معرفی هیبرید خفیف ۴۸ ولت (Mild Hybrid) در خودروهای مدرن
در سالهای اخیر، با افزایش نگرانیهای زیست محیطی و محدودیتهای سختگیرانه قوانین آلایندگی، فناوریهای مختلفی برای بهبود مصرف سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانهای در صنعت خودروسازی توسعه یافتهاند. یکی از این فناوریها، سیستمهای هیبرید خفیف (Mild Hybrid) با ولتاژ ۴۸ ولت است. این فناوری، که به اختصار به آن MHEV نیز گفته میشود، میتواند عملکرد موتورهای احتراق داخلی را بهبود داده و مصرف سوخت را کاهش دهد. در این مقاله، ساختار، عملکرد، مزایا، معایب و کاربردهای هیبرید خفیف ۴۸ ولت به طور جامع بررسی خواهد شد.
تعریف و مفهوم هیبرید خفیف (Mild Hybrid)
سیستم هیبرید خفیف یا Mild Hybrid یک فناوری ترکیبی محسوب میشود که در آن یک موتور الکتریکی کوچک، معمولاً در کنار موتور احتراق داخلی نصب شده و به عنوان کمککننده در بهبود مصرف سوخت و کاهش انتشار آلایندهها عمل میکند. این سیستم برخلاف هیبرید کامل (Full Hybrid) توانایی حرکت تنها با نیروی الکتریکی را ندارد، بلکه هدف اصلی آن پشتیبانی از موتور اصلی خودرو در شرایط خاص است.
ولتاژ سیستم هیبرید خفیف معمولاً در محدوده ۱۲ ولت سنتی خودروهای بنزینی نیست، بلکه به ۴۸ ولت ارتقا یافته است. این افزایش ولتاژ امکان انتقال توان بالاتر و کارایی بهتر سیستم الکتریکی را فراهم میکند.
تفاوت هیبرید خفیف با هیبرید کامل
- حرکت الکتریکی مستقل: در هیبرید کامل خودرو میتواند بدون روشن بودن موتور بنزینی حرکت کند، اما در هیبرید خفیف فقط موتور الکتریکی به موتور احتراق داخلی کمک میکند و به تنهایی قادر به حرکت نیست.
- اندازه و ساختار باتری: باتری در هیبرید خفیف کوچکتر و سبکتر است و معمولاً از نوع لیتیوم-یون یا نیکل-متال هیدرید با ظرفیت محدود استفاده میشود.
- هزینه و پیچیدگی کمتر: هیبرید خفیف نسبت به هیبرید کامل، سیستم سادهتر و هزینه کمتری دارد که باعث محبوبیت آن در خودروهای متوسط و اقتصادی شده است.
ساختار سیستم هیبرید خفیف ۴۸ ولت
سیستم MHEV بر پایه اجزای کلیدی الکتریکی و الکترونیکی زیر ساخته شده است:
1. موتور استارت-ژنراتور الکتریکی (Belt-driven Starter Generator)
این موتور الکتریکی دو عملکرد اصلی دارد: استارت سریع و نرم موتور احتراق داخلی و بازیابی انرژی جنبشی در زمان ترمزگیری (regenerative braking). معمولاً این موتور به وسیله تسمه به موتور احتراق متصل است و میتواند تا چند ده کیلووات توان الکتریکی تولید یا مصرف کند.
2. باتری ۴۸ ولت
در مقابل باتری ۱۲ ولت معمولی، باتری ۴۸ ولت ظرفیت و توان بیشتری دارد که امکان پشتیبانی از موتور الکتریکی را فراهم میکند. این باتری معمولاً از نوع لیتیوم-یون یا باتریهای جدیدتر است تا وزن و حجم کمتری داشته باشد.
3. اینورتر و الکترونیک قدرت
این واحد وظیفه تبدیل جریان DC باتری به جریان AC برای موتور و بالعکس را دارد. همچنین مدیریت شارژ و دشارژ باتری و کنترل موتور الکتریکی از طریق این بخش انجام میشود.
4. واحد کنترل هیبرید (Hybrid Control Unit)
این واحد کامپیوتری به دریافت اطلاعات از حسگرها (گردش موتور، موقعیت گاز، سرعت خودرو و غیره) پرداخته و بر اساس آن، به صورت هوشمند میزان کمک الکتریکی و استراتژی کار سیستم هیبرید را تعیین میکند.
نحوه عملکرد هیبرید خفیف ۴۸ ولت
عملکرد سیستم به گونهای است که کمک میکند موتور احتراق داخلی در شرایط خاص کمتر بار سنگین را متحمل شود و همچنین به کاهش مصرف سوخت و انتشار گازها بینجامد.
1. استارت-استاپ نرم و سریع
سیستم استارت-ژنراتور الکتریکی به سرعت و به نرمی موتور را روشن و خاموش میکند. برای مثال، هنگام توقف در چراغ قرمز یا ترافیک، موتور کاملاً خاموش شده و به محض فشار دادن پدال گاز، موتور فوراً و بدون تأخیر روشن میشود. این موضوع باعث صرفهجویی در مصرف سوخت میشود.
2. کمک به شتابگیری و عبور از سربالاییها
در هنگام شتابگیریهای اولیه یا عبور از مسیرهای رمپ، موتور الکتریکی بخشی از توان لازم را فراهم میکند که این موضوع موجب کم شدن کار موتور احتراق داخلی و بهبود مصرف سوخت میشود.
