تکنولوژی خودروهای هیبریدی و پلاگین هیبریدی

ضرورت تولید و استفاده از خودروهای برقی

با توسعه تکنولوژی و اهمیت یافتن مسایل زیست محیطی، خودروهای مجهز به موتور های احتراق داخلی همواره تحت فشار قوانین مختلف ملی و بین المللی در راستان کاهش انتشار آلاینده ها بوده اند. این مسیله باعث توجه روز افزون به موتورهای الکتریکی شده است. اگرچه شاید استفاده از موتورهای الکتریکی در خودروها، بیش از صد سال قدمت دارد، اما دو طول یک دهه اخیر، بکارگیری موتورهای الکتریکی در صنعت حمل و نقل رشدی روز افزون را تجربه کرده است. موتورهای الکتریکی، از انرژی برق برای تامین توان خود استفاده می کنند. برقی که می تواند از منابع پاک تامین شود.

ظهور خودروهای هیبریدی

اما توسعه و فراگیری خودروهای برقی به سادگی قابل انجام نیست ونیازمند تامین زیرساخت های لازم است. این مسیله منجر به ظهور خودروهای هیبریدی شد. خودروهای هیبریدی در صنعت خودرو حضوری موقتی خواهند داشت و در واقع مرحله ی گذاری از موتورهای احتراق به موتورهای الکتریکی خواهند بود.
به کارگیری همزمان موتور احتراق داخلی و موتور بنزینی در خودروهای هیبریدی، سبب شده است تا این خودروها به لحاظ فنی، هم از خودروهای دارای موتور احتراق و هم از خودروهای تمام برقی بسیار پیچیده تر باشند. به همین دلیل، دانش فنی ساخت خودروهای هیبریدی بدون نیاز به منبع شارژ خارجی، در اختیار همه کمپانی ها نبوده و بسیاری از خودروهای هیبریدی نیز به دلیل ضعف در الگوریتم کنترلی آن ها، دارای مشکلاتی در عملکرد خود هستند. اما در این میان، تویوتا پیشگام ساخت خودروهای هیبریدی در جهان است و محصولات هیبریدی تویوتا، یکی از بهترین عملکرد ها را از خود نشان داده اند. خودروهای هیبریدی، در دو دسته هیبریدی و پلاگین هیبرید قرار دارند که در ادامه، ساختار فنی این دو مدل مختلف، بررسی خواهد شد. با ما همراه باشید.

اجزای تشکیل‌دهنده خودروهای هیبریدی

موتور بنزینی و موتور الکتریکی شاکله اصلی خودروهای هیبرید هستند که توسط ابزار جداساز توان، عملکرد آن ها با بالاترین بهره وری انرژی همراه است. سیستم هیبریدی تویوتا یکی از بهترین و پیچیده ترین مکانیزم ها را در دنیای خودروهای هیبریدی دارد.
هر یونیت با هدف خاصی در این مکانیزم پیشرفته طراحی شده است. در موتور احتراق، حداکثر بهره وری حرارتی موتور افزایش یافته است. بدین ترتیب مصرف سوخت و آلایندگی کاهش می یابد. موتور الکتریکی بکارگرفته شده، موتور کوچک و پر بازده است تا امکان دستیابی به شتابگیری نرم و روان را فراهم سازد. ژنراتور به عنوان عضوی مهم در خودروهای هیبریدی، با استفاده از انرژی دورانی موتور احتراق، باتری ها را شارژ کرده و انرژی موتور الکتریکی را تامین می نماید. این ژنراتور همچنین به عنوان استارتر موتور نقش آفرینی می کند تا بدین ترتیب استارت موتور احتراق با کمترین صدای ممکن و نرم انجام شود. دستگاه جداساز توان، از یک مکانیزم ترنس اکسل بهره می برد. ترنس اکسل مجموعه ای است که در آن، گیربکس، دیفرانسیل و محور اکسل در یک جا جمع شده است. این مجموعه در بین موتور احتراق، موتور الکتریکی و ژانراتور قرار میگیرد و بصورت لحظه ای، توان خروجی از موتور احتراق را بین ژانراتور و محور چرخ ها بر اساس شرایط رانندگی جدا می نماید. بدین معنی که در شرایطی که راننده تمایلی به شتاب گیری ندارد، بخشی از توان خروجی موتور به ژنراتور و با هدف شارژ باتری ها منتقل می شود و در شرایط رانندگی پرفشار، سهم ژنراتور از توان خروجی موتور احتراق کاهش می یابد. واحد کنترل توان، در واقع مغز سیستم هیبریدی است. این سیستم جریان برق را با هدف تامین میزان مورد نیاز برای هر واحد کنترل می کند. مجموعه باتری ها، انرژی تولید شده توسط ژنراتور را در خود ذخیره می نماید. در این دسته از خودروهای هیبریدی، نیازی به تامین توان از خارج از خودرو، از قبیل شارژ ها و یا ایستگاه های شارژ وجود ندارد. این باتری ها نیازی به تعویض های دوره ای ندارند و از دوام بالایی برخوردارند.

