فرینا

خودروهای 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 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.

بازده بالا، آلايندگي كم، مسافت قابل پيمايش بالا، ايمني مطلوب و قيمت قابل رقابت با خودروهاي متداول از جمله ويژگيهاي حائز اهميت برای خودروهای هيبريدی است. بسياری از خودروسازان بزرگ مبادرت به توليد اين خودروها در سطحی گسترده نموده‌اند. در اين  قسمت به شمای كلي از نحوه عملکرد، حالتهای كاركردی، مزايا، معايب و تقسيم‌بندی سيستم‌هاي مختلف خودروي هيبريدي خواهيم پرداخت.

• تاريخچة خودروی هيبريدی

يك مهندس آمريكائی به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 يك ماشين هيبريدی 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 هيبريدی شناخته مي‌شود. Piper در سه سال و نيم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پیشرفت سریع موتور های احتراق داخلی با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنین قابلیت استارت بدون هندل آنها  و از همه مهمتر پايين بودن قیمت سوخت های فسیلی و مطرح نبودن آلودگی محیط زیست، سبب عدم توجه به اين نوع خودروها شد. در پي بحرانهای نفتی سالهای 1970 دوباره اين خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولي تا سال 1990 که كار اصولی با مشاركت PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمريكا آغاز گرديد، این خودروها به طور جدی پیگیری نشدند.

امروزه خودروهاي هيبريدی مورد توجه كمپانيهای بزرگ جهان قرار گرفته اند كه از آن جمله مي‌توان به شركتهايی مانند: تويوتا، هندا، ميتسوبيشی، فورد، فيات، جنرال موتورز، دايملر كرايسلر، نيسان و پژو و ... اشاره نمود. توفيق اين محصولات به حدی چشمگير بوده كه از دسامبر سال 1997 تا ابتدای سال 2000 بيش از چهل هزار محصول پريوس كمپانی تويوتا به فروش رسيده است.

·             ویژگیها

خودروهاي هيبريدی، نوع تعميم يافته خودروهاي برقی خالص مي‌باشند كه معايب خودروهاي برقي خالص تا حدود زيادی در آنها برطرف گرديده است و مي توان گفت معايب خودروهای احتراق داخلی نيز تا حدودی در آنها برطرف شده است. از مزايای مهم اين خودروها نسبت به خودروهای احتراق داخلی، كاركرد در دور و بار ثابت بوده و به اصطلاح در نقطة بهينه خود كار می ‌كنند كه اين امر باعث بالا رفتن بازده موتور و كاهش آلودگي و پايين آمدن مصرف سوخت می ‌گردد و ديگر اينكه به هنگام ترمزگيری و يا شتاب منفی، انرژی به صورت الكتريكی در باتری ها ذخيره می ‌شود و همين امر باعث كاركرد كمتر موتور احتراقی خواهد شد و در نتيجه منجر به كاهش آلودگي و پايين آمدن مصرف سوخت می‌گردد. به عنوان مثال تويوتا پريوس (Toyota Prius) با موتور ۴سيلندر۱۵00سی سی مصرف سوختی معادل ۲/۴ ليتر در ۱۰۰ کيلومتر دارد.  مزیت دیگر اين خودروها نسبت به خودروی برقی خالص، قابليت پيمودن مسيرهای طولانی در هر بار شارژ كردن باتری مي‌باشد.

سيستمهاي ذخيره سازي انرژي :

خودروهای هيبريدی از ساختارهاي مختلفی برخوردارند. اما الزاما يك خودروی هيبريدی از يك سيستم ذخير ساز انرژی، يك واحد توليد قدرت و يك سيستم انتقال قدرت تشكيل شده است. انتخابهای اوليه برای سيستم ذخيره ساز انرژی باطريها، خازنها و فلايويل‌ها هستند. اگر چه باطريها عمده‌ترين انتخاب در اين زمينه مي‌باشند اما تحقيق بر روی زمينه‌های ديگر ذخيره‌سازی انرژی آغاز شده است. باتری ها، بدلیل ارزان و تجاری بودن و نداشتن قسمتهای متحرک اولين وسيله ذخيره انرژی و همانطور که گفته شد متداولترين است اما بزرگترین عیب شان عمر كوتاه آنها می باشد. البته باطريها با تكنولوژی جديد بسيار گران مي‌باشند و امروزه تعداد زيادي از باطريهاي جديد در حال توسعه هستند.

