کار گاه اتومکانیک آموزشکده فنی رستم اباد

يكی از بزرگترين مشكلات خودروهای مربوطه در دهه­های نام برده شده روبرو شدن با طراحي ماشين الكتريكی بوده است كه از پيچيدگی خاصی برخوردار است واين به اين دليل بوده است كه الكترونيك قدرت به اندازه كافي پيشرفت نكرده بود و ماشينهاي الكتريكی با سوئيچها و مقاومتهای مكانيكی كنترل می­شوند. از سال 1960 به بعد بود كه الكترونيك قدرت شروع به رشد كرد.

در سال 1975 دكتر ديكتر وك بر روی خودروهای هيبريد تحقيق كرد و موفق به ساخت خودرو هيبريد موازی با ادوات الكترونيك قدرت شد. كه در آن از ماشين DC hp 15 با تحريك جداگانه استفاده شد. نمونه سری آن توسط دكتر ارنست وايكفيلد در سال 1967 ساخته شده بود . در طي اين سالها خودرو هايبريد به صورت تجاری ساخته نشد و علاقه­مندی­ها به دليل نگرانی­های مهم محيط زيست به سمت خودروهای الكتريكی متمايل شد. تحقيق­ها تا سال 1980 ادامه يافت ولی عملاً از اين سال به بعد به دليل عدم پيشرفت ماشين­های الكتريكی مدرن، مخصوصاً باتری­ها پيشرفت قابل ملاحظه­ای در تکنولوژی خودروی هیبریدی صورت نگرفت. در سال 1990 بود كه روشن گرديد كه خودرو الكتريكی هرگز به هدف ذخيره انرژی نخواهد رسيد.

 Ford اولين خودروی الكتريكی هيبريد را وارد بازار كرد و يكی از اولين خط توليدهای خودروی هيبريد توسط دولت امريكا بوجود آمد. پر اهميت­ترين پيشرفت­ها در زمينه خودروی الكتريكی هيبريد و تبديل آن به يك خودروي تجاری توسط كارخانه­های ژاپنی­ها انجام شد. در سال 1997، تويوتا خودروي Pirus Sedan را در ژاپن عرضه كرد. هوندا هم هيبريدهاي Insight وCivic را معرفی كرد. اين خودروها اكنون در دسترس است. آنها به تركيبی عالی از مصرف سوخت توانستند دست يابند

 

ماشین‌‌های هیبریدی، با قیمت‌های سرسام‌آور بنزین و آلودگی هوا طرفداران بیشتری پیدا کرده ‌اند.
امروزه خودروهای هيبريدی مورد توجه كمپانی های بزرگ جهان قرار گرفته اند كه از آن جمله می‌توان 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.

خودروهای هيبريدی به وسيله دو منبع انرژی – يک واحد تبديل انرژی (همچون يک موتور احتراق يا پيل سوختی) و يک وسيله ذخيره انرژی (هم چون باتری هل يا فرا خازن ها)- توان مي گيرند . واحد تبديل انرژی امکان قدرت گرفتن از بنزين ، متانول ، گاز طبيعی فشرده ، هيدروژن يا سوخت های جانشين ديگر را دارد. خودروهای هيبريدی اين پتانسيل را دارند که 2 تا 3 برابر راندمان بالاتری نسبت به خودروهاي متداول داشته باشند.

موتورهای خودرو هیبریدی از لحاظ شارژ هيبريد به سه دسته تقسيم می‌شوند:

 هيبريدهای کامل full-court

      اين ماشين‌ها براي سرعت‌هاي کم و شرايط با شتاب کم از موتور برقی استفاده مي‌کنند. هنگامی سرعت بالا مي‌رود يا شتاب بيشتري مورد نياز است، موتور بنزينی به کار مي‌افتد.
از جمله اين ماشين‌ها مي‌توان به تويوتای پريوس، مدل‌هاي هيبريد تويوتای کمری، شورولت تاهو، فورد اسکيپ، هوندای سيويک و نيسان آلتيما اشاره کرد.

 

 

 هيبريدهای ملايم half-court 

          اين هيبريدها پيچيدگی کمتری و کارآيی سوختی پايين‌تری دارند. اين ماشين‌ها موتورهای بنزينی دارند که هنگام درجا کارکردن می‌‌توانند خاموش شوند، و معمولا يک موتور برقی دراند که قدرت ماشين را در مواقعی که از حالت ايستاده شتاب می گيرد يا در سربالايی حرکت می کند، قدرت ماشين را تقويت می‌کنند. باتری به وسيله موتور بنزينی و ترمزها شارژ می‌شود. (شورولت ماليبو)

موتورهای دوشاخ‌دار(plug-ins)

همه موتورهای هيبريدی که تا به حال ذکر شدند، باتری های‌شان را بوسيله موتور بنزينی‌شان شارژ می‌کنند، شما نمی‌توانيد آنها را با دو شاخ به پريز برق وصل کنيد و باتری‌شان را پر کنيد.
اما ماشين‌های برقی که در دهه ۱۹۹۰ مورد آزمايش قرار گرفتند، اينگونه بودند. اما مسافت کمی که قبل از نياز به شارژ مجدد می پيمودند و زمان زيادی که بايد صرف شارژ می‌شد، باعث شد آنها را از بازار کنار  بگذارند.

تنها ماشين هيبريدی که از اين ايده هنوز استفاده می‌کند، شورولت ولت است. اين ماشين دارای يک موتور برقی، يک باتری بزرگ و يک موتور بنزينی کوچک است. موتور بنزينی باتری را شارژ می‌کند که ماشين را به راه می‌اندازد.

اما در عين حال می‌توان شب‌ها با وصل کردن دوشاخ به برق هم آن را شارژ کرد. انواع دوشاخ دار ساترن وو و تويوتای پرويوس هم در حال ساخت هستند.

اجزاء خودروهای هيبريدی

 

خودروهای هيبريدی يک ترکيب بهينه از اجزای مختلف هستند.يک نمونه خودرو هيبريدی را دياگرام بالا می بينيد.

·          کنترل کننده ها / موتور کشنده الکتریکی

·         سیستم های ذخیره کننده انرژی الکتریکی ، همچون باتری ها و فراخازن ها

·         واحد توان هیبریدی همچون موتور احتراق جرقه ای ، موتورهای انژکتور مستقیم احتراق تراکمی (دیزل) توربین های گازی و پیل های سوختی

·         سیستم های  سوخت رسانی برای واحد توان هیبریدی

·         جعبه دنده (گیربکس)

 

برای کمک به گازهای خروجی و بهبود کارایی های خودرو ، اجزاء وسیستم های زیر بواسطه تحقیق و توسعه اصلاح شدند :

·         سیستم های کنترل گازهای خارجی

·         مدیریت انرژی وکنترل سیستم ها

·         مدیریت حرارتی اجزاء

·         وزن پایین وایرو دینامیک بدنه / شاسی

·         مقاومت غلطشی پایین (شامل طراحی بدنه وتایرها )

·         کاهش بار لوازم اضافی

 

کنترل کننده ها / موتورهای هيبريدی

         موتورهای کارگران پر کار سيستمهای راننده  خودروهای هيبريدی هستند ، يک موتور کشنده الکتريکی ، انرژي الکتريکی واحد ذخيره انرژی را به انرژی مکانيکی که چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد.بر خلاف خودروهای معمول که برای بدست آوردن گشتاور کامل ، موتور بايد سرعت بگيرد موتور الکتريکی گشتاور کامل رادر سرعت های پايين نيز فراهم می کند. همين مشخصه شتاب غير خطی عالی به خودرو می دهد . مشخصه های مهم موتور خودروی هيبريدی شامل کنترل خوب رانندگی با خطای مجاز صدای کم وراندمان بالا می باشد. مشخصه های ديگر شامل انعطاف پذيری مربوط به  نوسان ولتاژ و البته قابل قبول بودن قيمت توليد انبوه مي شود. تکنولوژی موتور جلو برنده برای کاربردهای خودروی هيبريدی شامل آهنربای دائمی ، القای جريان متناوب و موتورهای مقاومت مغناطيسی متغيير می باشد.

