ماشین هیبریدی یکی از پیچیدهترین و هوشمندترین سیستمهای پیشرانه در دنیای خودرو را دارد. هدف اصلی از طراحی خودرو هیبریدی، دستیابی به بیشترین کارایی و کمترین مصرف سوخت با ترکیب موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی است. برای فهم نحوه کار یک خودروی هیبریدی، لازم است اجزای مختلف آن، نحوه ارتباط این قطعات با یکدیگر و رفتار خودرو در شرایط مختلف رانندگی را بشناسیم. اگر کنجکاو هستید که ماشین هیبریدی چیست و چطور کار میکند، این مطلب را از دست ندهید.
ماشین هیبریدی چیست؟
اگر میخواهید از خودروهای بنزینی دل بکنید و تجربهای جدید داشته باشید، قبل از خرید خودرو حتما با مدلهای برقی و هیبریدی آشنا شوید. ماشین هیبریدی، خودرویی است که به طور همزمان از یک موتور احتراق داخلی (معمولا بنزینی) و یک موتور الکتریکی استفاده میکند. این دو موتور بسته به شرایط رانندگی، به صورت مستقل یا ترکیبی عمل میکنند. سامانه هیبریدی بهدنبال ایجاد راندمان ایدهآل و بهینهسازی مصرف سوخت است. بههمین دلیل، سیستم هیبریدی در سرعتهای پایین از موتور الکتریکی استفاده میکند و در سرعتهای بالا، موتور احتراق داخلی نقش پیشران را دارد. همچنین در شرایطی که خودرو نیاز به کار با حداکثر توان ممکن را دارد، معمولا دو موتور همزمان فعال میشوند.
تاریخچه خودروی هیبریدی
جالب است بدانید گامهای اولیه برای طراحی سیستم هیبریدی در صنعت خودروسازی در سالهای 1890 تا 1900 میلادی برداشته شد. فردیناند پورشه در سال 1899 سیستمی طراحی کرد که در آن یک موتور بنزینی کوچک به عنوان ژنراتور کار میکرد تا باتریها را شارژ کند. موتورهای الکتریکی نصب شده در چرخهای جلو، خودرو را حرکت میدادند. این خودرو در نمایشگاه جهانی پاریس در سال ۱۹۰۰ رونمایی شد.
ارزان بودن قیمت نفت در اوایل قرن 20 میلادی و بهای تمام شده قابل توجه ماشین هیبریدی موجب شد تا تولید این خودروها در نیمه نخست قرن بیستم رونق نگیرد. افزایش قیمت نفت در دهه 1970 و جدی شدن چالشهای محیط زیستی باعث شد تا بار دیگر ایده ماشین هیبریدی مورد توجه قرار بگیرد.
تویوتا پریوس اولین خودروی هیبریدی تولید انبوه جهان بود که در سال 1997 میلادی وارد بازار ژاپن شد. کمی بعد در سال 1999 هوندا اینسایت بهعنوان دومین ماشین هیبریدی با تولید انبوه رونمایی شد که هم سبکتر از تویوتا پریوس بود و هم مصرف سوخت پایینتری داشت.
با شروع قرن 21، بسیاری از خودروسازان مطرح جهان وارد حوزه تولید ماشین هیبریدی شدند. بهمرور زمان، فناوریهای بهکار رفته در ماشینهای هیبریدی نیز ارتقا یافتند. آمار دقیق از سهم خودروهای هیبریدی در بازار خودرو جهان وجود ندارد؛ اما براساس گزارش سازمان بینالمللی انرژی (IEA)، در سال 2024 خودروهای برقی و هیبریدی رویهمرفته حدود 30 درصد از کل فروش خودروهای جهان را تشکیل دادهاند.
طرز کار ماشین هیبریدی
تولید نیروی محرکه در ماشین هیبریدی از دو منبع موتور احتراق داخلی (معمولا بنزینی) و موتور الکتریکی صورت میگیرد. این دو منبع به کمک یک سیستم مدیریت انرژی هوشمند با هم کار میکنند تا در هر لحظه، مناسبترین ترکیب توان را بهارمغان بیاورند.
