آشنایی با انواع سیستم‌های ‌هیبرید؛ ولتاژ، سوخت، حرکت!

به گزارش پایگاه خبری «عصرخودرو»، در این شماره از ضمیمه «‌خودرو‌های پاک‌» قصد داریم شما را با متداول‌ترین سیستم‌های ‌هیبرید موجود، یعنی موازی، سری و سری - موازی آشنا کنیم.

سیستم ‌هیبرید موازی 
همانطور که از نام این سیستم مشخص است، پیشرانه الکتریکی و پیشرانه درون‌سوز هم‌محور هستند، به این معنی که هر دو پیشرانه به محور چرخ‌های خودرو متصل بوده و به صورت همزمان، نیروی حرکتی لازم را تأمین می‌‌کنند.وظیفه هماهنگ‌کردن این دو پیشرانه، برعهده سیستم انتقال قدرت خودرو و یک سیستم کامپیوتری است. در این سیستم، پیشرانه الکتریکی، 3‌ وظیفه تأمین نیروی لازم برای به حرکت درآوردن چرخ‌ها، ایفای نقش دینام و در نهایت، استارت خودرو را بر عهده دارد. در خودروهای دارای سیستم‌ هیبرید موازی، هنگام توقف پشت چراغ قرمز و یا در ترافیک‌های سنگین، پیشرانه درون‌‌‌سوز به منظور کاهش مصرف سوخت، به صورت خودکار خاموش می‌‌شود و برای شروع مجدد حرکت، پیشرانه الکتریکی با نیروی دریافت شده از سوی باتری‌ها، پیشرانه درون‌سوز را روشن کرده و در ادامه این پیشرانه درون‌سوز است که خودرو را به حرکت درمی‌آورد.
هنگامی که به قدرت و گشتاور بیشتری نیاز است، مانند مواقع شتابگیری یا حرکت در سربالایی، پیشرانه الکتریکی نیز وارد مدار شده و به پیشرانه درون‌سوز کمک می‌کند‌. البته تجربه‌های عملی نشان داده باتری‌های این سیستم زود‌تر از آنچه که باید خالی شده و در یک مسیر کوهستانی نمی‌توان‌ روی آنها حساب چندانی باز کرد‌. در زمان حرکت خودرو با سرعت یکنواخت (‌به اصطلاح در شرایط آسایش‌)، پیشرانه الکتریکی در نقش ژنراتور ظاهر شده و قادر است با استفاده از نیروی دریافتی از پیشرانه درون‌سوز، باتری‌ها را نیز شارژ کند‌. وظیفه تشخیص زمان درگیر‌شدن پیشرانه الکتریکی در این فرآیند، بر عهده یک سیستم کامپیوتری است‌. نحوه دیگر شارژ‌شدن باتری‌ها، از طریق ترمز‌کردن است بدین صورت که در فرآیند ترمز‌کردن خودرو‌های غیر‌هیبرید، انرژی جنبشی خودرو، به صورت انرژی گرمایی از طریق لنت‌ها و دیسک‌های ترمز دفع شده و هدر می‌‌رود اما در خودروهای‌ هیبرید، با توجه به اینکه پیشرانه الکتریکی به محور چرخ‌ها متصل است، در فرآیند ترمزگیری، جریان الکتریسیته از پیشرانه الکتریکی قطع شده در نتیجه، این پیشرانه در نقش یک ژنراتور ظاهر شده و چرخش چرخ‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌‌کند و به باتری‌ها می‌فرستد. هرچند انرژی تولید شده در این روش، چندان قابل توجه نیست اما از یک سو از اتلاف آن جلوگیری شده و از سوی دیگر با این کار قدرت ترمزگیری خودرو افزایش پیدا می‌کند.
در خودروهایی که از سیستم‌ هیبرید موازی بهره می‌‌برند، امکان استفاده از باتری‌های کوچک‌تر وجود دارد زیرا نیاز به توان الکتریکی در آنها کمتر بوده و در بیشتر مواقع، پیشرانه درون‌سوز وظیفه به حرکت درآوردن خودرو را بر عهده دارد اما اگر بخواهیم به معایب این دسته از خودرو‌ها نیز نگاهی داشته باشیم، می‌‌توانیم بگوییم هر چند کارایی این سیستم در زمینه مصرف سوخت از خودروهای معمولی بهتر است اما با توجه به آنکه خودرو در زمان شروع حرکت متکی به پیشرانه درون‌سوز خود است، کاهش مصرف سوخت در این دسته از خودرو‌ها، با در نظر گرفتن توانایی‌های حرکتی نسبت به خودرو‌های عادی، چندان چشمگیر نیست‌. به علاوه، پیشرانه درون‌سوز این خودروها برای کاهش مصرف سوخت، معمولا از انواع کم‌حجم انتخاب می‌‌شود و مشکل اساسی این خودرو‌ها این است که علی‌رغم وجود 2 پیشرانه مجزا، قدرت چندان بالایی نداشته و بیشتر مناسب یک رانندگی آرام هستند‌. این مسئله هنگامی حادتر می‌‌شود که با کاهش ظرفیت باتری‌ها، پیشرانه الکتریکی عملا از مدار خارج شده و خودرو بایستی تنها به پیشرانه درون‌‌سوز خود متکی باشد‌. هوندا اینسایت یکی از معروف‌ترین خودرو‌‌هایی است که از سیستم ‌هیبرید موازی بهره می‌برد‌.