باتری خودرو هيبريدی

         باتری ها يک از اجزاي ضروری خودروهای هيبريدی هستند . گر چه تعداد کمی از توليدات خودروهای هيبريدی با باتريهای پيشرفته در بازار عرضه شده اند اما هيچ کدام از باتری های رايج يک ترکيب قابل قبول اقتصادی از توان ، راندمان انرژی و طول عمر را برای حجم بالای توليد خودرو ارائه نداده اند. ويژگيهای مطلوب باتريهای با توان بالا برای کاربردهای خودروهای هيبريدی شامل اين موارد است : پيک و توان مخصوص تکانه بالا ، انرژي مخصوص بالاي توان تکانه ، پذيرش شارژ بالا براي بيشينه کردن بهره بری ترمز واکنشی و طول عمر طولانی . روش ها و طراحی های در حال توسعه برای هماهنگی مجموعه به صورت الکتريکی و حرارتی ، روشهای دقيق در حال پيشرفت براي تعيين وضع شارژ باتری ، باتريهای بادوام در حال پيشرفت و قابليت بازاريابی ، چالش های تکنيکی ديگر هستند.

خودروهای هيبريدی و كاربرد باتريهای دوقطبی

  خودروی هيبريدی ماشينی است كه حداقل از دو نوع منبع انرژی برايی حركت بهره می گيرد. در نسل جديد خودروهای هيبريدي دو موتور سوختی و برقی، نيروی محركه لازم برای حركت را فراهم   می كنند. در اين خودروها، برق مصرفی موتور برقی از طريق نسل جديد باتريها، يعنی باتريهای دوقطبی حاصل می شود. موتور سوختی منبع اصلي انرژی محركه ماشين بوده و باتری به عنوان يك منبع كمكی عمل می كند و در مواقعی كه خودرو به انرژی بالايی برای حركت و يا شتاب گرفتن نياز دارد، موتور برقی نيز به صورت خودكار به كار می افتد. در مواقع عادی، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی از طريق دينام در باتری ذخيره می شود و به اين طريق اتلاف انرژی موتور سوختي به شدت كاهش يافته، مصرف سوخت كمتر شده و آلودگی هوايی ناشی از خودروها كاهش می يابد.

 فكر استفاده از برق براي تأمين انرژی حركت خودروها به چند دهه قبل بر ميگردد. برق لازم برای خودروهای برقی می تواند از برق شهر (براي خودروهاي داخل شهر مثل اتوبوس وقطار برقی)، باتری و يا پيلهای سوختی تأمين شود. به عنوان مثال در سال 1964 ميلادي در كشور ژاپن، كل نيروی محركه يك كشتی از طريق پيل سوختی تأمين مي شد. باتريهای قابل شارژ يكی از منابع بسيار مورد علاقه برای تأمين انرژی در خودروهای برقی هستند. مشكل اصلی استفاده از باتری در خودروهای برقی، وزن بالای باتری جهت فراهم ساختن انرژی لازم برای حركت می باشد. بنزين چگالی انرژی بسيار بالاتری نسبت به باتری دارد. برای مثال از لحاظ توليد انرژی هر يك كيلو گرم بنزين معادل يك باتري سرب-اسيد با وزن 142 كيلوگرم عمل مي كند. مسأله ديگر در كاربرد باتری، زمان لازم برای شارژ آنهاست كه در اين مدت ماشين بايد در يك مكان متوقف شود تا باتری آن شارژ شود. براي خودروهای برقی معمولی كه از باتری استفاده می كنند، زمان شارژ بسيار بيشتر از زمانی است كه خودرو در حال حركت است گاهی برای تأمين انرژی يك ساعت حركت، زمان شارژ به بيش از 10 ساعت می رسد.     به خاطر اين مشكلات استفاده از باتری به عنوان نيروی محركه خودروهای برقی معمولی توسعه چندانی پيدا نكرده است. موتورهاي برقي در خودروهای داخل شهري مثل قطار و اتوبوس برقي و بويژه در خودروهاي صنعتي نظيز ليفتراك كاربرد دارد. خودروهاي برقی صنعتی مزايای متعددی دارند كه از جمله مي‌توان به تمييزی، بی سروصدايی و قيمت كمتر نسبت به انواع مشابه سوختی اشاره كرد. تا چند سال اخير فقط يك راه براي شارژ مجدد ماشين برقی به كمك يك شارژر استاندارد وجود داشت كه خودرو مجبور بود تا براي مدت طولاني در يك فضاي خاص توقف كند. ولی در حال حاضر با پيشرفت تكنولوژی، شارژرهایی توليد شده اند (Posicharger) كه بسيار كوچكتر بوده و مي تواند توسط خود ماشين حمل شده و در جايي كه لازم است ماشين توقف كرده و باتري را شارژ كند. مزيت ديگر اين شارژرها توانايي آنها در كاهش زمان شارژ است. اين نوع از شارژرها تك خروجي بوده و در يك زمان مي توانند فقط يك ماشين را شارژ كنند ولی نوع جديدتر آنها دارای چندين خروجی هستند كه می توانند همزمان چند باتری را شارژ كنند.

 براي كاهش وزن باتری، بايد از مواد فعال با چگالی انرژی بالا استفاده شود. ولی تهيه چنين مواد فعالی چندان ساده و عملی نيست. از جمله باتريهايی كه بيشترين مصرف را در اين زمينه دارند باتريهای سرب-اسيد هستند كه با توجه به ماهيت مواد فعال آنها، اين باتريها وزن بالايي دارند. يكي از تكنولوژيهاي روز دنيا براي كاهش وزن باتريها، استفاده از ساختار دو قطبی در باتريها مي باشد. در باتريهای معمولی هر الكترود يا آند (قطب منفی) باتری بوده و يا كاتد (قطب مثبت) باتری را تشكيل می دهد. ولی در يك باتری دو قطبی، يك الكترود دوقطبی هم نقش كاتد وهم نقش آند باتری را بازی می كند به اين صورت كه يك سطح آن آند و سطح ديگر آن كاتد باتری خواهد بود.

سابقه استفاده از باتريهای سرب-اسيد معمولي به 140 سال پيش بر مي گردد ولی هنوز هم بخش عمده اي از تحقيقات باتری در دنيا به اين نوع از باتريها اختصاص دارد. سابقه تحقيق درباره باتريهای دوقطبی سرب-اسيد به چند سال اخير مربوط است و از جمله فناوريهای روز دنيا به حساب می آيد.

نمونه ای از باتريهای دوقطبی مورد استفاده در خودروهاي هيبريدی در شكل  ارائه شده است اين باتری 75 ولت بوده و توان توليد انرژی آن 1/2 کیلو وات بر ساعت است. 

 

شكل روبرو . تصوير بيرونی يك نوع باتری دوقطبی 75 ولت با توان KWh2/1 براي خودروهای هيبريدی

 

 

ساختار كلی باتريهای دوقطبی نيز مشابه بقيه باتريها از چند قسمت اصلی تشكيل شده است:

1. ماده فعال آندی
2. ماده فعال كاتدی
3. جمع كننده جريان آندی
4. جمع كننده جريان كاتدی
5. الكتروليت
6. بدنه باتری

قسمت اصلی كه باعث ايجاد اختلاف بين باتری دوقطبی و باتريهای معمولی می شود، الكترود دوقطبی است كه در باتريهای دوقطبی استفاده می شود. در يك باتری معمولی يك الكترود می تواند فقط آند يا كاتد باشد ولی الكترودهای دوقطبی باتريهای دوقطبی نقش آند وكاتد را بر عهده دارند. يك سطح انها شامل مواد فعال آندی و سطح ديگر آنها شامل مواد فعال كاتدی می باشد. نكته مهم در اين باتريها ساختار آنها است كه بسيار پيچيده تر از باتريهای معمولی است. ساختار آنها بايد به گونه اي طراحی شود كه هيچ گونه ارتباط الكتروليتی بين دو طرف يك الكترود دوقطبی برقرار نشود. ايجاد اين نوع ارتباط باعث از كار افتادن باتری خواهد شد. در حالی كه در يك باتری معمولی می توان تمام الكترودها را داخل يك ظرف الكتروليت قرار داد. دو نمونه از ساختار باتريهای دوقطبی در شكل      ارائه شده است .

