هیبرید چیست؟

خودروی هیبریدی چگونه عمل می کند؟

ما در مقالهء " خودروی هیبریدی " به بررسی کلی خودروهای هیبریدی و مزایا و معایب آن ها پرداختیم. در اینجا قصد داریم تا شما را با جزییات دقیق تر کارکرد موتورهای هیبرید آشنا کنیم.ابتدا برای عزیزانی که مقاله قبل را مشاهده نکرده اند خلاصه ای از خودروی هیبریدی آورده می شود.

به طورکلی، هیبرید یعنی ترکیبی که از دو عنصر مجزا تشکیل شده باشد. اما در صنعت خودرو به  آنهایی اطلاق می شود که دو موتور مجزا یکی موتور بنزینی یا دیزلی و دیگری موتور الکتریکی. اغلب از ترکیب موتورهای بنزینی و الکتریکی در طراحی خودروهای هیبریدی استفاده می شود. شکی نیست که در آینده به تدریج این خودروها، جای خودروهای بنزینی و دیزلی را خواهند گرفت در خودروهای هیبریدی، موتور بنزینی به دلیل این که کوچک تر شده است، بهره وری آن بالاتر یا به عبارتی مصرف سوخت آن پایین تر رفته است. به عبارت بهتر، هنگامی که دو خودرو با سرعت یکسان در جاده در حال حرکت باشند و یکی دارای موتور کوچک تری نسبت به دیگری باشد؛ با وجود این که هر دو قدرت موتور یکسانی تولید می کنند، خودرویی که موتور کوچک تری دارد، مصرف آن کم تر است.

 تاریخچه ی سیستم های هیبریدی:

در 23 نوامبر 1905 یک مهندس آمریکائی به نام پیپر یک ماشین هیبریدی ساخت که قادر بود در طی ده ثانیه الی بیست پنچ مایل شتاب بگیرد. موتور این خودرو ترکیبی از موتور بنزینی و موتور الکتریکی بود که امروزه به عنوان موتور هیبریدی شناخته می‌شود. پیپر در سه سال و نیم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پیشرفت سریع موتورهای احتراق داخلی با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنین قابلیت استارت بدون هندل آنها و از همه مهمتر پایین بودن قیمت سوختهای فسیلی و مطرح نبودن آلودگی محیط زیست، سبب عدم توجه به این نوع خودروها شد.در پی بحران های نفتی سالهای 1970 دوباره این خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولی تا سال 1990 که کار اصولی با مشارکت( PNGV ) در آمریکا آغاز گردید، این خودروها به طور جدی پیگیری نشدند.

بخش های مختلف خودروی هیبریدی :

1- موتور اصلی (بنزینی،گازوئیلی)

2- موتور الکتریکی

3- باتری

4- ژنراتور

5- سیستم ترمز

موتور بنزینی:

موتور بنزینی در خودروهای هیبریدی کاملاً مشابه موتور خودروهای عادی است، با این تفاوت که نسبت به آن، کوچکترو آلایندگی آن کم تر است. لازم به توضیح است، باک بنزین در خودروهای هیبریدی، محل ذخیره انرژی برای موتور بنزینی به شمار می رود.

 موتور الکتریکی:

موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی هم به عنوان موتور، نیروی محرکه را تأمین می کند و هم به عنوان ژنراتور برق اتلافی را مجدداً در باتری ذخیره می کند.
به عنوان مثال، زمانی که به موتور الکتریکی نیاز است این موتور با استفاده از باتری ها شتاب مورد نظر را ایجاد می کند و زمانی که به آن نیازی نیست مثلاً در سراشیبی ها به عنوان ژنراتور عمل می کند و برق اتلافی را به باتری بر می گرداند.

 باتری:

برخلاف بنزین موجود در باک بنزین که می تواند فقط به موتور بنزینی سوخت برساند، نقش باتری ها در خودروی هیبریدی، ذخیره انرژی برای موتور الکتریکی است.البته موتور الکتریکی نیز به نوبه خود می تواند در مواقعی که اتلاف انرژی رخ می دهد، انرژی را به باتری پس دهد. باتری هاتوسط موتور بنزینی و ترمزها شارژ می شوند.