هوندا اینسایت، یکی از معروف ترین خودرو‌هایی است که از سیستم‌ هیبرید موازی بهره می‌گیرد .

سیستم ‌هیبرید سری  
ایده ساخت سیستم ‌هیبرید سری از آنجا شکل گرفت که پیشرانه‌های الکتریکی با توجه به مزایای زیاد از جمله عدم آلایندگی، بی‌صدا بودن، گشتاور بالا، وزن پایین و… گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در خودرو‌ها به نظر می‌رسیدند اما در مقابل، تأمین برق برای این پیشرانه‌ها معضل بزرگی بوده و نیاز به مجموعه‌ای سنگین و گران از باتری‌ها دارد‌. از سوی دیگر، پیشرانه‌های درون‌سوز برای رسیدن به بهترین کارآیی باید در دور پیشرانه مشخصی کار کنند اما در یک رانندگی معمولی نمی‌توان همیشه پیشرانه درون‌سوز را در دور پیشرانه مشخصی نگه داشت؛ به این ترتیب سازندگان وسایل نقلیه به فکر ترکیب این دو نوع پیشرانه افتادند.
در این خودروها، پیشرانه درون‌سوز از طریق یک ژنراتور، برق لازم برای پیشرانه الکتریکی را تأمین کرده و بدین ترتیب می‌توان از مزایای هر دو پیشرانه بهره برد. بد نیست بدانید که فردیناند پورشه هم از چنین ترکیبی در سال‌های اولیه قرن بیستم برای ساخت یک خودروی مسابقه‌ای بهره برده بود‌. در خودروهای ‌هیبرید سری برخلاف سیستم موازی، این پیشرانه الکتریکی است که وظیفه به حرکت درآوردن خودرو را بر عهده دارد. همان گونه که پیش از این گفتیم این پیشرانه‌ها در مقایسه با پیشرانه‌های درون‌سوز، می‌‌توانند گشتاور بالایی را در دورهای مختلف پیشرانه ارائه کنند‌. به علاوه، عدم نیاز به سیستم تعویض دنده هم مزیت مهمی است که باعث کاهش وزن و البته پیچیدگی خودرو شده و شتابگیری پیوسته‌ای را نیز برای خودرو به ارمغان می‌آورد‌. در خودرو‌‌های معمولی، در هنگام رانندگی شهری، پیشرانه درون‌سوز ناچار است به طور پیوسته با تغییر در دور پیشرانه، خود را سازگار کند که در نهایت حاصلی جز افزایش مصرف سوخت ندارد اما در‌ هیبریدهای سری با توجه به اینکه پیشرانه درون‌سوز هیچ گونه ارتباط مستقیمی با چرخ‌ها ندارد، دور این پیشرانه نیز مستقل از چرخ‌ها تعیین شده و این مسئله به سازندگان این خودروها اجازه می‌دهد تا با مدیریت دور پیشرانه درون‌سوز، حداکثر کارایی را از آن حاصل کنند‌. پیشرانه الکتریکی این خودروها به طور معمول نیروی برق لازم برای کار را از باتری می‌گیرد. بررسی‌ها نشان داده است در رانندگی‌های معمول روزانه، شارژ کامل باتری‌ها، به خوبی جوابگوی نیاز یک روز رانندگی است و به همین دلیل ممکن است به هیچ وجه نیازی به پیشرانه درون‌سوز وجود نداشته باشد اما هنگامی که شارژ باتری‌ها رو به اتمام باشد، پیشرانه درون‌سوز شروع به چرخاندن ژنراتور کرده و از این طریق شارژ باتری‌ها را تأمین می‌کند‌. ضمن اینکه باتری‌ها از طریق برق شهری نیز قابل شارژ بوده و مانند همه انواع خودروهای‌ هیبرید، سیستم بازیابی انرژی ترمزها نیز در این خودروها نصب شده است. در زمان شتابگیری و حرکت با سرعت بالا، مصرف برق خودرو افزایش پیدا کرده و به این ترتیب شارژ باتری‌ها زودتر به پایان می‌رسد‌. به همین دلیل، در این شرایط پیش از به پایان رسیدن شارژ باتری‌ها، پیشرانه درون‌سوز فعال شده و برق مورد نیاز خودرو را در اختیار پیشرانه الکتریکی قرار می‌دهد ضمن آنکه بخشی از برق تولید شده نیز به باتری‌ها می‌رسد.یک کامپیوتر پیچیده وظیفه بررسی شرایط کارکرد خودرو و تعیین دور پیشرانه بنزینی و زمان شروع به کار آن را بر عهده دارد. در این خودروها، نیروی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن خودرو به طور کامل از پیشرانه الکتریکی تامین می‌شود و به همین دلیل پیشرانه الکتریکی نصب شده در این خودروها باید قدرتمند‌تر از ‌هیبریدهای موازی باشد ضمن آنکه باتری‌های پر‌قدرت‌تر و گران‌تری نیز مورد نیاز است، اما با این وجود، کارایی این خودروها به‌مراتب بالاتر بوده و از این طریق قیمت بالای خود را توجیه می‌کنند‌. شورولت ولت یکی از معروف‌ترین خودرو‌هایی است که از سیستم ‌هیبرید سری استفاده می‌‌کند‌.

