![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
چارچوب کنترل بهرهوری انرژی بهینه برای سیستم قدرت کامیون استخراج توزیعشده با ذخیرهسازی انرژی هیبریدی: رویکرد یکپارچهسازی خودرو-ابر
کامیون معدنکاری الکتریکی خالص چهار چرخ محرک توزیعشده، که دارای یک سیستم ذخیرهسازی انرژی هیبریدی با باتری و ابرخازن است، یک راهحل امیدوارکننده برای دستیابی به انتشار صفر در فرآیند حمل و نقل معادن روباز است. چالش هماهنگی و کنترل دقیق اجزای کلیدی مانند باتری، ابرخازن و موتور برای آزادسازی کامل پتانسیل صرفهجویی در انرژی آنها در شرایط پیچیده و سخت خارج از جاده، یک مسئله فوری است که باید به آن پرداخته شود. این مقاله به طور نوآورانه دیدگاه جدیدی را برای به حداقل رساندن تلفات زنجیره انتقال انرژی جهانی اتخاذ میکند و یک چارچوب کنترل بهینهسازی بهرهوری انرژی کامیون معدنکاری را بر اساس ادغام خودرو-ابر برای بهرهبرداری از پتانسیل صرفهجویی در انرژی کامیونهای معدنکاری پیشنهاد میدهد. علاوه بر این، استراتژی کنترل پیشنهادی شبیهسازی شده و با استراتژی کنترل پایه بر اساس شرایط عملیاتی معمول کامیون معدنکاری مقایسه میشود. نتایج نشان میدهد که استراتژی کنترل پیشنهادی به طور مؤثر بهرهوری انرژی خودرو را به حداکثر میرساند و منجر به کاهش سالانه 356864 یوان در هزینه عملیاتی جامع برای هر کامیون معدنکاری و افزایش 2.7 درصدی بهرهوری اقتصادی صرفهجویی در انرژی میشود. این دستاوردها نویدبخش بهینهسازی بهرهوری انرژی کامیونهای معدنی کاملاً برقی هستند که پیامدهای قابل توجهی برای ساخت یک سیستم حمل و نقل معدنی روباز پاک و کمکربن دارد.
مقدمه
کامیونهای سنگین معدن، تجهیزات اصلی حمل و نقل در معادن روباز هستند [1،2] و مسئولیت حمل تقریباً 40٪ زغال سنگ و 90٪ سنگ آهن جهان را بر عهده دارند [3]. با این حال، سیستمهای محرک موتور مورد استفاده در کامیونهای سنگین معدن معمولی با مشکلاتی از جمله مصرف سوخت قابل توجه و انتشار کربن بالا مواجه هستند [4] که به چالشهای مهمی تبدیل شدهاند که تولیدکنندگان خودرو و شرکتهای معدنی مجبور به رسیدگی به آنها هستند [5،6]. عملکرد صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای سیستمهای محرک کامیونهای معدن تا حد زیادی به استراتژیهای مدیریت انرژی پشتیبانیکننده آنها بستگی دارد [7،8]. بنابراین، انجام تحقیقات در مورد استراتژیهای مدیریت انرژی برای کامیونهای معدن توجه گستردهای را از سوی محققان به خود جلب کرده است.
