خودروهاي هيبريدی (Hybrid Vehicles)

مقدمه

امروزه با توجه به آلودگي‌هاي ناشي از خودروها و محدوديت‌هاي سوخت فسيلي، كارخانه‌هاي خودروسازي گام مهمي در مقابله با اين امر برداشته‌اند كه از جمله آنها مي توان به خودروهاي هيبريدي (Hybrid Vehicle)، تکنولوژي پيل سوختي (Fuel Cell)، موتورهاي با پاشش مستقيم‌ بنزيني (GDI)، موتورهاي HCCI و خودروهاي دو گانه سوز (Bifuel) اشاره کرد.
بازده بالا، آلايندگي كم، برد زياد، ايمني مطلوب و قيمت قابل رقابت با خودروهاي متداول از جمله ويژگي هاي حائز اهميت براي خودروهاي هيبريدي است. بسياري از خودروسازان بزرگ مبادرت به توليد اين خودروها در سطحي گسترده نموده‌اند. در اين قسمت به شماي كلي از نحوة عملکرد، حالت هاي كاركردي، مزايا، معايب و تقسيم‌بندي سيستم‌هاي مختلف خودروي هيبريدي خواهيم پرداخت.

تاريخچة خودروي هيبريد

يك مهندس آمريكائي به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 يك ماشين هيبريدي ساخت كه قادر بود در طي 10 ثانيه تا 25 مايل شتاب بگيرد. موتور اين خودرو تركيبي از موتور بنزيني و موتور الكتريكي بود كه امروزه به عنوان موتور هيبريدي شناخته مي‌شود. Piper در سه سال و نيم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پيشرفت سريع موتورهاي احتراق داخلي با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنين قابليت استارت بدون هندل آنها و از همه مهم تر پايين بودن قيمت سوخت هاي فسيلي و مطرح نبودن آلودگي محيط زيست، سبب عدم توجه به اين نوع خودروها شد. در پي بحران هاي نفتي سال هاي 1970 دوباره اين خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولي تا سال 1990 که كار اصولي با مشاركتPNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمريكا آغاز گرديد، اين خودروها به طور جدي پيگيري نشدند.

امروزه خودروهاي هيبريدي مورد توجه كمپاني هاي بزرگ جهان قرار گرفته اند كه از آن جمله مي‌توان به شركت هايي مانند: تويوتا، هندا، ميتسوبيشي، فورد، فيات، جنرال موتورز، دايملر كرايسلر، نيسان، پژو و ... اشاره نمود. توفيق اين محصولات به حدي چشمگير بوده كه از دسامبر سال 1997 تا ابتداي سال 2000 بيش از چهل هزار محصول پريوس كمپاني تويوتا به فروش رسيد. در افزايش اخير قيمت نفت كه به 140 دلار در هر بشكه نيز رسيد،‌ تويوتا اعلام كرده بود كه به ازاي هر 10 سنت افزايش قيمت يك گالن بنزين، صف مشتريان تويوتا پريوس 2 هفته طولاني‌تر ميشود و در واقع مشتريان جديد بايد 2 هفته بيشتر براي دريافت خودروي خود صبر كنند.

ويژگي ها

خودروهاي هيبريدي، نوع تعميم يافته خودروهاي برقي خالص مي‌باشند كه معايب خودروهاي برقي خالص تا حدود زيادي در آنها برطرف گرديده است و مي توان گفت معايب خودروهاي احتراق داخلي نيز تا حدودي در آنها برطرف شده است. از مزاياي مهم اين خودروها نسبت به خودروهاي احتراق داخلي، كاركرد در دور و بار ثابت بوده و به اصطلاح در نقطة بهينة خود كار مي‌كنند كه اين امر باعث بالا رفتن بازده موتور و كاهش آلودگي و پايين آمدن مصرف سوخت مي‌گردد و ديگر اينكه به هنگام ترمزگيري و يا شتاب منفي، انرژي به صورت الكتريكي در باطري ها ذخيره مي‌شود و همين امر باعث كاركرد كمتر موتور احتراقي خواهد شد و در نتيجه منجر به كاهش آلودگي و پايين آمدن مصرف سوخت مي‌گردد. به عنوان مثال تويوتا پريوس (Toyota Prius) با موتور ۴ سيلندر ۱۵۰۰ سي سي مصرف سوختي معادل ۲/۴ ليتر در ۱۰۰ کيلومتر دارد. مزيت ديگر اين خودروها نسبت به خودروي برقي خالص، برد زياد آن است.

