استراتژی تغییر حالت رانندگی برای یک کامیون سنگین برقی برای به حداقل رساندن مصرف انرژی و فرکانس تغییر حالت

برقی‌سازی وسایل نقلیه تجاری، به ویژه کامیون‌های سنگین، برای کاهش انتشار کربن از حمل و نقل کالا اهمیت دارد. این مطالعه به بررسی استراتژی تغییر حالت رانندگی در یک کامیون سنگین برقی دو محوره با 11 حالت رانندگی متمایز می‌پردازد. برای انتخاب حالت رانندگی بهینه در زمان واقعی و توزیع مناسب گشتاور نیرو برای بهینه‌سازی عملکرد وسیله نقلیه، در این مقاله یک استراتژی تغییر حالت معادل کمینه‌سازی انرژی در زمان واقعی با در نظر گرفتن کمینه‌سازی مصرف انرژی و فرکانس تغییر حالت ارائه شده است. به طور خاص، این استراتژی ابتدا مصرف برق حالت‌های مختلف رانندگی را در سرعت‌های مختلف تجزیه و تحلیل می‌کند و سپس یک طرح جدید برای محدود کردن فاصله تغییر حالت و در نظر گرفتن اتلاف انرژی در حین تعویض دنده، با تمرکز بر اتلاف انرژی جنبشی، اتخاذ می‌کند. یک روش برنامه‌نویسی پویا (DP) جدید که فاصله تغییر حالت را در نظر می‌گیرد، برای استخراج راه‌حل بهینه نظری طراحی شده است. علاوه بر این، نتایج آزمایش و شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه (HIL) نشان می‌دهد که استراتژی تغییر حالت رانندگی پیشنهادی نه تنها می‌تواند فرکانس تغییر گیربکس را به طور قابل توجهی کاهش دهد، بلکه به شرایط رانندگی آینده نیز وابسته نیست و راه‌حلی کاملاً همسو با روش DP ارائه می‌دهد که پایه محکمی برای کاربردهای بیشتر در خودرو فراهم می‌کند.

مقدمه

گذار به حمل و نقل الکتریکی نشان دهنده یک تغییر اجتناب ناپذیر با هدف مهار انتشار کربن است [1]. در سال‌های اخیر، افزایش قابل توجهی در پذیرش وسایل نقلیه الکتریکی برای حمل و نقل مسافر وجود داشته است [2]. در حالی که انتشار کربن وسایل نقلیه تجاری از وسایل نقلیه مسافربری پیشی می‌گیرد، توسعه وسایل نقلیه تجاری برقی، به ویژه کامیون‌های سنگین، در مرحله نوپای خود باقی مانده است [3،4]. تقاضای بیشتر برق برای کامیون‌های سنگین برقی، برقی‌سازی آنها را بسیار پیچیده‌تر از وسایل نقلیه مسافربری می‌کند. بنابراین، کامیون‌های سنگین برقی معمولاً به منابع انرژی دوگانه یا چندگانه و پیشرانه‌های پیچیده مجهز هستند [5]. افزایش برد کامیون‌های سنگین برقی با ظرفیت‌های منبع انرژی محدود، یک موضوع تحقیقاتی داغ است [6]، که در آن بهبود راندمان پیشرانه یکی از امیدوارکننده‌ترین راه‌ها در نظر گرفته می‌شود [7].