خودروهای هیبریدی چگونه عمل می کنند؟

در شرایطی که خودرو در توقف کامل است، تمامی موتورها خاموش هستند. بدین ترتیب مصرف سوخت ناشی از کارکرد موتور در شرایط درجا حذف می شود. هنگامی که خودرو شروع به حرکت می کند، موتور الکتریکی به سرعت و آرام وارد مدار می شود. در سرعت های پایین، موتور الکتریکی مسیولیت تامین توان حرکتی خودرو را عهده دار است و بدین تریب مصرف سوخت خودرو کاهش می یابد. در صورت شتابگیری و افزایش سرعت، موتور احتراق در بهترین راندمان کارکرد خود به همراه موتور الکتریکی، توان مورد نیاز خودرو را تامین می کند. بدین ترتیب حتی در این شرایط نیز مصرف سوخت خودرو کاهش می یابد. ضمن آن که در همین شرایط، باتری های موتور الکتریکی توسط موتور احتراق شارژ می شود تا بهره وری انرژی افزایش یابد. درزمان ترمز گیری و کاهش سرعت، چرخ ها باعث ایجاد چرخش موتور الکتریکی می شوند و در این شرایط، موتور الکتریکی تبدیل به ژنراتور می شود، تا به ذخیره سازی انرژی در باتری ها کمک بیشتر کند. در سیستم پیشرانه هیبریدی، موتور احتراق همواره در دورهایی که بالاترین بهره وری انرژی را دارد باقی می ماند. هم چنین انرژی تلف شده در ترمز ها، بر خلاف خودروهای با موتور فسیلی، در اینجا تبدیل به انرژی ذخیره سازی شده در باتری ها می شود. به جرات می توان گفت، که سیستم هیبریدی مورد استفاده در محصولات تویوتا، یکی از پیشرفته ترین مکانیزم ها را داشته و منجر به عملکرد مناسب محصولات هیبریدی این کمپانی علی الخصوص تویوتا پریوس شده است. به همین جهت در دنیای خودرو، پریوس، نماد خودروهای هیبریدی و پرفروش ترین خودرو در بازار هیبریدی هاست. در قسمت بعد نحوه کارکرد خودروهای پلاگین هیبرید بررسی خواهد شد. با ما همراه باشید.