3. بازیابی انرژی ترمزگیری (Regenerative Braking)
هنگام کاهش سرعت و ترمزگیری، موتور الکتریکی به عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل و در باتری ذخیره میکند. این انرژی در شتابگیری بعدی مجدداً استفاده میشود.
4. حمایت از سیستمهای برقی خودرو
سیستم ۴۸ ولت قادر است بار الکتریکی خودرو را بهتر مدیریت کند. برای مثال، در زمانی که نیاز به انرژی الکتریکی زیاد است (همانند کارکرد کولر، چراغها، سیستم صوتی و ...) این سیستم بخش تأمین انرژی را بر عهده میگیرد و فشار از باتری ۱۲ ولت کم میشود.
مزایای هیبرید خفیف ۴۸ ولت
فناوری MHEV نسبت به موتورهای احتراق داخلی سنتی و حتی برخی سیستمهای هیبرید کامل دارای مزایای متعددی است:
- کاهش مصرف سوخت تا ۱۵ درصد: با کمک الکتریکی و استراتژیهای هوشمند، مصرف سوخت و تولید CO₂ کاهش مییابد.
- قابلیت نصب راحتتر و هزینه کمتر: نسبت به هیبرید کامل یا پلاگین هیبرید، ساختار سادهتر و هزینه کمتری دارد.
- کاهش نویز و بهبود کارکرد موتور: به دلیل استارت-استاپ نرم و پشتیبانی موتور در لحظات بحرانی، موتور عملکرد بهتری دارد.
- کارایی بهتر سیستمهای برقی خودرو: سیستم ۴۸ ولتی میتواند توان بیشتر و پایدارتری تامین کند.
- کاهش سایز و وزن تجهیزات هیبرید: باتری و موتور کوچکتر نسبت به سیستمهای کامل هیبرید است.
- سازگاری بیشتر با موتورهای احتراق داخلی فعلی: نیازی به بازطراحی کامل موتور یا خودرو ندارد.
معایب و محدودیتهای سیستم هیبرید خفیف
همچنین، فناوری هیبرید خفیف دارای برخی محدودیتهاست که باید در نظر گرفته شوند:
- ناتوانی در حرکت الکتریکی مستقل: برخلاف هیبرید کامل، خودرو نمیتواند فقط با نیروی الکتریکی حرکت کند.
- کاهش مزیتهای هیبرید کامل: صرفهجویی کمتر در مصرف سوخت نسبت به انواع پیچیدهتر سیستمهای هیبرید.
- وزن اضافی: اضافه شدن موتور الکتریکی و باتری، وزن خودرو را افزایش میدهد که باید مدیریت شود.
- قابلیت بازیافت انرژی محدودتر: به دلیل سیستم سادهتر، بازده بازیابی انرژی کمتر از هیبرید کامل است.
- نیاز به تجهیزات برقی پیشرفتهتر: اینورتر، کنترلر و باتری ۴۸ ولت هزینه و پیچیدگی خودرو را کمی افزایش میدهند.
کاربردهای هیبرید خفیف ۴۸ ولت در خودروهای امروزی
با توجه به مزایا و هزینههای کمتر، بسیاری از خودروسازان مطرح دنیا از فناوری هیبرید خفیف ۴۸ ولت استفاده میکنند. در ادامه به برخی نمونهها اشاره میکنیم:
آئودی (Audi)
آئودی در مدلهای A6 و A7 مجهز به سیستم ۴۸ ولت Mild Hybrid شده است که توانایی خاموش و روشن شدن موتور نرم، افزایش گشتاور و کاهش مصرف سوخت را فراهم میکند.
مرسدس بنز (Mercedes-Benz)
در سری E و S مرسدس، سیستم هیبرید خفیف برای بهبود عملکرد و کاهش آلایندگی نصب شده است. موتور الکتریکی به عنوان پشتیبان موتور احتراق داخلی عمل میکند.
رنو، فولکس واگن و دیگر برندها
بسیاری از خودروهای متوسط و سنگین امروزی با سیستم هیبرید خفیف ۴۸ ولت تولید میشوند. حتی خودروهای دیزلی نیز این فناوری را به کار میگیرند تا آلایندگی خود را کاهش دهند.
نتیجهگیری
فناوری هیبرید خفیف ۴۸ ولت (Mild Hybrid Electric Vehicle) یک راهکار اقتصادی و مؤثر برای کاهش مصرف سوخت و آلایندگی خودروهای متعارف است. با استفاده از موتور استارت-ژنراتور الکتریکی، باتری ۴۸ ولت و مدیریت هوشمند، این سیستم میتواند به کاهش قابل توجهی در مصرف سوخت و بهبود عملکرد موتور منجر شود. اگرچه قابلیت حرکت الکتریکی مستقل را ندارد، اما مزایای فراوانی در هزینه، وزن، و سهولت نصب دارد که باعث شده این فناوری به سرعت در صنعت خودرو محبوب شود.
با توجه به روند روزافزون محدودیتهای زیست محیطی و فشارهای بازار بر خودروسازان، میتوان انتظار داشت که استفاده از فناوریهای هیبرید خفیف ۴۸ ولت در سالهای آتی افزایش یابد و حتی در خودروهای اقتصادی هم به یک استاندارد تبدیل شود.