انواع خودروهاي هيبريدي :

با توجه به ساختار كنترلی و طريقه اتصال اجزاء به يكديگر، خودروهای هيبريدی به سه نوع سری، موازی و سری- موازی تقسيم‌بندی مي‌شوند.

 سيستم هيبريدي سري :

در اين دسته از خودروها موتور احتراق داخلی يك ژنراتور را مي‌چرخاند و اين ژنراتور، هم باطری 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 احتراقی مستقيم به سيستم انتقال قدرت وصل نمی ‌شود.

اين سيستم به خاطر اين سری ناميده می ‌شود كه قدرت، به صورت سری به چرخ‌ها منتقل مي‌گردد و از آن برای رانش موتورهای با قدرت كم و با رنج كاركرد بهينه استفاده می شود.

سيستم هيبريدی موازی :

در اين نوع سيستم، موتور احتراقي و موتور الكتريكی به صورت موازی چرخها را به حركت درمی ‌آورند. در اين سيستم موتور الكتريكی توسط باطری و موتور احتراقي توسط منبع سوخت فسيلي مستقيما تغذيه می گردند. در اين حالت ژنراتور حذف شده و باطری با تغيير حالت موتور الكتريكی به ژنراتور شارژ می ‌گردد. از آنجائيكه این سيستم فقط يك موتور دارد موتور الكتريكي نمی‌تواند همزمان هم باطری را شارژ كند و هم باعث رانش چرخها گردد. يك تصوير ساده از اين سيستم در ذيل نشان داده شده است.

سيستم هيبريدی سری ـ موازی:

اين طرح بگونه ای است كه می‌توان از آن در شرايط مختلف به صورت هيبريد سري يا موازي استفاده نمود. در اين سيستم با بهره‌گيری از فن‌آوری پيشرفته امكان استفاده از سيستم احتراقي و سيستم الكتريكي بطور جداگانه و همزمان وجود دارد. به اين ترتيب در مواقع شهری كاملا الكتريكی و بدون آلودگی و در سرعتهای بالا و در محدوده برون شهری می ‌تواند بطور مستقل احتراقی و يا تركيبی از دو سيستم باشد. در مواقعي چون شتابگيری سريع، هر دو سيستم با هم عمل می‌كنند. چنين ايده‌ای فقط بكمك يك فن‌آوری مدرن در يك خودرو سواری قابل اجراست. معمولا چنين سيستمهايی از نوع تركيبی هستند و با بهره‌گيری از يك استراتژی كنترلی مناسب عملا همراه با فراهم آوردن عملكرد مناسب، سطح شارژ باطريها نيز در حد خوبی نگهداری می ‌شود بدين ترتيب اين خودرو می ‌تواند 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 تركيبی 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 عملکردی خودروهای برقی خالص و خودروهای هايبريد

خودروهاي برقي گرچه به عنوان اولين راهکار براي کاهش ميزان آلودگي معرفي گرديده اند اما به علت آنکه در سيکلهاي رانشي طولاني با مشکل ر وبرو مي شوند از اينرو حضور موفقي نداشته اند و در حقيقت با شکست مواجه گرديده اند .ايده خودروهاي هايبريد به علت استفاده از دو منبع انرژي در توليد سيستم محرکه رانشي نه تنها مشکل آلودگ ي و مصرف خودروهاي هايبريد به علت استفاده از دو منبع انرژي در توليد سيستم محرکه رانشي نه تنها مشکل آلودگ ي و مصرف سوخت را به حداقل رسانده است بلکه مشکلات ناشي از خودروهاي برقي خالص را حل نموده است .واين مزيت خودروهاي هايبريد برقي نسبت به خودروهاي برقي خالص مي باشد.

کنترل کننده ها / موتورهای هیبریدی

موتورهای کارگران پر کار سیستمهای راننده  خودروهای هیبریدی هستند ، یک موتور کشنده الکتریکی ، انرژی الکتریکی واحد ذخیره انرژی را به انرژی مکانیکی که چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد.بر خلاف خودروهای معمول که برای بدست آوردن گشتاور کامل ، موتور باید سرعت بگیرد موتور الکتریکی گشتاور کامل رادر سرعت های پایین نیز فراهم می کند. همین مشخصه شتاب غیر خطی عالی به خودرو می دهد . مشخصه های مهم موتور خودروی هیبریدی شامل کنترل خوب رانندگی با خطای مجاز صدای کم وراندمان بالا می باشد. مشخصه های دیگر شامل انعطاف پذیری مربوط به  نوسان ولتاژ و البته قابل قبول بودن قیمت تولید انبوه می شود. تکنولوژی موتور جلو برنده برای کاربردهای خودروی هیبریدی شامل آهنربای دائمی ، القای جریان متناوب و موتورهای مقاومت مغناطیسی متغییر می باشد.

