![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
بهینهسازی مصرف سوخت و TCO یک کامیون سنگین با تریلر برقی
با رشد انرژی تجدیدپذیر در بخش کامیونهای سنگین، بررسی راهحلهای متنوع با انواع انرژی و پیکربندیهای مختلف سیستم انتقال قدرت به یک ضرورت تبدیل میشود. در حالی که اکثر مطالعات بر پیکربندیهای سیستم انتقال قدرت در تراکتورها تمرکز دارند، این مطالعه رویکرد متفاوتی را اتخاذ میکند: پیشنهاد و ارزیابی پیکربندیهای جدید هیبریدی پلاگین با منابع تغذیه چندگانه برای کامیونهای سنگین. تراکتور سیستم انتقال قدرت موتور خود را حفظ میکند، در حالی که تریلر به محور(های) الکتریکی مجهز است و یک سیستم پیشرانه هیبریدی سوخت-برق را تشکیل میدهد. مشخصات سیستم پیشرانه الکتریکی با استفاده از یک الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات چند هدفه و الگوریتم کنترل برنامهریزی پویا برای ارزیابی مصرف انرژی و هزینه کل مالکیت (TCO) بهینه شده است. نتایج، پتانسیل پیکربندی با سه محور الکتریکی و یک دنده کاهنده را در رابطه با مصرف انرژی خودرو برجسته میکند. برعکس، پیکربندی با یک محور الکتریکی و یک گیربکس دو سرعته کمترین TCO را نشان میدهد. تحت چرخه جهانی خودروهای گذرای چین، مصرف سوخت کامیون دیزلی با استفاده از پیکربندی هیبریدی بهینه شده تا 44.59 درصد کاهش مییابد. سپس هزینه کل مالکیت کامیون میتواند تا ۸۳۲ هزار یوان در کارکرد یک میلیون کیلومتری کاهش یابد. برای یک کارکرد جادهای واقعی، این ارقام به ترتیب به ۳۴.۷۹ درصد و ۲۸۴ هزار یوان تغییر میکنند.
مقدمه
کامیونهای سنگین (HDT) به دلیل هزینههای حمل و نقل پایین و راندمان بالا، اولین انتخاب برای حمل و نقل جادهای هستند. طبق سالنامه صنعت خودرو چین 2021، چین در سال 2020 در مجموع 1.619 میلیون HDT فروخته است که از این تعداد 0.835 میلیون دستگاه آن کشندههای نیمه تریلر بودهاند که نسبت به سال 2019، 47.8 درصد افزایش داشته است. چین در حال حاضر بزرگترین بازار کامیونهای سنگین جهان است و تا سال 2020، 29.49 میلیون کامیون در انبار داشته است [1]. بسیاری از مطالعات نشان دادهاند که HDT های رانده شده توسط موتورهای دیزلی، مصرف انرژی بالایی دارند و گازهای گلخانهای (GHG) منتشر میکنند. با توجه به مسافت پیموده شده سالانه طولانی، آنها انتشار دهنده قابل توجهی از گازهای گلخانهای هستند. طبق تحقیقات [[2]، [3]، [4]] در چین، میزان انتشار کربن HDT ها در سال 2020 حدود 39 درصد از کل انتشار کربن از کل وسایل نقلیه مورد استفاده را تشکیل میدهد. از آنجایی که وسایل نقلیه تجاری در فرآیند الکتریکی شدن به طور قابل توجهی از وسایل نقلیه سواری عقب ماندهاند، این نسبت تا سال 2035 به 52.18 درصد افزایش خواهد یافت [2] و پیشبینی میشود که در سال 2035 نزدیک به 450 میلیون تن انتشار CO2 از HDTها وجود داشته باشد [3]. چین محدودیتهای مصرف سوخت جدیدی را برای HDTهای جدید که از ژوئیه 2024 اعمال میشوند، پیشنهاد خواهد کرد که 12 تا 16 درصد سختگیرانهتر از فعلی هستند [5]. در چارچوب مقررات سختگیرانهتر مصرف سوخت و کاهش انتشار کربن، تسریع در اجرای انرژی سبز برای HDTها ضروری و فوری است.
