همکاری نیروی الکتریکی با نیروی احتراق‌داخلی
اقتصاد ایران: امروزه یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل در صنعت خودروسازی، مصرف سوخت و میزان آلایندگی‌هایی است که ماحصل فرآیند احتراق موتورهای درون‌سوز است. از این رو، استفاده کمتر از سوخت‌های فسیلی و کاهش آلایندگی‌های زیست‌محیطی که در اثر گازهای خروجی از اگزوز خودروها به‌وجود می‌آید، مهم‌ترین هدف خودروسازان است. بر این اساس استفاده از انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر همواره مورد نظر مهندسان خودروساز بوده است.
ﺑﻪ ﮔﺰارش ﺧﺒﺮﮔﺰاری اﻗﺘﺼﺎداﯾﺮان
با ورود انرژی الکتریکی به صنعت‌خودرو، دنیای پرهیجان چهارچرخ‌ها به‌شکل فزاینده‌ای متحول شد. پیشرانه‌های هیبریدی و الکتریکی سبب کاهش مصرف سوخت و کاهش گازهای آلاینده شده و باعث شده دیگر خودرو و نیروی پیشران آن برای حرکت تابعی از سوخت‌های فسیلی نباشد و شاهد محیط‌زیستی پاک و عاری از آلاینده‌های مخرب باشیم. بیش از دو دهه است که کمپانی‌های مطرح خودروسازی با سرمایه‌گذاری و به‌کارگیری نیروی کار خود بر این مولفه متمرکز شده‌اند. به جرأت می‌توان گفت هر ساله شاهد ارائه فناوری‌های جدید و پیشرفته‌ای در این راستا هستیم. در این مطلب به‌بررسی پیشرانه‌ها و خودروهای هیبرید و انواع آن که در سبد محصولات جدید خودروسازان مطرح مورد استفاده قرار گرفته، خواهیم پرداخت.
نگاهی به سرگذشت هیبریدی‌ها
سرآغاز هیبرید به‌سال ۱۸۸۹ مربوط می‌شود. اولین طرح هیبریدی با ترکیب یک پیشرانه بنزینی و الکتریکی توسط ویلیام ایچ پاتون William H. Patton ارائه شد. وی به‌دنبال راهی برای ابداع یک موتور گازی-الکتریکی بود که به‌دلیل مشکلات بسیار و استفاده از باتری‌های سربی، تنها در یک لوکومتیو از آن استفاده شد. سال ۱۸۹۶ هری ای دی Harry E.Dey در کمپانی حمل‌ونقل آرمسترانگ بریج‌پورت پیشرانه‌ای به‌همین ترتیب ساخت؛ اما به‌دلیل وزن بالای پیشرانه بنزینی، راندمان بسیار پایین موتور الکتریکی و عدم کنترل گشتاور این طرح نیز موفقیت‌آمیز نبود.
چهار سال بعد فردیناند پورشه توانست یک طرح هیبریدی که ترکیبی از موتور الکتریکی و بنزینی کوچک بود را روی یکی از محصولات کمپانی Lohner-Werke نصب کند که می‌توان گفت نخستین طرح ایده‌آل برای یک محصول هیبریدی بود. اما پیشینه هیبرید به‌سال ۱۹۰۵ بازمی‌گردد که توسط یک مهندس مکانیک به نام هنری پیپر Henri Pieper مطرح و ثبت اختراع آن از سازمان ثبت تجاری و اختراعات آلمان دریافت شد.
خودرو هیبریدی که پیپر توانست بسازد، با یک موتور الکتریکی توانایی حرکت تا سرعت ۲۵ کیلومتر برساعت را داشت و حدود ۶۰۰ دستگاه از آن ساخته شد. البته به‌دلیل پیشرفت سریع موتورهای احتراق‌داخلی، از هیبریدها استقبال نشد تا این‌که از اوایل دهه ۷۰ میلادی این پیشرانه‌ها بار دیگر مورد توجه خودروسازان مطرحی چون فیات، اوپل، آئودی و آلفارومئو قرار گرفت که پیشرفته‌ترین آن‌ها در دهه ۹۰ میلادی تویوتا پریوس بود. امروزه شاهد فراگیری این پیشرانه‌ها در تمامی کمپانی‌های خودروساز هستیم.
ساختار هیبرید
همان‌طور که از نام خودروهای هیبرید بر می‌آید Hybrid به‌معنی دوگانه یا دورگه بودن خودرو است. یک خودرو هیبرید از دو قسمت اصلی تشکیل شده که یکی پیشرانه دورن‌سوز (بنزینی، گازی، دیزلی یا هیدروژنی) و دیگری یک موتور الکتریکی است. در واقع موتور درون‌سوز می‌تواند یک تولیدکننده جریان الکتریکی باشد و بخش دیگر که موتور الکتریکی است، به‌عنوان قوای محرکه‌ای با انرژی الکتریکی شناخته می‌شود. موتور الکتریکی باید منبعی برای راه‌اندازی و تامین انرژی داشته باشد که این منبع، باتری‌های لیتیوم-یونی، نیکل متال هیدرید و اسید سربی هستند.
