انواع سیستم های هیبریدی و اطلاعاتی در مورد انها و . . . .

برای ساختن یک خودروی هیبریدی الکتریکی-درونسوز، روشهای مختلفی وجود دارد.گوناگونی این طرح ها ناشی از نحوه اتصال موتور درونسوز و موتور الکتریکی و همچنین نحوه انتقال قدرت به چرخ ها است.

بیشتر هیبریدها، از سیستم احیای انرژی ترمز استفاده کرده و انرژی کاهش سرعت خودرو را در باطری ذخیره می کنند. این کار به وسیله موتوری صورت می گیرد که هنگام ترمز، به ژنراتور تبدیل می شود. بسیاری از خودروهای هیبریدی، با خاموش کردن موتور به هنگامی که نیازی به آن نیست، به کاهش مصرف سوخت کمک می کنند. از این روش در خودروهای غیر هیبریدی، نظیر سابورا مدل 1980 و فولکس واگن لوپو مدل 3 استفاده شده است. در سیستم های جانبی برای راه اندازی مکانیزم هایی که مستقیماً از موتور استفاده می کنند، نظیر کولر و... باید طراحی و ساخته شوند. با توجّه به اینکه سیستم روان کاری موتور در لحظه شروع روشن شدن، از کمترین بازدهی برخوردار است، این روش می تواند باعث صدمه زدن به موتور شده و از عمر مفید تجهیزات موتور بکاهد. چرخه روشن و خاموش شدن موتور، باعث جلوگیری از کار کردن آن در دمای بهینه و در نتیجه کاهش بازده موتور خواهدشد.

انواع سیستم های هیبریدی عبارتند از:

الف - سیستم هیبریدی سری

ب - سیستم هیبریدی موازی

ج - سیستم هیبریدی سری-موازی

سیستم هیبریدی سری

در یک سیستم سری، انرژی موتور درونسوز مستقیماً به چرخ ها منتقل نمی شود. این موتور، یک ژنراتور الکتریکی را تغذیه می کند و ژنراتور نیز یک موتور الکتریکی را به حرکت در می آورد که نبرو را به چرخ ها منتقل می سازد. این سیستم، بسیار شبیه به لوکوموتیوهای دیزلی- برقی است با این تفاوت که در موتورهای لوکوموتیو، توان اضافی در باطری ها ذخیره نمی شود. یک هیبرید سری، مشابه خودروی الکتریکی است که توسط یک واحد انرژی سوخت فسیلی تغذیه می شود. البته خودروی هیبریدی، این واحد تغذیه کننده را همراه خود حمل می کند.

انرژی الکتریکی از ژنراتور به موتورها یا موتوری منتقل که خودرو را به حرکت در می آورد. سپس، انرژی اضافه در باطری ها ذخیره می شود. وقتی به توان زیادی برای حرکت خودرو نیاز است، انرژی الکتریکی، هم از باطری ها و هم از ژنراتور به موتورها تغذیه می شود.

از آنجا که موتورهای الکتریکی با بازده بسیار بالاتر و در دامنه وسیعی از سرعت ها کار می کنند، این طراحی نیاز به سیستم پیچیده انتقال قدرت را از بین برده و یا کاهش می دهد. همچنین، سیستم موتور درونسوز همواره خود را در حالت سرعت بهینه نگه میدارد تا بازده حداکثر سوخت حاصل شود. در برخی خودروهای پروتوتایپ، روی هر چرخ یک موتور الکتریکی کوچک تمامی چرخ ها منتقل شده و نسبت تقسیم بهینه نیزحاصل می شود.

مزایای این نوع هیبرید، قابلیت انعطاف پذیری طرح به دلیل کاهش یا حذف ارتباط بین چرخ ها و موتور درونسوز است.

ضعف عمده هیبریدهای سری این است که علاوه بر موتورها، به ژنراتور نیز نیاز دارند. در سیستم موازی، موتورها و ژنراتور در هم ادغام شده اند. بازده ترکیبی موتور و ژنراتور، کمتر از سیستم انتقال قدرت متداول (گیربکس و...) است لذا احتمال دارد بهبود بازده حاصل شده در جایی دیگر از دست برود. نیروی منتقل شده به چرخ ها توسط موتورهای الکتریکی و با توان موتور درونسوز تأمین شود. با این وجود، خودروهای هیبریدی سری در مقایسه با خودروهای روشن – خاموش (موتورهایی که موتور آنها در سر پایینی خاموش می شود)، بازده بالاتری دارند. سیستم سری، مشابه خودروهای پیل سوختی است. با این تفاوت که در آن، پیل سوختی جای ژنراتور – موتور را گرفته است. استفاده از سیستم سری باعث خذف افت بازده ناشی از تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی می شود.

