را برای کنترل در حد توان مورد نظر تنظیم می کند و همچنین کنترل کننده ولتاژ باس را برای کنترل ولتاژ باس مدیریت می کند. کنترلر دیزل می تواند سرعت دیزل را در یک نرخ مورد نظر برای دستیابی به توان مورد هدف کنترل کند. به عنوان یک نتیجه، گشتاور، با توجه به گشتاور مورد تقاضا، طوری است که می تواند انرژی مورد نیاز را تولید کند.

کنترلر فازی در این سیستم برای کنترل توان استفاده می شود. SOC باتری، و PL ورودی های کنترل فازی، و توان تولید شده توسط دیزل ژنراتور (PD) خروجی کنترل کننده فازی هستند. شکل 10 تابع عضویت آن را نشان می دهد.

به طور کلی، قوانین کنترل بر اساس متغیرهای ورودی و متغیر کنترل (توان خروجی دیزل ژنراتور) تعریف شده است. قوانین واقعی برای دستیابی به اهداف مورد بحث برای کنترل کننده طوری تعریف شده که موارد زیر تا آنجا که ممکن است در نظر گرفته شود:

1. دیزل در محدوده عملیاتی مطلوب خود کار کند.

2. پیک جریان باتری، کاهش یابد.

3. باتری با یک جریان ثابت شارژ شود، و در طول زمان شارژ جریان شارژ ثابت باقی بماند.

 

 63 قانون فازی وجود دارد. جدول 2 این قوانین را نشان می دهد. این قوانین انتخاب می شوند به طوری که در رسیدن به اهداف ذکر شده برای سیستم های فازی کمک کننده باشند. با در نظر گرفتن خروجی M از سیستم فازی و برخی قسمت های خروجی از L و اینکه H در محدوده عملیاتی بهینه موتور دیزلی واقع شده باشد؛ ما تلاش می کنیم تا موتور دیزلی بیشتر زمان ها در این سه حوزه کار کند. منطقه VL برای شرایط ترمز در نظر گرفته شده به طوری که توان‌های ارسال شده از دیزل ژنراتور به باتری تا آنجا که ممکن است کاهش یابد تا اوج جریان شارژ باتری کاهش یابد. منطقه VH برای موقعیت هایی است که بار بسیار بزرگ است و سطح شارژ بسیار کم که در آن برای جلوگیری از تخلیه باتری بیشتر، باید با یک جریان بالا شارژ شود. برای بقیه موارد، خروجی با توجه به اندازه بار و سطح شارژ مناسب برای حالت ثابت باتری انتخاب شده است.

 

شکل 8. مدار معادل باس DC.

 

شکل 9. نمودار اتصال اجزا و سیستم کنترل.

 

شبیه سازی در '' سیمولینک '' MATLAB انجام شده است. برای شبیه سازی موتور دیزلی، منحنی مشخصه یک موتور دیزلی 140 kW که 70 kW توان در محدوده مطلوب خود و حداکثر بهره وری 28٪ تولید می کند، استفاده شده است. مدل برای باتری از کتابخانه SimPower نرم افزار گرفته شده است.

 

 

شکل 10. (الف) توابع عضویت ورودی SOC. (ب) توابع عضویت ورودی PL. (ج) خروجی PD.

 

جدول 2. قوانین کنترل فازی.

 

 

5. نتایج شبیه سازی

شکل 11 تغییرات SOC باتری را نشان می دهد ، و شکل 12 تغییرات خروجی موتور دیزلی را ارائه می دهد. از هر دو شکل روشن است که موتور دیزلی تنها چهار بار روشن شده است و نسبت زمان عملکرد موتور دیزلی به کل زمان چرخه تنها 26 درصد است. خروجی متوسط ​​بازده موتور دیزلی 25.75 درصد است که بسیار نزدیک به حداکثر خروجی راندمان موتور دیزلی 28٪ است. بنابراین، کنترل کننده فازی موفق به حفظ توان موتور دیزلی در محدوده عملیاتی مطلوب آن بوده است. تغییرات شارژ باتری نشان می دهد که باتری در یک نرخ ثابت شارژ شده، هر چند زمانی که سطح شارژ بیش از حد کم بوده، موتور دیزل مجاز به کار بیشتر به منظور بازگشت سطح شارژ باتری به محدوده مجاز بوده است. شکل 13 جریان باتری را نشان می دهد، و شکل 14 مصرف سوخت لوکوموتیو هیبریدی در طول چرخه را نشان می دهد. روشن است که جریان اوج باتری ها در زمان کار دیزل کاهش می یابد. با این کار عمر باتری زیاد می شود.

 

 

شکل 11. تغییرات سطح شارژ باتری.

 

شکل 12. تغییرات خروجی دیزل.

 

شکل 13. تغییرات جریان باتری.

 

شکل 14. مصرف سوخت لوکوموتیو هیبریدی.

 

مصرف سوخت روزانه سیستم هیبریدی طراحی شده 59 کیلوگرم، که زمانی که با 310 کیلوگرم مصرف لوکوموتیو سوئیچر  معمولی مقایسه می شود، کاهش 81٪ را نشان می دهد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که تبدیل لکوموتیوهای دیزلی فرسوده و قدیمی فعلی به معادل ترکیبی و هیبریدی، نه تنها باعث کاهش اندازه موتور و ژنراتور دیزلی می شود، بلکه تا حد زیادی مصرف سوخت و آلودگی ها را کاهش می دهد.

 

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

سفارش ترجمه مقاله مهندسی مکانیک

 

6. نتیجه گیری

در این مقاله، طراحی یک لوکوموتیو سوئیچر هیبریدی و اجزای آن توضیح داده شد. یک روش بهینه برای تعیین اندازه اجزای هیبرید بر اساس چرخه رانندگی واقعی وسیله نقلیه ارائه شد. در این مقاله، چرخه رانندگی واقعی با بهره برداری از یک لوکوموتیو سوئیچربه دست آمد. سپس، توان مصرفی لوکوموتیو در چرخه رانندگی محاسبه شد و بر اساس آن، اجزای هیبرید تعیین شد. استراتژی کنترل به طوری بود که در ان آن توزیع توان در میان اجزای هیبرید با استفاده از یک کنترل کننده فازی کنترل شد.

عملیات سیستم با استفاده از شبیه سازی آنالیز شد. نتایج شبیه سازی نشان داد که نه تنها اجزای سیستم به دقت انتخاب شده اند، بلکه سیستم کنترل به درستی به هدف خود رسیده است. موتور دیزلی به صورت بهینه کنترل می شد و طول عمر اجزا نیز در نظر گرفته شد. لازم به ذکر است که استراتژی کنترل مورد استفاده وابسته به یک چرخه خاص نیست و می تواند برای هر نوع چرخه رانندگی استفاده شود، هر چند اجزای هیبرید برای برآوردن خواسته های لوکوموتیو مورد آزمایش ما، به طور خاص انتخاب شدند. نتایج شبیه سازی ثابت کرد که نسبت به لوکوموتیو دیزلی الکتریکی معمولی، کاهش قابل توجهی در مصرف سوخت لوکوموتیو هیبریدی دیده می شود.