برای یک موتور، راندمان بهینه آن با محدوده عملیاتی محدود است [8]. تقاضای برق در حین رانندگی وسیله نقلیه بسیار متفاوت است و باعث می‌شود تقاضای واقعی برق به راحتی از محدوده عملیاتی بهینه موتور فراتر رود. از این رو، خروجی موتور عموماً شامل یک گیربکس یا کاهنده برای گسترش محدوده عملیاتی بهینه موتور و بهبود راندمان است [9]، مانند گیربکس مکانیکی خودکار (AMT) [10]، گیربکس متغیر پیوسته (CVT) [11]، گیربکس اتوماتیک دو کلاچه (DCT) [12] و گیربکس اتوماتیک (AT) [13]. علاوه بر این، برای افزایش دینامیک و راندمان کلی وسایل نقلیه الکتریکی، مطالعات متعددی بر روی سیستم‌های دو موتوره متمرکز شده‌اند. کوون و همکاران [14] یک مسئله بهینه‌سازی چند هدفه را برای حل رابطه بده بستان بین عملکرد و راندمان یک سیستم دو موتوره و دو سرعته فرموله کردند. یو و همکاران [15] یک روش استخراج قانون بهینه ترکیبی برای یک سیستم جدید گیربکس دو موتوره هیبریدی (hDMT) پیشنهاد کردند که پتانسیل صرفه‌جویی در انرژی بهتری در مقایسه با پیکربندی سنتی سیستم انتقال قدرت داشت. نگوین و همکارانش [16] یک الگوریتم بهینه‌سازی دو حلقه‌ای را همراه با روش جستجوی سراسری و الگوریتم ژنتیک مرتب‌سازی غیر غالب برای یافتن اندازه‌های بهینه موتورهای دوگانه و نسبت‌های انتقال قدرت ارائه کردند و یک استراتژی مدیریت انرژی با برنامه‌های تغییر جدید تدوین کردند که به طور قابل توجهی بهره‌وری انرژی سیستم انتقال قدرت را افزایش داد. کوی و همکارانش [17] یک استراتژی مدیریت انرژی هوشمند برای یک BEV چهار چرخ محرک دو موتوره خاص برای کاهش مصرف انرژی در شرایط ترافیکی ناشناخته پیشنهاد کردند و یک عامل پاداش جدید شامل الگوریتم گرادیان سیاست قطعی عمیق (DDPG) در طراحی EMS پیشنهاد شد که سازگاری DDPG-EMS را بهبود بخشید. تان و همکارانش [18] یک سیستم انتقال قدرت دو موتوره یکپارچه جدید (IDMT) و یک استراتژی توزیع توان پویا (DPDS) را برای بهبود عملکرد اقتصادی کامیون کمپرسی ارائه کردند. نتایج شبیه‌سازی و آزمایش، توانایی انرژی و زمان واقعی استراتژی توسعه‌یافته را نشان داد.

یک سیستم انتقال قدرت دو موتوره می‌تواند نسبت زمان کارکرد کارآمد موتور در خودرو را در تمام شرایط عملیاتی در مقایسه با یک سیستم انتقال قدرت تک موتوره، بیشتر افزایش دهد. با این وجود، همچنان یک مسئله مبرم برای پرداختن به تدوین یک استراتژی مدیریت انرژی مؤثر و توزیع ماهرانه تقاضای برق برای افزایش بهره‌وری انرژی کل خودرو است [19]. در حال حاضر، استراتژی‌های غالب مدیریت انرژی شامل رویکردهای مبتنی بر قانون [20،21] و روش‌های مبتنی بر بهینه‌سازی [22،23] هستند. در رویکردهای مبتنی بر بهینه‌سازی، برنامه‌نویسی پویا از طریق یک فرآیند بهینه‌سازی سراسری اصلاح می‌شود و امکان دستیابی به مقادیر بهینه نظری را فراهم می‌کند. ژائو و همکاران [24] یک روش استخراج سیستماتیک جدید از استراتژی مدیریت انرژی ارائه دادند که در آن DP به صورت آفلاین برای یافتن نقاط عملیاتی بهینه اجزای پیشرانه اعمال شد. وانگ و همکاران [25] تابع هدف بهینه‌سازی را برای یک استراتژی مدیریت توان طراحی کردند که در آن استراتژی کنترل بر اساس روش برنامه‌نویسی پویا (DP) استخراج شد. با این حال، پیچیدگی و بار محاسباتی برنامه‌نویسی پویا مانع از کاربرد آن شده است [26،27].

