انواع خودروهای هیبریدی و ساختار کلی آنها

یکی از شاخه‌های مهم تولید خودروها، خودرو  هیبریدی و الکتریکی است. خودروهای هیبریدی امروزه یکی از جایگزین‌های واقعی خودروهای با سوخت‌های فسیلی به شمار می‌رود در این مقاله به معرفی این خودروها پرداخته خواهد شد.
در مقاله انرژی‌های جایگزین، نشان داده شد که اقبال عمومی جهان به سمت استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر است و انرژی الکتریکی که از دیرباز به آن نیم‌نگاه وجود داشت از جمله انرژی‌های جایگزین است که شرکت‌های خودروساز نیز به آن توجه داشته‌اند.

خودرو هیبریدی چیست

همانطور که در مقاله خودروها با انرژی‌های جایگزین اشاره شد خودروهایی که علاوه بر استفاده از یک نوع سوخت فسیلی از انرژی الکتریکی به‌عنوان انرژی کمکی برای حرکت خودرو استفاده می‌کنند. خودروهای هیبریدی گفته می‌شود. این خودروها با علامت اختصاری HEV معرفی می‌شوند. در واقع  در این خودروها از یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی برای حرکت خودرو استفاده می‌شود.

انواع خودرو هیبریدی

به روش‌های مختلف می‌توان خودروهای هیبریدی را دسته‌بندی کرد شکل 1 روش دسته‌بندی این خودروها را نشان می‌دهد.

شکل 1- انواع روش دسته‌بندی خودروهای هیبرید

دسته‌بندی از نظر درجه یا درصد هیبریدی بود کمی عام‌تر و دسته‌بندی از نظر طراحی کمی خاص‌تر است.

دسته‌بندی خودروهای هیبریدی از نظر درصد هیبریدی

Micro hybrid

شاید قراردادن این دسته در خودروهای هیبریدی اشتباه باشد چون گروه بزرگی از خودروها را شامل می‌شود که از سیستم Start-Stop استفاده می‌کنند. خودروهایی که میکرو هیبرید نامیده می‌شوند از دو مرجع نیروده استفاده نمی‌کنند. در ایران اولین نمونه از این طرح در خودرو سمند استفاده شد و معروف به سمند میکرو هیبرید است. شکل 2 معرفی این خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 2- معرفی سامانه سمند میکرو هیبرید

Mild Hybrid

خودروهایی که در این دسته قرار می‌گیرند واقعاً هیبریدی به شمار می‌روند یعنی از دو واحد مجرا نیرو استفاده می‌کنند اما توانمندی‌های این خودروها در حداقل خودروهای هیبرید است. معمولاً از طراحی نوع موازی استفاده می‌کنند. معمولاً خودروهایی هیبریدی که تا سال 2010 تولید شده‌اند به‌احتمال زیاد در این دسته قرار می‌گیرید. شکل 3 نمونه‌ای از خودروهای در این دسته را نشان می‌دهد.

شکل 3- بیوک LaCrosse 2008

Full Hybrid

این دسته از خودروهای هیبریدی به معنی واقعی هیبریدی هستند. این خودروها میتوانند فقط با نیروی موتور احتراق داخلی و یا فقط با نیروی الکتریکی و یا ترکیبی از این دونیرو حرکت کنند. بیشتر خودروهای هیبریدی امروزی در این رده قرار می‌گیرند.

جدول شکل 4 مقایسه خودروهای هیبریدی را دیدگاه درصد هیبریدی بودن نشان می‌دهد.

شکل 4- جدول مقایسه خودروهای هیبریدی از نظر درصد هیبریدی بودن

دسته‌بندی خودروهای هیبریدی از نظر طراحی

روش موازی:

در این مدل طراحی یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی وجود دارد که به روش موازی به هم متصل شده و نیروی خود را به چرخ‌ها انتقال می‌دهند. باتوجه‌به پایین‌تر بودن سطح راندمان در این مدل نسبت به سایر روش‌ها بیشتر در خودروهای تا سال 2015 مشاهده می‌شوند.
باتوجه‌به محل نصب موتور و چرخ‌های متحرک چیدمان اتصال هیبریدی می‌تواند متفاوت باشد اما معمولاً از دو روش عمومی استفاده می‌شود. شکل 5 روشی در خودروهای موتور جلو و عقب محرک متداول است را نشان می‌دهد.

1- موتور احتراقی 2-کنترلر باتری 3- باتری 4-دیفرانسیل 5- جعبه‌دنده 6- کلاچ 7- موتور الکتریکی 8- باک
شکل 5- چیدمان خودرو هیبریدی از نوع موازی – محرک عقب

سیستم محرک عقب امروزه بیشتر در خودروها اسپورت مشاهده می‌شود. شکل 6 مجموعه موتور تا گیربکس یک خودرو هیبریدی محرک عقب را نشان می‌دهد.

شکل 6- مجموعه موتور احتراق داخلی + موتور الکتریکی+ گیربکس – نیسان

البته بیشتر خودروها سواری در رده متوسط از نوع محرک جلو هستند. این خودروها اگر هیبریدی باشند معمولاً از الگوی شکل 7 پیروی می‌کنند.

