به گزارش قطعات خودرو به نقل از «اخبار خودرو»،امروزه یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل در صنعت‌خودرو، مصرف سوخت و به‌همان میزان آلایندگی‌هایی است که ماحصل فرآیند احتراق موتورهای درون‌سوز است. بنابراین دو موضوع استفاده کمتر از سوخت‌های فسیلی و کاهش آلایندگی‌های زیست‌محیطی که در اثر گازهای خروجی از موتور خودرو به‌وجود می‌آید، از مهم‌ترین اهداف خودروسازان است. بر این اساس استفاده از انرژی پاک و تجدیدپذیر همواره مورد نظر مهندسان خودروساز بوده است و با ورود انرژی الکتریکی به صنعت‌خودرو، دنیای پرهیجان چهارچرخ‌ها به‌شکل فزاینده‌ای متحول شد.
دو گزینه هیبرید و الکتریکی دقیقا همان عواملی هستند که سبب کاهش مصرف سوخت و تولید کمتر گازهای آلاینده می‌شوند تا دیگر خودرو و نیروی پیشران آن برای حرکت، تابعی از سوخت‌های فسیلی نباشد. از طرفی به‌کمک این دو گزینه شاهد محیط زیستی پاک و عاری از آلاینده‌های مخرب نیز هستیم. بیش از دو دهه است که کمپانی‌های مطرح خودروسازی با سرمایه‌گذاری و به‌کارگیری نیروی کار خود بر این دو گزینه متمرکز شده‌اند و به‌جرأت می‌توان گفت هرساله شاهد خلق فناوری‌های جدید و پیشرفته‌تری در این زمینه هستیم. در این مطلب به‌بررسی خودروهای هیبرید و انواع آن که در محصولات جدید خودروسازان مطرح مورد استفاده قرار گرفته، خواهیم پرداخت.
نگاهی به سرگذشت هیبرید
سرآغاز هیبرید به‌سال 1889 مربوط می‌شود و نخستین طرح هیبرید با ترکیب یک پیشرانه بنزینی و الکتریکی، توسط ویلیام ایچ پاتون (William H. Patton) مطرح شد. وی به‌دنبال راهی برای تولید یک موتور گازی-الکتریکی بود و منبع انرژی موتور الکتریکی توسط باتری‌های سربی تامین می‌شد که به‌دلیل مشکلاتی، از این موتور تنها در یک لوکوموتیو استفاده شد.
درسال 1896 هری ای دی (Harry E.Dey) در کمپانی حمل‌ونقل آرمسترانگ بریج‌پورت، یک موتور هیبرید ساخت؛ اما به‌دلیل وزن بالای پیشرانه بنزینی، راندمان بسیار پایین موتور الکتریکی و عدم کنترل گشتاور، این طرح نیز موفقیت‌آمیز نبود. چهار سال بعد، فردیناند پورشه توانست یک طرح هیبرید که ترکیبی از موتور الکتریکی و بنزینی کوچک بود را روی یکی از محصولات کمپانی Lohner-Werke نصب کند و می‌توان گفت نخستین طرح ایده‌آل برای یک محصول هیبرید بود.
اما پیشینه هیبرید به‌سال 1905 بازمی‌گردد که توسط یک مهندس مکانیک به‌نام هنری پیپر (Henri Pieper) مطرح و ثبت اختراع آن از سازمان ثبت تجاری و اختراعات آلمان دریافت شد. خودرو هیبرید که پیپر توانست آن را بسازد، با یک موتور الکتریکی توانایی حرکت تا سرعت 25 کیلومتر برساعت را داشت و حدود 600 دستگاه از آن هم ساخته شد. اما به‌دلیل پیشرفت سریع موتورهای احتراق‌داخلی، از هیبریدها استقبال چندانی نشد تا این‌که از اوایل دهه 70 میلادی بار دیگر مورد توجه خودروسازان مطرحی چون فیات، اوپل، آئودی و آلفارومئو قرار گرفت. پیشرفته‌ترین این پیشرانه‌ها در دهه 90 میلادی تویوتا پریوس بود. امروزه شاهد فراگیری این تکنولوژی درتمام کمپانی‌های خودروساز هستیم.
ساختار هیبرید
همان‌طور که از نام خودروهای هیبرید برمی‌آید Hybrid به‌معنی دوگانه یا دورگه بودن خودرو است. به‌بیان دیگر یک خودرو هیبرید از دو قسمت اصلی تشکیل شده که یکی پیشرانه دورن‌سوز (بنزینی، گازی، دیزلی یا هیدروژنی) و دیگری یک موتور الکتریکی است. درواقع موتور درون‌سوز می‌تواند یک تولیدکننده جریان الکتریکی باشد و دربخش دیگر که موتور الکتریکی قرار دارد، قوای محرکه‌ای با انرژی الکتریکی وجود دارد.
