خودروهای هیبریدی چگونه کار می کند؟

خودروهای هیبریدی برقی (Hybrid Electric Vehicles) شامل موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی همراه با باتری هستند. این ترکیب باعث می‌شود که هم از مزایای خودروهای امروزی که الکتریکی است بهره‌مند شویم و هم از خاصیت‌های خوب موتورهای احتراق داخلی سنتی استفاده کنیم. این ترکیب به موتور الکتریکی و باتری این امکان را می‌دهد تا موتور احتراق داخلی را در بهینه‌ترین محدوده خود نگه دارد. این عمل موجب کاهش مصرف سوخت می‌شود. این ترکیب که شامل موتور احتراق داخلی است می‌تواند معایب خودروهای الکتریکی خالص را برطرف نماید و همانند خودروهای معمولی دارای قدرت و سرعت مناسب باشد.

در نهایت تکنولوژی هیبریدی به شما این امکان را می‌دهد تا مسافت ۸۰۰ کیلومتر یا بیشتر را با مصرف سوخت بهتر نسبت به خودروهای معمولی و بدون شارژ کردن طی کنید.

مفهوم تکنولوژی هیبریدی:

طبیعتاً درجه هیبرید سازی خودروهای ترکیبی گوناگون است. مثلاً یک خودرو کامل (فول) و یا خودروی دیگر Mild هیبریدی شده و دیگری در سطح میکروهیبرید می‌باشد. البته بسته به نوع سیستم هیبریدی مورد استفاده نیز سیستم انتقال قدرت آن‌ها با هم متفاوت است. برای اینکه بهتر متوجه شویم که تکنولوژی هیبریدسازی چگونه عمل می‌کند، بهتر است که به پنج شاخصه (تکنولوژیکی) که خودروهای هیبریدی را از خودروهای معمولی جدا می‌کند نگاهی بیندازیم.
برای اینکه یک خودروی هیبریدی واقعی داشته باشیم می‌بایست خودروی ما سه مشخصه اول را حتماً داشته باشند. اما ویژگی‌های چهارم و پنجم موجب می‌شوند تا خودروی شما مصرف انرژی فوق‌العاده بهینه و عملکرد میدانی مناسبی داشته باشد.

5 ویژگی هیبریدسازی:

قابلیت Idle-off
استفاده از انرژی بازیافتی ترمزها
دستیار انرژی و کوچک‌سازی موتور (تا این مرحله هیبریدسازی درجه Mild صورت گرفته است)
رانندگی در حالت الکتریکی به‌تنهایی (تا این مرحله هیبریدسازی درجه full صورت گرفته است)
استفاده از انرژی الکتریکی و باتری (تا این مرحله هیبرید سازی Plug-in Hybrid گفته می‌شود؛ یعنی خودروهای هیبریدی که به متصل شدن به برق شهر نیازمند هستند.)

قابلیت Idle-Off

مانند یک سوییچ هنگامی که در یخچال بسته می‌شود، چراغ داخل یخچال را خاموش می‌کند، این قابلیت به خودرو این امکان را می‌دهد تا در زمانی که خودرو متوقف شده موتور احتراق داخلی را خاموش کند تا سوخت خودرو ذخیره شود. در سیستم‌هایی که به خوبی طراحی شده باشند، موتور احتراق داخلی دوباره در زمان بسیار کمی وارد مدار می‌شود (روشن می‌شود)، طوری که این زمان روشن شدن موتور کمتر از حالتی است که پای شما از روی پدال ترمز به سمت گاز حرکت می‌کند!
هرچند خودرو در حالت الکتریکی خالص، موتور الکتریکی خود، نیازمند انرژی ۱۰۰ ولت برای کار کردن خودرو است، در حالی که خودروهای معمولی نیازمند انرژی ۱۲ یا ۴۲ ولتی برای تأمین برق مورد نیاز است. (که بیشتر آن برای روشن شدن موتور استفاده می‌شود)
برخی از سازندگان در تلاش هستند تا از مزیت‌های فناوری idle-off که به وسیله موتور الکتریکی برای هیبریدی نامیدن وسیله نقلیه در جاده تهیه می‌شود، استفاده کنند. ادعا بر هیبریدی بودن خودرو تا بدین جا (یعنی داشتن تنها اولین مشخصه) نمی‌تواند خیلی صادق باشد چون تا نداشتن دو ویژگی بعدی نمی‌توان خودرو را هیبریدی دانست. به یاد داشته باشید که تا بدین جا نیمی از قلب تپنده هیبریدسازی تحقق یافته است.

انرژی ترمز بازیافتی

انرژی که متناسب با حرکت خودرو است انرژی جنبشی نام دارد. هرچه خودرو سریع‌تر حرکت کند، خودرو دارای انرژی جنبشی بیشتری است. در خودروهای معمولی شما از اصطکاک موجود در ترمزها استفاده می‌کنید تا خودرو را متوقف کنید. در حقیقت قسمتی از انرژی جنبشی در ترمزها به گرما تبدیل می‌شود و در نهایت انرژی جنبشی آن کاسته می‌شود و خودرو متوقف می‌شود.
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.