اجزای اصلی تشکیل کننده سیستم هیبریدی در خودرو عبارتاند از:
- موتور احتراق داخلی
- موتور الکتریکی (گاهی دو موتور)
- باتری ولتاژ بالا
- ژنراتور
- سیستم انتقال قدرت (گیربکس مخصوص هیبریدی)
- واحد کنترل الکترونیکی
- اینورتر (تبدیل جریان DC به AC و بالعکس)
فرض کنید پشت فرمان خودروی هیبریدی مینشینید و استارت میزنید. در این حالت، موتور محفظه احتراق داخلی روشن نمیشود و موتور الکتریکی با استفاده از انرژی دریافتی باتری خودرو را روشن میکند. شاید این سوال را بپرسید که چرا روشن شدن خودرو در زمان استارت بر عهده موتور الکتریکی است؟ موتور الکتریکی میتواند گشتاور لحظهای مناسب را در زمان استارت تولید کند و بهدلیل حذف گردش سوخت از فرآیند استارت خودرو، کارآیی بالایی نشان میدهد.
در طول حرکت با ماشین هیبریدی، مادامی که سرعت خودرو پایین است، خودرو بیشتر از موتور الکتریکی تغذیه میکند. تنها در مواقعی که باتری ماشین شارژ کم داشته باشد، موتور بنزینی در سرعت پایین وارد عمل میشود. بنابراین در ترافیکهای سنگین شهری بیشترین استفاده از سیستم الکتریکی در خودروی هیبریدی صورت میگیرد.
وقتی سرعت ماشین بالا میرود، معمولا موتور الکتریکی نقش محوری خود را به موتور احتراق داخلی واگذار میکند. چراکه در سرعتهای بالا، موتور بنزینی راندمان بهتری دارد. البته در مواردی، موتور الکتریکی نیز بهعنوان کمکی ایفای نقش میکند تا توان حداکثری مورد نیاز خودرو تأمین شود. بنابراین وقتی پدال گاز را فشار میدهید، ماشین برای رسیدن به سرعت بالا از موتور بنزینی تغذیه میکند.
در یک خودروی بنزینی، وقتی ترمز میگیرید، انرژی حرکتی به گرما تبدیل و بهنوعی تلف میشود. یکی از مهمترین بخشهای طرز کار ماشین هیبریدی، ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) است. بهطوریکه وقتی ترمز میگیرید، موتور الکتریکی نقش ژنراتور را بازی میکند و انرژی جنبشی چرخها را به برق تبدیل و بهکمک آن باتری ماشین را شارژ میکند.
باتوجه بهتوضیح فوق، ماشین هیبریدی یک چرخه عملکرد را طی رانندگی دائما تکرار میکند. در تصویر بالا، چرخه کامل عملکرد ماشین هیبریدی را در رانندگی مشاهده کردید.
چگونه خودرو هیبریدی تصمیم میگیرد از کدام موتور استفاده کند؟
بسیاری از مردم فکر میکنند خودرو هیبرید یعنی ماشینی که فقط گاهی از برق برای تأمین انرژی استفاده میکند. اما در واقع، هیبرید یعنی ماشینی که دائما بین حالتهای مختلف جابهجا میشود تا کمترین انرژی ممکن هدر برود و حداکثر راندمان حاصل شود. تصمیمگیری در مورد اینکه در هر لحظه کدام موتور قدرت مورد نیاز ماشین را تأمین کند، بر عهده واحد کنترل قدرت (PCU – Power Control Unit) است.
PCU در کسری از ثانیه اطلاعات زیادی مانند میزان فشار پدال گاز، وضعیت شارژ باتری، سرعت خودرو، دمای موتور و … را دریافت و پردازش میکند. سپس براساس اولویت مصرف انرژی بهینه و راندمان ایدهآل، بهترین دستور را برای عملکرد پیشرانه خودرو صادر میکند.
مثلا وفتی در ترافیک حضور دارید، اگر قرار به استفاده از موتور بنزینی باشد، معمولا سوخت زیادی مصرف میشود. باتوجهبه اینکه در ترافیک خودرو نیاز به قدرت پایین دارد، PCU دستور میدهد تا موتور بنزینی خاموش شود و موتور الکتریکی در صورت داشتن شارژ کافی باتری، خودرو را تغذیه کند.
با اینکه حتی خودروهای هیبریدی با پایینترین قیمت در ایران باز هم بسیار گرانقیمت هستند، اما اگر به فکر خرید این ماشینها هستید، با ارزان ترین خودروهای هیبریدی در ایران آشنا شوید.
