Ulepszony rozmyty regulator T–S do zarządzania energią w równoległych pojazdach hybrydowych

Dlaczego mądrzejsze hybrydy mają znaczenie

Samochody hybrydowe obiecują czystsze prowadzenie i niższe rachunki za paliwo przez łączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym. Aby jednak rzeczywiście spełniać te obietnice, samochód musi nieustannie decydować, które źródło napędu i w jakim stopniu ma wykonywać pracę. W artykule przedstawiono nowy sposób podejmowania tych decyzji w ułamkach sekundy, tak aby silnik pracował częściej w swojej „strefie optymalnej”, zużycie paliwa spadało, a akumulator pozostawał w dobrej kondycji — wszystko to bez potrzeby kosztownych komputerów pokładowych ani szczegółowej wiedzy o przyszłej trasie.

Podział pracy między silnik a motor

W układzie równoległym zarówno silnik spalinowy, jak i motor elektryczny mogą napędzać koła, osobno lub razem. Głównym wyzwaniem jest system zarządzania energią, który decyduje, moment po momencie, ile momentu obrotowego ma dostarczać każde z nich. Wiele wcześniejszych podejść dążyło do perfekcyjnej efektywności przy użyciu ciężkich metod optymalizacyjnych lub algorytmów uczących się, ale bywają one wolne, kosztowne i trudne do zastosowania w samochodach codziennego użytku. Autorzy koncentrują się zamiast tego na prostszym, opartym na regułach sterowaniu, które może działać online w czasie rzeczywistym, jednocześnie podejmując rozsądne decyzje co do podziału pracy.

Zbiór reguł oparty na rozumowaniu przypominającym ludzkie

Nowy regulator opiera się na typie logiki rozmytej, matematycznym frameworku naśladującym sposób, w jaki ludzie stosują przybliżone reguły, takie jak „jeśli zapotrzebowanie jest niskie, faworyzuj silnik elektryczny; jeśli zapotrzebowanie jest wysokie, użyj silnika spalinowego”. W odróżnieniu od wcześniejszych systemów rozmytych, które potrzebowały wielu wejść — takich jak prędkość, moment i stan naładowania baterii — ten projekt wykorzystuje moc silnika jako główne wejście, z osobnym traktowaniem stanu naładowania akumulatora. Poprzez staranne kształtowanie czterech szerokich „stref” mocy roboczej, regulator potrafi wywnioskować, kiedy silnik powinien pracować w swojej najbardziej wydajnej strefie, a kiedy powinien wkroczyć silnik elektryczny, bez żonglowania wieloma zmiennymi jednocześnie. Redukcja liczby wejść zmniejsza obciążenie obliczeniowe i obniża wymagania sprzętowe w samochodzie.

Utrzymanie silnika w strefie optymalnej

Aby zbudować regulator, badacze najpierw mapują, jak efektywnie silnik zamienia paliwo na ruch przy wielu różnych prędkościach i momentach obrotowych. Mapa pokazuje małe „wyspy”, gdzie silnik jest szczególnie wydajny, oraz rozległe obszary, gdzie marnuje paliwo. Następnie reguły rozmyte są dostrojone tak, aby, kiedy to możliwe, żądana moc na kołach była realizowana przez pracę silnika w obrębie tych wydajnych wysp. Jeśli kierowca żąda mniejszego momentu niż preferowana wartość silnika, regulator nieznacznie modyfikuje żądanie tak, by silnik nadal pracował wydajnie, a różnicę przejmuje lub absorbuje silnik elektryczny. Gdy kierowca wymaga większego momentu, niż może zapewnić wydajny obszar, regulator dopuści opuszczenie przez silnik strefy optymalnej, ale tylko w zakresie niezbędnym do nadążenia za ruchem drogowym.

Równoważenie baterii podczas rzeczywistych tras

Zespół testuje swoją strategię na szczegółowym modelu komputerowym typowego sedana klasy średniej w wersji hybrydowej, uwzględniając opory aerodynamiczne, opory toczenia, akumulator litowo-jonowy i silnik elektryczny dobrany pod kątem codziennego użytku, a nie wyścigów. Prowadzą ten wirtualny samochód przez długą, złożoną trasę łączącą wzorce miejskie z Europy, USA i Londynu, obejmując zarówno ulice z zatrzymaniami i ruszaniami, jak i szybsze autostrady. Wyniki pokazują, że samochód ściśle śledzi docelowy profil prędkości, a momenty obrotowe z silnika i motoru podążają za swoimi referencjami z bardzo małymi błędami. Co ważne, poziom naładowania baterii na końcu przejazdu pozostaje bliski wartości początkowej, co dowodzi, że oszczędność paliwa nie jest osiągana poprzez ciche rozładowywanie akumulatora.

Co to oznacza dla przyszłych samochodów

Ostatecznie zaproponowany regulator rozmyty redukuje zużycie paliwa o około 3% w porównaniu z wcześniejszą, już zaawansowaną strategią, bez dodatkowego obciążenia obliczeniowego i przy zachowaniu poziomu naładowania baterii. Ponieważ opiera się na prostych regułach zamiast na szczegółowych przewidywaniach przyszłego ruchu, jest łatwiejszy do wdrożenia w rzeczywistych pojazdach z tanim sprzętem. Dla kierowców taki inteligentny podział energii może oznaczać tańsze w produkcji, a jednocześnie bardziej wydajne hybrydy na drodze — praktyczny krok w stronę czystszych środków transportu bez konieczności całkowitego przejścia na samochody wyłącznie elektryczne.

Cytowanie: Hokmabad, E.S., Rostami, N. & Sharifian, M.B.B. An improved T–S fuzzy controller for energy management of parallel hybrid vehicles. Sci Rep 16, 10428 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41457-8

Słowa kluczowe: pojazdy hybrydowe, zarządzanie energią, sterowanie rozmyte, efektywność paliwowa, układ napędowy elektryczny