موتور الکتریکی باید منبعی برای راه‌اندازی خود و تامین انرژی داشته باشد؛ باتری‌هایی که درخودروهای هیبرید و الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند این وظیفه را برعهده دارند. بارزترین و کاربردی‌ترین باتری‌ها سه نوع لیتیوم-یونی، نیکل متال هیدرید و اسید سربی هستند. هرچند که در خودروهای پیشرفته از لیتیوم-یون و نیکل متال هیدرید بیشتر استفاده می‌شود. مهندسان الکترونیک به‌دنبال طراحی و ساخت باتری‌های کربنی هستند تا میزان ظرفیت و بهره‌وری از انرژی الکتریکی را بهبود بخشند. در خودروهای هیبرید همچنان سیستم انتقال قدرت (گیربکس و مجموعه دیفرانسیل پنیون و کرانویل) به‌همراه سیستم سوخت‌رسانی که مجموعه‌ای از قوای محرکه هستند، باقی مانده است.
انواع هیبریدها
خودروهای هیبرید براساس نحوه اتصال اجزا و باتوجه به‌شکل پیکره‌بندی و ساختارشان به‌چهار دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند.
هیبرید متوسط Mild Hybrid
اخیرا شاهد پیشرفت بسیار زیاد این سیستم از سوی بزرگ‌ترین تولیدکننده قطعات الکترونیکی یعنی بوش هستیم. هیبریدهای متوسط دسته‌ای از هیبریدها هستند که مجهز به‌سیستم 48 ولتی هستند و ساختاری مشابه هیبریدهای کامل دارد و از یک باتری کامپکت (اغلب از جنس لیتیوم-یونی) بهره می‌گیرند.
از طرفی آن‌ها دارای یک موتور الکتریکی متناسب برای رفع نیازهای حرکتی خود هستند. از آن‌جا که دو مقوله موتور الکتریکی و باتری جزو پارامترهای بسیار مهم در ساختار یک خودرو هیبرید هستند، در هیبریدهای متوسط (Mild Hybrid) از باتری کامپکت و موتور الکتریکی به‌طور مثال 20 کیلوواتی استفاده می‌شود.
عملکرد هیبریدهای متوسط بر این اساس است که پس از حرکت و ایجاد شتاب ثابت برای خودرو (پس از حرکت خودرو، شتاب دیگر بی‌معنا می‌شود و این پارامتر سرعت است که متغیر است) در زمان سبقت‌گیری یا در زمانی که نیاز به‌گشتاور باشد، با اعمال گشتاور مثبت به‌مدار می‌توان نیازهای لحظه‌ای حرکتی را مرتفع کرد. استفاده از این سیستم مصرف سوخت را کاهش داده و منجر
به‌شتاب‌گیری‌های قوی‌تر نیز می‌شود. در مرسدس‌بنز E300 e یا ب‌ام‌و 330e یا ولوو XC60، تنها به‌منظور افزایش توان و گشتاور موتور و اغلب کاهش مصرف سوخت و گازهای آلاینده خروجی، از این نوع هیبرید استفاده می‌شود.
هیبرید کامل (Full Hybrid)
هیبرید کامل می‌تواند نیروی پیشران حرکت را از تلفیق نیروی الکتریکی و موتور احتراق داخلی به‌وجود آورد و توانایی حرکت کامل الکتریکی را نیز دارد. سه ساختار برای چنین پیکره‌بندی وجود دارد و نخستین دسته هیبرید سری است.
این مدل یک واحد تولیدکننده جریان الکتریکی دارد که قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارد. این واحد با استفاده از یک موتور احتراق داخلی، سبب به‌گردش درآمدن یک ژنراتور و تولید جریان الکتریکی می‌شود و درنهایت این انرژی الکتریکی تولیدشده در باتری‌ها ذخیره می‌شود.
انرژی الکتریکی ذخیره‌شده در باتری‌ها برای به‌گردش در آوردن یک موتور الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و این موتور الکتریکی واحد مولد قدرت خودرو است که گشتاور تولیدشده در آن از طریق سیستم انتقال قدرت به‌چرخ‌ها منتقل می‌شود. از آن‌جا که نحوه ارتباط واحد تولیدکننده جریان الکتریکی، باتری، موتور الکتریکی و سیستم انتقال قدرت به‌صورت سری است، این مدل موسوم به‌هیبرید سری است.
اما دسته دوم هیبرید موازی نام دارد که در این حالت، واحد تولیدکننده جریان الکتریکی (ژنراتور) وجود ندارد و قدرت تولیدشده توسط موتور درون‌سوز IC به‌صورت مستقیم سبب به‌گردش درآمدن موتور الکتریکی می‌شود. در ادامه این قدرت از طریق سیستم انتقال قدرت به‌چرخ‌ها می‌رسد و در این مدل از هیبریدها، قدرت الکتریکی که توسط باتری تامین می‌شود، به‌صورت موازی با موتور احتراق اصلی است.