سيستم هاي ذخيره سازي انرژي

خودروهاي هيبريدي از ساختارهاي مختلفي برخوردارند. اما الزاماً يك خودروي هيبريدي از يك سيستم ذخيره ساز انرژي(به جز باك)، دو واحد توليد قدرت (موتور الكتريكي و موتور احتراقي) و سيستم انتقال قدرت (كه ممكن است دو روش داشته باشد) تشكيل شده است. انتخاب هاي اوليه براي سيستم ذخيره ساز انرژي باتري ها، خازن ها و فلايويل‌ها هستند. اگر چه باتري ها عمده‌ترين انتخاب در اين زمينه مي‌باشند اما تحقيق بر روي زمينه‌هاي ديگر ذخيره‌سازي انرژي آغاز شده است. باتري ها، به دليل ارزان و تجاري بودن و نداشتن قسمت هاي متحرک، اولين وسيله ذخيره انرژي و همان طور که گفته شد متداول ترين است اما بزرگ‌ترين عيب‌شان عمر كوتاه آن ها مي باشد. البته باتري ها با تكنولوژي جديد بسيار گران هستند و امروزه تعداد زيادي از باتري هاي جديد در حال توسعه هستند.

انواع خودروهاي هيبريدي

با توجه به ساختار كنترلي و طريقه اتصال اجزاء به يكديگر، خودروهاي هيبريدي به سه نوع سري، موازي و سري - موازي تقسيم‌بندي مي‌شوند.

سیستم هیبریدی سری

در اين دسته از خودروها موتور احتراق داخلي يك ژنراتور را مي‌چرخاند و اين ژنراتور، هم باتري را شارژ مي كند و هم يك موتور الكتريكي را به حركت درمي‌آورد و بدين صورت انتقال قدرت صورت مي-گيرد. در اين ساختار موتور احتراقي مستقيم به سيستم انتقال قدرت وصل نمي‌شود.

اين سيستم به خاطر اين سري ناميده مي‌شود كه قدرت، به صورت سري به چرخ‌ها منتقل مي‌گردد و از آن براي رانش موتورهاي با قدرت كم و با بازه كاركرد بهينه استفاده مي شود.

سیستم هیبریدی موازی

در اين نوع سيستم، موتور احتراقي و موتور الكتريكي به صورت موازي چرخ¬ها را به حركت درمي‌آورند. در اين سيستم موتور الكتريكي توسط باتري و موتور احتراقي توسط منبع سوخت فسيلي مستقيماً تغذيه مي‌گردند. در اين حالت ژنراتور حذف شده و باتري با تغيير حالت موتور الكتريكي به ژنراتور شارژ مي‌گردد. از آنجائي كه اين سيستم فقط يك موتور دارد موتور الكتريكي نمي‌تواند همزمان هم باتري را شارژ كند و هم باعث رانش چرخ ها گردد. يك تصوير ساده از اين سيستم در زير نشان داده شده است.

سیستم هیبریدی سری-موازی

اين طرح به گونه اي است كه مي‌توان از آن در شرايط مختلف به صورت هيبريد سري يا موازي استفاده نمود. در اين سيستم با بهره‌گيري از فن‌آوري پيشرفته امكان استفاده از سيستم احتراقي و سيستم الكتريكي به طور جداگانه و هم زمان وجود دارد. به اين ترتيب در مواقع شهري كاملاً الكتريكي و بدون آلودگي و در سرعت هاي بالا و در محدودة برون شهري مي‌تواند به طور مستقل احتراقي و يا تركيبي از دو سيستم باشد. در مواقعي چون شتاب گيري سريع، هر دو سيستم با هم عمل مي‌كنند.

چنين ايده‌اي فقط به كمك يك فن‌آوري مدرن در يك خودرو سواري قابل اجراست. معمولاً چنين سيستم هايي از نوع تركيبي هستند و با بهره‌گيري از يك استراتژي كنترلي مناسب عملاً همراه با فراهم آوردن عملكرد مناسب، سطح شارژ باتري ها نيز در حد خوبي نگهداري مي‌شود؛ بدين ترتيب اين خودرو مي‌تواند چه در شهر و چه در جاده به يك خودروي متداول تبديل گردد. در اين سيستم دو موتور الكتريكي وجود دارد كه بسته به شرايط مي‌تواند تركيبي از آنها به كار آيند و قابليت تبديل به ژنراتور را نيز دارند. اين سيستم در خودرو Prius و Estima شرکت تويوتا استفاده شده است.