ساختار يك نوع باتري دوقطبي با الكترود دوقطبي استيل ضد اسيد

 

 

فراخازن های خودروهای هيبريدی

         فراخازنها انرژی مخصوص بالاتری دارند و نوع قويتری از خازن های الکتروليتی هستند که انرژی را به عنوان شارژ الکتريسته ساکن ذخيره مي کنند. فراخازنها سيسمتهای الکتروشيميايی هستند که انرژی را در لايه اي از مايع قطبيده شده در سطح مشترک مابين يک الکتروليت رسانای يونی و يک الکترود رسانا ذخيره مي کنند . ظرفيت ذخيره انرژي با افزايش مساحت سطح مشترک افزايش می يابد. فراخازنها به عنوان اولين ابزار برای کمک به توان موتور در شتاب گيری و سر بالايی رفتن هستند که به همین خوبی بازيافت انرژی ترمز گسترش پيداکرده اند فراخازنها به صورت بالقوه به عنوان دومين شيوه ذخيره انرژی در خودروهاي هيبريدی ، برای تامين توان بار گذاری باتری های شيميايی سودمندند. الکتريسيته اضافی برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در مواقعی که چگالی انرژی پايين است مورد نياز است.

 

پيل های سوختی خودروهای هيبريدی

       پيل هاي سوختی به واسطه يک واکنش الکتروشيميايي که هيدروژن را با اکسيژن در هوای محيط ترکيب می کند ، الکتريسيته توليد می کنند.هيدروژن خالص يا هر سوخت فسيلي ديگري که اصلاح شده باشد مي تواند براي توليد گاز هيدروژن مورد استفاده قرار گيرد. متانول يک انتخاب معمول براي سوخت است. تنها گاز خروجي پيل سوختي بخار آب است که توان بالقوه آن را به عنوان تميزترين واحد توان هيبريدي می رساند. راندمان ، صداي کم ، قابليت اطمينان و راندمان تبديل انرژی تا 50% پيش بيني شده پيلل هاي سوختي ، نشان مي دهد که به طور نسبه مشخصه هاي خودروي هيبريدي در قياس با راندمان 20-25 درصد موتورهاي بنزينی احتراق داخلی مناسب تر هستند. 

 

 

موتور بنزينی

ماشين های هيريدی داراي يک موتور بنزيني مي باشند تقريبا شبيه همان که در اکثر ماشين ها       مي باشد.با اين تفاوت که اين موتور در ماشين هاي هيبريدي کوچکتر مي باشند و از تکنولوژي پيشرفته تري براي کاهش مصرف سوخت و افزايش کارآيي استفاده مي کنند

انواع موتور های احتراق داخلی مورد استفاده در خودرو های هیبریدی

 1. موتورهاي بنزيني كه از تكنولوژي‌هاي پاشش مستقيم سوخت بهره مي‌گيرند. از اين نوع براي HEVهاي سبك (خودروهاي شخصي) استفاده مي‌شود.
2. موتورهاي ديزل كه اغلب از آنها براي HEVهاي سنگين، مانند اتوبوس‌ها و غيره استفاده مي‌شود.

3. موتورهاي گازي كه از آنها فقط در HEVهاي نوع سري مي‌توان استفاده كرد. در اين خودروها، استفاده از منابع انرژي نو مانند پيل‌هاي سوختي يا پيل‌هاي خورشيدي، بسيار مرسوم است.

چرخ طيار

چرخ طيار وسيله تبديل انرژي الكتريكي به انرژي جنبشي (دوراني) است كه با توجه به چرخش سريع در ساختمان موتور، ساخته مي‌شود. اين وسيله، انرژي ذخيره شده به صورت انرژي جنبشي در روتور را به صورت انرژي الكتريكي در حالت برگشت موتور و هنگام كاهش سرعت روتور، آزاد مي‌كنند.

اين سيستم‌ها، انرژي مكانيكي را به صورت انرژي جنبشي ذخيره مي‌كنند. آنها براي شتاب دادن روتور تا سرعت مورد استفاده موتور، يك ورودي الكتريكي دارند. سپس، انرژي الكتريكي مورد استفاده اين موتور را مانند ژنراتور بر مي‌گردانند. اين سيستم‌ها به دو شكل طراحي مي‌شوند،                              يكي به صورت ديسك دوار كه در مراكز آن يك محور قرار دارد و ديگري يك استوانه تو خالي كه توسط ياتاقان‌هاي مغناطيسي كنترل مي‌شود.

بيشترين عامل اطمينان در طراحي چرخ طيارها، مواد مورد استفاده در لبه يا حاشيه آنهاست. لبه چرخ طيار، بايد براي افزايش انرژي جنبشي ذخيره شده در آن، موادي با ضريب استحكام كششي بالا نسبت به چگالي آنها ساخته شود. لذا نياز به استحكام كششي بالا نسبت به چگالي، ما را به سمت مواد مركبي هدايت مي‌‌كند كه داراي استحكام كششي بالا و چگالي كم بوده و استحكام كششي نسبت به چگالي آنها، 10 برابر فولاد باشد.

 

ايمن‌سازي ديناميكي چرخ طيار

انرژي يك چرخ طيار با سرعت بالا (حداكثر تا 60 هزار دور در دقيقه) داراي قدرت تخريب زيادي است. انرژي يك چرخ طيار يك كيلو وات ساعتي، قادر است خودرويي با اندازه متوسط را بيشتر از 100 فوت به‌طور عمودي در هوا بلند كند. در نتيجه، قسمت چرخنده آن بايد در محفظه‌اي محافظ، محبوس شود. 3 نكته كه بايد براي طراحي چرخ طيارها در خودروي هيبريدي مد نظر گرفته شود، عبارتند از:

1. احتمال شكستگي روتور و برخورد با محفظه آن به هنگام حركت يا بر اثر تصادف.
2. اثر ژيروسكپي چرخ طيار مي‌تواند سبب واژگوني خودرو به هنگام چرخش مسير شود.
3. شوك ناشي از مسير جاده، مي‌تواند بر عملكرد چرخ طيار تأثير بگذارد.

 

ايمن‌سازي الكتريكي چرخ طيار

به دليل قدرت بالاي مورد نياز براي چرخ طيارها در حالت اتوماتيك، ولتاژ مورد نياز بسيار زياد و معمولاً در حدود 300 تا 500 ولت است. اين ولتاژ بالا، ممكن است باعث وارد شدن شوك الكتريكي به راننده، سرنشينان و تعميركاران شود. براي ساختن چرخ طيار مطمئن، بايد اثرات هر يك از اجزاي ديگر خودرو و خصوصيات سيستم در نظر گرفته شود.

مخزن سوخت

مخزن سوخت در خودروهاي هيبريدي در حقيقت وسيله ذخيره انرژي براي موتور بنزيني مي باشد.

بنزين حجم بيشتري انرژي نسبت به باتري توليد مي کند.براي مثال 1000 پوند باتري معادل ا گالون يا 7 پوند از بنزين مي باشد. 

ژنراتور

ژنراتور شبيه يک موتور الکتريکي مي باشد اما فقط براي توليد انرژي الکتريکي عمل مي کند. و غالبا براي سري هاي هيبريدي استفاده مي گردد.

سيستم انتقال قدرت

انتقال قدرت در خودروهاي هيبريدي عملکردي درست شبيه ماشين هاي مرسوم دارند. ام بعضي از خودروها هم مانند تويوتا پريوس داراي تفاوت هاي ريشه اي مي باشند که بعدا در مورد آنها صحبت خواهيم کرد.

شما مي توانيد اين دو منبع انرژي را در خودروهاي هيبريدي به روش هاي مختلفي با هم ترکيب کنيد. يک روش هيبريد موازي مي باشد که در آن منبع سوخت ،بنزين را براي موتور بنزيني فراهم مي کند و در همين حال باتري ها هم شروع به ذخيره انرژي براي موتور الکتريکي مي کنند. هر دو موتور مي توانند در يک لحظه سيستم انتقال قدرت را فعال کنند و سپس اين سيستم چرخ ها را به حرکت در مي آورد.

البته توجه داشته باشيد که در هيبريد موازي هر يک از آن ها يعني موتور بنزيني و منبع سوخت و موتور الکتريکی و باتری ها هر يک به طور جداگانه و مستقلا به سيستم انتقال قدرت متصل شده اند.

در نتيجه در هيبريد موازی هر دو موتور نيروی محرکه را فراهم می کنند.

با نگاهی به سری های هيبريد ،موتور بنزينی ژنراتور را روشن می کند و ژنراتور هم می تواند باتریها را شارژ کند و يا اينکه موتور الکترکي را روشن کند.تا سيستم انتقال قدرت را فعال کند.بنابراين موتور بنزينی هيچگاه مستقيما چرخها را فعال نمی کند.

