هر آنچه لازم است در مورد خودرو برقی و هیبریدی بدانید؟

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 خودرو برقی و هیبریدی 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.

نمودار رشد وسایل هیبریدی

خودروهای برقی

خودرو­های 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.

خودروهای برقی

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.
دیاگرام انرژی در خودروهای برقی

اما اکثر این خودرو­ها نمی­‌توانستند مسافت زیادی را با یک بار شارژ باتری طی کنند. همچنین زمان شارژ کردن باتری بسیار طولانی بود و زیرساخت­های 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.

خودروهای هیبریدی

خودرو­های هیبرید 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.

خودروهای هیبریدی

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.

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 خودروی 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.

دیاگرام انرژی در خودروهای هیبریدی

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 هیبریدها 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.

دیاگرام انرژی در خودروهای هیبریدی سری

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 خودرو­های هیبرید موازی در سرعت­‌های پایین فقط موتور الکتریکی کار می‌­کند. بنابراین این خودرو­ها برای استفاده شهری بسار مناسب هستند.

دیاگرام انرژی در خودروهای هیبریدی موازی

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.

خودروهای Plug-in

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 (Regnerative 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 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.

در مقاله بعد راجب سیستم خنک کاری باتری خودروهای برقی و هیبریدی خواهید خواند.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا