اگر تا به حال در جاده‌ای لغزنده یا در یک پیچ تند، خودرویی را دیده باشید که ناگهان کنترلش را از دست می‌دهد و به چپ یا راست منحرف می‌شود، می‌دانید که «پایداری» یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های ایمنی در رانندگی است. سیستم‌های کنترل پایداری الکترونیکی Electronic Stability Control یا به‌ اختصار ESC دقیقاً برای همین منظور طراحی شده‌اند: کمک به خودرو تا در شرایط سخت، مثل جاده‌های خیس، برفی یا در پیچ‌های ناگهانی، مسیر مورد نظر راننده را حفظ کند و از سر خوردن یا چرخش بی‌کنترل جلوگیری شود.

در خودروهای معمولی، این کار معمولاً با ترمزگیری جداگانه روی هر یک از چهار چرخ انجام می‌شود. اما نسل جدیدی از خودروهای برقی وجود دارد که در آن‌ها به‌جای یک موتور مرکزی، هر چرخ موتور الکتریکی مستقل خودش را دارد؛ این موتورها درست داخل فضای خالی چرخ جا می‌گیرند و به همین دلیل به آن‌ها موتورهای درون‌چرخی (In-Wheel Motor) می‌گویند. چنین خودرویی که هر چهار چرخش به‌طور مستقل توسط موتور رانده می‌شود، در متون فنی خودرو برقی با رانش مستقل چهار موتور درون‌چرخی یا به‌اختصار 4MIDEV نامیده می‌شود.

چرا موتورهای درون‌چرخی جذاب هستند؟

این طراحی چند مزیت مهم دارد:

• نیازی به دیفرانسیل، جعبه‌دنده یا سیستم انتقال قدرت پیچیده نیست، چون هر چرخ موتور خودش را دارد.
• گشتاور هر چرخ را می‌توان بسیار سریع و دقیق تنظیم کرد، چون فرمان مستقیماً به موتور همان چرخ داده می‌شود.
• در زمان ترمزگیری، به‌جای اتلاف انرژی به‌صورت گرما (مثل ترمزهای معمولی)، بخشی از انرژی حرکتی خودرو دوباره به باتری برمی‌گردد. به این فرایند «ترمز بازیاب» یا «ترمز احیایی» می‌گویند.

اما همین آزادی عمل بالا، یک چالش هم به همراه دارد: حالا باید چهار موتور مستقل، به‌طور هماهنگ کنترل شوند تا خودرو پایدار بماند. اینجاست که سیستم کنترل پایداری الکترونیکی وارد میدان می‌شود.

سیستم کنترل پایداری چطور کار می‌کند؟

به‌طور ساده، سیستم ESC سه بخش اصلی دارد که مثل یک زنجیره تصمیم‌گیری با هم کار می‌کنند:

۱. تشخیص وضعیت پایداری اولین بخش، مثل یک «نگهبان» عمل می‌کند. این بخش دائماً داده‌هایی مثل زاویه فرمان، سرعت چرخ‌ها، شتاب خودرو و مهم‌تر از همه «زاویه سُرخوردگی» خودرو را زیر نظر دارد. زاویه سُرخوردگی نشان می‌دهد که بدنه خودرو نسبت به مسیر واقعی حرکتش چقدر منحرف شده است؛ هرچه این زاویه بزرگ‌تر باشد، خودرو به از دست دادن کنترل نزدیک‌تر است. اگر این نگهبان تشخیص دهد که وضعیت از حالت عادی خارج شده، حالت کنترل پایداری را فعال می‌کند.

۲. تعیین رفتار مطلوب خودرو وقتی حالت کنترل پایداری فعال شد، سیستم باید بداند خودرو در آن لحظه «باید» چطور حرکت کند. این بخش با توجه به سرعت خودرو و زاویه فرمان، مقدار ایده‌آل چرخش خودرو (نرخ یاو Yaw rate) و زاویه سُرخوردگی مطلوب را محاسبه می‌کند. سپس این مقدار ایده‌آل با وضعیت واقعی خودرو مقایسه می‌شود و اگر اختلاف زیاد باشد، سیستم می‌فهمد چقدر «گشتاور اصلاحی» لازم است تا خودرو را به مسیر درست برگرداند.

