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 می توان به خودروهاي هيبریدي (Hybrid Vehicle)، تکنولوژی پيل سوختي (Fuel Cell)، موتورهای با پاشش مستقيم بنزيني (GDI)، موتورهاي HCCI و خودروهاي دو گانه سوز (Bifuel) اشاره کرد.
بازدة بالا، آلايندگي كم، مسافت قابل پيمايش بالا، ايمني مطلوب و قيمت قابل رقابت با خودروهاي متداول از جمله ويژگيهاي حائز اهميت براي خودروهاي هيبريدي است. بسياري از خودروسازان بزرگ مبادرت به توليد اين خودروها در سطحی گسترده نموده‌اند. در اين قسمت به شماي كلي از نحوة عملکرد، حالتهاي كاركردي، مزايا، معايب و تقسيم‌بندي سيستمهاي مختلف خودروي هيبريدي خواهيم پرداخت.
تاريخچة خودروي هيبريدي
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 تركيبی 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 موتورهای احتراق داخلی با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنين قابليت استارت بدون هندل آنها و از همه مهمتر پايين بودن قيمت سوختهای فسيلی و مطرح نبودن آلودگی محيط زيست، سبب عدم توجه به اين نوع خودروها شد. در پي بحرانهاي نفتي سالهاي 1970 دوباره اين خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولي تا سال 1990 که كار اصولي با مشاركت PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمريكا آغاز گرديد، این خودروها به طور جدی پيگيری نشدند.
امروزه خودروهاي هيبريدي مورد توجه كمپانيهاي بزرگ جهان قرار گرفته اند كه از آن جمله ميتوان به شركتهايي مانند: تويوتا، هندا، ميتسوبيشي، فورد، فيات، جنرال موتورز، دايملر كرايسلر، نيسان و 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 رسيده است.
ويژگيها
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 باطری 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 سی سی مصرف سوختی معادل ۲/۴ ليتر در ۱۰۰ کيلومتر دارد. مزيت ديگر اين خودروها نسبت به خودروي برقي خالص، قابليت پيمودن مسيرهاي طولاني در هر بار شارژ كردن باطری مي‌باشد.
سيستمهاي ذخيره سازي انرژي :
خودروهای هيبريدی از ساختارهاي مختلفي برخوردارند. اما الزاما" يك خودروي هيبريدي از يك سيستم ذخير ساز انرژي، يك واحد توليد قدرت و يك سيستم انتقال قدرت تشكيل شده است. انتخابهاي اوليه براي سيستم ذخيره ساز انرژي باطريها، خازنها و فلايويل‌ها هستند. اگر چه باطريها عمده‌ترين انتخاب در اين زمينه مي‌باشند اما تحقيق بر روي زمينه‌هاي ديگر ذخيره‌سازي انرژي آغاز شده است. باطری ها، بدلیل ارزان و تجاري بودن و نداشتن قسمتهاي متحرک اولين وسيله ذخيره انرژي و همانطور که گفته شد متداولترين است اما بزرگترین عیبشان عمر كوتاه آنها می باشد. البته باطريها با تكنولوژي جديد بسيار گران مي‌باشند و امروزه تعداد زيادي از باطريهاي 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 سری-موازی تقسيم‌بندي مي‌شوند.
سيستم هيبريدي سري :
در اين دسته از خودروها موتور احتراق داخلي يك ژنراتور را مي‌چرخاند و اين ژنراتور، هم باطري را شارژ می كند و هم يك موتور الكتريكي را به حركت درمي‌آورد و بدین صورت انتقال قدرت صورت می 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 رنج كاركرد بهينه استفاده می شود.
سيستم هيبريدي موازي :
در اين نوع سيستم، موتور احتراقي و موتور الكتريكي به صورت موازي چرخها را به حركت درمي‌آورند. در اين سيستم موتور الكتريكي توسط باطري و موتور احتراقي توسط منبع سوخت فسيلي مستقيما" تغذيه مي‌گردند. در اين حالت ژنراتور حذف شده و باطري با تغيير حالت موتور الكتريكي به ژنراتور شارژ مي‌گردد. از آنجائيكه این سيستم فقط يك موتور دارد موتور الكتريكي نمي‌تواند همزمان هم باطري را شارژ كند و هم باعث رانش چرخها گردد. يك تصوير ساده از اين سيستم در ذيل نشان داده شده است.