با نگاه به دياگرام سری های هيبريدی خواهيم ديد که شروع کار با مخزن سوخت می باشد و سرانجام با يک خط به سيستم اتقال قدرت متصل شده اند. 

ائودی گیربکس جدید هفت دنده ی s  ترونیک را  ساخته است. یک گیربکس جدید با کلاچ دوبل که به صورت طولی همراه سیستم چهار چرخ رانش به موتور وصل می شود. این گیربکس جدید اس-ترونیک همچنین توانایی تحمل گشتاور تا حد 550 نیوتون-متر را دارد، معنی ان این است که این سیستم انتقال قدرت می تواند به موتورهایی از قبیل 3.0 V6 TDI یا 4.2 V8 engine of the S5 یا 4.2 V8 of the RS4  متصل شود. برای این منظور این گیربکس می تواند تا دور 9000 دور دقیقه را همراه موتور گردش کند.

يك خودروى هيبريدى ميتواند:

●انرژى را بازيابى ودر باترى ذخيره نمايد:    

 هنگاميكه شما پدال ترمز را فشار ميدهيد, شما در حال تلف  كردن انرژى در خودرو هستيد.هر چه خودرو سريعتر رود انرژى جنبشى بيشترى دارد.ترمز كردن اين انرژى را هدر ميدهد و به شكل گرما در مى آورد.در خودروهاى هيبريدى مى توان مقدارى از اين انرژى را بازگرداند و در باترى براى استفاده مجدد ذخيره كرد.اين كار با سيستم" ترمز احياء كننده" انجام ميگيرد.در اين حالت موتور الكتريكى به مانند يك ژنراتور رفتار ميكند و ضمن كند شدن حركت ماشين اين انرژى جنبشي را صرف شارژ كردن باترى مى كند.

كسب نيروى هيبريدى مطمئنا پيچيده تر از تنها نيروى بنزينى و  يا تنها نيروى  الكتريكى  است. در بخش بعدى بررسى خواهيم كرد كه چرا تكنولوژى هيبريدى مورد علاقه همه مشتريان و هم خودروسازان قرار گرفته است.

 در يك خودروي معمولي، سوخت تنها منبع انرژي براي حركت آن است. در اين خودروها بخش عمده انرژي سوخت تلف مي شود. توليد گرما يكي ارز راههاي اتلاف انرژي در اين خودروها است. اما مسأله كيفيت سوختن در اين خودروها بويژه در مواقعي كه دور موتور افزايش مي يابد بايد مد نظر قرار داده شود. در حالت عادي ، احتراق در خودروهاي معمولي ، ناقص بوده و بخش عمده انرژي سوخت هدر مي رود و با افزايش دور موتور و افزايش ميزان سوخت ورودي به موتور، كيفيت سوختن به شدت پايين آمده و اتلاف انرژي بيشتر مي شود. اين مسأله در خودروهاي قديمي بسيار جدي است.

 سوخت مصرفي خودروها اعم از بنزين، گازوئيل و گاز طبيعي شامل هيدروكربنهاي آلي است كه بخش عمده آنها هيدروكربنهاي آليفاتيك سير شده با فرمول عمومي CnH2n است كه داراي سه نوع واكنش شيميايي سوختن مي باشند.

در موتورهاي سوختي، هنگام احتراق واكنش سوختن (2) و (3) و به ميزان كمتري واكنش (3) اتفاق مي افتد. هر چه نسبت هواي ورودي به سوخت نامناسب باشد، سهم واكنش (3) غالب شده و آلودگي ناشي از خودرو بيشتر خواهد شد. هنگامي كه دور موتور بالا باشد، سهم واكنش (3) در احتراق افزايش يافته و علاوه بر اتلاف انرژي به صورت گرما، مقدار كل انرژي حاصل از سوخت به علت سوختن ناقص، كاهش خواهد يافت. هنگامي كه يك خودرو به دليل احتراق ناقص دود مي كند ، در حجم برابر از سوخت ، مقدار حجم گاز حاصل از احتراق در سيلندر كمتر است به همين دليل توان حركت پيستونهاي موتور كه ناشي از افزايش حجم محصولات حاصل از احتراق است كاهش     مي يابد به عبارت ساده تر ميزان كل انرژي حاصل از احتراق كاهش مي يابد.

كاهش ميزان CO و CO2 در خروجي خودروها مسأله بسيار مهمي در سياستهاي آلودگي زدايي از هوا بويژه در شهرهاي بزرگ است. بنابراين بايد شركتهاي خودروسازي اهميت بيشتري به اين مشكل داده و سعي كنند تا در رفع آن تحقيقات بنيادي انجام دهند. هنگامي كه خودرو از انرژي احتراق استفاده   مي كند به اجبار بايد يكسري گاز حاصل شود ، از لحاظ آلودگي و سميت بهتر است كه كيفيت احتراق افزايش يافته و سهم واكنش (1) در سوختن بيشتر شود تا گازهاي خروجي بيشتر شامل CO2 باشد وسهم CO در آن كمتر شود چون CO يك گاز سمي و خفه كننده به شمار مي آيد ، به اين دليل كه اين گاز مي تواند از طريق كيسه هاي هوايي شش هاي انسان وارد گردش خون شده و با هموگلوبين گلبولهاي قرمز كه مسئول حمل اكسيژن (O2) هستند تركيب شود و ظرفيت حمل اكسيژن را كاهش مي دهد .

 ولي CO2 اين سميت را ندارد مطلوب اين است كه ميزان كل خروجي خودرو اعم از CO2 و CO كاهش يابد كه اين مستلزم استفاده از موتورهايي با كارآيي بالا است كه بتواند انرژي بيشتري از فرايند احتراق توليد كنند و ميزان اتلاف انرژي كاهش يابد . يكي از راههاي حل اين مشكل ساخت خودروهاي هيبريدي برقي است كه در آن گازهاي آلاينده خروجي و مصرف سوخت بسيار پايين است.

در خودروهاي هيبريدي سوختي-برقي، كيفيت سوختن از طريق استفاده از موتورهايي با حجم كمتر و تكنولوژي برتر بهبود يافته و براي تأمين انرژي زياد در مواقع ضروري به جاي افزايش شديد در دور موتور سوختي، موتور برقي به صورت خودكار به كار افتاده و انرژي لازم براي شتاب خودرو را فراهم    می آورد. و در حالت عادي كه انرژي كمتري براي حركت نياز است، انرژي اضافي حاصل از موتور سوختي در باتري ذخيره مي شود تا در مواقعي كه نياز به انرژي بالا وجود دارد، از طريق موتور برقي مصرف شود.

 يك خودروي هيبريدي يك موتور بنزيني و يك موتور برقي دارد. موتور بنزيني آن مشابه موتور بنزيني در خودروهاي معمولي عمل مي كند ولي موتور بنزيني در خودروهاي هيبريدي كوچكتر بوده و از تكنولوژي پيشرفته اي براي كاهش خروجي و افزايش كارآيي برخوردارند. موتور برقي در خودروهاي هيبريدي بسيار پيشرفته است. الكترونيك پيشرفته اجازه مي دهد كه آن به عنوان يك موتور مولد خوب عمل كند.

 وقتي كه نياز باشد انرژي را از باتري گرفته و به ماشين شتاب مي دهد. و از مصرف زياد سوخت و ايجاد آلودگي ناشي از سوختن ناقص جلوگيري مي كند. خودروهاي هيبريدي ساخت شركتهاي هوندا و تويوتاي ژاپن به ازاي هر ليتر بنزين 8/04 تا 10/73 كيلومتر بيشتر از خودروهاي معمولي راه ميروند. در سري جديد خودروهاي هبيريدي شركت هوندا با نام Insight ميزان طي مسير به ازاي هر ليتر بنزين 7/37 كيلومتر است به عبارت ديگر ميزان مصرف بنزين به ازاي هر 100 كيلومتر در اين خودروها فقط 2/65 ليتر مي باشد.

 

 

نمونه اي از ساختارهاي هيبريدي طراحي شده توسط شركت تويوتا در شكل 1 ارائه شده است:

شكل 1. ساختار هيبريدي طراحي شده توسط شركت تويوتا

يكي از اجزاي اصلي و مهم در خودروهي هيبريدي منبع تأمين برق آن است كه بايد بتواند توان لازم براي شتاب دادن به خودرو را فراهم آورد. باتريهاي دوقطبي مهمترين منبع براي تأمين برق اين خودروها مي باشند. باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد و نيكل-نيكل هيدريد بيشترين كاربرد را در موتور برقي خودروهاي هيبريدي دارند. باتريهاي دوقطبي نيكل-نيكل هيدريد كارآيي و چگالي انرژي بالاتري نسبت به باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد دارند اما به دليل قيمت بالاتر و فناوري پيچيده تر نسبت به باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد كمتر استفاده مي شوند.