در حال حاضر، کامیونهای معدنی عمدتاً از سیستمهای توزیعشدهی چرخ عقب استفاده میکنند و استراتژیهای مدیریت انرژی مربوطهی آنها باید ضمن بهبود عملکرد صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای در طول حمل و نقل مکرر در سربالاییها و سرازیریها، قدرت را تضمین کند. به عنوان مثال، جنرال الکتریک (GE) در ایالات متحده، یک کامیون معدنی توزیعشدهی چرخ عقب با موتور دیزلی تولید کنندهی قدرت برای به حرکت درآوردن موتورهای کنار چرخ با استفاده از فناوری توزیعشدهی درایو الکتریکی [9] توسعه داده است، که هدف آن بهبود مصرف سوخت کامیونهای معدنی در شرایط کاری پیچیده و سخت است. در مقایسه با اصلاح سیستمهای محرک موتور برای کامیونهای معدنی سنتی برای بهبود مصرف سوخت آنها [10]، سیستم محرک الکتریکی توزیعشده دارای مزایای راندمان انتقال بالا و پاسخ سریع به توان است [11،12] که ایدهی تکنولوژیکی جدیدی را برای طراحی سیستمهای محرک اقتصادی برای کامیونهای معدنی ارائه میدهد [13]. مرجع [14] یک چارچوب کنترل پیشبینیکنندهی مدل (MPC) همراه با یادگیری عمیق، با در نظر گرفتن زمین معدن و بارهای حمل و نقل، پیشنهاد میکند که میتواند توزیع توان کارآمد بین موتور دیزل و باتری را محقق کند و به طور قابل توجهی مصرف سوخت سیستم توزیعشدهی درایو الکتریکی را برای کامیونهای معدنی بهبود بخشد. به طور مشابه، [15] نه تنها بر بهرهوری سوخت تمرکز دارد، بلکه هزینه عمر باتری را نیز در نظر میگیرد، با هدف کاهش هزینه کلی چرخه عمر و تأثیر زیستمحیطی کامیونهای معدن. گذشته از واحدهای قدرتی که توسط برق تولید شده توسط موتور دیزلی هدایت میشوند، واحدهای قدرت محرکه الکتریکی خالص، با مزیت عدم انتشار گازهای گلخانهای، در انتخاب واحدهای قدرت برای سیستمهای محرکه کامیونهای معدنی اولویت قابل توجهی دارند [16]. مرجع [17] تجزیه و تحلیل مقایسهای از بهرهوری انرژی و انتشار کربن بین چندین سیستم محرکه کامیونهای معدنی پاک نوپا و سیستمهای محرکه ژنراتور دیزلی معمولی انجام میدهد و امکانسنجی و اقتصادی بودن کامیونهای معدنی الکتریکی خالص را نشان میدهد. با این حال، از آنجایی که برای یک سیستم باتری واحد دشوار است که هم انرژی و هم حداکثر توان مورد نیاز یک کامیون معدنی الکتریکی را برآورده کند، [18] یک سیستم ذخیرهسازی انرژی هیبریدی (HESS) را با استفاده از باتری و ابرخازن (SC) پیشنهاد میکند تا انرژی کافی برای تأمین نیاز برق تحت بارهای سنگینتر و سرعتهای رانندگی بالاتر را فراهم کند. ویژگیهای باتری با چگالی انرژی بالا و SC با چگالی توان بالا میتواند یک مزیت مکمل ایجاد کند [19]، که نشان میدهد کامیون معدنی الکتریکی خالص مجهز به HESS یک راه حل ایدهآل برای صفر کردن انتشار کربن در فرآیند حمل و نقل معدنی است.
عدم پایداری و سازگاری کامیونهای معدنی با سیستم انتقال قدرت توزیعشده چرخهای عقب در چالش بارهای سنگین در جادههای مرطوب، گلی و ناهموار، باعث ظهور کامیونهای معدنی با سیستم انتقال قدرت توزیعشده چهارچرخ برای افزایش این قابلیتها شده است [20]. با این حال، فناوری کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی کامیونهای معدنی کاملاً برقی با موتورهای چهار چرخ هنوز نابالغ است. کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی کامیونهای معدنی کاملاً برقی چهارچرخ با سیستم انتقال قدرت توزیعشده مجهز به HESS با هدف در نظر گرفتن حداقلسازی تلفات در زنجیره انتقال انرژی، ارزش مطالعه دارد. یکی از مسائل اصلی کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی آن، هماهنگی دقیق گشتاور بین موتورها برای از بین بردن تضاد احتمالی بین گشتاور پاسخ موتور و تقاضای محرک و بهینهسازی بهرهوری انرژی موتورها است [21]. سادهترین روش کنترل هماهنگی، توزیع یکنواخت کل گشتاور مورد نیاز برای رانندگی بین چهار موتور است [22]. برای کاهش اتلاف انرژی در حین کار موتور، [[23]، [24]، [25]] گشتاور را بر اساس سرعت فعلی وسیله نقلیه و گشتاور رانندگی مورد نیاز به هر موتور توزیع کنید و امکان کار با راندمان بهینه موتورها را فراهم کنید. علاوه بر اینکه موتور منبع اتلاف توان در حین کار وسیله نقلیه است، اتلاف توان ناشی از لغزش تایر به شدت تحت تأثیر کنترل توزیع گشتاور قرار میگیرد [26]. گشتاور تولید شده توسط موتور را میتوان با کاهش نرخ لغزش چرخ به طور مؤثر مورد استفاده قرار داد، که میتواند اتلاف انرژی در حین چرخش چرخ را کاهش دهد [27]. تحقیقات موجود در مورد کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی کامیونهای معدنی چهار چرخ محرک توزیع شده، تخریب باتری، ویژگیهای راندمان موتور و ویژگیهای مصرف انرژی تایر را به طور همزمان در نظر نگرفته است، که الهامبخش این مطالعه بوده است.