شورولت ولت بدون شک شناخته شده ترین خودرویی است که از سیستم‌ هیبرید سری نیرو می‌گیرد .

سیستم ‌هیبرید سری - موازی  
خصوصیات متفاوت پیشرانه‌های درون‌سوز و الکتریکی باعث به‌وجود آمدن ایده ساخت خودرو‌ هیبرید با بهره‌گیری از هر دو سیستم سری و موازی شد. پیشرانه‌های درون‌سوز در دورهای پایین قدرت و گشتاور کمی دارند و این ضعف باعث می‌شود که خودرو برای شروع حرکت، با مشکلاتی مواجه باشد‌. برای رفع این مشکل، بایستی از پیشرانه‌های بزرگ‌تر استفاده کرد که در دورهای پایین قدرت بالاتری را ارائه می‌دهند.
اما مسئله اینجاست که در زمان حرکت با سرعت ثابت، تنها بخش کوچکی از قدرت پیشرانه مورد نیاز بوده و در این شرایط، عملا بخشی از قدرت پیشرانه بدون استفاده هدر می‌رود‌. از سوی دیگر، پیشرانه‌های درون‌سوز، تنها در بازه‌ای مشخص از دور پیشرانه، قدرت و گشتاور بهینه خود را ارائه کرده و پس از آن، شاهد افت قدرت و گشتاور هستیم‌. بنابراین، در این پیشرانه‌ها برای رسیدن به حداکثر کارایی باید همواره دور پیشرانه را در محدوده مشخصی نگه داشت که در عمل در یک رانندگی شهری ناممکن است‌. اما پیشرانه‌های الکتریکی از نظر تولید گشتاور در نقطه مقابل پیشرانه‌های درون‌سوز هستند‌. این پیشرانه‌ها، حداکثر گشتاور خود را از آغاز حرکت عرضه کرده و این روند را تا دورهای پایانی ادامه می‌دهند‌. بنابراین، تغییر دور، تأثیر چندانی در روند کاری آنها ندارد‌. اما این پیشرانه‌ها نیز مشکلاتی دارند که کمبود قدرت یکی از این مشکلات است‌. مشکل بزر‌گ‌تر، تأمین انرژی الکتریکی است زیرا هنوز جایگاه‌های شارژ آنچنان فراگیر نشده‌اند. همچنین باتری‌های به‌کار رفته در خودرو‌‌های تمام الکتریکی نیز بزرگ، سنگین و نسبتا گران هستند.ساختار خودروهای ‌هیبرید سری- موازی شامل پیشرانه درون‌سوز، ژنراتور، پیشرانه الکتریکی، باتری و بخش کنترل نیروی الکتریکی است‌. تفاوت اساسی این سیستم با ‌هیبرید‌های سری و‌ هیبرید‌های موازی بخشی به نام Power split device ‌یا تقسیم نیرو است‌.