پیشرفت کمی در اجرای برقیسازی خودروهای هیبریدی در چین و سراسر جهان حاصل شده است. طبق سالنامه صنعت خودروی چین 2021، تنها 0.28 درصد از خودروهای هیبریدی فروخته شده در سال 2020 با سوخت الکتریکی یا پیل سوختی هیدروژنی کار میکردند [6]. سه روش برای بهبود اقتصاد سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانهای خودروهای هیبریدی وجود دارد: بهبود راندمان سیستمهای قدرت سنتی و اجزای غیربرقی، معرفی فناوریهای سیستم قدرت هیبریدی و جایگزینی دیزل با گاز طبیعی، برق یا هیدروژن [7،8]. سیستمهای قدرت هیبریدی در حال حاضر بهترین روش برای جایگزینی خودروهای موتور احتراق داخلی (ICEV) و گذار به سمت خودروهای با سوخت الکتریکی و پیل سوختی هیدروژنی به دلیل نقص زیرساختهایی مانند ایستگاههای شارژ، ایستگاههای سوختگیری هیدروژن، مسائل مربوط به بلوغ فنی و هزینهها هستند [9]. سیستمهای قدرت هیبریدی با افزودن یک سیستم ذخیره انرژی الکتریکی، آزادی خروجی توان را افزایش میدهند. این امر منجر به خروجی هماهنگ دو منبع توان میشود، در نتیجه نقطه کار موتور را تنظیم میکند و به موتور اجازه میدهد در یک منطقه کارآمد کار کند [10] و مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانهای خودرو را کاهش میدهد. ترمز احیاکننده یکی دیگر از مزایای قابل توجه سیستمهای هیبریدی است. اندازه انرژی احیاکننده مستقیماً با جرم و سرعت کامیون مرتبط است. HDTها جرم زیادی دارند که منجر به مزایای قابل توجه بیشتری از ترمز احیاکننده میشود [11].
تحقیقات گستردهای در مورد پیکربندیهای پیشرانه هیبریدی برای HDTها در سراسر جهان انجام شده است. رایجترین طرحهای هیبریدی شامل سری، موازی، سری-موازی و تقسیم توان است. اگرچه همه پیکربندیهای هیبریدی باعث بهبود مصرف سوخت میشوند، اما تفاوت در مصرف سوخت میتواند تا 20٪ باشد [[12]، [13]، [14]]. علاوه بر این، عملکرد هر پیکربندی به طور قابل توجهی تحت تأثیر شرایط مختلف جاده قرار میگیرد. الزامات عملیاتی HDTها بسیار متفاوت است. رانندگی در بندر و شهر نیاز به روشن و خاموش شدن مکرر دارد، جادههای کوهستانی با تغییرات قابل توجه در شیب به قدرت کافی نیاز دارند، در حالی که جادههای لجستیک با دورههای طولانی کارکرد با سرعت بالا مشخص میشوند. تفاوت در نرخ صرفهجویی در سوخت در چرخههای مختلف رانندگی میتواند بین 5.8٪ تا 70٪ باشد و تفاوت در نرخ صرفهجویی در سوخت بین شرایط رانندگی با سرعت کم در سربالایی و رانندگی با سرعت بالا میتواند تا 64.2٪ برسد [15].
تطبیق توان و بهینهسازی مشخصات اجزا میتواند راندمان سوخت پیکربندی هیبریدی را افزایش داده و هزینه آن را کاهش دهد. ابعاد اولیه اجزا را میتوان با هدف اصلی صرفهجویی در مصرف سوخت بهینه کرد تا محدودیتهای عملکرد خودرو با تجزیه و تحلیل دینامیک خودرو و شرایط رانندگی برآورده شود. اهداف بهینهسازی همچنین میتوانند عملکرد دینامیکی خودرو (مثلاً زمان شتاب)، هزینه اجزای توان و وزن را در نظر بگیرند. مطالعات نشان دادهاند که بهینهسازی HDTها میتواند مصرف سوخت را بهبود بخشد، با کاهشی از 5.8٪ تا 72٪ بسته به زمینه عملیاتی [16،17]. علاوه بر این، عملکرد شتاب، هزینه پایه و قابلیت ارتقاء بهبود مییابد [18،19].