سیستم هیبریدی موازی

سیستم موازی که در حال حاضر بیشترین کاربرد را دارد، شامل موتور درونسوز و موتور الکتریکی است که هر دو به سیستم انتقال قدرت مکانیکی متصل هستند. این نوع خودروها را می توان بر اساس نحوه انتقال قدرت و اتصال سیستم الکتریکی به سیستم مکانیکی تقسیم بندی کرد. در مواردی موتور درونسوز،قسمت اصلی است و به عنوان توان اولیه مورد استفاده قرار می گیرد و ازموتور الکتریکی فقط زمانی استفاده می شود که به توان بالایی نیاز است.

در بعضی انواع دیگر، فقط از موتور الکتریکی به عنوان نیروی محرکه اصلی استفاده می شود.

بیشتر طرح های مربوطه از واحد بزرگی که حاوی ژنراتور و موتور الکتریکی است،استفاده می کنند.

این واحد معمولاً بین موتور درونسوز و اجزای انتقال قدرت (در محل فلایویل و به جای آن) قرار می گیرد. لذا می تواند به جای دینام و نیز استارت عمل کند. در این نوع خودروها، به یک بسته باطری بزرگ نیاز است تا ولتاژهای بالاتر از 120 ولت را تأمین کرده و انرژی اضافی تولید شده توسّط موتور درونسوز را ذخیره سازد. لوازم جانبی نظیر کولر، سیستم هیدرولیک فرمان و...، توسط موتور الکتریکی تغذیه می شوند به طوری که حتّی اگر موتور درونسوز خاموش باشد، به کار خود ادامه می دهند.این امر با تعدیل میزان انرژی الکتریکی بین سیستم های مختلف خود، باعث افزایش بازدۀ موتور می شود. این سیستم ها می توانند در زمان خاموش بودن موتور الکتریکی، کار کنند.

سیستم های موازی انواع مختلفی دارند که عبارتند از:
1- هیبرید کامل:

این سیستم که هیبرید قوی نیز نامیده می شود، می تواند از حالتهای کاملاً الکتریکی، کاملاً احتراقی و یا با نسبت های مختلفی از هر دو حالت، استفاده کند. تویوتا پریوس و فورد اسپیس، نمونه هایی از این نوع خودروها هستند و می توانند فقط با توان باطری ها حرکت کنند. یک بسته بزرگ از باطری های با ظرفیت بالا، برای عملکرد خودرو در حالت کاملاً الکتریکی، مورد نیاز است. این خودروها، مسیر انتقال قدرت جداگانه ای دارند که انعطاف پذیری بیشتری به نحوۀ استفاده از قدرت الکتریکی و موتور درونسوز می دهد. برای بالانس نیروها از هر قسمت، یک دیفرانسیل قبل از قوای محرّکه قرار داده شده است.

Hybrid Synergy Drive اصطلاحی است که شرکت تویوتا برای این سیستم به کار می برد که در تویوتا پریوس، تویوتا هایلندر اس.یو.وی و تویوتا کورولا مورد استفاده قرار گرفته است.

یک سیستم کامپیوتری، عملکرد کل سیستم را کنترل کرده و تعیین می کند که کدام قسمت باید کار کند و یا زمانی که هر دوسیستم کار می کنند، می توانند تشخیص دهد که آیا استفاده از موتور درونسوز لازم است یا خیر و احتمالاً آن را از مداز خارج و خاموش کند. حالت نرمال این سیستم، زمانی است که فقط از سیستم الکتریکی استفاده می شود تنها زمانی از سیستم احتراقی به تنهایی استفاده می شود که باطری ها در حال شارژ شدن باشند و یا لازم باشد از توان بالایی برای حرکت استفاده کرد. در خودروی پریوس، با استفاده از این سیستم و بهینه سازی موتور و همچنین اتاق آیرودینامیک، حدود 80 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی شده است.

2- سیستم هیبرید Input-plit :