توسعه سریع سیستمهای حمل و نقل هوشمند (ITS)، همراه با کاربرد گسترده فناوریهای کلان داده و محاسبات ابری، راههای جدیدی را برای افزایش بهرهوری انرژی خودرو و کاهش انتشار گازهای گلخانهای هموار کرده است [28،29]. در این زمینه، سیستم کنترل ابری، به عنوان یکی از فناوریهای کلیدی برای استقرار خودروهای متصل هوشمند در چین [30،31]، از اطلاعات پیشنمایش جاده که از طریق ادغام خودرو-ابر (V2C) به دست میآید، استفاده میکند. این اطلاعات نه تنها برای کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی در حین کار خودرو استفاده میشود و در نتیجه بهرهوری انرژی سیستم رانندگی را بهبود میبخشد [32،33]، بلکه امکان توسعه استراتژیهای مدیریت انرژی مبتنی بر ابر مؤثرتر را با استفاده از دادههای ترافیکی بلادرنگ [[34]، [35]، [36]، [37]]، مانند سرعت خودرو و شیب جاده، فراهم میکند. هدف این استراتژیها تضمین ایمنی رانندگی و در عین حال افزایش بیشتر اقتصادی و زیستمحیطی خودرو است. تحقیقات در مورد بهینهسازی بهرهوری انرژی با استفاده از فناوری V2C در زمینه کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی برای وسایل نقلیه جادهای شهری پیشرفتهایی داشته است. با این حال، ماهیت پیچیده و متغیر جادههای معدنی، چالشهای جدیدی را برای تحقیقات کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی در سیستمهای رانندگی خودرو ایجاد میکند. برای این شرایط جادهای، استراتژیهای کنترل صرفهجویی در انرژی موجود مبتنی بر فناوری V2C به طور عمیق سفارشیسازی نشدهاند تا از مزایای بالقوه کامیونهای معدن از نظر همکاری خودرو-ابر به طور کامل بهره ببرند.
به طور خلاصه، بررسی ادبیات، شکافهای تحقیقاتی زیر را شناسایی کرده است. اولاً، مطالعات موجود عمدتاً بر بهینهسازی هماهنگی توزیع توان یا گشتاور بین منابع توان، مانند موتورها و ماشینهای الکتریکی، با هدف بهبود راندمان عملیاتی این اجزای خاص برای کاهش تلفات انرژی متمرکز بودهاند. اگرچه این تمرکز مفید است، اما نیاز حیاتی به یک روش بهینهسازی جامع که کل زنجیره انتقال انرژی را در سیستم قدرت در بر بگیرد، نادیده میگیرد. بررسی جامع بهینهسازی راندمان انرژی از سیستم ذخیره انرژی تا چرخش نهایی چرخ، به شدت غایب است و فرصتهای از دست رفته برای به حداکثر رساندن صرفهجویی در انرژی و راندمان عملیاتی در طول مراحل انتقال انرژی در کامیونهای معدنی را برجسته میکند. ثانیاً، اکثر ادبیات عمدتاً تحقیقات کنترل صرفهجویی در انرژی را بر روی کامیونهای معدنی با درایو توزیعشده چرخ عقب انجام میدهند و در پرداختن کامل به چالشهای دوگانه کاهش هزینههای تخریب باتری و بهبود راندمان کلی انرژی مرتبط با کامیونهای معدنی با درایو توزیعشده چهارچرخ، شکست میخورند.
