تحلیل عملکرد یک نمونه خودروی شنی‌دار هیبریدی به‌منظور بهبود راندمان مصرف انرژی

شاهدحقیقی, شایگان; حسینی, سید هادی; شاهد, شهریار; جودکی, جلال

doi:10.66224/jii.3.3.61

تحلیل عملکرد یک نمونه خودروی شنی‌دار هیبریدی به‌منظور بهبود راندمان مصرف انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

شایگان شاهدحقیقی ¹

سید هادی حسینی ²

شهریار شاهد ³

جلال جودکی ⁴

¹ گروه سازه و بدنه خودرو، دانشکده مهندسی خودرو، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

² گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

³ گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

⁴ گروه طراحی جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران.

10.66224/jii.3.3.61

چکیده

با توجه به نیاز روزافزون به کاهش آلایندگی، بهبود عملکرد و افزایش راندمان سوخت در خودروهای سنگین، استفاده از سیستم‌های هیبریدی-الکتریکی به‌عنوان راهکاری نوین و کارآمد موردتوجه قرار گرفته است. این پژوهش، باهدف بهبود عملکرد مصرف انرژی و انتخاب پیکربندی مناسب برای خودروی شنی‌دار هیبریدی، ابتدا به تحلیل معماری‌های مختلف سیستم‌های هیبریدی پرداخته و با تمرکز بر کاربردهای خودروهای شنی‌دار، مناسب‌ترین پیکربندی را شناسایی خواهد نمود. سپس با استفاده از نرم‌افزار متلب، مدل دینامیکی خودروی شنی‌دار توسعه داده خواهد شد و الگوریتم طراحی گام‌به‌گام شامل تعیین الزامات اولیه، مدل‌سازی ریاضی، انتخاب اجزاء کلیدی و پیاده‌سازی کنترل‌کننده مدیریت انرژی تدوین گردیده است. مدل نهایی با داده‌های یک مقاله مرجع اعتبارسنجی می‌شود تا صحت آن بررسی شود. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که پیکربندی هیبریدی سری در مقایسه با معماری موازی، در شاخص پایداری وضعیت شارژ باتری عملکرد بهتری داشته و حدود ۱۸٪ برتری در حفظ سطح شارژ باتری ارائه داده است. همچنین، به‌منظور بهبود پایداری سیستم قدرت و کاهش تنش‌های وارده بر باتری از ابرخازن به‌عنوان یک عنصر مکمل ذخیره‌ساز انرژی استفاده گردید که موجب افزایش حدود 8 دقیقه‌ای در مدت زمان عملیات در حالت رانندگی الکتریکی شده است که نشان‌دهنده‌ی مدیریت بهتر توان لحظه‌ای و کاهش فشار بر باتری است. همچنین، مقایسه گیربکس چند‌سرعته با نوع دو‌سرعته نشان داد که گیربکس چند‌سرعته با فراهم‌آوردن امکان انتخاب دنده بهینه، منجر به بهبود قابل‌توجه در راندمان مصرف انرژی می‌گردد. یافته‌های این پژوهش می‌تواند مبنایی ارزشمند برای طراحی و توسعه آتی خودروهای هیبریدی سنگین با عملکرد پیشرفته باشد.

کلیدواژه‌ها

خودروی شنی‌دار هیبریدی

موتور الکتریکی

بهبود راندمان مصرف

مدیریت انرژی هیبریدی

شاخص مصرف سوخت معادل

عنوان مقاله English

Performance Analysis of a Hybrid Tracked Sprocket Wheeled Vehicle for Improving Energy Consumption Efficiency

نویسندگان English

Shaygan Shahed Haghighi ¹

Seyed Hadi Hosseini ²

Shahriar Shahed ³

Jalal Joudaki ⁴

¹ Department Body and Structure, School of Automotive Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.

² Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.

³ Department of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.

⁴ Department of Solid Mchanics, School of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran.

چکیده English

By increasing the need to reduce pollution, improve performance, and increase fuel efficiency in heavy-duty vehicles, the use of hybrid-electric systems has gained attention as an innovative and effective solution. This research aims to improve the energy consumption and select an appropriate configuration for a hybrid tracked vehicle. Initially, various architectures of hybrid systems will be analyzed, and the most suitable configuration will be identified. Then, a dynamic model of the tracked vehicle will be developed by using MATLAB software, and a step-by-step design algorithm, including determining initial requirements, mathematical modeling, selecting key components, and implementing an energy management controller, will be simulated. The final model will be validated with data from a reference to evaluate the accuracy. Simulation results showed that the series hybrid configuration performed better in terms of battery state of charge stability compared to the parallel architecture, providing approximately 18% superiority in maintaining battery charge level. Additionally, to improve power system stability and reduce electrical load on the battery, a supercapacitor was used as a complementary energy storage element, which increases the operation time in electric driving mode by approximately 8 minutes, indicating better instantaneous power management and reduced electrical load on the battery. Furthermore, a comparison of multi-speed gearboxes with two-speed types showed that the multi-speed gearboxes lead to significant improvements in energy consumption efficiency by providing the possibility of optimal gear selection. The findings of this research can serve as a valuable basis for the future design and development of advanced heavy-duty hybrid vehicles.