تی.اچ.اس که بیشترین کاربرد تجاری را بین دیگر سیستم های هیبریدی را داشته و فقط از یک سیستم تقسیم قدرت استفاده می کند (یک سیستم چرخندۀ سه محوره)، این روش، باعث سادگی سیستم از نظر مکانیکی می شود، ولی دارای معایب خاصّ خود است، مثلاً حداکثر سرعت و حداکثر دور موتور الکتریکی محدود می شود. بازده انتقال قدرت نیز تا حدود زیادی به مقدار نیرویی بستگی دارد که از طریق موتور الکتریکی منتقل می شود، زیرا چندین تبدیل که هر کدام به تنهایی کامل نیستند، اتفاق می افتد و در نتیجه بازده کل، کمتر از 70 درصد می شود (بازده در سیستم کاملاً مکانیکی، حدود 98 درصد است). به ویژه در سرعت های بالای 120 کیلومتر در ساعت، بازده سیستم انتقال از بازده سیستم های متداول مکانیکی، کمتر می شود. نکتۀ مهم در این سیستم، عدم تطابق دقیق مقدار نیروی تأمین شده توسط موتور (یا دیگر منبع اصلی) با نیروی مورد نیاز راننده است که معمولاً بیشتر یا کمتر از مقدار مورد بحث خواهد بود زیرا ممکن است از یک موتور کوچک تر با قابلیت انعطاف پذیری کمتر به منظور استفاده از حداکثر بازده استفاده شده باشد. حتی ممکن است از موتورهای با چرخه های متفاوت با چرخۀ اتو، نظیر چرخۀ میلر یا آتیکینسون، استفاده شده باشد. مختلف بودن خصوصیات گشتاور موتور درونسوز نسبت به دور موتور الکتریکی، به صورت تقویت کنندۀ یکدیگر عمل می کنند. گشتاور موتور درونسوز در دورهای پایین، حداقل است. بنابراین، شتاب گیری بسیار بالا از حالت استارت در موتور درونسوز، زمانی اتفاق می افتد که توان آن بسیار بیشتر از موتور الکتریکی مورد نیاز برای حالت سرعت ثابت باشد. از سوی دیگر در موتورهای الکتریکی، حداکثر گشتاور در حداقل دور حاصل می شود. بنابراین، چنین موتوری برای جبران افت گشتاور موتور درونسوز در دور پایین، بسیار مناسب بوده و اجازه می دهد تا از موتور درونسوز کوچک تر با بازده سوخت بیشتر، استفاده کنیم.

3- سیستم Combined-plit :

شرکت های جنرال موتورز، بی.ام.و، و دایملر/ کرایسلر، در پروژه ای مشترک در زمینۀ ساخت سیستم معروف هیبریدی دو منظوره کار می کنند که نوعی سیستم هیبریدی کامل با افزایش بیشتر در بازده کل است. این تکنولوژی در سال 2008 در خودروی شورلت تاهو نصب خواهد شد. این سیستم در سال 2005، در خودروی جی.ام.سی مدل گرافیت، در نمایشگاه بین المللی خودروی آمریکای شمالی در دیترویت به نمایش در آمد. اختلاف اساسی این سیستم بامدل ، افزودن یک گیربکس اتوماتیک ثانویه و دو کلاچ است که می توانند به صورت یک کلاچ عمل کنند. این سیستم، خودرو را قادر می سازد تا نسبت های متفاوتی از انرژی الکتریکی و یا مکانیکی رامنتقل کند .

4- هیبرید کمکی Assist-Hybrid :

این سیستم، از موتور درونسوز به عنوان موتور اولیه استفاده می کند و همراه با یک موتور الکتریکی تقویت کننده گشتاور، به سیستم انتقال قدرت معمولی متصل می شود. موتور الکتریکی، در واقع موتور استارتر بزرگی است که از آن نه تنها در شروع حرکت بلکه هنگامیکه به توان بالایی نیاز است، استفاده می شود. خودروی هوندا از این طرح استفاده می کند. طراحی موتورهای درونسوز کوچک با بازده بالا، باعث اعتبار و شهرت این طرح شده است.

سیستم های هیبریدی کمکی، اساساً با سیستم فول هیبرید متفاوتند زیرا نمی توانند فقط توسط موتور الکتریکی کار کنند. به هر حال، با توجه به اینکه مقدار انرزی الکتریکی مورد نیاز بسیار کمتر است، اندازه باطری ها نیز کاهش پیدا کرده است.

مزدا،یکی از نمونه های این مدل است که در خودروی مزدا دمیو نصب و در ژاپن فروخته شده است. این خودرو با قوای محرکه جلو، یک موتور الکتریکی دارد که می تواند چرخ های عقب را در زمانی که به توان بیشتری نیاز است، به حرکت در آورد. این سیستم، نه تنها در تمامی دیگر حالات رانندگی به کار نمی آید بلکه بازده را بالا نبرده و از نظر اقتصادی نیز فاقد مزایایی ارزشمند است.