حالتهای مختلف رانندگی با ماشین هیبریدی
مدیریت حالتهای مختلف رانندگی در ماشین هیبریدی به صورت اتوماتیک انجام میشود. البته در بعضی از خودروها، امکان انتخاب حالتهای خاص رانندگی نیز وجود دارد که عبارتاند از:
- حالت EV
- حالت Eco
- حالت Sport
- حالت Charge/Hold
با فعال کردن حالت EV، راننده به خودرو دستور میدهد تا حد امکان فقط از موتور الکتریکی استفاده کند. این حالت معمولا در سرعتهای پایین و مسافتهای کوتاه (تا زمانی که شارژ باتری اجازه دهد) قال استفاده است.
فعال کردن حالت Eco، پاسخ پدال گاز را کندتر و سیستم تهویه مطبوع را برای کاهش مصرف سوخت مدیریت میکند تا باتری بیشتر در مدار بماند. حالت Sport، حساسیت پدال گاز را بالا میبرد و موتور بنزینی را برای واکنش سریعتر همیشه آماده نگه میدارد. در این حالت، باتری با شدت بیشتری برای کمک به شتابگیری تخلیه میشود.
در خودروهای پلاگین هیبرید که جلوتر معرفی میکنیم، معمولا حالت Charge/Hold وجود دارد به راننده اجازه میدهد شارژ باتری را برای استفاده در داخل شهر نگهدارد و خودرو را موظف میکند تا در اتوبان فقط از موتور بنزینی تغذیه کند.
انواع ماشین هیبریدی براساس ساختار فنی
خودروهای هیبریدی بر اساس ساختار فنی به سه دسته اصلی تقسیم میشوند که عبارتاند از:
- هیبرید سری
- هیبرید موازی
- هیبرید سری – موازی
در ماشین هیبرید سری، موتور بنزینی هیچ ارتباط فیزیکی با چرخها ندارد و فقط به عنوان یک ژنراتور برای تولید برق عمل میکند. چرخها همیشه توسط موتور الکتریکی میچرخند. وقتی شارژ باتری کم شود، موتور بنزینی روشن شده و برق تولید میکند تا باتری شارژ شود یا مستقیماً به موتور الکتریکی انرژی بدهد. هوندا سیویک eHEV و نیسان قشقایی e-Power نمونههایی از خودروهای هیبریدی سری هستند.
در ماشین هیبرید موازی، مسئولیت اصلی به حرکت در آوردن چرخها بر عهده موتور بنزینی است. در این خودرو، موتور الکتریکی نقش کمکی برای ارتقای توان پیشرانه را بر عهده دارد. خودروهای هیبرید سری – موازی نیز حاصل ترکیب دو مورد قبل هستند که در حال حاضر بهعنوان رایجترین سیستم هیبریدی در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار میگیرند.
انواع ماشین هیبریدی براساس اتکا به برق
خودروهای هیبریدی بر اساس ظرفیت باتری به سه دسته اصلی تقسیم میشوند که عبارتاند از:
- هیبرید ملایم (Mild Hybrid – MHEV)
- هیبرید معمولی یا کامل (Full Hybrid – HEV)
- پلاگین هیبرید (Plug-in Hybrid – PHEV)
در ادامه پیرامون هر یک موارد ذکر شده توضیح میدهیم.
هیبرید ملایم (Mild Hybrid – MHEV)
سیستم هیبرید ملایم سادهترین و ارزانترین ساختار فنی در خودروی هیبریدی است. در این مدل، موتور الکتریکی بهتنهایی نمیتواند خودرو را حرکت دهد. معمولا یک موتور الکتریکی کوچک (با ولتاژ حدود ۴۸ ولت) به جای استارت و دینام قرار میگیرد و فقط در لحظات اولیه حرکت یا هنگام شتابگیری به موتور بنزینی کمک میکند تا فشار کمتری به آن بیاید. نمونههایی از خودروهای هیبرید ملایم را در ادامه مشاهده میکنید:
- مرسدس بنز کلاس S
- آئودی A6
- ولوو XC60
- سوزوکی سوئیفت هیبرید
- سوزوکی فرانکس هیبرید
هیبرید معمولی یا کامل (Full Hybrid – HEV)
این رایجترین نوع خودروی هیبریدی است. در این مدل، موتور بنزینی و موتور الکتریکی هر دو میتوانند چرخها را به حرکت درآورند. باتری این خودروها کوچک است و فقط از طریق ترمزگیری یا کارکرد موتور بنزینی شارژ میشود. خودرو در سرعتهای پایین با برق حرکت میکند و در سرعتهای بالا یا هنگام شتابگیری، موتور بنزینی وارد مدار میشود. برخی از خودروهای هیبرید کامل عبارتاند از:
- تویوتا پریوس
- تویوتا کمری هیبرید
- لکوس NX 300H
- هیوندای سوناتا هیبرید
پلاگین هیبرید (Plug-in Hybrid – PHEV)
ماشینهای پلاگین هیبرید در واقع ترکیبی از خودروی تمام برقی و هیبرید معمولی هستند. باتری آنها بزرگتر از دو دسته قبل است و میتوان آنها را با اتصال به پریز برق (در خانه یا ایستگاه شارژ) شارژ کرد. برخی از خودروهای پلاگین هیبرید محبوب در صنعت خودرو عبارتاند از:
- میتسوبیشی اوتلندر PHEV
- ولوو XC90 Recharge
- بی ام و 530e
- کیا اسپورتیج پلاگین هیبرید
- فونیکس تیگو 7 پرو هیبرید
باطری ماشین هیبریدی
باتری در خودروهای هیبریدی نه تنها یک قطعه مصرفی، بلکه قلب تپنده سیستم پیشرانه است. برخلاف باتری ۱۲ ولتی در خودروهای معمولی که فقط برای روشن کردن چراغها و استارت اولیه است، باتریهای هیبریدی که ولتاژ بسیار بالایی دارند، انرژی لازم برای حرکت خودرو را تولید میکنند.