مقايسه چند نوع سيستم هيبريدي

در شكل زير مقايسه‌اي كلي از سه نوع سيستم هيبريدي صورت گرفته است كه مي‌توان مزايا و معايب سيستم ها را در كنار هم مشاهده نمود.

با توجه به جدول فوق مي توان خصوصيات زير را براي خودروهاي هيبريد سري - موازي برشمرد:
1. كاهش اتلاف انرژي: سيستم به طور اتوماتيك در حالت idle (درجا) خاموش مي‌شود و بدين ترتيب از به هدر رفتن انرژي جلوگيري مي شود.
2. ذخيره‌سازي و برگرداندن انرژي: انرژيي كه در هنگام شتاب منفي و ترمزگيري هدر مي‌رود را به انرژي الكتريكي تبديل نموده و از اتلاف آن ها جلوگيري مي‌كند.
3. كمك به كاركرد موتور احتراقي: موتور الكتريكي در زمان شتاب گيري به كاركرد موتور احتراقي كمك مي‌كند.
4. كاركرد با بازدهي بالا: اين سيستم با يک استراتژي کنترلي مناسب، بازدهي کلي خودرو را در تمام شرايط کاري در حالت بيشينه نگه مي دارد؛ بدين صورت که موتور الکتريکي مانند يک جبران ساز در شرايطي که قدرت موتور احتراق داخلي کافي نيست وارد عمل مي گردد و در مواقعي که قدرت موتور احتراق داخلي بيشتر از نياز خودرو است، انرژي مازاد در باتري ها ذخيره مي گردد.

حالت هاي عملكردي موتور هيبريدي سري - موازي:

حالت هاي عملكردي يك خودروی هيبريدي سري - موازي را مي‌‌توان به شش قسمت تقسيم نمود:

حالت روشن شدن و دورهاي پايين و متوسط:
در اين حالت موتور احتراقي كه بازدهي مناسبي ندارد كاملاً خاموش است و فقط موتور الكتريكي توان مورد نياز خودرو را تأمين مي‌نمايد.

حركت در حالت هاي معمولي:
قدرت ناشي از موتور احتراقي توسط تقسيم كنندة قدرت (Power split device) به دو بخش تقسيم مي‌گردد، قسمتي از قدرت آن به ژنراتور مي‌رود كه منجر به حركت در آوردن موتور الكتريكي مي‌گردد و مابقي چرخ¬ها را مستقيماً به حركت درمي‌آورد. قدرت موتور احتراقي در اين مرحله در حداكثر بازدهي است.

شتابگيري سريع:
در حالي كه قدرت يكنواختي از مسيرهاي دو بخش انتقال قدرت به چرخ ها منتقل مي گردد توان اضافي توسط باتري نيز جهت افزايش توان موتور الکتريکي تأمين مي¬گردد.

شتاب كندشونده و يا ترمزگيري:
موتور با قدرت بالا به ژنراتور با قدرت بالايي تبديل مي‌گردد كه توسط چرخ ها به حركت درمي‌آيد. در اين حالت انرژي جنبشي به انرژي مكانيكي و سپس به انرژی الکتریکی تبديل شده و در باتري ذخيره مي‌گردد.

شارژ شدن باتري:
براي اينكه باتري ها هميشه در حد قابل قبولي انرژي داشته باشند، در حالت ضروري كه احتياج باشد توسط موتور احتراقي شارژ مي‌گردد.

حالت استراحت:
موتور به حالت اتوماتيك خاموش مي‌گردد.

http://www.imdc.ir

خودروهاي هيبريدی (Hybrid Vehicles)

مقدمه

تاريخچة خودروي هيبريد

ويژگي ها

سيستم هاي ذخيره سازي انرژي

انواع خودروهاي هيبريدي

سیستم هیبریدی سری

سیستم هیبریدی موازی

سیستم هیبریدی سری-موازی

مقايسه چند نوع سيستم هيبريدي

حالت هاي عملكردي موتور هيبريدي سري - موازي:

مطالب مشابه :

مدل هاي موجود هوندا (Honda)

مقاله کامل در مورد سیر پیشرفت و انواع جوشکاری

دانشگاه سمنان پیشگام در کاربرد انرژی خورشیدی

گزارش کار آزمایشگاه دینامیک ماشین و ارتعاشات

خودروهاي هيبريدی (Hybrid Vehicles)

اولین قایق هیبریدی آئودی