وظیفه بخش مذکور، تعیین نحوه عملکرد مجموعه پیشرانه خودرو به صورت سری یا موازی است‌. بخش تقسیم نیرو می‌تواند نیروی پیشرانه را میان چرخ‌ها و ژنراتور تقسیم کرده و برحسب شرایط، نیرو را به یکی و یا هر دو آنها برساند. در زمان شروع حرکت و در صورتی که شتاب زیادی نیاز نباشد، پیشرانه درون‌سوز خاموش بوده و خودرو نیروی لازم برای شروع حرکت را از پیشرانه الکتریکی می‌گیرد‌. اگر خودرو نیاز به شتابگیری داشته باشد‌، پیشرانه درون‌سوز نیز به کمک پیشرانه الکتریکی شتافته و قدرت آن از طریق بخش تقسیم نیرو، میان ژنراتور و چرخ‌ها تقسیم می‌شود‌. در این حالت بخشی از قدرت پیشرانه صرف به حرکت در آوردن چرخ‌ها شده و بخشی دیگر ژنراتور را به کار می‌اندازد تا برق لازم برای به حرکت در آوردن پیشرانه الکتریکی را تأمین کند اما بخشی دیگر از برق مورد نیاز پیشرانه الکتریکی همچنان از باتری‌ها تامین می‌شود‌. در زمان حرکت با سرعت ثابت معمولا نیازی به پیشرانه درون‌سوز نیست و تنها پیشرانه الکتریکی می‌تواند نیروی لازم برای حرکت خودرو را تأمین کند‌.در این شرایط، پیشرانه درون‌سوز روشن است اما بخش تقسیم‌کننده نیرو، نیروی آن را به سمت ژنراتور فرستاده تا صرف تولید برق مورد نیاز پیشرانه الکتریکی شود. در این وضعیت، پیشرانه درون‌سوز با حداکثر کارایی و در دور پیشرانه ایده‌آل کار کرده و تغییرات در سرعت خودرو، تأثیری بر کارایی بهینه آن ندارد.
در صورتی که سرعت خودرو افزایش پیدا کند، دیگر قدرت پیشرانه الکتریکی جوابگوی حرکت خودرو نیست و در این شرایط بخش تقسیم نیرو، بخشی از گشتاور پیشرانه درون‌سوز را نیز به چرخ‌ها می‌رساند‌. این دسته خودرو‌ها نیز مانند تمام انواع خودروهای‌ هیبرید، به سیستم بازیابی قدرت انرژی ترمز‌ها مجهز بوده و در زمان ترمز‌گیری، واحد تقسیم نیرو با اتصال چرخ‌ها به پیشرانه الکتریکی باعث تولید برق و ذخیره‌سازی آن در باتری‌ها می‌شود‌. تویوتا پریوس به عنوان پر‌فروش‌ترین خودروی ‌هیبرید دنیا، معروف‌ترین خودرویی است که از سیستم ‌هیبرید سری- موازی بهره‌ می‌‌برد‌.

پرفروش ترین خودرو‌ هایبرید دنیا، یعنی تویوتا پریوس، از سیستم‌ هیبرید سری- موازی استفاده می‌کند .

نویسنده: سجاد عباسی