تولد خودروهای پاک
امروزه آلودگی هوا به یکی از مهم ترین مشکلات موجود در دنیا تبدیل شده است. آلودگی یکی از اصلی ترین عوامل بوجود آورنده انواع بیماریها است و منابع انتشار مختلفی دارد. یکی از بزرگترین عوامل انتشار آلایندگیها در شهرها خودروها و موتور سیکلتها هستند. در شهرهای پر جمعیت که تعداد اتومبیلها و موتور سیکلتها بیشتر است. از این رو استفاده از تکنولوژی خودروهای هیبریدی و برقی یکی از راه های مقابله با این دست آلودگیها است.
آلودگی ناشی از این منابع آلایندگی متحرک بیشتر به چشم میخورد. این عاملهای انتشار آلایندگی یا باید حذف میشدند یا باید چارهای برای کاهش آلایندگی ناشی از آنها اندیشیده میشد. با توجه به اینکه امکان حذف وسایل نقلیه نیست، برای کاهش آلایندگی تولیدی اقداماتی صورت گرفت. که از جمله آنها میتوان به استفاده از فیلترهای مختلف در اگزوز اتومبیلها و استفاده از تکنولوژیهای مختلف برای احتراق پاک سوخت در موتور خودرو اشاره کرد.
اما این اقدامات کافی نبود، در این مرحله نظریه استفاده از منبع قدرتی به غیر از موتورهای احتراق داخلی مطرح شد و خودروهای برقی بوجود آمدند. در واقع در این خودروها از برق به عنوان منبع انرژی استفاده میشود. اما فرآیند تولید برق نیز هوا و به طور کلی محیط زیست را آلوده میکند. اما نیروگاهها معمولا در خارج شهر قرار دارند و باعث آلودگی شهرها نخواهند شد.
خودروهای برقی
تکنولوژی خودروهای هیبریدی و برقی از باتری بهره میگیرند و یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی باتری را به انرژی لازم برای حرکت چرخهای اتومبیل تبدیل میکند و خودرو به صورت کاملا پاک حرکت میکند. خودروهای برقی در واقع همان خودروهای احتراق داخلی هستند که با موتورشان با یک موتور الکتریکی جایگزین شده است، منبع انرژی الکتریکی در این خودروها میتواند باتری، پیل سوختی و ابر خازن باشد. سیستم محرکه در این خودروها از سه قسمت تشکیل شده است:
1- پیشران الکتریکی؛ شامل کنترلر خودرو، مبدل الکتریکی قدرت، موتور الکتریکی و انتقال دهنده قدرت مکانیکی.
2- منبع انرژی؛ شامل منبع انرژی، واحد کنترل انرژی، واحد شارژ مجدد منبع انرژی.
3- تجهیزات کمکی؛ شامل واحد فرمان برقی، واحد تهویه مطبوع برقی و واحد تامین توان کمکی.
چیدمان سیستم محرکه این خودروها در 5 حالت زیر امکان پذیر است:
- در این چیدمان فقط موتور احتراق داخلی با یک موتور الکتریکی جایگزین شده است.
- از یک موتور الکتریکی که دارای توان ثابت است و یک جفت چرخدنده ثابت میتوان به جای جعبه دنده چند سرعته استفاده کرد و دیگر از کلاچ استفاده نکرد. در این مدل وزن سیستم انتقال قدرت کاهش مییابد و دیگر احتیاجی به تعویض دنده نیست.
- مشابه حالت قبل است اما موتور الکتریکی و جعبه دنده و دیفرانسیل به صورت سر هم قرار میگیرند. دو سر این مجموعه مستقیما به دو چرخ جلو وصل میشوند.
- در مدل دیگر دیفرانسیل حذف شده و از دو موتور مجزا برای هر چرخ استفاده میشود و وقتی خودرو در مسیر منحنی حرکت میکند، دو موتور مذکور با دور متفاوت عمل میکنند.
