سیستم های هیبریدی

امروزه با توجّه به آلودگی های ناشی از خودروها و محدودیت های سوختهای فسیلی، کارخانه های خودروسازی گام مهمّی در مقابله با این امر برداشته اند 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 (Bi-fuel) اشاره  کرد.

بازده بالا، آلایندگی کم، مسافت قابل پیمایش بالا، ایمنی مطلوب و قیمت قابل رقابت با خودروهای متداول از جمله ویژگی های حائز اهمّیت برای خودروهای هیبریدی است. بسیاری از خودرو سازان بزرگ مبادرت به تولید این خودروها در سطحی گسترده نموده اند. در قسمت های بعدی به شمای کلی از نحوۀ عملکرد، حالتهای کارکردی، مزایا، معایب و تقسیم بندی قسمت های مختلف خودروی هیبریدی خواهیم پرداخت.

تاریخچه:

یک مهندس امریکایی به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 یک ماشین هیبریدی ساخت که قادر بود در طی 10 ثانیه تا 25 مایل شتاب بگیرد. موتور این خودرو ترکیبی از موتور بنزینی و موتور الکتریکی بود که امروزه به عنوان موتور هیبریدی شناخته می شود. Piper در سه سال و نیم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ امّا 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 سوخت های فسیلی و مطرح نبودن آلودگی محیط زیست، سبب عدم توجّه به این نوع خودروها شد. در پی بحرانهای نفتی سالهای 1970 دوباره این خودروها مورد توجّه قرار گرفتند ولی تا سال 1990 که کار اصولی با مشارکت (Partnership for a New Generation Vehicle) PNGV در امریکا آغاز گردید، این خودروها به طور جدّی پیگیری نشدند.

امروزه خودروهای هیبریدی مورد توجّه کمپانی های بزرگ جهان قرار گرفته که از آن جمله می توان به شرکتهایی مانند: تویوتا، هوندا، میتسوبیشی، فورد، فیات، جنرال موتورز، دایملر/کرایسلر، نیسان، پژو و ... اشاره نمود. توفیق این محصولات به حدی چشمگیر بوده که از دسامبر 1997 تا ابتدای سال 2000 بیش از چهل هزار محصول پریوس کمپانی تویوتا به فروش رسیده است.

شناخت خودروی هیبریدی:

خودروی هیبریدی ماشینی است که حداقل از دو نوع منبع انرژی برای حرکت بهره می گیرد. در نسل جدید خودروهای هیبریدی دو موتور سوختی و برقی، نیروی محرکه لازم برای حرکت را فراهم می کنند. اما چرا از دو موتور برای به حرکت در آوردن این خودروها استفاده شده است؟

یکی از معایب موتورهای بنزینی یا گازوئیلی امروزی این است که در دورهای پایین که بازده و راندمان آنها بیشتر است، توان کمی تولید می کنند. اما بر خلاف موتورهای درونسوز، موتورهای برقی در دورهای کم، گشتاور زیادی را با راندمان بالا تولید می کنند. بنابراین با در کنار یکدیگر قرار دادن این دو موتور، می توان ضمن دستیابی به توان کافی برای حرکت و شتاب گیری، مصرف سوخت را نیز کاهش داد. یکی از ویژگی های مهم و جالب خودروهای هیبرید برقی در این است که باطری های آن، در مواقعی که موتور درونسوز بیش از میزان مورد نیاز برای به حرکت در آوردن خودرو، نیرو تولید می کند یا با به کار گیری مستقیم قدرت موتور، هنگام ترمز گیری و یا حرکت در سراشیبی ، شارژ شده و برق مورد نیاز خود را تأمین می کنند. این یکی از مهمترین ویژگی خودروهای هیبریدی می باشد. آنچه در تمام خودروهای هیبرید برقی جلوه می کند، مدیریت و موازنۀ الکترونیکی و هوشمند ارتباط دو موتور با یکدیگر است.

خودروهی هیبریدی، نوع تعمیم یافتۀ خودروهای برقی خالص هستند 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 نقطۀ بهینۀ خود کار می کنند که این امر باعث بالا رفتن بازده موتور و کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می گردد و دیگر اینکه به هنگام ترمز گیری و یا شتاب منفی، انرژی به صورت الکتریکی در باطری ها ذخیره می شود و همین امر باعث کارکرد کمتر موتور احتراقی خواهد شد و در نتیجه منجر به کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می گردد. به عنوان مثال تویوتا پریوس ( Toyta Prius ) با موتور 4 سیلندر 1500 سی سی مصرف سوختی معادل 4/2 لیتر در 100 کیلومتر دارد! مزیت دیگر این خودروها نسبت به خودروی برقی خالص، قابلیت پیمودن مسیرهای طولانی در هر بار شارژ کردن باطری می باشد.