۳. توزیع گشتاور بین چهار موتور این بخش، جایی است که تصمیم نهایی گرفته می‌شود: هر یک از چهار موتور دقیقاً چه مقدار گشتاور رانش یا ترمز بازیاب باید تولید کند؟ برای مثال، فرض کنید خودرو در حال پیچیدن به چپ است اما بیشتر از حد لازم می‌چرخد (که به آن «چرخش بیش از حد» یا oversteer می‌گویند). در این حالت، سیستم می‌تواند گشتاور موتورهای سمت داخل پیچ را کم کند یا حتی از آن‌ها ترمز بازیاب بگیرد، تا خودرو دوباره به مسیر مستقیم‌تر برگردد. عکس این حالت هم وجود دارد، یعنی زمانی که خودرو کمتر از حد لازم می‌چرخد.

در پژوهش مورد بحث، سه روش مختلف برای این توزیع گشتاور بررسی و مقایسه شده است:

• روش ساده و یکنواخت: گشتاور اصلاحی به‌طور مساوی بین چرخ‌ها تقسیم می‌شود. این روش ساده است اما وضعیت واقعی هر چرخ (مثلاً اینکه چه مقدار وزن روی آن چرخ افتاده) را در نظر نمی‌گیرد.
• روش مبتنی بر بار هر چرخ: در پیچ‌ها یا ترمزگیری‌های شدید، وزن خودرو به‌طور نامساوی روی چرخ‌ها توزیع می‌شود. این روش گشتاور بیشتری به چرخ‌هایی می‌دهد که در آن لحظه چسبندگی و بار بیشتری دارند، تا از سُر خوردن چرخ‌های سبک‌تر جلوگیری شود.
• روش بهینه: این روش پیچیده‌ترین و در عین حال دقیق‌ترین روش است. با یک محاسبه ریاضی، بهترین ترکیب ممکن از گشتاور چهار چرخ پیدا می‌شود، طوری‌که همزمان هم نیروی لازم برای حرکت و چرخش تأمین شود و هم هیچ‌کدام از چرخ‌ها به مرز لغزش نرسند.

نتیجه چه بود؟

برای آزمایش این سیستم، پژوهشگران آن را روی یک مدل شبیه‌سازی‌شده دقیق از خودرو پیاده کردند و سه مانورِ رایج در آزمون‌های ایمنی خودرو را بررسی کردند: تغییر خط ساده، تغییر خط دوبل (شبیه دور زدن ناگهانی از یک مانع) و مانور مارپیچ، آن هم روی جاده‌ای لغزنده.

نتایج نشان داد که بدون سیستم کنترل پایداری، خودرو در این مانورها کاملاً کنترل خود را از دست می‌داد و مسیر واقعی‌اش با مسیر مورد نظر راننده فاصله زیادی پیدا می‌کرد. اما با فعال‌شدن سیستم پایداری، خصوصاً با روش توزیع بهینه گشتاور، خودرو در طول مانور مسیر مطلوب را با دقت بسیار بیشتری دنبال می‌کرد. به‌طور میانگین، خطای چرخش خودرو نسبت به حالت بدون کنترل پایداری، حدود ۷۵ درصد کاهش یافت؛ عددی که نشان می‌دهد چنین سیستمی می‌تواند تفاوت واقعی و محسوسی در ایمنی رانندگی ایجاد کند.

جمع‌بندی

با گسترش خودروهای برقی و به‌ویژه طراحی‌های جدید مبتنی بر موتورهای درون‌چرخی، کنترل پایداری دیگر فقط به معنای ترمزگیری هوشمند نیست، بلکه به یک هماهنگی دقیق و لحظه‌به‌لحظه بین چهار موتور مستقل تبدیل شده است. این هماهنگی، هم می‌تواند ایمنی خودرو را در شرایط بحرانی افزایش دهد و هم با استفاده از ترمز بازیاب، بخشی از انرژی را که در خودروهای معمولی هدر می‌رفت، دوباره به باتری بازگرداند؛ ترکیبی از ایمنی بیشتر و بهره‌وری انرژی بهتر که آینده خودروهای برقی را شکل می‌دهد.

نویسنده: زهرا شیربند – کارشناس امور بین‌الملل ISQI

منبع:

Electronic Stability Control Based on Motor Driving and Braking Torque Distribution for a Four In-Wheel Motor Drive Electric Vehicle DOI (10.1109/TVT.2016.2526663)