آشنایی با ماشین های هیبریدی و stop-start
هروسیله‌ای که از ادغام دو یا چند پیشرانه انتقال نیرو که به‌طور مستقیم یا غیر مستقیم به سیستم انتقال قدرت وابسته است “ماشین هیبریدی” نامیده می‌شود. بیشتر خودرو های هیبریدی تولیدی تا به حال ترکیبی از نوع موتورهای بنزینی الکتریکی هستند، اگرچه بعضی خودرو ها مانند پژو سیتروئن، از نوع دیزل الکتریکی هستند.
آنچه در این مقاله خواهید خواند:
- ماشین هیبریدی چگونه کار می‌کند؟
- ماشین هیبریدی چه ویژگی‌های دارد؟
- خودرو های stop-start چگونه کار می‌کنند؟
- قابلیت انرژی بازیافتی در ماشین هیبریدی چگونه است؟
- منظور از دستیار انرژی در ماشین هیبریدی چیست؟
- خودرو هیبریدی در حالت الکتریکی خالص چگونه عمل می‌کند؟
- کارکرد ماشین هیبریدی plug-in چگونه است؟
- سیستم‌های انتقال قدرت در ماشین هیبریدی
ماشین هیبریدی چگونه کار می‌کند؟
موتور بنزینی این خودرو ها شباهت زیادی به موتور بنزینی معمولی دارد، اما این موتور کوچک ترو با تکنولوژی بالاتری تولید می‌شود که باعث کاهش آلودگی و افزایش کارایی می‌گردد. موتور الکتریکی هم به‌عنوان یک موتور، قابلیت کارایی دارد و هم به‌عنوان ژنراتور. زمانی که به این موتور نیاز است، موتور با استفاده از باتری ها شتاب می‌گیرد و زمانی که نیازی وجود ندارد (مثلاً در سرازیری‌ها)، موتور به عنوان ژنراتور، نیرو را به باتری منتقل می‌کند. باتری ماشین ها وسیله ذخیره انرژی برای موتور هستند، این موتورها علاوه بر انتقال نیرو از باتری به موتور، می‌توانند انرژی را به باتری برگردانند.
ماشین هیبریدی چه ویژگی‌های دارد؟
خودرو های هیبریدی دارای ۵ ویژگی هستند:
- قابلیت Idle-off (خودرو های stop-start)
- استفاده از انرژی بازیافتی از ترمزها
- دستیار انرژی همراه با کوچک‌سازی موتور (خودروی هیبریدی دارای درجه mild تا این مرحله)
- رانندگی در حالت الکتریکی خالص (خودروی هیبریدی در درجه full تا این مرحله)
- استفاده از انرژی الکتریکی و باتری (خودرو های هیبریدی plug-in تا این مرحله که نیازمند برق شهر برای شارژ هستند)
قابلیت Idle-off چیست؟
این حالت مثل خاموش شدن چراغ یخچال بعد از بستن درب یخچال است؛ یعنی خودرو در زمان توقف خاموش می‌شود و در زمان نیاز در مدت کمی به مدار برمی‌گردد و دوباره روشن می‌شود.
خودرو های stop-start چگونه کار می‌کنند؟
۱.راننده می‌تواند با گرفتن کلاچ و خلاص کردن دنده و سپس گرفتن پدال ترمز، خودرو را متوقف کند. واحد مدیریت Idle-off به محض اطلاع از توقف کامل و رسیدن سرعت خودرو به صفر، فرمان خاموش کردن موتور را به ECU می‌دهد.
۲.واحد ECU با پردازش دقیق پارامترهای موجود، برق موتور و سیستم سوخت‌رسانی را قطع و موتور خاموش می‌شود.
۳.با گرفتن کلاچ و درگیری دنده، واحد Idle-off شروع حرکت را تشخیص داده و اطلاعات را به ECU منتقل می‌کند و با پردازش اطلاعات به استارت، فرمان روشن کردن موتور داده می‌شود.
با وجود سیستم Idle-off و گیربکس اتوماتیک، ترمزگیری قبل از توقف کامل منجر به خاموش شدن موتور می‌شود و با برداشتن پا از پدال ترمز(در برخی از خودروها با چرخاندن فرمان) موتور مجدداً استارت می‌خورد و زمانی که فرد پای خود را روی پدال گاز فشار دهد، ماشین شتاب می‌گیرد.
در جعبه دنده‌های دستی، خلاص کردن دنده و رها کردن پدال کلاچ منجر به خاموش شدن موتور می‌شود. گرفتن کلاچ منجر به استارت مجدد شده و با جا زدن دنده، خودرو آماده حرکت می‌شود.
قابلیت انرژی بازیافتی در ماشین هیبریدی چگونه است؟
در ماشین های معمولی انرژی جنبشی با ترمز گرفتن به حرارت تبدیل می‌شود. در ترمز بازیافتی در حقیقت از یک موتور الکتریکی برای ترمز کردن به جای اصطکاک استفاده می‌گردد، یعنی موتور الکتریکی در نقش ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی را بازیابی و پس از تبدیل آن (تبدیل انرژی مکانیکی چرخ‌ها به انرژی الکتریکی)، آن‌ها را در باتری ذخیره می‌کند. این انرژی ذخیره شده به خودرو کمک می‌کند که بتواند انرژی جنبشی تولید کند، اما به دلیل آن که مقدار انرژی بازیافتی کم است، امکان قطع موتور مکانیکی (احتراق داخلی) وجود ندارد.