خودروهای هیبریدی از ساختارهای مختلفی برخوردارند. اما الزاماً یک خودروی هیبریدی از یک سیستم ذخیره ساز انرژی، یک واحد تولید قدرت و یک سیستم انتقال قدرت تشکیل شده است. انتخاب های اولیه برای سیستم ذخیره ساز انرژی باطری ها، و خازن ها و فلایویل ها هستند. اگرچه باطری ها عمده ترین انتخاب در این زمینه می باشند اما تحیق بر روی زمینه های دیگر ذخیره سازی انرژی آغاز شده است. باطری ها، بدلیل ارزان بودن و تجاری بودن و نداشتن قسمت های متحرک اولین وسیلۀ ذخیرۀ انرژی و همانطور که گفته شد متداولترین است اما بزرگترین عیبشان عمر کوتاهشان می باشد. البته باطری ها با تکنولوژی جدید بسیار گران می باشند و امروزه تعداد زیادی از باطری های جدید در حال توسعه هستند. اجزای یک خودروی هیبریدی در شکل نشان داده شده است.

اجزای سیستم هیبریدی بنزینی- الکتریکی :

1- موتور بنزینی :

موتور بنزینی که در این خودرو وجود دارد شباهت زیادی به موتورهای بنزینی خودروهای بنزینی دارد. ولی این موتور کوچک تر و نیز دارای تکنولوژی بالاتری نسبت به خودروهای معمولی است که باعث کاهش آلودگی و ا فزایش کارایی می شود.

2- موتور الکتریکی :

موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی خیلی پیشرفته هستند این موتور پیشرفته هم به عنوان یک موتور قادر به انجام کا ر است و هم به عنوان ژنراتور به عنوان مثال زمانی که به این موتور نیاز است موتور با استفاده از باطری ها قادر خواهد بود شتاب مورد نظر را ایجاد کند و زمانی که خودرو نیازی به موتور الکتریکی ندارد مثلا در یک سراشیبی در حال حرکت است این موتور الکتریکی به عنوان یک ژنراتور نیرو را به باطری ها برمی گرداند.

3- 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.

4- باطری:

باطری ها در خودروی هیبریدی یک وسیله ذخیره انرژی برای موتور الکتریکی هستند . برخلاف بنزین موجود در باک بنزین که می تواند فقط به موتور بنزینی سوخت برساند (یک انتقال یک طرفه از باک بنزین به موتور بنزینی). موتورهای الکتریکی علاوه بر کار فوق میتوانند انرژی را به باطری پس دهند. ولی موتور بنزینی نمی تواند چنین کاری را انجام دهد.

5- سیستم انتقال قدرت

خودروهای هیبریدی و کاربرد باطریهای دوقطبی در آنها :

در خودروهای هیبرید برقی، برق مصرفی موتور برقی از طریق نسل جدید باطریها، یعنی باطریهای دوقطبی حاصل می شود. موتور سوختی منبع اصلی انرژی محرکه ماشین بوده و باطری به عنوان یک منبع کمکی عمل می کند و در مواقعی که خودرو به انرژی بالایی برای حرکت و یا شتاب گرفتن نیاز دارد، موتور برقی نیز به صورت خودکار به کار می افتد. در مواقع عادی، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی از طریق دینام در باطری ذخیره می شود و به این طریق اتلاف انرژی موتور سوختی به شدت کاهش یافته، مصرغ سوخت کمتر شده و آلودگی هوایی ناشی از خودروها کاهش می یابد.

فکر استفاده از برق برای تأمین انرژی حرکت خودروها به چند دهه قبل بر می گردد. برق لازم برای خودروهای برقی می تواند از برق شهر (برای خودروهای داخل شهر مثل اتوبوس وقطار برقی)، باطری و یا پیلهای سوختی تأمین شود. به عنوان مثال در سال 1964 میلادی در کشور ژاپن، کل نیروی محرکه یک کشتی از طریق پیل سوختی تأمین می شد.

باطریهای قابل شارژ یکی از منابع بسیار مورد علاقه برای تأمین انرژی در خودروهای برقی هستند. مشکل اصلی استفاده از باطری در خودروهای برقی، وزن بالای باطری جهت فراهم ساختن انرژی لازم برای حرکت می باشد. بنزین چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باطری دارد.