عملکرد خودروهاي هيبريدي :     

        مهمترين قسمتي که در خودروهاي هيبريدي موجو دارد موتور بنزيني مي باشد که بسيار کوچکتر و کارآمدتر از موتور بنزيني مي باشد که در ديگر ماشين ها وجود دارد.در واقع اکثر ماشين ها نياز به موتور بزرگي براي فراهم کردن انرژي مورد نياز براي به حرکت درآوردن خودرو دارند.در موتورهاي کوچکتر متوان با استفاده از قطعات کوچکتر و سبکتر و حتي با کاهش تعداد سيلندرها بازده موتور را بالا برد و آن را به ماکزيمم کارآيي نزديک کرد.

در اين قسمت دلايلي را بيان مي کنيم که چرا موتورهاي کوچکتر کارآيي بيشتري نسبت به موتورهاي بزرگتر دارد :

موتورهاي بزرگتر ،سنگين تر از موتورهاي کوچکتر مي باشند بنابراين خودرو در هر زمان انرژي بيشتري براي به حرکت درآوردن ماشين استفاده مي گردد.

در موتور بزرگتر پيستون ها و اجزاي داخلي سنگين تر مي باشند و انرژي بيشتري براي بالا و پايين رفتن پيستون نياز است.همچنين فضاي سيلندر بزرگتر است بنابراين سوخت بيشتري براي هر سيلندر نياز است.موتور بزرگتر معمولا تعداد سيلندر بيشتري دارد و موتور سوخت زيادي را در هر بار احتراق مصرف مي کند حتي اگر در حال حرکت نباشد. اگر هر دو نوع خودرو ( يکي با موتور کوچکتر و ديگري با موتور بزرگتر ) در بزرگراه با يک سرعت ثابتي در حال حرکت باشند در حالي که هر دو موتور داراي خروجي يکساني براي راندن خودرو مي باشند خودرو با موتور کوچکتر انرژي کمتري مصرف مي کند.اما چگونه موتور کوچکتر انرژي مورد نياز خودروي شما را فراهم مي کند تا خودروي شما يک خودروي پرقدرت در جاده باشد؟

حال اجازه بدهيد خودروي هيبريدي خود را با يک خودروي با موتور بزرگ V-8 مقايسه کنيم.

موتور بزرگتر انرژي زيادي براي کنترل خودرو در هر موقعيت رانندگي به شما مي دهد.موتور در خودروهاي هيبريدي به اندازه اي قدرت دارد تا خودرو شما در بزرگراه بتواند به راحتي حرکت کند اما وقتي نياز است که ماشين را به سرعت حرکت دهد و يا از يک سطح شيب دار بالا رود به کمک نياز دارد.اين کمک از باتري ها و موتور الکتريکي مي آيد اين سيستم انرژي لازم را فراهم مي کند.

موتور بنزيني در خودروهاي مرسوم براي بيشترين نيروي مورد نياز برآورد شده اند.در واقع اکثر رانندگان مي خواهند در کوتاهترين زمان ممکن از بيشترين قدرت موتور استفاده کنند.اما موتور در خودروهاي هيبريدي براي متوسط انرژي مورد نياز براي به حرکت درآوردن خودرو برآورد شده اند.

انتشارات پايين و راندمان بالا

تفاوت در گازهاي خروجي خودروهاي الکتريکي هيبريدي بستگي به خودرو و پيکر بندي اجزا آن دارد. ولي به طور کلي خودروهاي هيبريدي گازهاي خروجي کمتري نسبت به خودروهاي معمولي دارند چرا که در موتور اين خودروها يک موتور الکتريکي به همراه يک موتور احتراق داخلي دارد و موتور الکتريکي در بسياري از مواقع جبران کننده موتور احتراق داخلي است بنابراين مصرف سوخت و گازهاي خروجي کاهش مي يابد ، در ضمن اين خودروها قادرند فقط با موتورالکتريکي کار کنند که باعث کاهش آلودگي مي شود.هيبريدهابه سادگي کار کرد موتور را کنترل مي کنند و اين عمل خورو را داراي راندمان بيشتر و آلودگي کمتر مي کند.

 

 

بهبود بخشيدن به صرفه جويي در مصرف سوخت :

امروزه ماشين هاي هيبريدي در کنار موتورهاي کوچک و کارآمد از روش هاي ويژه براي بهبود وضعيت مصرف سوخت استفاده مي کنند. بعضي از اين روش ها به هر نوع خودرويي کمک مي کند تا بازده بهتري داشته باشند و بعضي ديگر از روش ها فقط مخصوص خودروهاي هيبريدي مي باشند.

 براي اين کار خودروهاي هيبريدي مي توانند :

انرژي را دريافت و ذخيره کنند هرگاه شما پدال ترمز را فشار دهيد شما از خودرو انرژي مي گيريد.هرچه ماشين تندتر حرکت کند انرژي جنبشي بيشتري دارد ترمزهاي ماشين اين انرژي را گرفته و به صورت گرما پراکنده مي کنند.خودروي هيبريدي مي تواند مقداري از اين انرژي را گرفته به وسيله آن باتري ها را شارژ کرده و براي استفاده هاي بعدي آن را ذخيره کند. اين کار را با استفاده از احيا کننده ترمزي انجام مي دهد.که از آن به جاي ترمزها براي نگاه داشت خودرو استفاده مي شود. همچنين موتور الکتريکي مي تواند با آهسته شدن خودرو همانند يک ژنراتور عمل کرده و در زماني که خودرو در حال کند شدن است باترها را شارژ کند.

 ● بعضى وقتها موتور بنزينى خاموش ميشود:

يك خودروى هيبريدى هميشه نياز به روشن بودن موتور بنزينى ندارد.زيرا يك موتور الكتريكى و باترى نيز دارد.بنابراين بعضى وقتها مى توان موتور بنزينى خودروى هيبريدى را خاموش كرد.براى مثال زمانى كه خودرو در مقابل چراغ قرمز توقف كرده است.

 

سيستم ترمز

در ترمزهاي هيدروليك استاندارد، پدال ترمز به پيستوني متصل است كه در سيلندر اصلي قرار دارد. سيلندر اصلي، به سيلندرهاي روي هر يك از چرخ‌ها متصل است، به طوري كه وقتي پدال ترمز فشرده مي‌شود، پيستون‌ها را به سمت بيرون فشار داده و كفشك‌هاي ترمز به طور متقابل به درام ترمز فشرده مي‌شوند.

HEV ها، اغلب از سيستم ترمز استاندارد استفاده نمي‌كنند بلكه از نوعي سيستم ترمز به نام ترمز بازيافتي بهره مي‌برند . ترمز بازيافتي، نوعي فرايند جذب مجدد انرژي است كه معمولاً در زمان ترمزگيري عادي، آزاد مي‌شود. ذخيره اين انرژي به صورت الكتريكي صورت مي‌پذيرد.

اين انرژي، در باطري يا چرخ طيار و يا در ذخيره‌كننده‌هاي با ظرفيت بالا، ذخيره مي‌شود. اين مقدار انرژي باعث كاهش انرژي لازم براي حركت خودروي هيبريد شده و بايد از منبع توليدكننده دريافت شود كه در نتيجه، بازده افزايش مي‌يابد.انرژي جنبشي برگشتي، مي‌تواند انرژي تلف شده توسط ديگر مقاومت‌هاي خودرو، نظير نيروي پسا هوا را جبران كند. علاوه‌بر آن، از قابليت توقف سريعتر و اخذ بيشتر انرژي برخوردار است.