دستیار توان و کوچک‌سازی موتور:

یکی از تعاریف پایه ای خودروهای هیبریدی این است که بتوانند از دو منبع انرژی برای رساندن توان به چرخ‌ها استفاده نمود. توانایی تقسیم قدرت برای دخالت دادن موتور الکتریکی به طوری که بخشی از بارگذاری روی خودرو را بتواند پاسخ دهد در واقع یکی از اقدامات مهم برای پیشبرد تکنولوژی هیبرید است. خودرو تنها در زمانی می‌تواند از موتور الکتریکی به طور کارا استفاده کند که دارای ظرفیت بالا باشد و همچنین ظرفیت مناسب باتری، تا موتور الکتریکی در مواقع ضروری به شتابگیری خودرو کمک کند.
در حالت دستیار توان در واقع استفاده از موتور احتراق داخلی به حداقل می‌رسد و یا موتور احتراق داخلی با بازدهی بالا کار می‌کند. در این مواقع تأمین انرژی خودرو همانند خودروهای معمولی با موتور بزرگ‌تر است. فرآیند کوچک‌سازی موتور به صورت فیزیکی صورت می‌گیرد یعنی تعداد سیلندرها یا حجم موتور به منظور دستیابی به سیکل پربازده کاهش می‌یابد.
به طور مثال تویوتا و فورد در اکثر خودروهای هیبریدی خود موتور را کوچک‌تر کرده‌اند در حالی که از چرخه آتکینسون جهت بهبود بازدهی موتور احتراق داخلی بهره برده‌اند. نحوه کار این چرخه بدین صورت است که مرحله مکش و تراکم در موتورهای چهار زمانه کوتاه تر از مرحله احتراق و تخلیه طراحی شده است. این عمل به تنهایی موجب کم کردن توان خروجی موتور می‌شود ولی در عوض مصرف سوخت بهینه می‌شود. خودروهایی که سه ویژگی فوق‌الذکر را تا بدین جا داشته باشند به درجه هیبرید سازی Mild دست یافته‌اند که می‌توان به خودروهای سیویک و آکورد از خودروسازی هوندا اشاره نمود.

حالت الکتریکی خالص

این تکنولوژی به خودرو این اجازه را می‌دهد تا در هنگام حرکت تنها از موتورهای الکتریکی جهت تولید انرژی پیشران استفاده کند. با این ویژگی درجه هیبریداسیون به full ارتقاء پیدا می‌کند مانند تویوتا پریوس و فورد اسکیپ. شاید متعجب شدن خریداران این گونه خودروها بدون دلیل نباشد، چون در هنگامی که خودرو روشن است هیچ‌گونه نویز یا صدایی تولید نمی‌شود. در این حالت از انرژی موجود در باتری استفاده می‌شود و موتور احتراق داخلی کاملاً خاموش می‌شود. در سرعت‌های پایین و شروع حرکت، موتورهای الکتریکی وارد عمل می‌شوند و در سرعت‌های خیلی بالا موتور احتراق داخلی نیز وارد مدار می‌شود.

افزایش محدوده مسافتی خودروهای باتری-الکتریک

قدم آخر در درجه هیبریداسیون استفاده از موتور الکتریکی با توان بالا به وسیله شارژ باتری از طریق Plug-in است. در این حالت خودرو می‌تواند ۲۰ تا ۶۰ مایل را با تکیه بر باتری‌ها طی کند. البته مزایای اصلی این نوع هیبریدسازی زمانی مشخص می‌شود که چه قدر راننده بتواند خودرو خود را به شبکه برقی متصل نماید تا باتری‌ها شارژ شود. بزرگ‌ترین مشکل در این مرحله از هیبریدسازی هزینه می‌باشد، چون این درجه از هیبریداسیون نیازمند پک‌های باتری بزرگ و گران‌قیمت به علاوه موتورهای الکتریکی با توان بالا و حجیم است تا خودرو بتواند خواسته راننده را اجابت کند.

سیستم انتقال قدرت:

تاکنون در مورد تکنولوژی خودروهای هیبرید به طور پایه ای بحث شده است. سیستم انتقال قدرت خودروهای هیبریدی متشکل از اجزاء فراوانی است که وظیفه انتقال توان تولید شده را بر سر چرخ‌ها دارند. در خودروهای هیبریدی سه نوع سیستم انتقال قدرت به چشم می‌خورد: سیستم انتقال قدرت سری، سیستم انتقال قدرت موازی، سیستم انتقال قدرت سری/موازی.