کلیدواژه‌ها English

Hybrid tracked vehicle

Electric motor

Fuel efficiency improvement

Hybrid energy management

Miles per gallon gasoline equivalent (MPGe)

[1] Randive V. Subramanian S. C. Thondiyath A. Design and Analysis of a Hybrid Electric Powertrain for Military Tracked Vehicles, Energy. 2021; 229:120768. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120768
[2] Qin Z. Luo Y. Li K. Peng H. Optimal Design of a Novel Hybrid Electric Powertrain for Tracked Vehicles, Energies. 2017; 10(12), 2141. https://doi.org/10.3390/en10122141
[3] Balamurugan S. Srinivasan R. Tracked Vehicle Performance Evaluation using Multi Body Dynamics, Defence Science Journal. 2017; 67(4): 476-480. https://doi.org/10.14429/dsj.67.11534
[4] Dalsjø P. Hybrid Electric Propulsion for Military Vehicles-Overview and Status of the Technology, (2008).
[5] Jia C. Qiao W. Qu L. Modeling and Control of Hybrid Electric Vehicles: a Case Study for Agricultural Tractors, in: 2018 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), IEEE, 2018; 1-6.
[6] Grycan W. Electric Vehicles in Mining for the Aspect of Operational Safety, Prz. Elektrotechniczny. 2022; 110-113.
[7] Masrur M. A. Hybrid and Electric Vehicle (HEV/EV) Technologies for Off-Road Applications, Proceedings of the IEEE. 2020; 109(6): 1077-1093. https://doi.org/10.1109/jproc.2020.3045721
[8] Çeliksöz D. Kılıç V. Series-Hybrid Powertrains: Advancing Mobility Control in Electric Tracked Vehicle Technology, World Electric Vehicle Journal. 2024; 15(2), 47. https://doi.org/10.3390/wevj15020047
[9] Ahmadi S. Bathaee S. Hosseinpour A. H. Improving Fuel Economy and Performance of a Fuel-Cell Hybrid Electric Vehicle (Fuel-Cell, Battery, and Ultra-Capacitor) using Optimized Energy Management Strategy, Energy Conversion and Management. 2018; 160:74-84. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.01.020
[10] Sims B. Crase S. Review of Battery Technologies for Military Land Vehicles, Land Division, Defence Science and Technology Group, Edinburgh, Australia, 2017.
[11]Akhtarshenas Ghadim O. Hosseini H. Joudaki J. Studying the Effect of Implementing Air Spring on Kinematic Behavior, Stability and Handling of Heavy Vehicles, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering. 2025; 57(6): 729-756 (in Persian). https://doi.org/10.22060/mej.2025.23981.7830.
[12] Giesbrecht J. Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical vehicles, Defence Research and Development Canada. 2018.
[13] Piancastelli L. Toccaceli M. Sali M. Leon-Cardenas C. Pezzuti E. Electric Hybrid Powertrain for Armored Vehicles, Energies. 2023; 16(6): 2605. https://doi.org/10.3390/en16062605
[14] Randive V. Subramanian S. C. Thondiyath A. Component Sizing of Single and Dual Drive Series Hybrid Electric Powertrain for Military Tracked Vehicles, 2019 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC). 2019; 1-6.
[15] AlKawak O. A. Kumar J. R. R. Daniel S. S. Reddy C. V. K. Hybrid Method Based Energy Management of Electric Vehicles using Battery-Super Capacitor Energy Storage, Journal of Energy Storage. 2024; 77: 109835. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109835
[16] Mohammed A. S. Atnaw S. M. Salau A. O. Eneh J. N. Review of Optimal Sizing and Power Management Strategies for Fuel Cell/Battery/Super Capacitor Hybrid Electric Vehicles, Energy Reports. 2023; 9: 2213-2228. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.01.042
[17] Laitinen H. Lajunen A. Tammi K. Improving Electric Vehicle Energy Efficiency with Two-Speed Gearbox, 2017 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC). 2017; 1-5.
[18] Ahssan M. R. Ektesabi M. M. Gorji S. A. Electric Vehicle with Multi-Speed Transmission: A Review on Performances and Complexities, SAE International Journal of Alternative Powertrains. 2018; 7(2): 169-182. https://doi.org/10.4271/08-07-02-0011
[19] Kim D. M. Lee S. G. Kim D.K. Park M. R. Lim M. S. Sizing and Optimization Process of Hybrid Electric Propulsion System for Heavy-Duty Vehicle based on Gaussian Process Modeling Considering Traction Motor Characteristics, Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022; 161: 112286. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112286
[20] Boretti A. Electric Vehicles with Small Batteries and High‐Efficiency On‐Board Electricity Production, Energy Storage. 2019; 1(4): 75. https://doi.org/10.1002/est2.75