- جهت ساده سازی میتوان هرچه بیشتر میتوان موتور پیشران را درون چرخ قرار داد. به چنین چیدمانی درون چرخ یا in-wheel میگویند. در این چیدمان از یک مجموعه چرخدنده سیارهای باریک جهت کاهش دور موتور و افزایش گشتاور استفاده میشود.
- در نهایت میتوان همهی واسطههای بین موتور الکتریکی و چرخ را حذف کرد و شفت خروجی موتور الکتریکی را مستقیما به چرخ متصل کرد. موتور الکتریکی مورد استفاده در این حالت باید گشتاور بالایی داشته باشد تا بتواند خودرو را از حالت ایستاده حرکت دهد.
اما اکثر این خودروها نمیتوانستند مسافت زیادی را با یک بار شارژ باتری طی کنند. همچنین زمان شارژ کردن باتری بسیار طولانی بود و زیرساخت های لازم نیز فراهم نبود. بنابراین یک منبع قدرت دیگری لازم بود که هم پاک باشد و هم مشکلات شارژ خودروهای برقی را نداشته باشد. پس خودروهای هیبرید متولد شدند.
تکنولوژی خودروهای هیبریدی
تکنولوژی خودروهای هیبریدی همانطور که از نامشان پیداست با دو یا چند منبع انرژی کار میکنند که معمولا با همان دو منبع کار میکنند. زیرا تعداد زیاد منابع انرژی باعث پیچیدگی بسیار زیاد سیستم تولید توان میشود. در خودروهای هیبریدی یک موتور احتراق داخلی در کنار یک موتور الکتریکی کار میکند و با کمک هم انرژی لازم برای حرکت خودرو را تامین میکنند.
نحوۀ قرار گیری این دو موتور برقی و احتراق داخلی در کنار یکدیگر در مدلهای مختلف متفاوت است. اما میتوان گفت در همۀ مدلها موتور احتراق داخلی به موتور الکتریکی و باتری اضافه شد. در این صورت راننده هیچ وقت نگران پایان یافتن شارژ اتومبیلش نخواهد بود.
ساختار خودروهای هیبریدی
به طور کلی در خودروهای هیبریدی یک موتور الکتریکی وجود دارد که انرژی الکتریکی خود را از باتری میگیرد. در طرف دیگر یک موتور احتراق داخلی کوچک قرار دارد که یا مستقیما انرژی سر چرخها را تامین میکند، یا باتری را توسط یک ژنراتور شارژ میکند. در هر دو حالت این امکان را بوجود میآورد که نگران توقف خودرو ناشی از پایان یافتن شارژ باتری نباشیم.
تکنولوژی خودروهای هیبریدی را از لحاظ نحوۀ اتصال و قرار گیری موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی، به سه دستۀ موازی، سری و سری-موازی تقسیم بندی کرد. (یک مدل پیچیده نیز مطرح است که مورد بحث ما نیست). در واقع در تکنولوژی خودروهای هیبریدی یک نیروی الکتریکی و یک نیروی مکانیکی وجود دارد که باید با یکدیگر ترکیب شوند. این ترکیب توسط سیستم کوپلینگ صورت میگیرد. بنابراین نوع کوپلینگ تعیین کننده نوع سیستم تولید توان خودروهای هیبریدی است.
برای اطلاعات بیشتر در زمینه سیستم خنک کننده باتری خودرو های هیبریدی و برقی به مقاله لینک شده مراجعه کنید.
هیبرید سری
همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید در مدل سری خودروهای هیبریدی، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. انرژی مکانیکی تولیدی موتور احتراق داخلی توسط یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل شده. سپس توسط یک کوپلینگ الکتریکی با انرژی حاصل از باتری جمع میشود. در نهایت موتور الکتریکی تغذیه شده و چرخهای اتومبیل را میچرخاند.