خودرو های پلاگین هیبرید چگونه کار می کنند؟

اما در خودروهای پلاگین هیبرید تویوتا، انرژی الکتریکی مورد نیاز خودرو، توسط یک منبع خارجی مانند ایستگاه های شارژ تامین می شود. این انرژی جهت تامین توان خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. مشابه با خودروهای هیبریدی غیر پلاگین، در هنگام سکون، هیچ یک از موتورهای خودرو روشن نیست و بدین ترتیب مصرف سوخت در شرایط کارکرد درجای موتور منتفی میشود. همچنین هنگامی که خودرو شروع به حرکت می کند، موتور الکتریکی به سرعت و آرام وارد مدار می شود. در سرعت های پایین موتور الکتریکی وظیفه تامین توان خودرو را بر عهده دارد و در این شرایط بنزینی مصرف نمی شود. تا اینجا همه چیز مشابه با خودروهای هیبرید است. اما تفاوت در اینجا آغاز می شود. در صورت شتابگیری و افزایش سرعت، موتور احتراق وارد مدار می شود. اما در این جا موتور احتراق تنها انرژی مورد نیاز موتور الکتریکی را تامین می کند تا موتور الکتریکی با توان بالاتری کار کند. بدین ترتیب حتی در سرعت های بالاتر نیز تنها موتور الکتریکی تامین توان حرکتی حرکتی خودرو را عهده دار است. در صورتی که توان مورد نیاز بیش از این باشد، در این مرحله موتور احتراق نیز در بهترین دورموتور خود، وارد مدار شده وتوان حرکتی خودرو توسط هر دو موتور تامین می شود. بدین ترتیب، در بالاترین سرعت و توان مصرفی نیز، کارکرد خودرو با مصرف سوخت کمتر خواهد بود. مشابه با خودروهای هیبریدی درزمان ترمز گیری و کاهش سرعت، چرخ ها باعث ایجاد چرخش موتور الکتریکی می شوند و در این شرایط، موتور الکتریکی تبدیل به ژنراتور می شود، تا به ذخیره سازی انرژی در باتری ها کمک بیشتر کند. بدین ترتیب در خودروهای پلاگین هیبرید، توان تولیدی موتور احتراق در باتری های ذخیره نمی شود و باتری ها تنها توسط شارژر خارجی و انرژی اتلافی ترمز شارژ خواهند شد. این مسیله باعث ساده تر شدن ساختار فنی خودروهای پلاگین هیبرید نسبت به خودروهای هیبریدی می شود. وجود موتور احتراق در کنار موتور برقی، تضمین کننده پیمایش طولانی مدت خودرو بدون نگرانی از بابت کمبود شارژ باتری هاست.

در خودروهای هیبریدی و برقی، انرژی اتلافی ترمز چگونه در باتری های ذخیره می شود؟

برای پاسخ بدین سوال، نخست باید به این موضوع توجه داشت که موتورها و ژنراتور های الکتریکی دقیقا ساختاری یکسان دارند. با این تفاوت که در موتور، انرژی برق به انرژِی مکانیکی تبدیل می شود و در ژنراتور توان مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. جهت توضیح بیشتر، ترمزهای دارای بازیاب انرژی کمپانی بوش بررسی می شود. در خودروهای معمولی، انرژی ترمز از طریق اصطکاک به حرارت تبدیل می شود و بلا استفاده باقی می ماند. در خودروهای هیبرید و برقی به دلیل وجود موتور الکتریکی این انرژی می تواند ذخیره سازی شود. هر زمان که راننده پای خودرا برپدال ترمز بفشارد، موتور الکتریکی به ژنراتور الکتریکی سوییچ کرده و چرخ ها، توان حرکتی خود را از طریق سیستم انتقال قدرت، به ژنراتور منتقل می کنند. در اثر چرخش ایجاد شده در ژنراتور، این انرژی به انرژی برق تبدیل می شود و در باتری ها ذخیره می شود. به دلیل تبدیل انرژی حرکتی به الکتریکی، ژنراتور خود به عنوان ترمز خودرو عمل می کند ودیگر نیازی به ترمز های اصطکاکی خودرو وجود ندارد.
اما در سرعت های پایین، مانند زمانی که راننده قصد توقف خودرو را دارد، گشتاور منتقل شده از چرخ ها به ژنراتور کاهش می یابد و نیروی ترمز ژنراتور توان توقف خودرو را پیدا نمی کند. در این شرایط ضروریست تا ترمز های اصطکاکی خودرو فعال شود. با ادامه کاهش سرعت، بطور پیوسته تقسیم توان ترمز بین ژنراتور و ترمز اصطکاکی اصلاح می شود. به این مکانیزم تورک بلندیگ یا بالانس ترکیب گشتاور گفته می شود. در شرایط غیر پایدار و یا ترمز های ناگهانی، خودرو به کمک ترمز های اصطکاکس متوقف می شود تا ایمنی سرنشینان تضمین شود. ترمزهای بازیاب، باعث افزایش برد پیمایشی خودرو، کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه ای می شود.