ترکیب دو یا چند منبع انرژی به عنوان هیبرید شناخته می شود و خودرویی که بر اساس فناوری هیبریدی طراحی شده است خودروی هیبریدی نامیده می شود. خودروی الکتریکی هیبریدی (HEV) از مشهورترین خودروهای جهان است. یک ماشین الکتریکی هیبریدی دو منبع انرژی دارد: یکی موتور درون سوز و دیگری موتور الکتریکی.
موتوردرون سوز و موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی برای افزایش قدرت خودرو و کاهش نرخ خروجی آلاینده ها استفاده می شود. موتور درون سوز به منزله قلب وسیله نقلیه است که انرژی سوخت را به حرکت خودرو تبدیل می کند.
خودروی هیبریدی چیست؟
به هر وسیله نقلیه ای که بتواند از دو یا چند منبع انرژی تغذیه کند، خودروی هیبریدی گفته می شود. خودروی هیبریدی نوعی وسیله نقلیه است که از موتور الکتریکی و درون سوز به عنوان منبع قدرت استفاده می کند.
اتصال یک خودروی الکتریکی هیبریدی برای شارژ باتری امکان پذیر نیست. در عوض، باتری با ترمز احیا کننده و موتور درون سوز شارژ می شود. قدرت اضافی که توسط موتور الکتریکی ایجاد می شود را به طور بالقوه می توان به منزله موتورهای کوچکتر در نظر گرفت.
باتری همچنین بار کمکی را تامین می کند و در زمان توقف در جا کار کردن موتور را کاهش می دهد. این دو منبع انرژی (موتور الکتریکی و موتور درون سوز) بدون ایجاد خللی در عملکرد، مصرف سوخت را بهبود می بخشند.
برخلاف خودروهایی که با موتور درون سوز کار می کنند، خودروهای الکتریکی هیبریدی دارای باتری هایی هستند که علاوه بر مخزن سوختی که نیروی موتور احتراق داخلی را تامین می کند، محرک موتورهای الکتریکی است.
مزیت اصلی خودروهای هیبریدی (HEV) مصرف سوخت مقرون به صرفه آن ها است.
این نوع خودروها نسبت به خودروهای معمولی میزان آلایندگی کمتر، قدرت بالاتر و بازده سوخت بهتری دارند.
هنگامی که یک خودروی هیبریدی در حرکت است یا ترمز می کند، انرژی اضافی برای شارژ باتری موتور ایجاد می شود. بنابراین، باتری به هیچ منبع خارجی برای شارژ دستی نیاز ندارید. ثانیا، این فرآیند همچنین به بهبود بازدهی سوخت کمک می کند.
خودرو های هیبریدی متداول تماما الکتریکی هستند. این خودروها شامل یک موتور الکتریکی اند که چرخ ها را به حرکت در می آورد و یک باتری که موتور الکتریکی را تغذیه می کند، به علاوه یک موتور بنزینی کاملا مجزا که ژنراتور را تغذیه می کند. خودروهای هیبریدی معمولی موتورهای بسیار کوچکی دارند.
خودروهای هیبریدی وزن بالایی دارند چرا که باید وزن باتری ها، موتورهای بنزینی، ژنراتورها و موتورهای الکتریکی را تحمل کنند.
خودروی هیبریدی به اندازه یک خودروی الکتریکی به انرژی باتری نیاز ندارد، بنابراین می توان در وزن آن صرفه جویی کرد، اما یک موتور الکتریکی با اندازه استاندارد و یک ژنراتور 10 کیلوواتی صدها پوند وزن دارند.
اصل کار خودروهای هیبریدی
هدف اصلی ساخت خودروهای هیبریدی کاهش اشتعال سوخت و کاهش میزان انتشار گازهای مضر است. خودروهای هیبریدی حداقل از دو نوع منبع انرژی نیرو دریافت می کنند.
خودروی هیبریدی قدیمی یک موتور گازی ثابت برای تامین انرژی ژنراتور داشت. این ژنراتور انرژی الکتریکی را به موتور الکتریکی نصب شده بر روی توپی چرخ جلو منتقل می کند.