هرچند که در خودروهای پیشرفته از لیتیوم-یون و نیکل متال هیدرید بیشتر استفاده می‌شود؛ اما مهندسان الکترونیک به‌دنبال طراحی و ساخت باتری‌های کربنی هستند تا ظرفیت و بهره‌وری از انرژی الکتریکی بهبود پیدا کند. در خودروهای هیبرید همچنان سیستم انتقال قدرت (گیربکس و مجموعه دیفرانسیل پنیون و کرانویل) به‌همراه سیستم سوخت‌رسانی که مجموعه‌ای از قوای محرکه هستند، باقی مانده است.
انواع هیبریدها
خودروهای هیبریدی بر اساس نحوه اتصال اجزا، باتوجه به شکل پیکربرندی و ساختار به چند دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند که در ادامه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.
هیبرید متوسط (Mild Hybrid)
هیبرید متوسط یا Mild hybrid یکی از انواع هیبریدهاست که اخیرا شاهد پیشرفت این سیستم از سوی بزرگ‌ترین تولیدکننده قطعات الکترونیکی یعنی بوش هستیم. هیبرید متوسط دسته‌ای از هیبریدهاست که مجهز به‌سیستم ۴۸ ولتی است و ساختاری مشابه هیبریدهای کامل داشته و از یک باتری کامپکت (اغلب از جنس لیتیوم-یونی) بهره می‌گیرد. از طرفی این سیستم دارای یک موتور الکتریکی متناسب برای رفع نیازهای حرکتی است.
دو مقوله موتور الکتریکی و باتری جزو ویژگی‌های بسیار مهم در ساختار یک خودرو هیبرید هستند. در هیبریدهای متوسط Mild Hybrid از باتری کامپکت و موتور الکتریکی به‌طور مثال ۲۰ کیلوواتی استفاده می‌شود.
عملکرد هیبریدهای متوسط بر این اساس است که پس از حرکت خودرو و رسیدن خودرو به شتاب ثابت (پس از حرکت خودرو، شتاب دیگر بی‌معنا می‌شود و این پارامتر سرعت است که متغیر می‌باشد) در زمان سبقت‌گیری یا در زمانی که نیاز به گشتاور باشد، با اعمال گشتاور مثبت به‌مدار، نیازهای لحظه‌ای حرکتی مرتفع می‌شود.
استفاده از این سیستم مصرف سوخت را کاهش داده و منجر به‌شتاب‌گیری‌های قوی‌تر می‌شود. مرسدس‌بنز E۴۵۰، ب‌ام‌و ۳۳۰e و ولوو T۸ XC۶۰ از این سیستم بهره می‌برند. این سیستم سبب افزایش توان و گشتاور موتور و کاهش مصرف سوخت و کاهش تولید گازهای آلاینده خروجی می‌شود.
هیبرید کامل (Full Hybrid)
در سیستم‌های هیبرید کامل سه دسته پیشرانه می‌توانند نیروی پیشران حرکت را از تلفیق نیروی الکتریکی و موتور احتراق داخلی به‌وجود آورند و یا توانایی حرکت کامل الکتریکی را نیز داشته باشند. سه ساختار برای چنین پیکربندی وجود دارد. اولین دسته، هیبرید سری است. این مدل یک واحد تولیدکننده جریان الکتریکی دارد که از قابلیت تولید انرژی الکتریکی برخوردار است.
این واحد با استفاده از یک موتور احتراق‌داخلی، باعث به‌گردش درآمدن یک ژنراتور و تولید جریان الکتریکی می‌شود و در نهایت این انرژی الکتریکی تولیدشده در باتری ذخیره می‌شود. انرژی الکتریکی ذخیره‌شده در باتری‌ها برای به‌گردش در آوردن یک موتور الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و این موتور الکتریکی واحد مولد قدرت خودرو است که گشتاور تولیدشده در آن از طریق سیستم انتقال قدرت به‌چرخ‌ها منتقل می‌شود.
از آن‌جا که نحوه ارتباط واحد تولیدکننده جریان الکتریکی، باتری، موتور الکتریکی و سیستم انتقال قدرت به‌صورت سری است، این مدل موسوم به هیبرید سری است. اما دسته دوم، هیبرید موازی است. در این حالت واحد تولیدکننده جریان الکتریکی (ژنراتور) وجود ندارد و قدرت تولیدشده توسط موتور درون‌سوز IC به‌صورت مستقیم باعث به گردش درآمدن موتور الکتریکی می‌شود. در ادامه این قدرت از طریق سیستم انتقال قدرت به‌چرخ‌ها می‌رسد. در این مدل از هیبریدی‌ها، قدرت الکتریکی که توسط باتری تامین می‌شود، به‌صورت موازی با موتور احتراق اصلی است.