1- موتور احتراقی 2- کلاچ 3- باک سوخت 4- گیربکس 5- دیفرانسیل
6- موتور الکتریکی 7- کنترلر باتری 8-باتری
شکل 7- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع موازی – محرک جلو

همانطور که در شکل 6 و 7 مشاهده می‌شود واحد کلاچ نقش حیاتی در سیستم دارد. به‌طوری که می‌تواند انتقال نیرو از سمت موتور به سمت جعبه‌دنده هدایت کند و یا مسیر انتقال نیرو از موتور احتراقی را قطع کرده و فقط از طریق موتور الکتریکی گشتاور را به گیربکس منتقل کند

روش سری

نسل دوم خودروهای هیبریدی از روش سری برای انتقال گشتاور به موتور استفاده می‌کند. این روش بسیار ساده است. در واقع اینجا ارتباط بین موتور احتراقی و جعبه‌دنده کاملاً حذف می‌شود. شکل 8 این نمونه چیدمان رانشان می‌دهد.

1- باک سوخت 2- باتری 3- کنترلر باتری (کنترلر هیبریدی) 4- گیربکس 5- دیفرانسیل
6- موتور/ژنراتور 7-موتور احتراقی
شکل 8- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع سری

همانطور که در شکل 8 ملاحظه می‌شود موتور الکتریکی از طریق یک موتور/ژنراتور به واحد کنترلر باتری که در واقع همان واحد کنترلر سیستم هیبریدی است متصل می‌شود. در صورت شارژ بودن باتری موتور احتراقی خاموش است و انرژی از طریق باتری و واحد کنترلر به موتور/ژنراتور 2 رسیده و پس از عبور از گیربکس و دیفرانسیل به چرخ‌ها منتقل می‌شود. واحد کنترلر در صورت نیاز باتری، ابتدا با ارسال برف به موتور/ژنراتور 1، موتور احتراقی را روشن می‌کند و سپس با استفاده از همان موتور/ژنراتور گشتاور تولیدی برق تولیدی توسط واحد موتور ژنراتور را به باتری منتقل کرده. آن را شارژ می‌کند.

روش ترکیبی (سری موازی)

این نسل خودروهای هیبریدی، ارتقا یافته سیستم سری هستند. سیستم‌های سری موازی طوری طراحی شده‌اند که بتوانند از مزایای هر دو روش سری و موازی در لحظه مناسب استفاده کنند. شکل 9 چیدمان این نوع را نشان می‌دهد.

1- موتور احتراقی 2- باک سوخت 3- باتری 4- کنترلر باتری (هیبریدی) 5-گیربکس 6- دیفرانسیل
7-کلاچ 8- موتور/ژنراتور
شکل 9- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع سری – موازی

مزیت این ساختار در این است که در سرعت‌های پایین، مجموعه به‌صورت هیبریدی سری رفتار می‌کند و موتور را در کارآمدترین نقطه کار می‌کند. در سرعت بالای خودرو، کلاچ بسته می‌شود و موتور می‌تواند گشتاور را به چرخ محرکه منتقل کند، بنابراین پیشرانه به یک هیبریدی موازی تبدیل می‌شود.
نوع خاصی از هیبریدی سری که به نوع Power-Spit شناخته می‌شود در واقع به‌جای استفاده از یک ساختار ساده‌تر در کلاچ مجموعه از کلاچ و گیربکس خورشیدی با مدیریت الکترونیکی را جایگزین کرده است که در نتیجه راندمان خروجی را بالاتر می‌برد. شکل 10 این مدل را نشان می‌دهد.

1- موتور/ژنراتور 2- موتور احتراقی 3- مجموعه کنترلر و گیربکس خورشیدی 4- باک سوخت
5- گیربکس (در صورت نیاز) 6- دیفرانسیل 7- موتور/ژنراتور 8- باتری 9- کنترلر باتری
شکل 10- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع Power-Split

تقریباً بهترین مدل از خودروهای هیبریدی نوع اخیر است. بیشتر خودروهای 2016 به بعد عموماً از این روش استفاده کرده‌اند. البته شرکت تویوتا به‌عنوان شاخص‌ترین شرکت استفاده‌کننده از این روش است. شکل 11 خودرو تویوتا پریوس که از این ساختار استفاده کرده است را نشان می‌دهد.

شکل 11- مدل شاسی و تجهیزات مرتبط با هیبرید در تویوتا پریوس

1- موتور احتراقی 2- کنترلر باتری هیبریدی 3- گیربکس 4- باتری 5- موتور/ژنراتور 6- باک سوخت
شکل 12- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع مجزا

همانطور که در شکل 12 مشاهده می‌شود. در این نوع خودرو چهارچرخ محرک، چرخ‌های جلو از گشتاور موتور بنزینی و چرخ‌های عقب از نیروی باتری و موتور/ژنراتور تأمین می‌شود. البته واحد کنترلر باتری وظیفه بسیار مهم هماهنگی توان خروجی واحد موتور/ژنراتور را با سرعت و گشتاور چرخ‌های جلو بر عهده دارد. شکل 13 خودرو پژو 3008 را که از این الگو استفاده می‌کند نشان می‌دهد.

شکل 13- ساختار هیبریدی پژو 3008

آنچه در این مقاله آمد معرفی انواع خودروهای هیبریدی بود در مقاله‌های دیگر در مورد اجزا مهم و عملکرد و استراتژی‌های مختلف آن مطالبی ارائه خواهد شد.