جدیدترین خودروی هیبریدی از ترکیبی از نیروی برق و سوخت (بنزین یا دیزل) استفاده می کند. این نوع خودرو دارای تعداد زیادی موتور الکتریکی است.
یک ماشین هیبریدی به روش زیر کار می کند:
- اول از همه کاربراتور موتور خودرو هوا را از محیط می مکد و مخلوطی از سوخت و هوا ایجاد می کند
- مخلوط هوا و سوخت به سیلندر تراکم موتور درون سوز فرستاده می شود
- سیلندر تراکم شامل یک پیستون رفت و برگشتی است
- این پیستون مخلوط هوا و سوخت را فشرده می کند. به دلیل تراکم زیاد، مخلوط هوا و سوخت مشتعل می شود و نیرو تولید می کند
- نیروی تولید شده توسط موتور بنزینی برای تولید برق به ژنراتور فرستاده می شود
- الکتریسیته تولید شده برای شارژ باتری خودرو یا راه اندازی موتور الکتریکی استفاده می شود.
- با انتقال انرژی، باتری آن را ذخیره می کند. این توان ذخیره شده برای راه اندازی خودرو در مواقعی که موتور بنزینی کار نمی کند استفاده می شود.
یک خودروی هیبریدی چگونه باتری را شارژ می کند؟
بستگی به نوع هیبریدی دارد. اکثر محصولات، از جمله پلاگین هیبرید و هیبریدی سری، از موتور بنزینی برای تولید برق و شارژ باتری استفاده می کنند.
هیبریدهای موازی با هم تفاوت دارند زیرا باتری را فقط با جذب انرژی اضافی و تبدیل آن به الکتریسیته شارژ می کنند. انرژی اضافی که معمولا در زمان درجا کردن یا کاهش سرعت خودرو تلف میشود، برای استفاده بعدی در باتری ذخیره میشود (مانند ترمز احیاکننده).
این شارژ بازیافتی در موتورهای بنزینی و سایر خودروهای هیبریدی استفاده می شود.
ترمز احیا کننده چیست؟
ترمز احیا کننده روشی برای بازیابی انرژی از دست رفته در هنگام ترمز و ذخیره آن به عنوان انرژی الکتریکی در باتری است.
با ترمز خودرو، انرژی جنبشی تولید می شود که برای حرکت خودرو به جلو به کار می رود. معمولا توسط لنت ترمز گرما تولید می کند. فناوری ترمز احیا کننده خودروهای هیبریدی می تواند این گرمای دفع شده را به برق تبدیل کند.
وقتی پدال گاز را فشار می دهید، باتری نیرو را برای به حرکت درآوردن موتور (motor) تحویل می دهد. هنگامی که موتور نیرو دریافت می کند، چرخ ها را به حرکت در می آورد.
هنگامی که پای خود را از روی پدال گاز بردارید یا ترمز را فشار دهید، روند معکوس می شود. نیروی موتور الکتریکی قطع میشود و چرخ ها انرژی جنبشی را به موتور الکتریکی منتقل میکنند و اساسا آن را به یک ژنراتور تبدیل میکنند و برق را به باتری برمیگردانند.
همچنین همه خودروهای هیبریدی دارای دیسک های ترمز اصطکاکی استاندارد برای توقف های ناگهانی هستند، زیرا ترمز احیا کننده برای توقف های ناگهانی مناسب نیست.
انواع خودروهای هیبریدی
خودروسازان از طرح های هیبریدی مختلف برای دستیابی به حداکثر بازدهی سوخت یا تا حد امکان پایین نگه داشتن قیمت خودروی هیبریدی استفاده می کنند. خودروهای هیبریدی دارای انواع زیر هستند:
- هیبریدی موازی
- هیبریدی سری
- پلاگین هیبرید
- هیبرید دو حالته
- هیبریدی خفیف
1. هیبریدی موازی
هیبرید موازی شامل معروف ترین انواع خودروهای الکتریکی هیبریدی می شود. این طرح بسیار معروف است.
