خودروی هیبریدی چگونه کار می کند؟

امروزه با توجه به آلودگی‌های ناشی از خودروها و محدودیت‌های سوخت فسیلی، کارخانه‌های خودروسازی گام مهمی در مقابله با این امر برداشته‌اند که از جمله آنها می توان به خودروهای هیبریدی (Hybrid Vehicle)، تکنولوژی پیل سوختی (Fuel Cell)، موتورهای با پاشش مستقیم‌ بنزینی (GDI)، موتورهای HCCI و خودروهای دو گانه سوز (Bifuel) اشاره کرد.
بازده بالا، آلایندگی کم، مسافت قابل پیمایش بالا، ایمنی مطلوب و قیمت قابل رقابت با خودروهای متداول از جمله ویژگیهای حائز اهمیت برای خودروهای هیبریدی است. بسیاری از خودروسازان بزرگ مبادرت به تولید این خودروها در سطحی گسترده نموده‌اند. در این قسمت به شمای کلی از نحوة عملکرد، حالتهای کارکردی، مزایا، معایب و تقسیم‌بندی سیستم‌های مختلف خودروی هیبریدی خواهیم پرداخت.
● تاریخچة خودروی هیبریدی
یک مهندس آمریکائی به نام H.Piper در ۲۳ نوامبر ۱۹۰۵ یک ماشین هیبریدی ساخت که قادر بود در طی ۱۰ ثانیه تا ۲۵ مایل شتاب بگیرد. موتور این خودرو ترکیبی از موتور بنزینی و موتور الکتریکی بود که امروزه به عنوان موتور هیبریدی شناخته می‌شود. Piper 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 بحرانهای نفتی سالهای ۱۹۷۰ دوباره این خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولی تا سال ۱۹۹۰ که کار اصولی با مشارکت PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمریکا آغاز گردید، این خودروها به طور جدی پیگیری نشدند.
امروزه خودروهای هیبریدی مورد توجه کمپانیهای بزرگ جهان قرار گرفته اند که از آن جمله می‌توان به شرکتهایی مانند: تویوتا، هندا، میتسوبیشی، فورد، فیات، جنرال موتورز، دایملر کرایسلر، نیسان و پژو و ... اشاره نمود. توفیق این محصولات به حدی چشمگیر بوده که از دسامبر سال ۱۹۹۷ تا ابتدای سال ۲۰۰۰ بیش از چهل هزار محصول پریوس کمپانی تویوتا به فروش رسیده است.
● ویژگیها
خودروهای هیبریدی، نوع تعمیم یافته خودروهای برقی خالص می‌باشند که معایب خودروهای برقی خالص تا حدود زیادی در آنها برطرف گردیده است و می توان گفت معایب خودروهای احتراق داخلی نیز تا حدودی در آنها برطرف شده است. از مزایای مهم این خودروها نسبت به خودروهای احتراق داخلی، کارکرد در دور و بار ثابت بوده و به اصطلاح در نقطة بهینة خود کار می‌کنند که این امر باعث بالا رفتن بازده موتور و کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می‌گردد و دیگر اینکه به هنگام ترمزگیری و یا شتاب منفی، انرژی به صورت الکتریکی در باطری ها ذخیره می‌شود و همین امر باعث کارکرد کمتر موتور احتراقی خواهد شد و در نتیجه منجر به کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می‌گردد. به عنوان مثال تویوتا پریوس (Toyota Prius) با موتور ۴ سیلندر ۱۵۰۰ سی سی مصرف سوختی معادل ۲/۴ لیتر در ۱۰۰ کیلومتر دارد. مزیت دیگر این خودروها نسبت به خودروی برقی خالص، قابلیت پیمودن مسیرهای طولانی در هر بار شارژ کردن باطری می‌باشد.
● سیستمهای ذخیره سازی انرژی :
خودروهای هیبریدی از ساختارهای مختلفی برخوردارند. اما الزاما" یک خودروی هیبریدی از یک سیستم ذخیر ساز انرژی، یک واحد تولید قدرت و یک سیستم انتقال قدرت تشکیل شده است. انتخابهای اولیه برای سیستم ذخیره ساز انرژی باطریها، خازنها و فلایویل‌ها هستند. اگر چه باطریها عمده‌ترین انتخاب در این زمینه می‌باشند اما تحقیق بر روی زمینه‌های دیگر ذخیره‌سازی انرژی آغاز شده است. باطری ها، بدلیل ارزان و تجاری بودن و نداشتن قسمتهای متحرک اولین وسیله ذخیره انرژی و همانطور که گفته شد متداولترین است اما بزرگترین عیبشان عمر کوتاه آنها می باشد. البته باطریها با تکنولوژی جدید بسیار گران می‌باشند و امروزه تعداد زیادی از باطریهای جدید در حال توسعه هستند.
● انواع خودروهای هیبریدی :
با توجه به ساختار کنترلی و طریقه اتصال اجزاء به یکدیگر، خودروهای هیبریدی به سه نوع سری، موازی و سری-موازی تقسیم‌بندی می‌شوند.
● سیستم هیبریدی سری :
در این دسته از خودروها موتور احتراق داخلی یک ژنراتور را می‌چرخاند و این ژنراتور، هم باطری را شارژ می کند و هم یک موتور الکتریکی را به حرکت درمی‌آورد و بدین صورت انتقال قدرت صورت می گیرد. در این ساختار موتور احتراقی مستقیم به سیستم انتقال قدرت وصل نمی‌شود.