ژنراتور:

ژنراتور بسیار شبیه به موتور الکترکی است با این تفاوت که ژنراتور فقط وظیفه تامین الکتریسیته مورد نیاز موتور را بر عهده دارد نه کار دیگر. ژنراتور بیشتر در خودروهای هیبریدی سری به کار می رود. خودروهای هیبریدی سری در بخش قبلی توضیح داده شد.

سیستم ترمز:

در ترمزهای بازیافتی در حقیقت از موتور الکتریکی برای ترمز کردن به‌جای نیروی اصطکاک استفاده می‌شود. برای رسیدن به این امر می‌بایست موتور الکتریکی در نقش ژنراتور عمل کند، انرژی جنبشی خودرو را بازیابی کند و پس از تبدیل انرژی جنبشی (مکانیکی چرخ‌ها) به الکتریکی آن‌ها را در باتری ذخیره کند. این انرژی ذخیره شده در باتری در ادامه به خودرو کمک می‌کند تا بتواند انرژی جنبشی تولید نماید.
برای صرفه‌جویی واقعی در مصرف سوخت در خودرو، باید از موتور الکتریکی به اندازه کافی بزرگ استفاده کنیم تا در ولتاژ بالا کار کند و بتواند از انرژی ترمزی با بازده مناسب بهره ببرد. همچنین خودرو به یک پک باتری با ظرفیت کافی نیازمند است تا انرژی لازم را تا مواقع ضرورت ذخیره نماید. برخی از سازندگان ادعا می‌کنند که از ترمزهای بازیاب انرژی استفاده می‌کنند ولی وقتی به سیستم دقیق‌تر نگاه می‌کنیم متوجه می‌شویم که با این انرژی ذخیره شده نمی‌توان سوخت را قطع نمود و خودرو را حرکت داد.

عملکرد سیستم هیبریدی سری –موازی در خودروی تویوتا:

1- حالت روشن شدن در دورهای پایین ومتوسط

2- حالت سرعت کم

3- حالت شتاب گیری سریع

4- حالت شتاب کند شونده یا ترمز گیری

5- حالت سکون

حالت روشن شدن در دورهای پایین و متوسط:

توان لازم برای حرکت فقط توسط موتور الکتریکی تأمین می شود . موتور بنزینی خاموش باقی می ماند.

حالت سرعت کم:

در این حالت قدرت ناشی از موتور احتراق داخلی به دو بخش تقسیم می شود: قسمتی از قدرت به ژنراتور می رود ومابقی چرخ ها را به حرکت در می اورد. (دراین حالت بازدهی موتور بنزینی حداکثر است)

حالت شتاب گیری سریع:

از موتور بنزینی به عنوان منبع اصلی قدرت استفاده می شود که قدرت تولید شده برای به حرکت درآوردن خودرو مورد استفاده قرار میگیرد قسمتی از توان به ژنراتور میرسد و ژنراتور موتور الکتریکی را برای کمک کردن به موتور بنزینی تغذیه میکند.به عبارتی دیگر هم دو موتور انتقال قدرت می کنند.در این شکل زیرکلاچ سولونوئیدی شماره یک برای کنترل اتصال بین موتور احتراق داخلی و ژنراتور و سولونوئیدی شماره دو برای کنترل اتصال بین موتور احتراق داخلی و گیربکس به کار رفته اند . همچنین کلاچ شماره سه برای کنترل اتصال بین موتور احتراق داخلی و کل سیستم و کلاچ های چهار و پنج کنترل اتصال بین موتور الکتریکی و کل سیستم استفاده شده اند .

حالت شتاب کند شونده یا ترمز گیری:

در این حالت موتور الکتریکی توسط چرخ ها به حرکت در امده و انرژی جنبشی در اثر تبدیل به اصطکاک و گرما به الکتریسته تبدیل شده وباطری را شارژ می کند.