هیبریدی های موازی از موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی برای تولید توان و راه اندازی خودرو استفاده می کنند. در خودروهای هیبریدی موازی، هم موتور الکتریکی و هم موتور درون سوز به صورت موازی به جعبه دنده یا گیربکس متصل می شوند.
هیبرید موازی از یک میکروکنترلر برای کنترل فرآیند انتقال انرژی استفاده میکند. این میکروکنترلر تعیین می کند که موتور درون سوز و موتور الکتریکی به طور جداگانه یا با هم کار کنند.
یک پک باتری برای تامین انرژی موتور الکتریکی و یک مخزن سوخت برای تامین سوخت موتور بنزینی استفاده می شود. موتور الکتریکی همچنین به عنوان مکانیزم راه اندازی موتور بنزینی عمل می کند. این شفت های موتور الکتریکی مستقیما به گیربکس بدون کلاچ متصل اند.
بنابراین، هنگامی که وسیله نقلیه صرفا توسط موتور بنزینی هدایت می شود، شفت به چرخش ادامه می دهد. این به موتور الکتریکی اجازه می دهد تا به عنوان یک ژنراتور عمل کند. برق تولید شده برای شارژ باتری استفاده می شود.
نمونه هایی از خودروهای هیبریدی موازی عبارتند از هیوندای سوناتا، تویوتا پریوس، هوندا آکورد و تویوتا کمری.
امروزه تقریبا تمام خودروهای هیبریدی از نوع موازی هستند. پیشرانه خودروی هیبریدی تویوتا مجهز به یک موتور احتراق داخلی و دو موتور الکتریکی است که می تواند به عنوان ژنراتور نیز استفاده شود. این موتورهای الکتریکی باتری های موتور بنزینی را شارژ می کنند. در غیر این صورت، مثلا هنگام ترمز، انرژی هدر می رود.
انرژی ذخیره شده در یک باتری نسبتا کوچک برای به کار انداختن پیشرانه یا راندن خودرو تا یک مایل کافی است. بنابراین، خودروهای هیبریدی تویوتا می توانند فقط با برق، موتورهای درون سوز و یا هر دو کار کنند. با این حال، تنها منبع انرژی برای خودروها سوخت است.
2. هیبریدی سری
فرآیندی که در آن یک منبع نیرو به نیروی منبع دیگر تبدیل میشود و خودرو را به حرکت در میآورد به عنوان هیبریدی سری شناخته میشود. خودرویی که با این فرایند کار می کند خودروی هیبریدی سری نامیده می شود.
خودروی هیبریدی سری دارای ژنراتور و موتوربنزینی به صورت سری است. ژنراتور از برق تولید شده توسط موتور بنزینی برای تولید نیروی الکتریکی استفاده می کند. این نیرو برای روشن کردن موتوربنزینی یا شارژ باتری استفاده می شود.
هنگامی که موتور بنزینی کار نمی کند، برق ذخیره شده در باتری ها برای حرکت خودرو استفاده می شود. این خودروها شبیه خودروهای الکتریکی هستند که حرکت نهایی تنها توسط موتور الکتریکی تامین می شود.
سرعت موتور الکتریکی را می توان به سادگی با تغییر منبع تغذیه تغییر داد و نیاز به سیستم انتقال پیچیده را از بین برد.
این سیستم راندمان موتور بنزینی را افزایش می دهد و به آن اجازه می دهد بدون توجه به سرعت وسیله خودرو با کارآمدترین RPM حرکت کند.
برق تولید شده در شرایطی که خودرو درجا کار می کند برای استفاده بعدی در باتری ذخیره می شود. خودروهای هیبریدی سری کارآمدتر هستند اما نیاز به تبدیل انرژی زیادی دارند. هر یک از این تبدیل ها باعث از دست رفتن توان می شوند و بازدهی کلی سیستم را کاهش می دهند. یکی دیگر از معایب سیستم سری این است که به قطعات بیشتری نسبت به سیستم های موازی نیاز دارد که این باعث افزایش جرم کلی خودرو می شود.