منظور از دستیار انرژی در ماشین هیبریدی چیست؟
خودرو فقط زمانی می‌تواند از موتور الکتریکی استفاده کند که دارای ظرفیت بالا باشد. علاوه بر این باتری هم باید ظرفیت بالایی داشته باشد تا موتور الکتریکی بتواند به خودرو شتاب دهد. در این حالت سیستم “دستیار” استفاده از موتور مکانیکی را به حداقل می‌رساند تا بازیابی به‌طور کامل عمل کند. خودرو های دارای ۳ سیستم فوق به درجه هیبریدی Mild می‌رسند (مثلا خودرو های سیویک و آکورد هوندا).
خودرو هیبریدی در حالت الکتریکی خالص چگونه عمل می‌کند؟
در این تکنولوژی، خودرو در هنگام حرکت می‌تواند تنها از نیروی موتور الکتریکی استفاده کند، که درجه هیبریدی این خودروها full می باشد (مانند تویوتا پریوس یا فورد اسکیپ). در این حالت از انرژی موجود در باتری استفاده شده و موتور مکانیکی خاموش می‌شود. در سرعت‌های پایین و در شروع حرکت، موتور الکتریکی وارد عمل می‌شود (حداکثر تا ۶۰ کیلومتر بر ساعت) و در سرعت‌های بالا، موتور مکانیکی وارد مدار می‌شود.
کارکرد ماشین هیبریدی plug-in چگونه است؟
در این نوع خودرو ها، استفاده از موتور الکتریکی با توان بالا به وسیله شارژ باتری ها از طریق اتصال به برق شهر (plug-in) انجام می‌شود. این درجه از هیبرید‌سازی، نیاز به باتری های بزرگ و گران‌قیمت (از نوع Li-ion) و موتور الکتریکی با توان بالا و حجم بزرگ می‌باشد.
سیستم‌های انتقال قدرت در ماشین هیبریدی
ماشین هیبریدی، دارای یکی از سیستم انتقال قدرت زیر است:
- سیستم سری
- سیستم موازی
- سیستم سری موازی
۱.سیستم انتقال قدرت سری
در این نوع خودرو ها، موتور الکتریکی به تنهایی مسئول تولید نیروی کششی در خودرو است که نیروی خود را هم از باتری های شارژ شده توسط موتور مکانیکی می گیرد و هم به‌طور مستقیم از ژنراتور (که آن هم به وسیله موتور مکانیکی حرکت می‌کند). سیستم کنترل مشخص می‌کند که چه مقدار توان باید از باتری، موتور و یا ژنراتور گرفته شود. موتور،ژنراتورها و ترمزهای بازیافت، وظیفه شارژ باتری را به عهده دارند.
در این نوع ماشین‌ها، از موتور احتراقی کوچک استفاده می‌شود، چون بار اصلی انرژی حرکتی در جاده بر دوش موتور الکتریکی است. اما در عوض از باتری هایی با ظرفیت بالا نسبت به ماشین‌های نو موازی استفاده می‌شود. البته قیمت آن گران‌تر نیز است. به دلیل آن که موتور مکانیکی کوچک است، به چرخ متصل نیست و توان ثابت و پایداری دارد و در حالت بهینه کار می‌کند. در این صورت نیازی به سیستم جعبه‌دنده چند سرعته و کلاج ندارد. این موتورها بیشتر برای خودرو های شهری و اتوبوس‌ها مناسب هستند.
۲.سیستم انتقال قدرت موازی
در این خودروها، هم موتور الکتریکی و هم موتور مکانیکی به سیستم انتقال قدرت وصل هستند و سیستم ECU برنامه‌ریزی را انجام می‌دهد. در این سیستم‌ها از باتری های کوچک‌تر استفاده می‌شود و زمانی که نیازی شتاب زیادی نیست، موتور الکتریکی به‌عنوان ژنراتور، باتری ها را شارژ می‌کند؛ چون موتور مستقیماً به چرخ‌ها متصل است. اتلاف انرژی مکانیکی به الکتریکی و برعکس ناچیز است و عملکرد جاده‌ای خوبی در پی دارد. علاوه بر این سرعت نهایی زیادی دارد. البته این خودرو ها مناسب شهر نیستند.
۳. سیستم انتقال سری موازی
در این خودروها به‌صورت تلفیقی، از دو سیستم انتقال قدرت استفاده شده است که چرخ‌ها به‌طور مستقیم به موتور مکانیکی متصل است و می‌تواند غیر مستقیم هم وصل شود تا موتور الکتریکی به تنهایی خود را به حرکت درآورد (مثل تویوتا پریوس و فورد اسکیپ).
در این حالت موتور مکانیکی در حالت بهینه خود قرار دارد. در سرعت‌های پایین سیستم انتقال قدرت در حالت سری قرار دارد، در حالی که با افزایش سرعت، موتور مکانیکی وارد عمل شده و اتلاف انرژی کم می‌شود (رفتن از حالت سری به موازی). این سیستم نسبت به سیستم موازی گران‌تر است زیرا که نیاز بیشتری به باتری بزرگتر، ژنراتور و سیستم کنترلی دارد.