حالت سکون:

موتور الکتریکی و بنزینی و ژنراتور هر سه تا به صورت اتوماتیک خاموش می شوند تا هیچ انرژی هدر نرود.اگر شارژ باطری کم باشد موتور بنزینی برای شارژ کردن آن روشن می ماند.

انواع سیستم های انتقال قدرت در خودرهای هیبریدی:

1- انتقال قدرت موازی

2- انتقال قدرت سری

3- انتقال قدرت سری - موازی

سیستم انتقال قدرت موازی:

ساختار هیبرید موازی اساساً از یک چرخه تولید همراه با منبع انرژی در موازات آن تشکیل شده‌است. در این ساختار موتور درون‌سوز همچنان به وسیله جعبه دنده به چرخ‌ها متصل است و با چرخش دنده‌ها محدود می‌شود. در نتیجه بار ICE همچنان به طور مستقیم با توان درخواستی متغیر خودرو پیوند دارد، همچنین از سیستم الکتریکی نیز برای به حرکت درآوردن خودرو استفاده می‌شود و هنگامی‌که به حداکثر نیرو نیاز است هر دو با همدیگر آغاز به انتقال نیرو به چرخ می‌کنند. در خودرو هیبرید موازی به دو محرک نیرو احتیاج است؛ موتور درون‌سوز و موتور الکتریکی. مزیت این ساختار بر ساختار هیبرید سری این است که از موتور درون‌سوز و همچنین از موتور الکتریکی کوچکتری برای ایجاد حداکثر عملکرد بهینه، تا زمانی که باتری تمام نشده‌است، می‌توان استفاده کرد.

سیستم های هیبرید سری:

در این دسته از خودروها موتور احتراق داخلی یك ژنراتور را می‌چرخاند و این ژنراتور، هم باطری را شارژ می كند و هم یك موتور الكتریكی را به حركت درمی‌آورد و بدین صورت انتقال قدرت صورت می گیرد. در این ساختار موتور احتراقی مستقیم به سیستم انتقال قدرت وصل نمی ‌شود.این سیستم به خاطر این سری نامیده می ‌شود كه قدرت، به صورت سری به چرخ‌ها منتقل می‌گردد و از آن برای رانش موتورهای با قدرت كم و با رنج كاركرد بهینه استفاده می شود.

سیستم های هیبریدی سری - موازی :

این طرح بگونه ای است كه می‌توان از آن در شرایط مختلف به صورت هیبرید سری یا موازی استفاده نمود. در این سیستم با بهره‌گیری از فن‌آوری پیشرفته امكان استفاده از سیستم احتراقی و سیستم الكتریكی بطور جداگانه و همزمان وجود دارد. به این ترتیب در مواقع شهری كاملا الكتریكی و بدون آلودگی و در سرعتهای بالا و در محدوده برون شهری می ‌تواند بطور مستقل احتراقی و یا تركیبی از دو سیستم باشد. در مواقعی چون شتابگیری سریع، هر دو سیستم با هم عمل می‌كنند. چنین ایده‌ای فقط بكمك یك فن‌آوری مدرن در یك خودرو سواری قابل اجراست. معمولا چنین سیستمهایی از نوع تركیبی هستند و با بهره‌گیری از یك استراتژی كنترلی مناسب عملا همراه با فراهم آوردن عملكرد مناسب، سطح شارژ باطریها نیز در حد خوبی نگهداری می ‌شود بدین ترتیب این خودرو می ‌تواند چه در شهر و چه در جاده به یك خودروی متداول تبدیل گردد. در این سیستم دو موتور الكتریكی وجود دارد كه بسته به شرایط می‌تواند تركیبی از آنها به كار آیند و قابلیت تبدیل به ژنراتور را نیز دارند. این سیستم در خودرو Prius و Estima شرکت تویوتا استفاده شده است.