سیستم های انتقال قدرت هیبریدی سری در کشتی ها و لوکوموتیوها بسیار متداول هستند. زیردریایی هسته ای نمونه ای از وسیله نقلیه هیبریدی سری است. راکتورهای هستهای گرما تولید میکنند که این توربینهای بخار را به حرکت در میآورد و در نتیجه ژنراتورها را به کار می اندازد. لوکوموتیو دیزلی نیز یک وسیله نقلیه هیبریدی است.
امروزه از این روش استفاده میشود، زیرا جابهجایی وسیله نقلیه با نیروی الکتریکی بسیار آسانتر از دریافت نیروی خام از یک راکتور هستهای یا یک موتور بزرگ دیزلی است. علاوه بر این، قطارها صدها تن وزن دارند و گیربکس بدون کلاچ برای حرکت قطار اجباری است.
3. پلاگین هیبرید
خودروی هیبریدی پلاگین به خودروهای هیبریدی سنتی اجازه می دهد تا باتری های بزرگتری داشته باشند که نیاز به شارژ مجدد دارند. به طور معمول، این خودروهای هیبریدی از یک سوکت 110 ولتی برای شارژ باتری استفاده می کنند، درست مانند یک خودرو الکتریکی.
خودروهای هیبریدی پلاگین به موتورهای احتراق داخلی متکی هستند و می توانند پس از شارژ کامل کار کنند و به طور قابل توجهی بهره وری سوخت خودرو را بهبود می بخشند. Volvo XC40 Recharge Plug-in Hybrid، Hyundai Ioniq Plug-in Hybrid، BMW 330e نمونه هایی از خودروهای برقی پلاگین هیبرید هستند.
4. هیبرید دوحالته
این نوع خودروهای هیبریدی به دو صورت مجزا کار می کنند. در حالت اول مانند یک خودروی هیبریدی معمولی کار می کند. در حالت دوم، می توانید طراحی را با نیازهای مختلف موتور برای عملکرد دقیق خودرو تطبیق دهید.
5. هیبریدی خفیف
در سال های اخیر، هزینه ساخت خودروهای هیبریدی با راندمان بالا بسیار بالا بوده است. شرکت های خودروسازی در حال توسعه طرح های جدیدی هستند تا فناوری های هیبریدی را برای افراد عادی فراهم کنند.
شرکت های خودروسازی طراحی هیبریدی خفیفی را اتخاذ کردهاند تا استانداردهای آلایندگی را برآورده کند و بازدهی سوخت را بدون افزایش قابل توجه هزینه ها بهبود بخشد.
در خودروهای هیبریدی خفیف، یک موتور الکتریکی به موتور بنزینی کمک می کند تا عملکرد، راندمان سوخت یا هردو را بهبود بخشد. همچنین به عنوان استارتر برای عملکرد توقف یا استارت اتوماتیک استفاده می شود به این صورت که با خاموش کردن موتور هنگام بی حرکت بودن خودرو مصرف سوخت را کاهش می دهد. Baleno، Ciaz و Maruti Suzuki Ertiga نمونه هایی از خودروهای هیبریدی خفیف هستند.
قطعات خودروهای هیبریدی
- جعبه دنده
- پک باتری اصلی
- سیستم (سرمایش) گرمایش
- کنترلر الکترونیک قدرت
- موتور درون سوز
- مخزن سوخت
- فیلتر سوخت
- سیستم اگزوز
- موتور کششی
- ژنراتور
- مبدل DC/DC
- باتری
1. جعبه دنده
این بخش خودروی هیبریدی با انتقال نیروی مکانیکی از یک موتور کششی یا موتور الکتریکی، چرخ ها را به حرکت در می آورد.
2. پک باتری کششی
انرژی الکتریکی را جهت استفادهی موتور کششی ذخیره میکند.