انواع باتری خودرو هیبریدی
معمولا باتری خودروهای هیبریدی به یکی از دو دسته زیر تقسیم میشود:
- نیکل متال هیدرید (NiMH)
- لیتیوم یون (Li-ion)
باتری نیکل متال هیدرید تکنولوژی قدیمی دارد و از نظر قیمت، ارزانتر از باتری لیتیوم یون است. مشکل اصلی این نوع باتریها، ابعاد بزرگ و وزن سنگین است. در حال حاضر، معمولا از باتریهای لیتیوم یون در خودروهای هیبریدی استفاده میشود که هم سبک هستند و هم فضای کمتری را اشغال میکنند. همچنین سرعت شارژ باتری لیتیوم یون بالاتر است.
سیستم مدیریت باتری ماشین هیبریدی
تمام باتریهای هیبریدی یک سیستم مدیریت هوشمند اختصاصی به نام BMS دارند که در واقع نوعی کامپیوتر کوچک است. این کامپیوتر بهصورت دائمی وضعیت شارژ و تخلیه سلولهای باتری را پایش میکند تا مطمئن شود شارژ و تخلیه سلولها بهصورت پکنواخت انجام میشود. اگر این اتفاق رخ ندهد، بهمرور زمان راندمان باتری افت پیدا میکند.
از سویی دیگر، سیستم BMS دمای کلی باتری را نیز بهصورت لحظهای اندازه میگیرد. داغ شدن بیش از حد باتری، تأثیر منفی روی عملکرد و عمر مفید آن دارد. معمولا یک سیستم خنک کننده اختصاصی برای باتری در خودروهای هیبریدی تعبیه میشود که شبیه به سیستم خنک کننده خودرو عمل میکند. سیستم BMS بسته به دمای باتری، دستور قطع و وصل سیستم خنک کننده را میدهد.
همانطور که میدانید تخلیه کامل باتری یک فاکتور منفی برای عمر مفید آن است. اگر این اتفاق چندین بار تکرار شود، احتمال خرابی باتری ماشین افزایش مییابد. سیستم BMS وضعیت میزان شارژ باتری را رصد میکند و مانع از تخلیه کامل آن میگردد.
عمر باتری ماشین های هیبریدی
اکثر خودروسازان برای باتریهای هیبریدی گارانتیهای بسیار طولانیمدتی (۸ تا ۱۰ سال) ارائه میدهند. اتریهای هیبریدی معمولاً برای ۱۵۰ تا ۲۵۰ هزار کیلومتر یا ۱۰ تا ۱۵ سال عمر مفید طراحی میشوند. حفظ وضعیت شارژ باتری خودرو در محدوده میانی 30 تا 80 درصد نقش بسزایی در افزایش عمر باتری ماشین های هیبریدی دارد.
تفاوت باتری خودروهای هیبریدی و برقی
مشخصات فنی باتری خودروهای هیبریدی با برقی تفاوت بنیادی دارد. در خودروهای برقی اولویت با ظرفیت انرژی (Energy Density) است تا امکان پیمایش مسافت بیشتر فراهم شود؛ اما در خودروهای هیبریدی اولویت با چگالی توان (Power Density) است؛ یعنی باتری باید بتواند در عرض چند ثانیه مقدار زیادی انرژی را تخلیه (برای شتابگیری) یا جذب (هنگام ترمزگیری) کند.