این سیستم به خاطر این سری نامیده می‌شود که قدرت، به صورت سری به چرخ‌ها منتقل می‌گردد و از آن برای رانش موتورهای با قدرت کم و با رنج کارکرد بهینه استفاده می شود.
● سیستم هیبریدی موازی :
در این نوع سیستم، موتور احتراقی و موتور الکتریکی به صورت موازی چرخها را به حرکت درمی‌آورند. در این سیستم موتور الکتریکی توسط باطری و موتور احتراقی توسط منبع سوخت فسیلی مستقیما" تغذیه می‌گردند. در این حالت ژنراتور حذف شده و باطری با تغییر حالت موتور الکتریکی به ژنراتور شارژ می‌گردد. از آنجائیکه این سیستم فقط یک موتور دارد موتور الکتریکی نمی‌تواند همزمان هم باطری را شارژ کند و هم باعث رانش چرخها گردد. یک تصویر ساده از این سیستم در ذیل نشان داده شده است.
● سیستم هیبریدی سری ـ موازی:
این طرح بگونه ای است که می‌توان از آن در شرایط مختلف به صورت هیبرید سری یا موازی استفاده نمود. در این سیستم با بهره‌گیری از فن‌آوری پیشرفته امکان استفاده از سیستم احتراقی و سیستم الکتریکی بطور جداگانه و همزمان وجود دارد. به این ترتیب در مواقع شهری کاملا" الکتریکی و بدون آلودگی و در سرعتهای بالا و در محدودة برون شهری می‌تواند بطور مستقل احتراقی و یا ترکیبی از دو سیستم باشد. در مواقعی چون شتابگیری سریع، هر دو سیستم با هم عمل می‌کنند. چنین ایده‌ای فقط بکمک یک فن‌آوری مدرن در یک خودرو سواری قابل اجراست. معمولا" چنین سیستمهایی از نوع ترکیبی هستند و با بهره‌گیری از یک استراتژی کنترلی مناسب عملا" همراه با فراهم آوردن عملکرد مناسب، سطح شارژ باطریها نیز در حد خوبی نگهداری می‌شود بدین ترتیب این خودرو می‌تواند چه در شهر و چه در جاده به یک خودروی متداول تبدیل گردد. در این سیستم دو موتور الکتریکی وجود دارد که بسته به شرایط می‌تواند ترکیبی از آنها به کار آیند و قابلیت تبدیل به ژنراتور را نیز دارند.
این سیستم در خودرو Prius و Estima شرکت تویوتا استفاده شده است.
● مقایسه چند نوع سیستم هیبریدی:
۱) کاهش اتلاف انرژی: سیستم بطور اتوماتیک در حالت idle (درجا) خاموش می‌شود و بدین ترتیب از به هدر رفتن انرژی جلوگیری می شود.
۲) ذخیره‌سازی و برگرداندن انرژی: انرژیی که در هنگام شتاب منفی و ترمزگیری هدر می‌رود را به انرژی الکتریکی تبدیل نموده و از اتلاف آنها جلوگیری می‌کند.
۳) کمک به کارکرد موتور احتراقی: موتور الکتریکی در زمان شتابگیری به کارکرد موتور احتراقی کمک می‌کند.
۴) کارکرد با بازدهی بالا: این سیستم با یک استراتژی کنترلی مناسب، بازدهی کلی خودرو را در تمام شرایط کاری در حالت بیشینه نگه می دارد؛ بدین صورت که موتور الکتریکی مانند یک جبران ساز در شرایطی که قدرت موتور احتراق داخلی کافی نیست وارد عمل می گردد و در مواقعی که قدرت موتور احتراق داخلی بیشتر از نیاز خودرو است، انرژی مازاد در باطریها ذخیره می گردد.
● حالتهای عملکردی موتور هیبریدی سری-موازی:
حالتهای عملکردی یک موتور هیبریدی سری-موازی را می‌‌توان به شش قسمت تقسیم نمود:
۱) حالت روشن شدن و دورهای پایین و متوسط:
در این حالت موتور احتراقی که بازدهی مناسبی ندارد کاملا" خاموش است و فقط موتور الکتریکی توان مورد نیاز خودرو را تأمین می‌نماید (A)
۲) حرکت در حالتهای معمولی:
قدرت ناشی از موتور احتراقی توسط تقسیم کنندة قدرت (Power split device) به دو بخش تقسیم می‌گردد قسمتی از قدرت آن به ژنراتور می‌رود که منجر به حرکت در آوردن موتور الکتریکی می‌گردد (B) و مابقی چرخها را مستقیما" به حرکت درمی‌آورد (C) قدرت موتورا حتراقی در این مرحله در حداکثر بازدهی است.
۳) شتابگیری سریع:
در حالیکه قدرت یکنواختی از مسیرهای B و C به چرخها منتقل می گردد توان اضافی توسط باطری نیز جهت افزایش توان موتور الکتریکی (A) تامین می گردد.
۴) شتاب کندشونده و یا ترمزگیری:
موتور با قدرت بالا به ژنراتور با قدرت بالایی تبدیل می‌گردد که توسط چرخها به حرکت درمی‌آید. در این حالت انرژی جنبشی به انرژی مکانیکی تبدیل شده و در باطری ذخیره می‌گردد. (D)
۵) شارژ شدن باطری:
برای اینکه باطریها همیشه در حد قابل قبولی انرژی داشته باشند. در حالت ضروری که احتیاج باشد توسط موتور احتراقی شارژ می‌گردد.(E)
۶) حالت استراحت:
موتور به حالت اتوماتیک خاموش می‌گردد.

منبع : دانشجویان مهندسی مکانیک