3. سیستم (سرمایش) گرمایش
این سیستم می تواند محدوده دمای عملیاتی مناسبی را برای الکترونیک قدرت، موتورهای الکتریکی، موتورهای هیبریدی و سایر قطعات حفظ کند.
4. کنترلر الکترونیک قدرت
این دستگاه جریان انرژی الکتریکی تامین شده توسط باتری کششی را به دست می آورد و سرعت موتور کششی و گشتاور آن را کنترل می کند.
5. موتور درون سوز
در موتور درون سوز، سوخت داخل محفظه احتراق یا منیفولد ورودی تزریق شده و در آن جا با هوا مخلوط می شود. این مخلوط هوا و سوخت توسط جرقه ی شمع مشتعل می شود.
6. مخزن سوخت
مخزن سوخت بنزین را تا زمانی که موتور به آن نیاز داشته باشد در خودرو ذخیره می کند. پمپ سوخت برای تامین بنزین از مخزن سوخت به کاربراتور موتور استفاده می شود.
7. فیلتر سوخت
نازل اندازه گیری سوخت به باک خودرو متصل می شود تا آن را پر کند.
8. سیستم اگزوز
این قسمت از خودروی هیبریدی گازهای خروجی موتور را از لوله اگزوز به لوله دنباله منحرف می کند.
9. موتور کششی
این قسمت از خودروی موتور هیبریدی از نیروی پک باتری کششی استفاده می کند و این موتور چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد. برخی از خودروها از یک موتور-ژنراتور استفاده می کنند که هم نقش احیاکنندگی و هم محرک را دارد.
10. ژنراتور
این دستگاه از حرکت چرخ ها هنگام ترمز نیروی الکتریکی تولید می کند و این انرژی را به باتری کششی باز می گرداند.
11. مبدل DC/DC
این بخش از خودروی هیبریدی، منبع تغذیه DC ولتاژ بالا در پک باتری کششی را به منبع تغذیه DC ولتاژ پایین برای تغذیه لوازم جانبی خودرو و شارژ باتری های کمکی تغییر می دهد.
12. باتری (باتری کمکی)
در خودروهای برقی، باتری کمکی قبل از فعال کردن باتری کششی، نیروی راهاندازی خودرو را تامین میکند و به لوازم جانبی خودرو برق رسانی می کند.
طراحی سیستم کم مصرف
هیبریدی خفیف: این طرح به عنوان میکرو هیبریدی نیز شناخته می شود. از باتری ها و موتورهای الکتریکی برای به حرکت درآوردن وسیله نقلیه و خاموش کردن موتور هنگام توقف (مثلا پشت چراغ ها یا ترافیک) استفاده می کند. خودروی هیبریدی خفیف مصرف سوخت کمی دارد. این سیستم های هیبریدی نمی توانند یک خودرو را فقط با برق تامین کنند. خودروهای هیبریدی خفیف عموما ارزانتر از تمام هیبریدی بوده و نسبت به آن کم مصرف تر هستند.
تمام هیبریدی: این خودروها مجهز به باتریهای بزرگتر و موتورهای الکتریکی قویتر هستند تا خودرو را در مسافتهای کوتاه و سرعت های پایین به حرکت درآورند. خودروهای تمام هیبریدی نسبت به خودروهای هیبریدی خفیف گران تر هستند و مصرف سوخت بیشتری دارند.
مزایای خودروی هیبریدی
- سازگار با محیط زیست
- صرفه اقتصادی
- وابستگی کمتر به سوخت های فسیلی
- سیستم ترمز احیا کننده
- وزن کم
- موتور کوچک
- کمک گرفتن از موتور الکتریکی
- شروع و توقف اتوماتیک
معایب خودروی هیبریدی
- توان محدود
- قیمت بالاتر
- هزینه تعمیر بالا
- هزینه نگه داری بالا
- قیمت بالای باتری ها
- مشکلاتی در فرمان پذیری
- به دلیل طراحی پیچیده ساخت آن دشوار است