به‌طوری که درشرایط عادی، قدرت مورد نیاز خودرو توسط موتور اصلی تامین و فقط در شرایطی چون حالت‌های شتاب‌گیری در سربالایی‌ها که نیاز به‌قدرت بیشتری وجود دارد، انرژی الکتریکی نیز به‌عنوان کمک‌کننده به‌موتور اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همانند هیوندای سوناتای هیبرید، تویوتا کمری و لکسوس NX300h. دسته سوم دارای هر دو سیستم سری و موازی هستند؛ به‌طوری که متناسب با شرایط مختلف می‌توانند از هر یک از این سیستم‌ها استفاده کنند.
به‌عنوان مثال هنگامی که خودرو در داخل شهر حرکت می‌کند و مساله آلایندگی محیط‌زیست از اهمیت بیشتری برخوردار می‌شود، از سیستم الکتریکی به‌تنهایی استفاده کرده و آن هنگام که خودرو درحال تردد در خارج شهر باشد، پیشرانه درون‌سوز مورد استفاده قرار می‌گیرد. حتی به‌کارگیری هم‌زمان هر دو سیستم درمواقع شتاب‌گیری و مواردی که نیاز به‌قدرت بیشتر باشد نیز امکان‌پذیر است. همانند تویوتا پریوس که می‌تواند شیب‌روی، استارت، سبقت و شتاب‌گیری لحظه‌ای را به‌صورت تمام‌الکتریکی انجام دهد.
همچنین دسته دیگری نیز وجود دارند که شارژ باتری لیتیوم-یونی یا نیکل متال هیدرید آن‌ها از منبع خارجی (اتصال به‌پریز برق شهری AC) تامین می‌شود که موسوم به پلاگین-هیبرید PHEV هستند که می‌توانند در دو دسته موازی یا سری-موازی قرار گیرند.
موارد مهم کدامند؟
در خودروهای هیبرید ظرفیت و توان باتری و از همه مهم‌تر موتور الکتریکی مهم است. همچنین این نکته را در نظر داشته باشید سیستمی که تبدیل‌کننده جریان DC به‌جریان AC است که اینورتر (Inverter ) نامیده می‌شود، وظیفه تبدل DC جریان مستقیم به‌جریان پله‌ای را برعهده دارد؛ زیرا نمودار عملکرد موتورهای الکتریکی پله‌ای است. هزینه ساخت باتری هر یک کیلووات-ساعت 200 دلار محاسبه می‌شود و برای واحد پردازش و کنترل آن نیز 100 دلار باید در نظر گرفت که درمجموع برای هر یک کیلووات-ساعت 300 دلار محاسبه می‌شود. به‌همین دلیل کمپانی‌های خودروسازی به‌دنبال باتری‌هایی با ظرفیت مناسب و با شرایط حرکتی خودرو هستند که معمولا برای هیبریدها از باتری‌های تا 5 کیلووات-ساعت استفاده می‌شود.
نقاط قوت و ضعف هیبریدها
از مزایای خودروهای هیبرید می‌توان به‌مصرف سوخت پایین‌تر، کاهش آلاینده‌های خروجی کمتر و برد بیشتر اشاره کرد. اما وزن بیشتر این خودروها به‌دلیل افزایش تعداد مولفه‌های سیستم، کنترل پیچیده، کالیبراسیون بسیار پیچیده و افزایش قسمت‌های مکانیکی از نقاط ضعف این خودروهاست. همچنین هزینه نگهداری بالا پس از مدت طولانی، از دیگر نقاط ضعف هیبریدها به‌شمار می‌رود.
کدام‌یک مناسب‌تر است؟
این روزها سیستم 48 ولتی هیبرید متوسط (Mild Hybrid) به‌واسطه هوشمندسازی بسیار فراگیر شده است. زیرا هیبریدهای متوسط با توجه به‌نمودار بهره‌وری بر حسب تایم و سرعت، حد وسط شیب نمودار هستند که این حد وسط به‌معنی مصرف سوخت بهینه، افزایش توان و شتاب‌گیری سریع است. درمحصولات جدید مرسدس‌بنز مانند GLE450 EQ، E53 AMG و محصولات ب‌ام‌و 530e، X5 45e و محصولات ولوو چون XC60 از این سیستم استفاده می‌شود.
اما بهترین مدل هیبرید Full Hybrid است که بهترین مدل آن نیز سری-موازی است؛ زیرا توان پیمایش به‌صورت الکتریکی، شیب‌روی و شتاب‌گیری کاملا الکتریکی را ایجاد کرده و در زمان نیاز وارد مدار می‌شود. هیوندای آیونیک، تویوتا پریوس و شورولت ولت نمودار بهره‌وری برحسب تایم و سرعت را در بهترین حالت ایجاد کرده و از نظر مصرف سوخت در بهترین حالت ممکن قرار دارند.