برای مثال از لحاظ تولید انرژی هر یک کیلو گرم بنزین معادل یک باطری سرب-اسید با وزن 142 کیلوگرم عمل می کند. مسأله دیگر در کاربرد باطری، زمان لازم برای شارژ آنهاست که در این مدت ماشین باید در یک مکان متوقف شود تا باطری آن شارژ شود. برای خودروهای برقی معمولی که از باطری استفاده می کنند، زمان شارژ بسیار بیشتر از زمانی است که خودرو در حال حرکت است گاهی برای تأمین انرژی یک ساعت حرکت، زمان شارژ به بیش از 10 ساعت می رسد. به خاطر این مشکلات استفاده از باطری به عنوان نیروی محرکه خودروهای برقی معمولی توسعه چندانی پیدا نکرده است. موتورهای برقی در خودروهای داخل شهری مثل قطار و اتوبوس برقی و به ویژه در خودروهای صنعتی نظیز لیفتراک کاربرد دارد. خودروهای برقی صنعتی مزایای متعددی دارند که از جمله می توان به تمییزی، بی سروصدایی و قیمت کمتر نسبت به انواع مشابه سوختی اشاره کرد. تا چند سال اخیر فقط یک راه برای شارژ مجدد ماشین برقی به کمک یک شارژر استاندارد وجود داشت که خودرو مجبور بود تا برای مدت طولانی در یک فضای خاص توقف کند. ولی در حال حاضر با پیشرفت تکنولوژی، شارژرهایی تولید شده اند که بسیار کوچکتر بوده و می تواند توسط خود ماشین حمل شده و در جایی که لازم است ماشین توقف کرده و باطری را شارژ کند.

مزیت دیگر این شارژرها توانایی آنها در کاهش زمان شارژ است. این نوع از شارژرها تک خروجی بوده و در یک زمان می توانند فقط یک ماشین را شارژ کنند ولی نوع جدیدتر آنها دارای چندین خروجی هستند که می توانند همزمان چند باطری را شارژ کنند.

برای کاهش وزن باطری، باید از مواد فعال با چگالی انرژی بالا استفاده شود. ولی تهیه چنین مواد فعالی چندان ساده و عملی نیست. از جمله باطریهایی که بیشترین مصرف را در این زمینه دارند باطریهای سرب-اسید هستند که با توجه به ماهیت مواد فعال آنها، این باطریها وزن بالایی دارند.

در یک خودروی معمولی، سوخت تنها منبع انرژی برای حرکت آن است. در این خودروها بخش عمده انرژی سوخت تلف می شود. تولید گرما یکی از راههای اتلاف انرژی در این خودروها است. اما مسأله کیفیت سوختن در این خودروها بویژه در مواقعی که دور موتور افزایش می یابدبایدمدنظرقرارداد.
در حالت عادی ، احتراق در خودروهای معمولی ، ناقص بوده و بخش عمده انرژی سوخت هدر می رود و با افزایش دور موتور و افزایش میزان سوخت ورودی به موتور، کیفیت سوختن به شدت پایین آمده و اتلاف انرژی بیشتر می شود. این مسأله در خودروهای قدیمی بسیار جدی است.

در خودروهای هیبریدی سوختی-برقی، کیفیت سوختن از طریق استفاده از موتورهایی با حجم کمتر و تکنولوژی برتر بهبود یافته و برای تأمین انرژی زیاد در مواقع ضروری به جای افزایش شدید در دور موتور سوختی، موتور برقی به صورت خودکار به کار افتاده و انرژی لازم برای شتاب خودرو را فراهم می آورد. و در حالت عادی که انرژی کمتری برای حرکت نیاز است، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی در باطری ذخیره می شود تا در مواقعی که نیاز به انرژی بالا وجود دارد، از طریق موتور برقی مصرف شود.

یک خودروی هیبریدی یک موتور بنزینی و یک موتور برقی دارد. موتور بنزینی آن مشابه موتور بنزینی در خودروهای معمولی عمل می کند ولی موتور بنزینی در خودروهای هیبریدی کوچکتر بوده و از تکنولوژی پیشرفته ای برای کاهش خروجی و افزایش کارآیی برخوردارند. موتور برقی در خودروهای هیبریدی بسیار پیشرفته است. الکترونیک پیشرفته اجازه می دهد که آن به عنوان یک موتور مولد خوب عمل کند. وقتی که نیاز باشد انرژی را از باطری گرفته و به ماشین شتاب می دهد. و از مصرف زیاد سوخت و ایجاد آلودگی ناشی از سوختن ناقص جلوگیری می کند. خودروهای هیبریدی ساخت شرکتهای هوندا و تویوتایِ ژاپن به ازای هر لیتر بنزین 8/04 تا 10/73 کیلومتر بیشتر از خودروهای معمولی راه می روند. در سری جدید خودروهای هبیریدی شرکت هوندا با نام Insight میزان طی مسیر به ازای هر لیتر بنزین 7/37 کیلومتر است به عبارت دیگر میزان مصرف بنزین به ازای هر 100 کیلومتر در این خودروها فقط 2/65 لیتر می باشد.

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 ین 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 ی 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:

در شکل(1) مقایسه‌ای کلی از سه نوع سیستم هیبریدی صورت گرفته است که در شکل (2) می‌توان مزایا و معایب سیستمها را در کنار هم مشاهده نمود.

شکل (۱)

شکل (۲)

با توجه به جدول فوق می توان خصوصیات زیر را بری خودروهی هیبرید سری- موازی برشمرد:

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:

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)

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.

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.

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)

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)

حالت استراحت:

موتور به حالت اتوماتیک خاموش می‌گردد