باتری خودرو هیبریدی

باتری ها یک از اجزای ضروری خودروخهای هیبریدی هستند . گر چه تعداد کمی از تولیدات خودروهای هیبریدی با باتریهای پیشرفته در بازار عرضه شده اند اما هیچ کدام از باتری های رایج یک ترکیب قابل قبول اقتصادی از توان ، راندمان انرژی و طول عمر را برای حجم بالای تولید خودرو ارائه نداده اند. ویژگیهای مطلوب باتریهای با توان بالا برای کاربردهای خودروهای هیبریدی شامل این موارد است : پیک و توان مخصوص تکانه بالا ، انرژی مخصوص بالای توان تکانه ، پذیرش شارژ بالا برای بیشینه کردن بهره بری ترمز واکنشی و طول عمر طولانی . روش ها و طراحی های در حال توسعه برای هماهنگی مجموعه به صورت الکتریکی و حرارتی ، روشهای دقیق در حال پیشرفت برای تعیین وضع شارژ باتری ، باتریهای بادوام در حال پیشرفت و قابلیت بازاریابی ، چالش های تکنیکی دیگر هستند.

فراخازن های خودروهای هیبریدی

فراخازنها انرژی مخصوص بالاتری دارند و نوع قویتری از خازن های الکترولیتی هستند که انرژی را به عنوان شارژ الکتریسته ساکن ذخیره می کنند. فراخازنها سیسمتهای الکتروشیمیایی هستند که انرژی را در لایه ای از مایع قطبیده شده در سطح مشترک مابین یک الکترولیت رسانای یونی و یک الکترود رسانا ذخیره می کنند . ظرفیت ذخیره انرژی با افزایش مساحت سطح مشترک افزایش می یابد. فراخازنها به عنوان اولین ابزار برای کمک به توان موتور در شتاب گیری و سر بالایی رفتن هستند که به هملن خوبی بازیافت انرژی ترمزگسترش پیداکرده اند فراخازنها به صورت بالقوه به عنوان دومین شیوه ذخیره انرژی در خودروهای هیبریدی ، برای تامین توان بار گذاری باتری های شیمیایی سودمندند. الکتریسیته اضافی برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در مواقعی که چگالی انرژی پایین است مورد نیاز است.

پیل های سوختی خودروهای هیبریدی

پیل های سوختی به واسطه یک واکنش الکتروشیمیایی که هیدروژن را با اکسیژن در هوای محیط ترکیب می کند ، الکتریسیته تولید می کنند.هیدروژن خالص یا هر سوخت فسیلی دیگری که اصلاح شده باشد می تواند برای تولید گاز هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد. متانول یک انتخاب معمول برای سوخت است. تنها گاز خروجی پیل سوختی بخار آب است که توان بالقوه آن را به عنوان تمیزترین واحد توان هیبریدی می رساند. راندمان ، صدای کم ، قابلیت اطمینان و راندمان تبدیل انرژی تا 50% پیش بینی شده پیلل های سوختی ، نشان می دهد که به طور نسبه مشخصه های خودروی هیبریدی در قیاس با راندمان 20-25 درصد موتورهای بنزینی احتراق داخلی مناسب تر هستند. 

انتشارات پایین و راندمان بالا

تفاوت در گازهای خروجی خودروهای الکتریکی هیبریدی بستگی به خودرو و پیکر بندی اجزا آن دارد. ولی به طور کلی خودروهای هیبریدی گازهای خروجی کمتری نسبت به خودروهای معمولی دارند چرا که در موتور این خودروها یک موتور الکتریکی به همراه یک موتور احتراق داخلی دارد و موتور الکتریکی در بسیاری از مواقع جبران کننده موتور احتراق داخلی است بنابراین مصرف سوخت و گازهای خروجی کاهش می یابد ، در ضمن این خودروها قادرند فقط با موتورالکتریکی کار کنند که باعث کاهش آلودگی می شود.هیبریدهابه سادگی کار کرد موتور را کنترل می کنند و این عمل خورو را دارای راندمان بیشتر و آلودگی کمتر می کند.