پیداست که سیستم این نوع از خودروهای هیبریدی ساده است. از موتور احتراق داخلی به صورت مستقیم برای به حرکت انداختن چرخها استفاده نمیشود. از این بابت هیبرید سری را هیبرید پاک نیز میخوانند. اما در این مدلها باتری بزرگتر و گرانتر از مدلهای دیگر است. همچنین از یک ژنراتور قوی نیز استفاده شده که قیمت این سری از تکنولوژی خودروهای هیبریدی را بالا برده است. در مدل سری ارتباط مکانیکی بین موتور احتراقی و چرخها نیست و میتواند در نقطه از منحنی گشتاور-سرعت خود عمل کند. پس در نتیجه میتواند در ناحیه ماکزیمم بازده خود عمل کند.
در این مدل موتور الکتریکی به صورت ژنراتور نیز استفاده شود که در ترمز احیا کننده به کار میآید. این سیستم محرکه نیازمند شارژ باتری به صورت خارجی از طریق دوشاخه یا داخلی از طریق ژنراتور است. در واقع سیستم سری از یک خودروی تمام برقی استخراج شده است که به آن یک موتور احتراق داخلی اضافه شده است تا بتواند مسافت بیشتری را طی کند. این مدل نیز به یک کنترلر نیاز دارد تا با توجه به فرمان شتاب و ترمز راننده سیستم (موتور احتراق داخلی و کوپلر الکتریکی) را کنترل کند. با استفاده از این کنترلر گشتاور پیشران و ترمز بازیاب در یکی از مودهای زیر ارائه میشود:
1- مود پیشران کامل الکتریکی: موتور احتراقی خاموش و خودرو فقط توسط باتریهایش حرکت میکند.
2- مود پیشران کامل احتراقی: نیروی پیشران از طریق موتور احتراق داخلی و ژنراتور تامین میشود و باتریها هیچگونه تبادل انرژی ندارند.
3- مود پیش رانش هیبرید: توان حرکت هم از موتور و هم از باتریها تامین میشود و در کوپلینگ الکتریکی با هم جمع میشوند.
4- مود پیشرانش احتراق داخلی به همراه شارژ باتری: موتور احتراق داخلی با ژنراتور عمل کرده و رانش و شارژ باتری را به صورت همزمان انجام میدهد.
5- موتور الکتریکی/ژنراتور خاموش شده و موتور احتراق داخلی فقط به شارژ باتری میپردازد.
6- مود هیبرید شارژ باتری: موتور/ژنراتور و موتور احتراق داخلی هر دو در جهت شارژ باتری عمل میکنند.
هیبرید موازی
در این مدل از هیبریدها موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی هر دو در حرکت چرخها نقش مستقیم دارند. به این صورت که در موتور احتراق داخلی سوخت سوخته میشود و انرژی مکانیکی تولید میکند. از طرف دیگر انرژی الکتریکی جاری شده از باتری موتور الکتریکی را راه میاندازد و انرژی مکانیکی تولید میشود. این دو انرژی مکانیکی در یک کوپلینگ مکانیکی با یکدیگر جمع شده و نیروی سر چرخها را تامین میکنند. بدیهی است باتری در مدل موازی کوچکتر از مدل سری است. بنابراین هم زودتر شارژ میشوند و هم قیمت کمتری دارند. در تکنولوژی خودروهای هیبریدی موازی در سرعتهای پایین فقط موتور الکتریکی کار میکند. بنابراین این خودروها برای استفاده شهری بسار مناسب هستند.
از مزایا و معایب این سیستم هیبرید موازی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
1- موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی به صورت مستقیم نیروی حرکت چرخها را تامین میکنند و افت انرژی ای ناشی از تبدیل انرژی رخ نمیدهد.
2- با توجه به اینکه که به ژنراتور نیازی نیست اندازه این سیستم کوچک است.