سیستم انتقال قدرت سری:

این نوع دارای ساده‌ترین ساختمان است. در هیبریدهای سری، موتور الکتریکی به تنهایی مسئول تولید نیروی کشش خودرو است. موتور الکتریکی منبع الکتریسیته خود را از باتری‌ها که به وسیله موتور احتراق داخلی شارژ می‌شود به دست می‌آورد و هم به طور مستقیم از ژنراتور که خود به وسیله موتور احتراق داخلی رانده می‌شود. در حقیقت سیستم کنترلی مشخص می‌کند که چه میزان توان باید از سوی باتری گرفته شود یا موتور/ژنراتور. موتور/ژنراتور و ترمزهای بازیاب وظیفه شارژ باتری را به عهده دارند. در هیبرید سری معمولاً از موتور احتراق داخلی کوچک استفاده می‌کنند (چون در واقع بار اصلی جاده بر روی موتور الکتریکی است) ولی در عوض از باتری‌هایی با ظرفیت بالاتر نسبت به هیبرید موازی بهره می‌برند. موتور الکتریکی و باتری بزرگ به همراه استفاده از ژنراتور به قیمت هیبریدهای سری نسبت به هیبریدهای موازی افزوده است.
از طرفی موتورهای احتراق داخلی معمول به خاطر افزایش یا کاهش سرعت و بارهای متفاوتی که از سوی جاده بر روی موتورها اعمال می‌شود اغلب دارای بازده مناسبی نیستند. در هیبریدهای سری موتور احتراق داخلی در بهترین شرایط کارای کار می‌کند چون چرخ‌ها به موتور احتراق داخلی به طور مستقیم متصل نیستند. این بدان معناست که موتور احتراق داخلی در هیبرید سری در بازه تغییراتی زیاد توان کار نمی‌کند و در بارگذاری‌های مختلف که روی خودرو اعمال می‌شود موتور احتراق داخلی توان ثابت و پایداری تولید می‌کند و در این شرایط موتور در بهینه‌ترین حالت خود کار می‌کند. در هیبرید سری نیاز به سیستم انتقال قدرت چند سرعته و کلاچ نیست. سیستم انتقال قدرت هیبرید سری بهترین عملکرد در خودروهای شهری دارد. این سیستم می‌تواند برای اتوبوس‌ها و خودروهای شهری مصرف بیشتری داشته باشد. در حالت کلی برای مصارفی که خودرو نیاز به ایستادن و حرکت در سیکل‌های بسیار زیاد است سیستم هیبرید سری مناسب است.

سیستم انتقال قدرت موازی:

در سیستم انتقال قدرت موازی هم موتور الکتریکی و هم موتور احتراق داخلی در به حرکت آوردن خودرو نقش دارند. در حقیقت سیستم کنترلی دقیق موجود در این نوع سیستم‌های هیبرید، تصمیم‌گیری لازم را برای کار کردن این دو منبع توان انجام می‌دهد. شرکت هوندا سیستم یکپارچه موتور الکتریکی دستیار را IMA نامیده است. در سیستم‌های هیبرید موازی می‌توان از پک‌های باتری کوچک‌تری استفاده کرد. در زمانی که انتظار زیادی از شتاب نداشته باشیم هیبرید موازی موتور الکتریکی را به عنوان ژنراتور استفاده می‌کند تا باتری‌ها شارژ شود.

به خاطر اینکه موتور به طور مستقیم به چرخ‌ها متصل است، اتلاف انرژی در اثر تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بالعکس بسیار ناچیز است که موجب می‌شود هیبرید موازی در عملکرد اتوبانی موفق‌تر باشد. به علت اتصال مستقیم موتور احتراق داخلی به چرخ‌ها می‌توان بیان کرد که سرعت نهایی خودرو افزایش چشم‌گیری خواهد یافت و این نوع هیبریدها برای مصارف شهری نسبت به هیبرید سری بسیار ناکارآمد پیش‌بینی می‌شوند.

سیستم انتقال قدرت سری/موازی:

این نوع سیستم انتقال قدرت تلفیقی از مزایای هیبرید موازی و هیبرید سری را دارا می‌باشد. با ترکیب دو طراحی، چرخ‌ها به طور مستقیم به موتور احتراق داخلی متصل شوند همچنین موتور احتراق داخلی می‌تواند به طور غیرمستقیم به چرخ‌ها متصل شود تا موتور الکتریکی به تنهایی بتواند خودرو را حرکت دهد. تویوتا پریوس و فورد اسکیپ از این سیستم انتقال قدرت بهره می‌برند. نتیجه ای که از این سیستم انتقال قدرت دوگانه می‌توان گرفت که موتور احتراق داخلی در این سیستم در بازه نزدیک به بهینه کار می‌کند که برای ما بسیار ارزشمند است. در سرعت‌های پایین این سیستم در حالت سری کار می‌کند در حالی که با افزایش سرعت (چون سیستم سری کم بازده‌تر است) موتور احتراق داخلی بر اوضاع مسلط می‌شود و اتلاف انرژی حداقل می‌شود (در حقیقت سیستم به حالت موازی می‌رود). این سیستم نسبت به سیستم موازی دارای هزینه بیشتری است چون از پک باتری بزرگ‌تر، ژنراتور و سیستم‌های کنترلی بیشتر ساخته می‌شود.