 

 

ترمزهاي بازيافتي شامل 3 جزء مختلف هستند كه عبارتند از:

1. دستگاه ذخيره كننده انرژي، براي نگهداري انرژي برگردانده شده در زمان ترمزگيري تا وقتي كه براي حركت دوباره مورد استفاده قرار گيرد

2. واسطه انتقال دهنده قدرت، براي انتقال انرژي چر‌خ‌ها به دستگاه ذخيره كننده

3. كنترل كننده شدت ترمز

مثلاً، سيستم ترمز هوندا، مجموعه‌اي است كه در آن، يك موتور الكتريكي DC بدون جاروبك، به طور مستقيم توسط شفت به موتور بنزيني متصل است. ميل لنگ، توسط مجموعه‌اي از چرخدنده‌ها، به شفت حركت متصل است، شفت حركت نيز از طريق شفت‌هاي مياني و اتصالات سرعت ثابت، به چرخ‌ها متصل است، زماني كه خودرو حركت مي‌كند و ترمزها فشرده مي‌شوند، ترمزهاي بازيافتي درگير مي‌شوند. اين حالت تا زماني ادامه مي‌يابد كه ميانگين كاهش سرعت مورد نظر در حدود 0.1g تا 0.2g باشد.

     در زماني كه به كاهش سرعت بيشتري نياز باشد، علاوه‌بر ترمزهاي بازيافتي، ترمزهاي ديسكي نيز نيروي ترمز اضافي را اعمال مي‌كنند. اين كار توسط موتور الكتريكي كه در حالت معكوس به صورت ژنراتور عمل مي‌كند، صورت مي‌گيرد. هنگامي كه پدال ترمز فشرده مي‌شود، كلاچ‌ درگير شده و حركت چرخشي چرخ‌ها از طريق سيستم انتقال قدرت به ميل‌لنگ متصل مي‌شود. بنابراين، حركت چرخشي چرخ‌ها به طور مستقيم به موتور الكتريكي انتقال مي‌يابد كه اكنون به عنوان يك ژنراتور عمل كرده و در نتيجه، شروع به توليد الكتريسيته‌اي مي‌كند كه در باطري‌ها ذخيره مي‌شود. اين الكتريسيته، فرايند مقاومتي را در برابر چرخش ايجاد مي‌كند .

 ●  به كار بردن اصول ايروديناميك براى كاهش نيروى درگ:

 وقتى كه شما در يك اتوبان رانندگى  ميكنيد بيشترين نيروى موتور شما صرف مقابله با نيروى فشارى هوا ميشود.كه اين نيرو به نيروى درگ ايروديناميك موسوم است.اين نيروى درگ ميتواند به چندين روش كاهش يابد.يك راه مطمئن براى كاهش اين نيرو, كاهش ناحيه جلوى اتومبيل وبه كار بردن اصول ايروديناميك در آن است. 

همانطور كه در شكل زير مى بينيد يك suv  چقدر بيشتر از يك خودروى sport  فشار هوا را تحمل ميكند(ناحيه جلوى خودروى suv بيشتر از يك خودروى sport است).

 كاهش اشياء خارجى روى بدنه خودرو و نيز حذف بعضى از انها ميتواند در بهبود ايروديناميك خودرو موثر باشد.براى مثال بعضى وقت ها جايگزينى ايينه ها با دوربين هاى كوچك ميتواند مفيد باشد.

 

 

 

بدنه و شاسی

        بدنه HEVها شكل متفاوتي با خودروهاي بنزيني معمولي ندارد، اما هنگامي كه بازده انرژي، نقشي مهم در طراحي آنها دارد، آيروديناميك خوب و شاسي سبك، باعث افزايش بازده خودرو خواهد شد.

       دو عامل مهمي كه روي آيروديناميك خودروها اثر مي‌گذارد، عبارتند از: ضريب پساي Cd و سطح تصوير از روبه‌رو A. حاصلضرب اين دو عامل متناسب با نيروي پساي آيروديناميكي خودروست. از ديگر نيروهاي پساي خودرو، نيروهاي پساي غلتشي است كه با وزن خودرو تناسب دارد. مجموعه اين نيروها به صورت زير بيان مي‌شود:

Ftotal = Froll + Faero

      بازده مصرف سوخت پايين و عملكرد بالاي موتور و امكان كاهش وزن، نتايجي اميدبخش را در طراحي خودروهاي هيبريد، نويد مي‌دهند. كاهش آلودگی محيط‌زيست و نيز كاهش مصرف سوخت‌های فسيلی، فصلی جديد در طراحی خودروهای آتی خواهد گشود.

 ● به كار بردن تايرهاى خاص :

 تايرهاي اكثر خودروها بهينه سازى شده اند براى سطوح صاف با كمترين نويز و چسبندگى خوبى نيز در اكثر شرايط محيطى دارند.ولى اين تايرها موجب به وجود آمدن نيروى درگ مى شوند.

خودروهاى هيبريدى از يك تاير مخصوص استفاده مى كنند كه سفت تر و پربادتر و نيز فشار زيادترى نسبت به تايرهاى معمولي دارد.نتيجه اين كار باعث كاهش نيروى درگ به نصف نسبت به تايرهاى معمولى ميشود.  

 ●  به كار بردن مواد سبك وزن: 

كاهش وزن كل خودرو يكي از راه هاى ساده براى افزايش راندمان و كارايى خودرو است.خودروهاى سبكتر زمانى كه در حال شتاب گيرى هستند يا در حال بالا رفتن از يك سر بالايى انرژى كمترى نسبت به خودروهاى سنگين تر مصرف مى كنند.مواد كامپوزيت مانند فيبر كربن يا فلزات سبك وزن مانند الومينيوم  و منيزيم مى توانند در كاهش وزن خودرو به كار روند.

ساختارهای مختلف خودروی هيبريدی

خودروی هايبريد براساس نشر توان به سمت چرخها به دو دسته كلی تقسيم بندی می­شود

الف- سری

ب- موازی

جالب اين است كه بعد از 200 سال  اين تقسيم بندی به 4 قسمت تبديل شده است ؛ خودروی هيبريد سری، هيبريد موازی، هيبريد سری- موازی و هيبريد ؛ كه در شكل نشان داده شده است .

 سيستم هيبريدي سری :

      در اين دسته از خودروها موتور احتراق داخلی يك ژنراتور را می‌چرخاند و اين ژنراتور، هم باطري را شارژ مي كند و هم يك موتور الكتريكي را به حركت درمي‌آورد و بدين صورت انتقال قدرت صورت     می گيرد. در اين ساختار موتور احتراقي مستقيم به سيستم انتقال قدرت وصل نمی ‌شود.

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

 

 

سيستم هيبريدي موازي :

      در اين نوع سيستم، موتور احتراقي و موتور الكتريكي به صورت موازي چرخها را به حركت درمي ‌آورند. در اين سيستم موتور الكتريكي توسط باطري و موتور احتراقي توسط منبع سوخت فسيلي مستقيما تغذيه مي گردند. در اين حالت ژنراتور حذف شده و باطري با تغيير حالت موتور الكتريكي به ژنراتور شارژ مي ‌گردد. از آنجائيكه اين 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 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 بطور جداگانه و همزمان وجود دارد. به اين ترتيب در مواقع شهري كاملا الكتريكي و بدون آلودگي و در سرعتهاي بالا و در محدوده برون شهري مي ‌تواند 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 به كمك 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 خوبي نگهداري مي ‌شود بدين ترتيب اين خودرو مي ‌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 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.

                    

 

نکته قابل ذکر در مورد هیبرید های موازی- سری ، این است که با تغییر استراتژی کنترل حرکت در این نوع هیبرید ، می توانیم به سیستم های هیبرید پیچیده که ویژگی های آنها کاملاً مطلوب هستند ، دست یابیم .

 

در جدول- 1 ، مقایسه ای بین سیستم های هیبرید مختلف ، صورت گرفته است.

                                                                          جدول- 1

کنترل جریان قدرت در خودروهای هیبریدی

    مهمترین بحث در طراحی یک خودروی هیبریدی ، طراحی استراتژی حرکت و سیستم کنترل آن است . بدلیل گوناگونیِ شکل سیستم تولید قدرت در خودروهای هیبریدی ، استراتژی کنترل های مختلفی برای معین کردن چگونگی ورود و خروج جریان قدرت از هر یک از اجزاء موجود در سیستم تولید قدرت ، وجود دارد . این استراتژی های کنترل ، همگی برای دستیابی به تعدادی هدف معین ، طراحی می شوند . این اهداف که در واقع اهداف اساسی ساخت یک خودروی هیبریدی هستند ، عبارتند از :

1. بهترین مصرف سوخت .

2. کمترین آلایندگی .

3. کمترین هزینه ساخت سیستم .

4. کارایی رانندگی بالا .