در شرایط عادی، قدرت مورد نیاز خودرو توسط موتور اصلی تامین شده و فقط در شرایطی چون حالت‌های شتاب‌گیری در سربالایی‌ها که نیاز به‌قدرت بیشتری وجود دارد، انرژی الکتریکی به‌عنوان کمک‌کننده به‌موتور اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. خودروهای هیوندای سوناتا هیبرید، تویوتا کمری و لکسوس NX۳۰۰h به این سیستم مجهز هستند. دسته سوم دارای هر دو سیستم سری و موازی بوده و متناسب با شرایط مختلف از هر یک از این سیستم‌ها بهره می‌برد.
به‌عنوان مثال هنگامی که خودرو در داخل شهر حرکت می‌کند و نیاز به‌قدرت کمی وجود دارد می‌توان از سیستم الکتریکی به‌تنهایی استفاده کرد. اما هنگام تردد خودرو در خارج شهر، پیشرانه درون‌سوز مورد استفاده قرار می‌گیرد. به‌کارگیری هم‌زمان هر دو سیستم نیز در مواقع شتاب‌گیری و مواردی که نیاز به‌قدرت زیادی باشد، امکان‌پذیر است.
خودرو مجهز به این سیستم عبارت است از تویوتا پریوس که شاید بتواند تا دو کیلومتر به‌صورت تمام‌الکتریکی حرکت کند؛ اما شیب‌روی، استارت، سبقت و شتاب‌گیری لحظه‌ای را می‌تواند به‌صورت تمام‌الکتریکی انجام دهد. همچنین دسته‌ای دیگر نیز وجود دارند که شارژ باتری لیتیوم-یونی یا نیکل متال هیدرید آن‌ها از منبع خارجی (پریز برق شهری AC) انجام می‌شود. این خودروها موسوم به پلاگین-هیبرید PHEV هستند که در دو دسته موازی یا سری-موازی قرار می‌گیرند.
عوامل موثر در پیشرانه‌های هیبرید
در خودروهای هیبرید ظرفیت و توان باتری و از همه مهم‌تر موتور الکتریکی اهمیت دارد. این نکته را در نظر داشته باشید که برخلاف تصور، سیستمی که تبدیل‌کننده جریان DC به‌جریان AC است و به‌نام اینورتر Inverter شناخته می‌شود، وظیفه تبدل DC جریان مستقیم به جریان پله‌ای را نیز برعهده دارد.
نباید فراموش کرد که نمودار عملکرد موتورهای الکتریکی پله‌ای است و ظرفیت باتری از دو کیلووات-ساعت تا ۱۰۰ کیلووات-ساعت (بسته به‌نوع خودرو و پیمایش حرکتی) متفاوت است. هزینه ساخت باتری هر کیلووات-ساعت ۲۰۰ دلار محاسبه می‌شود و برای واحد پردازش و کنترل آن نیز ۱۰۰دلار هزینه محاسبه می‌شود. از این رو، کمپانی‌های خودروسازی به‌دنبال استفاده از باتری‌هایی با ظرفیت‌هایی متناسب با شرایط حرکتی خودرو و استفاده از آن هستند که معمولا برای هیبریدها از باتری‌ها تا ۵ کیلووات-ساعت استفاده می‌شود.
نقاط قوت و ضعف هیبریدها
از مزایای خودروهای هیبرید می‌توان به مصرف سوخت پایین‌تر، کاهش آلاینده‌های خروجی و امکان استفاده از خودرو در مسافت‌های طولانی‌تر و برد بیشتر اشاره کرد. اما وزن بیشتر خودرو به‌دلیل افزایش تعداد سیستم‌ها، کنترل و کالیبراسیون بسیار پیچیده، افزایش قسمت‌های مکانیکی و هزینه نگهداری بالا پس از کارکرد طولانی، از نقاط ضعف هیبریدها هستند. باید به این نکته توجه کرد که آینده صنعت‌خودرو در جهان و خاورمیانه (به‌ویژه کشورمان) در گرو استفاده گسترده از خودروهای هیبریدی است.
کدام گزینه مناسب‌تر است؟
این روزها سیستم ۴۸ ولتی هیبرید متوسط Mild Hybrid به‌واسطه هوشمندسازی فراگیر شده است. هیبریدهای متوسط با توجه به‌نمودار بهره‌وری برحسب زمان و سرعت، حد وسط شیب نمودار هستند؛ که این حد وسط به‌معنی استفاده بهینه از سوخت، افزایش توان و شتاب‌گیری سریع است.
در محصولات جدید مرسدس‌بنز مانند GLE۴۵۰ EQ، E۵۳ AMG و محصولات ب‌ام‌و مانند ۵۳۰e، X۵ ۴۵e و محصولات ولوو همچون XC۶۰ از این سیستم استفاده می‌شود. اما بهترین مدل هیبرید Full Hybrid است که بهترین مدل آن سری-موازی است؛ زیرا شیب‌روی و شتاب‌گیری آن کاملا الکتریکی بوده و در زمان نیاز سیستم الکتریکی وارد مدار می‌شود و بهترین کمک پیشرانه درون‌سوز خواهد بود. هیوندای آیونیک، تویوتا پریوس و شورولت ولت از نظر مصرف سوخت در بهترین حالت ممکن قرار دارند.