باتری ماشین هیبریدی معمولا ولتاژ بین 200 تا 650 ولت کار میکند. برای خودروهای هیبریدی معمولی، ظرفیت باتری معمولا بین 0.5 تا 2 کیلووات ساعت است. در مقابل، باتری خودروهای برقی معمولا بین 40 تا 100 کیلووات ساعت ظرفیت دارند. باتری خودروهای هیبریدی معمولا بین 30 تا 60 کیلوگرم وزن دارد. این عدد برای خودروهای برقی بیش از 400 کیلوگرم است.
سیستم انتقال قدرت در ماشین هیبریدی چیست؟
خودروهای هیبریدی برای ترکیب قدرت موتور بنزینی و الکتریکی به سیستمهایی نیاز دارند که بتوانند گشتاور را بدون وقفه ترکیب کنند. معمولا خودروهای هیبریدی جدید همگی از گیربکس اتوماتیک بهرهمند هستند. نوع گیربکس اتومات مورد استفاده در ماشینهای هیبریدی یکسان نیست.
سیستم تکسرعته (Single-Speed Transmission) در برخی از خودروهای هیبریدی با تکنولوژی ساده نصب میشود. موتورهای الکتریکی برخلاف موتور بنزینی، در تمامی دورها گشتاور عالی دارند و بههمین دلیل، نیازی به دنده ندارند. موتور بنزینی هم یا فقط برای شارژ باتری کار میکند (مثل شورولت ولت) و یا فقط در سرعتهای بالا به سیستم میپیوندد. بنابراین در سیستم تک سرعته، موتور الکتریکی مستقیم یا با یک نسبت دنده ثابت به چرخها متصل است.
رایجترین نوع سیستم انتقال قدرت در ماشین هیبریدی، گیربکس متغیر پیوسته الکترونیکی (e-CVT) است. در گیربکس e-CVT هیچ کلاچ یا تسمهای در کار نیست. تغییر نسبت دور موتور به سرعت چرخها با تغییر سرعت چرخش ژنراتور انجام میشود. انتقال قدرت در این گیربکس کاملا نرم صورت میگیرد. ضمن اینکه ساختمان این گیربکس ساده است و بهدلیل برخورداری از قطعات متحرک و درگیر محدود، کمتر خراب میشود.
سیستمهای کمکی خودرو هیبریدی چیست؟
در ادامه بهمعرفی دو مورد از سیستمهای کمکی خودرو هیبریدی میپردازیم که هر یک از آنها در بهینهسازی مصرف سوخت، حفظ راندمان پیشرانه و افزایش طول عمر مفید باتری ماشین نقش دارند.
سیستم ترمز احیاکننده
وقتی پدال ترمز را در خودروی هیبریدی فشار میدهید، سیستم ترمز احیاکننده وارد عمل میشود و موتور الکتریکی را به ژنراتور تبدیل میکند. بهاینترتیب انرژی حاصل از ترمزگیری برای شارژ باتری ماشین هیبریدی استفاده میشود. این سیستم جلوی داغ شدن لنتها را هم میگیرد و بههمین دلیل، عمر مفید لنت ترمز خودرو هیبریدی حدود 2 برابر ماشین معمولی است.
سیستم مدیریت حرارت باتری
سیستم مدیریت حرارت باتری در خودرو هیبریدی تضمین میکند که باتری همواره در دمای عملیاتی استاندارد بهکار خود ادامه دهد. زمانی که باتری در معرض حرارت بالا قرار میگیرد، این سیستم وظیفه خنکسازی باتری را با سازوکاری مشابه رادیاتور انجام میدهد. همچنین در سرمای شدید نیز این سیستم باتری را مقداری گرم میکند تا در محدوده دمای استاندارد قرار بگیرد.
کلام پایانی
در این مطلب بررسی کردیم ماشین هیبریدی چیست و چگونه کار میکند. در حالی که هنوز زیرساخت خودروهای برقی در ایران فراگیر نشده، بهنظر میرسد خودروهای هیبریدی بهترین گزینه جایگزین ماشینهای بنزینی بهشمار میروند. پیشنهاد میکنیم حتما قبل از خرید ماشین هیبریدی، حتما درباره سازوکار عملکرد اینگونه خودروها تحقیق کنید تا با آشنایی کامل پای میز معامله بروید.