کمبود جدی تحقیقات به طور خاص بر کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی کامیونهای معدنکاری الکتریکی خالص چهار چرخ محرک توزیعشده مجهز به HESS وجود دارد. علاوه بر این، کاربردهای بالقوه فناوری V2C در کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی کامیونهای معدنکاری تا حد زیادی ناشناخته مانده است. با توجه به شرایط عملیاتی خاص رایج در سناریوهای معدنکاری روباز، که با سختافزار ابری پیشرفته کنار جادهای و محیطهای عملیاتی نسبتاً بسته مشخص میشوند، استفاده از فناوری V2C مزایای متحولکنندهای را ارائه میدهد. این فناوری میتواند به طور قابل توجهی سازگاری و کارایی استراتژیهای صرفهجویی در مصرف انرژی را افزایش دهد، اما ادبیات موجود به طور کامل از پتانسیل آن استفاده نکرده است. با توجه به این شکافهای تحقیقاتی، این مقاله یک روش کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی نوآورانه برای کامیونهای معدنکاری الکتریکی خالص چهار چرخ محرک توزیعشده مجهز به HESS پیشنهاد میکند. این رویکرد نشان دهنده ادغام جدیدی از بهینهسازی جامع زنجیره انتقال انرژی و کاربرد استراتژیک فناوری V2C است. نوآوریها و مشارکتهای اصلی به شرح زیر خلاصه میشوند:
۱) این مقاله، با تأکید بر کمینهسازی تلفات در زنجیره انتقال انرژی جهانی برای بهینهسازی بهرهوری انرژی، بُعد جدیدی را در طراحی استراتژیهای کنترل صرفهجویی در انرژی ارائه میدهد. برای تحقق این هدف، یک چارچوب کنترل بهینهسازی بهرهوری انرژی نوآورانه برای کامیونهای معدنی مبتنی بر فناوری V2C پیشنهاد شده است که بر کاهش اتلاف انرژی در طول عملیات وسیله نقلیه تمرکز دارد. این چارچوب کنترل، کل فرآیند جریان انرژی را از ورودی انرژی HESS تا خروجی توان لاستیکها بهینه میکند و به کمترین هزینه زنجیره انتقال انرژی سیستم قدرت دست مییابد.
۲) برای پرداختن به شرایط متغیر زمین معادن روباز و چالشهایی که HESS در سازگاری با محیطهای سخت معدنی با آن مواجه است، این مقاله یک استراتژی کنترل توزیع توان باتری و SC پیشرفته با استفاده از MPC توسعه میدهد. این استراتژی اطلاعات ترافیک معدن در زمان واقعی را در نظر میگیرد و هدف آن هماهنگی کارآمد توان خروجی منابع انرژی برای بهینهسازی مدیریت انرژی وسیله نقلیه و کاهش قابل توجه هزینه اقتصادی تخریب باتری است.
۳) این مقاله با پرداختن به مسئله کنترل مشارکتی گشتاور بین چندین محرک در کامیونهای معدنی چهارچرخ محرک توزیعشده، یک استراتژی کنترل توزیع گشتاور الکتروهیدرولیکی مجزا با محوریت مدیریت انرژی ارائه میدهد. این استراتژی به طور کامل ویژگیهای راندمان موتور و ویژگیهای مصرف انرژی تایر را در نظر میگیرد و متعهد به بهینهسازی راندمان انتقال انرژی از سیستم محرک به چرخها است. با هماهنگسازی دقیق گشتاور موتور و گشتاور ترمز هیدرولیکی که بر روی چرخها اعمال میشود، این استراتژی به طور قابل توجهی اتلاف انرژی را کاهش میدهد و در نتیجه به طور مؤثر از خروجی انرژی توسط HESS استفاده میکند.
ادامه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش 2 به معرفی مدل خودرو و مدل HESS میپردازد. بخش 3 طراحی چارچوب کنترل بهرهوری انرژی بهینه برای کامیونهای معدنی مبتنی بر فناوری V2C را شرح میدهد. بخش 4 به تجزیه و تحلیل شبیهسازی و ارزیابی عملکرد استراتژی کنترل پیشنهادی میپردازد. در نهایت، در بخش 5 نتیجهگیری ارائه شده است.(منبع).