5- هیبرید سبک:

این نوع هیبریدها، در واقع خودرویی معمولی با موتور استارت بزرگترند که به خودرو درونسوز اجازه می دهند در سرازیری ها، هنگام توقف یا ترمز کردن، خاموش شده و به هنگام نیاز، به سرعت روشن شود. لوازم جانبی، نظیر کولر، فرمان هیدرولیک و ترمزها، می توانند از موتور الکتریکی تغذیه شوند. در بعضی از این خودروها، موتورهایی برای تبدیل انرژی ترمز گیری به انرژی الکتریکی ذخیره در باطری، تعبیه شده است. بسیاری، این نوع خودروها را هیبریدی نمی دانند زیرا به بازده بالای سوخت نرسیده اند. مثال بارز این خودروها خودروی شورلت سیلورادو مدل 2005 است که نوعی خودروی پیکاپ بزرگ تلقی می شود.

در این خودرو، مصرف سوخت نسبت به مدل معمولی، 10درصد بهبود یافته است (بوسیلۀ روشن و خاموش کردن) این خودروهای معمولاً از ولتاژ 48 برای استارت استفاده می کنند که این امر، افزایش تعداد لوازم برقی خودرو را به خوبی می کند.جنرال موتورز در کامیونت های پیکاپ وانت خود،از سیستم هیبرید همراه با سیستم استارت – دینام تسمه ای استفاده می کند که در خودروی اس.یو.وی ساتورن مدل 2006 نیز از آن استفاده شده است.

6- هیبرید شارژی Plug-In :

این سیستم، هیبریدی کامل است که صرفاً توسط موتور الکتریکی و یا موتور درونسوز کار کند، با این تفاوت که نیروی الکتریکی آن از برق شهر تأمین میشود و از باطریهای بزرگتری استفاده میکند. این خودروها هیبریدهای برق خانگی نیز نامیده می شود. فواید اصلی این سیستم امکان استفاده از آن برای مسافرت های روزانه درون شهری بدون استفاده از موتور درونسوز است. البته در مواردی نیز با استفاده از باطری های بسیار بزرگ، برای مسافرت های طولانی نیز کاربرد دارند. این مدل خودروها، می توانند چند سوخته باشند و از موتورهای دیزلی، پیل سوختی و هیدروژنی استفاده کنند.

بر اساس تحقیقات و پژوهش های انستیتو انرژی الکتریکی امریکا این خودروها هزینه های بسیار کمتری را به مالکین خود تحمیل می کنند زیرا هزینۀ سرویس آنها بسیار کاهش و بازده باطری های آن به شدّت افزایش یافته است. البته با توجه به اینکه برق امریکا بیشتر توسط ذغال سنگ و سوخت های فسیلی تأمین می شود، میزان آلودگی این خودروها با خودروهای هیبریدی بنزینی، برابری می کند. اولین نمونه این خودروها، در مرکز هیبرید پروفسور « اندی فرانک » ساخته شد و در خودروی تجاری رنو کانگو در سال 2003 روانۀ بازار شد. به تازگی شرکت دایملر/کرایسلر نیز مرسدس بنز مدل اسپرینتر را با هیبرید شارژی روانۀ بازار کرده است. مرکز ابتکارات خودروی کالیفرنیا، با افزودن 300 پوند باطری اسیدی-سربی به تویوتا پریوس، نمونۀ پریوس را با بازده سوخت دو برابر تویوتا پریوس معمولی، ساخته است. این خودرو، می تواند حدود 10 مایل را فقط با استفاده از توان الکتریکی بپیماید.

سیستم هیبریدی سری-موازی

خصوصیات سیستم هیبرید سری – موازی :

1- کاهش اتلاف انرژی:

در این خودروها سیستم بطور اتوماتیک در حالت (درجا) خاموش می شود و بدین ترتیب از به هدر رفتن انرژی در مکانهای دارای چراغ قرمز جلو گیری می شود. سیستم به محض فشردن کلاچ توسط راننده برای اقدام به حرکت، به طور اتوماتیک و بیصدا روشن میگردد.

2- ذخیره سازی و برگرداندن انرژی:

انرژیی که در هنگام شتاب منفی و ترمز گیری هدر می رود را به انرژی الکتریکی تبدیل نموده که می تواند در ترمز های خودروهای هیبریدی بازیافت شود.

3- کمک به کارکرد موتور احتراقی:

موتور الکتریکی در زمان شتاب گیری به کارکرد موتور احتراقی کمک می کند.

4- کارکرد با بازدهی بالا:

این سیستم با یک استراتژی کنترلی مناسب، بازدهی کلی خودرو را در تمام شرایط کاری در حالت بیشینه نگه می دارد؛ بدین صورت که موتور الکتریکی مانند یک جبران ساز در شرایطی که قدرت موتور احتراق داخلی کافی نیست وارد عمل می شود . در مواقعی که قدرت موتور احتراق داخلی بیشتر از نیاز خودرو است، انرژی مازاد در باطری ها ذخیره می شود.