18871

۱۸۸۷۱

كنترل و بهينه سازي مكانيزم انتقال قدرت دو سويه به منظور بهبود عملكرد خودروهاي هيبريدي

دكتري تخصصي

طراحي سيستم هاي تعليق، ترمز و فرمان

دي ۱۳۹۶

دكتر بهروز مشهدي

خودرو

هدف اين رساله دكتري، طراحي و معرفي نوع جديدي از سيستم انتقال قدرت تقسيم-توان و ارائه روشي نظا مند جهت دستيابي به مكانيزمي بهينه به منظور كاربرد در خودروهاي هيبريد الكتريك است. بدين منظور، در ابتدا عملكرد و مدلسازي ديناميكي دو سيستم تقسيم-توان تجاري شده و يك آرايش مفهومي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفتند. با استفاده از معادلات ديناميكي حاصل شده براي مكانيزم هاي تقسيم-توان و همچنين با به كار بردن اطلاعات واقعي هر يك از منابع تواني، مدلي از خودروي هيبريد الكتريك تقسيم-توان در فضاي نرم افزار متلب ساخته شد؛ اين مدل براي طراحي كنترلر، انجام شبيه سازي ها و بررسي عملكرد آرايش هاي تقسيم-تواني مورد استفاده قرار گرفت. با در نظر گرفتن چگونگي عملكرد سيستم هاي مطالعه شده و براي دستيابي به سيستمي با عملكردي بهتر نسبت به سيستم هاي موجود، نوع جديدي از سيستم انتقال قدرت تقسيم-توان دو سويه طراحي و ارائه شد و نحوه عملكرد آن در قالب راندمان و توان نسبت به سيستم هاي معرفي شده مورد بررسي و مقايسه قرار گرفت. همچنين، به منظور شناسايي آرايش(هاي) بهينه در خانواده مكانيزم طراحي شده، تمامي آرايش هاي ممكن از اين آرايش پايه مورد محاسبه قرار گرفته و سپس با ارائه يك فرآيند غربالگري، چهار سيستم بالقوه جهت كاربرد در خودروهاي هيبريد الكتريك انتخاب شدند. به منظور ارزيابي و مقايسه عملكرد مكانيزم هاي شناسايي شده، روش برنامه ريزي پويا به عنوان يك استراتژي مديريت انرژي گلوبال، كه امكان فراهم آوردن بهترين پاسخ هاي ممكن براي عملكرد يك سيستم انتقال قدرت هيبريدي را داراست، مورد استفاده قرار گرفت. بدين ترتيب و با انجام فرآيند كنترل بهينه، مشاهده شد كه از ميان چهار سيستم شناسايي شده، دو سيستم داراي عملكردي بهتر، در قالب اقتصاد سوخت و قابليت رانش، نسبت به سيستم هاي تجاري شده هستند و دو سيستم ديگر نيز داراي عملكردي نزديك و كمي پايين تر هستند. در نهايت بهترين سيستم از ميان اين چهار آرايش شناسايي و انتخاب شد. براي ارزيابي عملكرد واقعي سيستم انتقال قدرت تقسيم-توان به دست آمده، از روش كنترلي اصل حداقل سازي پونترياگين استفاده شد. نتايج به دست آمده از اين روش كنترل بهينه لحظه¬اي، كاهش مصرف سوخت به ميزان 7 تا ۱۴ درصد (بسته به سيكل رانندگي) نسبت به نتايج تويوتا پريوس را در عين برآوردن نيازهاي تواني نشان داد كه نمايانگر پتانسيل بالاي سيستم انتقال قدرت تقسيم-توان طراحي شده جهت كاربرد در خودروي هيبريد الكتريك است.

1397/02/31

5/21/2018 12:00:00 AM

The aim of this PhD thesis is to design and introduce a new kind of the power-split transmission, and to present a systematic approach to achieve an optimal mechanism for application in hybrid electric vehicles. In order to do so, the performance of two commercial and one conceptual power-split powertrain systems were studied and modeled. Then, a hybrid electric power-split powertrain was built in the MATLAB environment by using the obtained dynamic equations of the power-split mechanisms and by having the real data of the power sources as well. This model was used for the controller design, simulations and studying the performance of the power-split configurations. Considering the studied systems’ operation and to achieve a system with better performance than the available ones, a new dual-mode power-split powertrain was designed and presented; and its performance was analyzed and compared with respect to the available power-split systems in terms of efficiency and power. Furthermore, for identifying the optimal configurations in family of the designed powertrain, all possible configurations were calculated according to the introduced mechanism and then, based on a screening process, four potential systems were chosen for application in the hybrid electric vehicle. To compare and evaluate the performance of the chosen mechanisms, the dynamic programming method was used. This method, as a global energy management strategy, has the ability to provide the best possible solutions for optimal performance of the hybrid powertrain system. By using this optimal control method, it was seen that among the four selected systems, two had better performance, in terms of fuel economy and drivability, than the commercial ones and the two other mechanisms had close but a little lower performance. Finally, the best system, among the four, was recognized and chosen. The Pontryagin’s Minimum Principle was used for real evaluation of the power-split powertrain system. The obtained results of this instantaneous optimal control method showed fuel consumption reduction of 7 to 14 percent (depending on the driving cycle) in comparison to the Toyota Prius while satisfying the power demands. This showed that the designed power-split powertrain is highly capable of being used in the hybrid electric vehicles.