برای افزایش بهره‌وری اقتصادی سیستم انتقال قدرت دو موتوره، استراتژی‌های مختلف تغییر حالت به طور گسترده مورد تحقیق قرار گرفته‌اند [[28]، [29]، [30]]. به طور خاص، رویکرد تغییر حالت شامل شناسایی حالت بهینه با کمترین مصرف انرژی در بین تمام حالت‌های رانندگی موجود است. برعکس، یک حالت رانندگی غیرمنطقی، راندمان کلی خودرو را بیشتر کاهش می‌دهد. هونگ و همکارانش [31] یک سیستم انتقال قدرت دو موتوره جدید مبتنی بر مجموعه دنده سیاره‌ای سیمپسون را پیشنهاد کردند که می‌تواند شش حالت رانندگی، شامل چهار حالت رانندگی تک موتوره و دو حالت رانندگی دو موتوره را محقق کند. آنها استراتژی مدیریت انرژی (EMS) را برای انتخاب حالت‌های مختلف رانندگی فرموله کردند. هو و همکارانش [32] چهار نوع حالت رانندگی برای یک سیستم جدید سیستم انتقال قدرت چند حالته دو موتوره با کنترل هماهنگ موتور و کلاچ ارائه کردند که می‌تواند با شرایط رانندگی مختلف سازگار شود. راندمان مصرف انرژی و عملکرد دینامیکی، همگی در مقایسه با سیستم انتقال قدرت تک موتوره سنتی بهبود یافته‌اند. وو و همکارانش [33] یک استراتژی مدیریت انرژی برای سیستم انتقال قدرت دو موتوره طراحی کردند تا حالت رانندگی را انتخاب کرده و گشتاور رانندگی ایده‌آل دو موتور را تعیین کنند، که شامل دو حالت رانندگی تک موتوره و یک حالت رانندگی ترکیبی دو موتوره بود. تیان و همکارانش [34] یک سیستم انتقال قدرت کوپلینگ چند حالته دو موتوره جدید را برای بهبود راندمان انرژی خودروهای الکتریکی پیشنهاد کردند که می‌تواند به چهار حالت رانندگی دست یابد. استراتژی تغییر حالت به ترتیب برای شرایط رانندگی و ترمز احیاکننده بر اساس اصل بهینه توان لحظه‌ای ابداع شد.

با توجه به چیدمان سیستم انتقال قدرت، خودروهای الکتریکی را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: سیستم محرک متمرکز و سیستم محرک توزیع‌شده [35،36]. برای ترکیب بیشتر مزایای دو حالت رانندگی و دستیابی به دینامیک و اقتصاد کلی بهتر خودرو، یک کامیون سنگین الکتریکی تازه توسعه‌یافته و طراحی‌شده، دو سیستم محرک را ادغام می‌کند. این کامیون دارای یک موتور متصل به یک گیربکس سه سرعته است که محور میانی را به حرکت در می‌آورد، در حالی که چرخ‌های چپ و راست محور عقب به طور مستقل توسط دو موتور با گیربکس دو سرعته به حرکت در می‌آیند. برای این پیکربندی خودرو از موتورهای دوگانه و ترکیب‌های مربوطه آنها با گیربکس چند دنده‌ای، تدوین استراتژی برای انتخاب فرم محرک بهینه در زمان واقعی و توزیع منطقی قدرت، یک مسئله فوری است که باید به آن پرداخته شود. بنابراین، سهم اصلی این مقاله، توصیف دیجیتالی مدل راندمان سیستم انتقال قدرت یک کامیون سنگین برقی و پیشنهاد یک استراتژی تغییر حالت رانندگی با در نظر گرفتن حداقل‌سازی مصرف انرژی و فرکانس تغییر است که مبتنی بر یک مدل بهینه‌سازی آنی برای پیاده‌سازی تغییر حالت در زمان واقعی است. علاوه بر این، این استراتژی، اتلاف انرژی در طول فرآیند تغییر حالت، به ویژه برای اتلاف انرژی جنبشی اضافی ناشی از تغییر شدید سرعت موتور، که در تحقیقات قبلی در نظر گرفته نشده است، را در نظر می‌گیرد. یک استراتژی برنامه‌ریزی پویای جدید برای در نظر گرفتن اتلاف انرژی و فاصله تغییر حالت ناشی از تغییرات حالت رانندگی طراحی شده است. این استراتژی، مقدار بهینه نظری را برای دستیابی به یک شرایط کاری ثابت، همراه با تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای در برابر استراتژی بهینه توان پیشنهادی، محاسبه می‌کند. آزمایش‌های شبیه‌سازی و HIL برای نشان دادن جامع کارایی و سازگاری قوی روش پیشنهادی، که به شرایط رانندگی آینده وابسته نیست و راه‌حلی نزدیک به روش DP ارائه می‌دهد، به کار گرفته شده‌اند.(منبع).