سيستم هيبريدي سري ـ موازي:
اين طرح بگونه ای 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 بطور جداگانه و همزمان وجود دارد. به اين ترتيب در مواقع شهري كاملا" الكتريكي و بدون آلودگي و در سرعتهاي بالا و در محدودة برون شهري مي‌تواند بطور مستقل احتراقي و يا تركيبي از دو سيستم باشد. در مواقعي چون شتابگيري سريع، هر دو سيستم با هم عمل مي‌كنند. چنين ايده‌اي فقط بكمك يك فن‌آوري مدرن در يك خودرو سواري قابل اجراست. معمولا" چنين سيستمهايي از نوع تركيبي هستند و با بهره‌گيري از يك استراتژي كنترلي مناسب عملا" همراه با فراهم آوردن عملكرد مناسب، سطح شارژ باطريها نيز در حد خوبی 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 (1) مقايسه‌اي كلي از سه نوع سيستم هيبريدي صورت گرفته است كه در شكل (2) ميتوان مزايا و معايب سيستمها را در كنار هم مشاهده نمود.
با توجه به جدول فوق می توان خصوصیات زير را برای خودروهای هيبريد سری- موازی برشمرد:
۱- كاهش اتلاف انرژي: سيستم بطور اتوماتيك در حالت idle (درجا) خاموش مي‌شود و بدين ترتيب از به هدر رفتن انرژي جلوگيری می شود.
۲- ذخيره‌سازي و برگرداندن انرژي: انرژيي كه در هنگام شتاب منفي و ترمزگيري هدر مي‌رود را به انرژي الكتريكي تبديل نموده و از اتلاف آنها جلوگيري مي‌كند.
۳- كمك به كاركرد موتور احتراقي: موتور الكتريكي در زمان شتابگيري به كاركرد موتور احتراقي كمك مي‌كند.
۴- كاركرد با بازدهي بالا: اين سيستم با يک استراتژی کنترلی مناسب، بازدهی کلی خودرو را در تمام شرايط کاری در حالت بيشينه نگه می دارد؛ بدين صورت که موتور الکتريکی مانند يک جبران ساز در شرايطی که قدرت موتور احتراق داخلی کافی نيست وارد عمل می گردد و در مواقعی که قدرت موتور احتراق داخلی بيشتر از نياز خودرو است، انرژی مازاد در باطريها ذخيره می گردد.
حالتهاي عملكردي موتور هيبريدي سری-موازی:
حالتهاي عملكردي يك موتور هيبريدي سری-موازی را ميتوان به شش قسمت تقسيم نمود:
حالت روشن شدن و دورهاي پايين و متوسط:
در اين حالت موتور احتراقي كه بازدهي مناسبی ندارد كاملا" خاموش است و فقط موتور الكتريكي توان مورد نياز خودرو را تأمين مي‌نمايد (A)
حركت در حالتهاي 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 (B) و مابقي چرخها را مستقيما" به حركت درمي‌آورد (C) قدرت موتورا حتراقي در اين مرحله در حداكثر بازدهي است.
شتابگيري سريع:
در حاليكه قدرت يكنواختي از مسيرهاي B و C به چرخها منتقل می گردد توان اضافي توسط باطري نيز جهت افزايش توان موتور الکتريکی (A) تامين می گردد.
شتاب كندشونده و يا ترمزگيري:
موتور با قدرت بالا به ژنراتور با قدرت بالايي تبديل مي‌گردد كه توسط چرخها به حركت درمي‌آيد. در اين حالت انرژي جنبشي به انرژي مكانيكي تبديل شده و در باطري ذخيره مي‌گردد. (D)
شارژ شدن باطري:
براي اينكه باطريها هميشه در حد قابل قبولي انرژي داشته باشند. در حالت ضروري كه احتياج باشد توسط موتور احتراقي شارژ مي‌گردد.(E)
حالت استراحت:
موتور به حالت اتوماتيك خاموش مي‌گردد.
با سلام,