 بعلاوه برای طراحی سیستم کنترل قدرت در خودروهای هیبریدی ، ملاحظاتی باید در نظر گرفته شوند :

_نقطه کارکرد بهینه موتور احتراق داخلی :  این نقطه بر روی نمودار گشتاور – سرعت موتور احتراق داخلی مشخص می شود و می تواند بیانگر هر یک از نقاط بهترین مصرف سوخت یا کمترین آلایندگی یا هر دوی آنها باشد .

 _خط کارکرد بهینه موتور احتراق داخلی : در مواردی که از موتور احتراق داخلی ، توان های مختلفی طلب می شود ، متناظر با هر مقدار ثابت توان ، یک نقطه کارکرد بهینه داریم که با اتصال این نقاط به هم ، خط کارکرد بهینه موتور احتراق داخلی بدست      می آید . در شکل(روبرو) این خط را برای یک موتور خاص مشاهده می کنید .

.

              

 

                             شکل- 3                                                                   شکل _4

  _ ناحیه کارکرد بهینه موتور احتراق داخلی : هر موتور احتراق داخلی بر روی نمودار               گشتاور– سرعت خود یک ناحیه کارکرد بهینه ( بهترین مصرف سوخت ) دارد که توسط کمپانی سازنده به عنوان ناحیه پیشنهادی برای کارکرد موتور ارائه می شود . در شکلهای 3 و 4 ، ناحیه کارکرد موتور احتراق داخلی در  خودروهای متداول و خودروهای هیبریدی مشاهده می شود.

-    کمترین ارتعاشات موتور احتراق داخلی : سرعت دورانی موتور باید برای جلوگیری از نوسانات زیاد که در سرعت های بالا ایجاد می شوند ، محدود شود .

-    کمترین سرعت موتور احتراق داخلی : بازده موتور احتراق داخلی در سرعت های پایین ، به شدت افت می کند . بنابراین اگر سرعت موتور از یک مقدار حدی مشخص گذشت ، باید موتور خاموش شود .

-    مدت زمان روشن بودن موتور احتراق داخلی : موتور نباید به طور متناوب خاموش و روشن شود . در غیر این صورت ، مصرف سوخت و آلایندگی خودرو بالا خواهد رفت . باید یک حد مشخص برای کمترین مدت زمان روشن بودن موتور احتراق داخلی تعیین شود .

-    سطح شارژ مناسب باتری ( یا ابر خازن ) : سطح شارژ باتری باید در محدوده مناسبی قرار گیرد به این ترتیب که از یک مقدار حدی بالاتر نرود تا بتواند توان تولید شده در فرایند ترمزگیری بازیاب و همچنین توان تولیدی اضافی در موتور احتراق داخلی را در خود ذخیره کند ؛ بعلاوه از یک مقدار حدی پایین تر نرود تا در هنگام شتاب گیری که خودرو به توان بیشتری نیاز دارد ، بتواند جریان مورد نیاز موتور الکتریکی را تأمین کند .

-    ولتاژ ایمن باتری ( یا ابر خازن ) : در طی شارژ و دشارژ باتری ، ولتاژ ورودی به باتری و یا خروجی از آن تغییر می کند . این تغییر ولتاژ نباید زیاد باشد ، زیرا به باتری ظربه زده و موجب کاهش عمر آن می شود .

 

استراتژی کنترل در خودروهای هیبرید سری :

   در خودروهای هیبرید سری ، بطورکلی استراتژی کنترل برای 4 مود حرکت مختلف طراحی              می شود.این مودها در شکل- 5 نشان داده شده است .

                                                                      شکل - 5

           در مود << a >>  ، موتور احتراق داخلی ( از طریق ژنراتور ) و باتریها ، انرژی الکتریکی لازم را به موتور الکتریکی تحویل می دهند . در مود << b >> ، که بار مقاوم کمی در برابر حرکت خودرو وجود دارد ( حرکت در جاده هایی با شیب صفر یا منفی ) ، توان تولیدی در موتور احتراق داخلی بیشتر از توان مورد نیاز در چرخها است . بنابراین این مقدار اضافی به صورت انرژی الکتریکی در باتری ها ذخیره خواهد شد .  در مود << c >> ، موتور الکتریکی به صورت ژنراتور عمل می کند و انرژی جنبشی موجود در چرخها را به صورت انرژی پتانسیل در باتری ها ذخیره می نماید. در شکل چهارم نحوه شارژ باتری توسط موتور احتراق داخلی نمایش داده شده است .

 

استراتژی کنترل در خودروهای هیبرید موازی :

         برای استراتژی خودروهای هیبرید موازی نیز 4 مود کلی تعریف می شود که                                در شکل - 6  مشاهده می کنید :

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           شکل- 6

 در مود << a >> ، که خودرو به توان زیادی برای روشن شدن یا شتابگیری نیاز دارد ، موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی هر دو توان تولید می کنند . بطور معمول بین ماکزیمم توان تولیدی توسط موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی در خودروهای موازی ، نسبت 20 به 80 برقرار است . در مود << b >> که خودرو در حرکت نرمال خود به سر می برد ، موتور احتراق داخلی به تنهایی توان مورد نیاز خودرو را تأمین می کند و موتور الکتریکی خاموش است . در مود << c >> که خودرو در حال ترمزگیری است ، موتور الکتریکی به صورت یک ژنراتور عمل می کند و باتری ها را شارژ می نماید . همچنین اگر موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی بر روی یک محور باشند ، در هنگام ترمزگیری ، موتور احتراق داخلی نیز می تواند باتری ها را شارژ کند . خودروی " هوندا اینسایت                              ( honda Insight ) " همچین استراتژی کنترلی را به کار برده است.

استراتژی کنترل در خودروهای هیبرید موازی- سری :

  این استراتژی شامل ویژگی های هردو سیستم سری و موازی می باشد . سیستم های هیبرید موازی – سری براساس اینکه توان اصلی خودرو را موتور احتراق داخلی تأمین کند یا موتور الکتریکی ، به 2 دسته تقسیم می شوند . بنابراین در این سیستم ، استراتژی های متعددی می توان تعریف کرد و جای کار زیاد است .  در شکل - 7 مودهای مختلف حرکتی این سیستم را که 6 مود می باشند ، مشاهده می کنید :

                                                                                                                  شکل _7

  در این قسمت شکل های شماتیکی جهت بیان کردن چگونگی جریان قدرت در مود های مختلف حرکتی یک خودروی هیبریدی آورده شده است . 

در این شکل ها ، کلاچ سولونوئیدی شماره یک برای کنترل اتصال بین موتور احتراق داخلی و ژنراتور و کلاچ سولونوئیدی شماره دو برای کنترل اتصال بین موتور احتراق داخلی و گیربکس به کار رفته اند . همچنین کلاچ شماره سه برای کنترل اتصال بین موتور احتراق داخلی و کل سیستم و کلاچهای چهار و پنج برای کنترل اتصال بین موتور الکتریکی و کل سیستم استفاده شده اند .

 

 

در شکل- 8 ، موتور احتراق داخلی به تنهایی قدرت لازم برای حرکت را تأمین می کند .

 

 

 

 

 

 

                                                                شکل – 8

 

در شکل- 9 ، توان لازم برای حرکت فقط توسط موتور الکتریکی تأمین می شود .

 

 

 

 

 

 

                                                                      شکل – 9

در شکل- 10 ، موتورهای الکتریکی و احتراق داخلی با هم ، توان مورد نیاز خودرو را برآورده می کنند .

 

 

 

 

 

 

 

                                                             شکل - 10

شکل - 11 ، چگونگی شارژ باتری ها توسط حرکت چرخای خودرو را نشان می دهد . ( ترمز بازیاب )

        

 

 

 

 

 

                                                                    شکل – 11

 

در شکل - 12 ، موتور احتراق داخلی هم توان مورد نیاز خودرو را تأمین می کند و هم باتری ها را شارژ می کند .

 

 

 

 

 

                    

                                                                   شکل - 12

در شکل - 13 ، موتور الکتریکی توان لازم برای حرکت را فراهم می کند و موتور احتراق داخلی ، باتری ها را شارژ می کند .

 

 

 

 

 

 

                                                                 شکل – 13

 

 

اكنون به تكنولوژى هيبريدى در دو خودروى هوندا insight و تويوتا پريوس ميپردازيم. 

 اگرچه هر دو اين خودروها  جزء هيبريدهاى موازى هستند ولى تفاوتهايى با هم دارند.هر دو اين خودروها داراى موتور بنزينى و موتور الكتريكى و باترى هستند.

