خودروهای هيبريدی (Hybrid Vehicles)

[mehdi1654]

• 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.