تحقیقات در مورد پیکربندیهای هیبریدی برای HDTها در درجه اول بر روی آرایشهای موازی، سری و سری-موازی متمرکز است. با این حال، اکثر مطالعات فقط پیکربندی پیشرانه خودروهای یکپارچه یا واحدهای یدککشی خودروهای مفصلی را در نظر میگیرند. با توجه به اینکه پیکربندیهای خودروهای مفصلی ویژگیهای منحصر به فردی دارند، تریلرهای معمولی بدون موتور آنها میتوانند بر دینامیک کلی طولی و پایداری جانبی تأثیر منفی بگذارند [20]. مفهوم کامیون با تریلر با نیروی محرکه الکتریکی (تریلر الکترونیکی) توسط F. Diba و همکارانش ارائه شد و نشان داد که این سیستم در مقایسه با سیستمهای دیزلی معمولی، راندمان سوخت را 13.7 درصد بهبود میبخشد [21]. علاوه بر این، برخی از شرکتها، مانند Krone & Trailer Dynamics، ZF/WABCO و Range Energy، نمونههای اولیه خودروهایی را بر اساس مفهوم مشابه پیشنهاد کردهاند [[22]، [23]، [24]]. در حال حاضر، مفاهیم تریلر الکترونیکی فقط به یک محور الکتریکی و گیربکس مجهز هستند و پتانسیل پیکربندیهای چندگانه محور الکتریکی هنوز به طور کامل بررسی نشده است. در نتیجه، فقدان یک ابزار ارزیابی مؤثر که بتواند به طور سیستماتیک و جامع، بهرهوری انرژی و مزایای اقتصادی را ارزیابی کند و پتانسیل مفهوم تریلر الکترونیکی را بهینه سازد، احساس میشود.
بنابراین، این مطالعه پیکربندیهای جدیدی را با منابع قدرت چندگانه برای کامیونهای سنگین هیبریدی پلاگین (MPS-PHHDT) پیشنهاد و ارزیابی میکند، که در آن تراکتور، موتور محرک خود را حفظ میکند، در حالی که محورهای الکتریکی، تریلر را به حرکت در میآورند. این مطالعه یک مدل شبیهسازی دینامیکی کامل از این مفهوم را توسعه داده است که امکان پیکربندی محورهای محرک الکتریکی چندگانه را برای دستیابی به تخصیص و ترکیب توان خروجی انعطافپذیر و متنوع و به دست آوردن دادههای عملکرد مربوط به وسیله نقلیه فراهم میکند. برای روشن شدن بیشتر پتانسیل اقتصادی این مفهوم، این مطالعه یک مدل ارزیابی برای مصرف انرژی وسیله نقلیه و هزینه کل مالکیت (TCO) توسعه میدهد و تلفات ظرفیت حمل بار را در سیستم ارزیابی TCO در نظر میگیرد. از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات چند هدفه (MOPSO) برای بهینهسازی مشخصات اجزای اصلی پیکربندی تحت چرخههای مختلف رانندگی استفاده شد. این مطالعه عملکرد وسیله نقلیه، اقتصاد سوخت چرخه عمر و TCO یک کامیون حمل و نقل خطی را در طول یک عملیات یک میلیون کیلومتری تجزیه و تحلیل کرد. الگوریتم برنامهنویسی پویا (DP) [25] و یک استراتژی مدیریت انرژی مبتنی بر قانون (RB) برای مقایسه مصرف انرژی و هزینههای عملیاتی پیکربندی هنگام کار بر روی چرخه رانندگی استاندارد یک مسیر جادهای واقعی استفاده شدند.(منبع).