اجازه بدهيد از هوندا insight شروع كنيم.

هوندا insight:

اين خودرو كه در اوايل سال 2000 در ايالات متحده معرفي شد.طراحى ان بر اساس بهترين كاركرد ممكن انجام شد.insight كوچك است و كم وزن و جاى 2 سرنشين و يك صندلى كودك دارد.و داراى موتور با بازدهى بالا است.insight داراى برترين رتبه سنجش EPA در ميان خودروهاى هيبريدى شد.

هوندا خودروى هيبريدى موازى است .موتور الكتريكى به موتور بنزينى متصل است.هوندا اين سيستم را "جمع كننده كمك موتور" مى نامد. Insight  به صورت 5 سرعته دستى يا cvt (انتقال قدرت پيوسته اتوماتيك) است.

Layout of the Honda Insight

Move your mouse over the parts for a 3-D view.

 

 

 

 تويوتا پريوس:

تويوتا پريوس در ژاپن در اواخر سال 1997 توليد شد.تويوتا سيستم موتور و انتقال قدرت  را به صورت هيبريد موازى طراحى كرده است كه تويوتا ان را سيستم هيبريدى تويوتا ناميده است كه بعضى از مزاياى هيبريدهاى سرى را نيز داراست.

يك سدان 4 در 5 نفره كه موتور و سيستم انتقال قدرت ان طورى است كه توانايى رسيدن به سرعت 15 مايل بر ساعت (24 كيلومتر بر ساعت) را فقط با موتور الكتريكى داراست.پريوس در سال 2004 در امريكاى شمالى به عنوان خودروى سال برگزيده شده است.

وزن پريوس 2900 پوند (1315 كيلوگرم) است و فضاى درونى  و فضاى صندوق عقب آن از تويوتا كرولا بيشتر است.در زير پويا نمايى پريوس را مى بينيد. Prius layout

Move your mouse over the parts for a 3-D view.

 تويوتا براى رسيدن به بهره ورى و كاهش الايندگى 2 كار را انجام داد:

   ● موتور بنزينى فقط زمانى كار مى كند كه به يك سرعت مشخص برسد:

به عبارت ديگر براى كاهش الودگى پريوس مى تواند به سرعت 15 مايل بر ساعت  (24 كيلومتر بر ساعت)  بدون استفاده از موتور بنزينى برسد.موتور بنزينى فقط زمانى روشن مى شود كه خودرو از يك سرعت معين بگذرد.

 

 

 ● به كار بردن يك دستگاه تقسيم قدرت بى همتا:

موتور بنزينى مى تواند طورى تنظيم شود تا در يك سرعت معين بيشترين بهره ورى را داشته باشد. "دستگاه تقسيم قدرت" در پريوس اجازه مى دهد كه موتور در همه زمانها در حالت بيشترين كارايى  در يك رنج سرعتى خاص باشد.

 پريوس داراى موتور 1.5 ليترى  است كه 76 اسب بخار  را در بيشينه دور 5000 دور بر دقيقه بدست مى اورد.موتور الكتريكى در پريوس داراى 67 اسب بخار قدرت براى 1200 تا 1540 دور بر دقيقه است. وگشتاور 295 پوند – فوت  را از 0 تا 1200 دور بر دقيقه توليد مى كند كه نيروى كافي را براى  حركت خودرو بدون دخالت موتور بنزينى فراهم مى كند , موتور الكتريكى در پريوس خيلى قويتر از موتور الكتريكى در هوندا insight است.

دستگاه"تقسيم كننده قدرت" قلب پريوس است.آن يك جعبه دنده هوشمند است كه به موتور بنزينى متصل است.اين جعبه دنده به خودرو اجازه مى دهد كه مانند يك خودروي هيبريدى موازى باشد كه در آن موتور الكتريكى  مى تواند به تنهايى  به سيستم انتقال قدرت نيرو وارد كند و موتوربنزينى نيز مى تواند به تنهايى و يا با موتور الكتريكى نيروى مورد نياز خودرو را تامين كند.

 همچنين اين دستگاه"تقسيم كننده قدرت" اغلب اجازه مى دهد كه خودرو مانند يك خودروى  هيبريدى  سرى باشد كه در آن موتور بنزينى مى تواند مستقلا باترى ها را شارژ كند و يا نيروى  مورد نياز براى چرخ ها را فراهم كند.كه اغلب مى تواند به صورت انتقال قدرت پيوسته يا  cvt عمل كند كه باعث حذف نياز به انتقال قدرت دستى يا اتومات مى شود. و سرانجام  چون دستگاه"تقسيم كننده قدرت" اجازه مى دهد كه ژنراتور  موتور را روشن  كند و اين باعث حذف نياز به استارتر مى شود . 

دستگاه تقسيم قدرت يك مجموعه دنده خورشيدى است (شكل زير) موتور الكتريكى به چرخ دنده حلقه اي از مجموعه دنده متصل است و  اغلب به صورت  مستقيم به ديفرانسيل متصل مى گردد. بنابراين سرعت موتور الكتريكى  و چرخش دنده حلقه اي سرعت خودرو را تعيين مى كند.

 

 

ژنراتور به چرخ دنده خورشيدى از مجموعه دنده ها متصل است و موتور بنزينى  يا گاز سوز نيز به حامل خورشيدى(planet carrier) متصل است.سرعت چرخ دنده حلقه اي به سه جزء گفته شده بستگى دارد.بنابراين همه اين اجزاء با هم در تمام  زمانها  كار مى كنند تا سرعت خروجى را كنترل كنند.وقتى شما شتاب مى گيريد ابتدا موتور الكتريكى و باترى ها تمام نيروى مورد نياز را تامين مى كنند.چرخ دنده حلقه اي كه متصل به موتور الكتريكى است همزمان با حركت كردن موتور الكتريكى  مى چرخد.حامل خورشيدى  كه به موتور بنزينى متصل است ثابت است زيرا موتور بنزينى هنوز روشن نشده است.زمانى  كه چرخ دنده حلقه اي شروع به چرخيدن  كند باعث ميشود كه ژنراتور و چرخ دنده خورشيدى نيز شروع به چرخيدن كنند.زمانى كه شتاب بيشترى مى گيريد ژنراتور با سرعتى مى چرخد كه بتواند نيروى مورد نياز براى موتور الكتريكى را فراهم كند. 

 هنوز موتور بنزينى فعال نشده  است. وقتى به سرعت 40 مايل بر ساعت يا 64 كيلومتر بر ساعت مى رسيد موتور بنزينى نيز روشن مى شود.در حالى كه موتور بنزينى روشن است ژنراتور سرعت موتور الكتريكي را طورى تغيير مى دهد كه با سرعت  موتور بنزينى  تطبيق پيدا كند  و در خروجى  سرعت با هم برابر  باشند همانند هوندا insight , تويوتا پريوس هرگز نياز به شارژ دوباره ندارد.زيرا ژنراتور هميشه و به طور اتوماتيك  سطح شارژ  در باترى ها را كنترل  مى كند و در صورت كم بودن شارژ مى كند.

هم هوندا و هم تويوتا گارانتي هاى طولانى براي قطعات هيبريدى خود  وضع كرده اند.هوندا 8 سال يا 80000 مايل گارانتى بيشتر قسمتهاى انتقال قدرت و موتور  وتجهيزات  هيبريدى  را داراست و تويوتا نيز 8 سال  يا 100000 مايل گارانتى باترى و سيستمهاى  هيبريدى  را دارد.موتور و باترى در اين خودروها  نياز به هيچگونه نگهدارى وبازنگرى ندارد(اگرچه در صورت اتمام گارانتى اگر نياز به تعويض باتري ها گرفتيد چندین هزار دلار خرج بر مى دارد).

 

 

 

مراجع :

1. کتاب خودروهای هیبرید الکتریکی / دکتر محسن اصفهانیان .

2. “ Overview  of  power  management in hybrid electric  vehicles /    K.T.chau , Y.S.wong / Department of Electrical  and Electronic Engineering , The University of Hong Kong / 2001 .

3. گزارش سمینار " خودروهای الکتریکی و هیبرید اکتریکی " / علیرضا پورامین ، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق ، دانشگاه صنعتی اصفهان .

4. گزارش "Vehicles Work ?  How Hybrid Electric " /  Rosalind Takata ,  دانشجوی دانشگاه MIT .