3- با توجه به اینکه کوپلینگ این سیستم مکانیکی است ناحیه عملکردی موتور احتراقی را نمیتوان به یک بازه کوچک بهینه کرد. در این سیستم با توجه به اینکه توان برابر است با حاصلضرب سرعت زاویهای در گشتاور، میتوان از یکی از دو نوع کوپلینگ گشتاور و سرعت استفاده کرد. در کوپلینگ گشتاور موتور احتراقی و موتور الکتریکی به صورت مستقل با هم عمل میکنند. در صورتی که به دلیل قیود بقای توان سرعتها نمیتوانند مستقل از یکدیگر باشند. (این حالت در کوپلینگ سرعت کاملا برعکس است)
4- ساختار و کنترل این مدل نسبت به مدل سری پیچیدهتر است.
هیبرید سری-موازی
این مدل هیبرید همانطور که از نامش پیداست ترکیبی از هیبرید سری و موازی است و میتوان گفت مزایای هر دو مدل را دارد. در این مدل از دو کوپلینگ برقی و مکانیکی در کنار یکدیگر استفاده میشود. در مدل سری-موازی، کنترل سیستم بسیار مهم است و باید با توجه به مدل رانندگی تعیین شود که از کدام سیستم (سری یا موازی) استفاده شود.
برای مثال زمانی که سرعت اتومبیل کم است یا ایستاده، موتور احتراق داخلی خاموش شده و اتومبیل فقط با موتور الکتریکی کار میکند. اما زمانی که راننده توان بیشتری طلب میکند موتور احتراق داخلی نیز وارد عمل میشود. در این مدل مودهای عملکردی بیشتری داریم و به همین نسبت سیستم پیچیدگی و قیمت بیشتری دارد.
هیبرید Plug-in
در این مدل از خودروها، موتور احتراق داخلی به عنوان عامل کمکی ایفای نقش میکند، به صورتی که فقط زمانی که شارژ باتری تمام شود موتور احتراقی شروع به کار میکند. در این مدلها از باتریهای بزرگ با ظرفیت ذخیره انرژی بالا استفاده میشود. بنابراین میتوان در مسیرهای کوتاه شهری فقط از باتری استفاده کرد و کاملا پاک حرکت کرد. البته این خودروها نیاز به ایستگاههای شارژ باتری دارند که زیر ساختاش در این فراهم نشده است. البته فرآیند شارژ کردن، با برق شهری و در خانه نیز میتواند انجام پذیرد.
ترمز احیا کننده
برای اینکه حداکثر بازدهی را داشته باشیم لازم است از اتلاف نیرو تا حد امکان جلوگیری کنیم. بیشترین اتلاف انرژی در ترمز رخ میدهد زمانی که برای کاهش سرعت یا ایست کامل باید انرژی تولیدی توسط موتور احتراقی و الکتریکی را در ترمز به انرژی گرمایی بی فایده تبدیل کنیم. بنابراین برای بازیابی این انرژی به نسبت بزرگ سیستمی طراحی شده است.
این سیستم ترمز احیا کننده (Regenerative braking system) است. هنگامی که راننده پدال ترمز را فشار میدهد موتور الکتریکی موجود در سیستم تولید توان تبدیل به یک ژنراتور میشود. با گرفتن انرژی مکانیکی چرخها شفت خود را میچرخاند و انرژی الکتریکی تولید کرده و باتری را شارژ میکند. به این صورت است که در تکنولوژی خودروهای هیبریدی، انرژی گرمایی ناشی از اصطکاک در هنگام ترمز گیری به انرژی الکتریکی برای شارژ باتری تبدیل میشود. شایان ذکر است ترمز احیا کننده باید در کنار ترمز معمولی استفاده شود که در ترمزهای شدید از ترمز معمولی استفاده شود.
با توجه به آلودگی هوا به یکی از مهم ترین مشکلات موجود در دنیا تبدیل شده است. ممنون بابت مقاله جامعتون
محمدی عزیز ممنون که نظرتون را با ما در مین گذاشتین.