آشنایی با سیستمهای تمام هیبرید (Full Hybrid)
در سالهای اخیر، با افزایش نگرانیهای زیستمحیطی و قیمت بالای سوختهای فسیلی، فناوری خودروهای هیبریدی به سرعت در حال توسعه و پیشرفت است. یکی از مهمترین فناوریها در این حوزه، سیستمهای تمام هیبرید یا Full Hybrid است که توانسته است تحولی بزرگ در عملکرد، مصرف سوخت و کاهش آلایندگی خودروها ایجاد کند. در این مقاله، به بررسی جامع سیستمهای تمام هیبرید، ساختار، نحوه عملکرد، مزایا و معایب، و مثالهای عملی از خودروهای مجهز به این فناوری میپردازیم.
۱. تعریف سیستم تمام هیبرید (Full Hybrid)
سیستم تمام هیبرید به نوعی از فناوری خودروهای هیبریدی گفته میشود که در آن خودرو قادر است با استفاده از موتور احتراق داخلی (ICE)، موتور الکتریکی، یا ترکیبی از هر دو به حرکت درآید و قابلیت رانندگی صرفاً با موتور الکتریکی نیز وجود دارد. این سیستمها معمولاً به سیستمهای هیبریدی جداساز (Parallel) یا ترکیبی (Series-Parallel) تعلق دارند که توانایی جداسازی و همزمان به کارگیری موتورهای مختلف را دارند.
در مقابل، سیستمهای میکرو هیبرید (Micro Hybrid) و هیبرید سبک (Mild Hybrid) که صرفاً از موتور الکتریکی به عنوان کمک موتور استفاده میکنند و توان حرکت صرفاً برقی ندارند، Full Hybridها سطح بالاتری از پیچیدگی و کارایی دارند.
۲. ساختار و اجزای سیستم تمام هیبرید
ساختار کلی سیستم تمام هیبرید شامل بخشهای زیر است:
۲.۱ موتور احتراق داخلی (ICE)
معمولاً موتور بنزینی یا دیزل با فناوریهای نوین مانند تزریق مستقیم، توربوشارژر و کنترل الکترونیکی سوخت، که مسئول تولید قدرت مکانیکی اصلی خودرو است.
۲.۲ موتور/ژنراتور الکتریکی
موتور الکتریکی که میتواند هم به صورت موتور برای حرکت خودرو و هم به عنوان ژنراتور برای بازگرداندن انرژی در هنگام ترمزگیری (Regenerative Braking) عمل کند.
۲.۳ پک باتری
باتریهای لیتیم-یون یا نیکل-متال هیدرید (NiMH) که انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و تأمین میکنند. ظرفیت باتری معمولاً بین 1 تا 2 کیلووات ساعت است که برای رانندگی در حالت الکتریکی کافی است.
۲.۴ سیستم کنترل الکترونیکی
مدارهای کنترلی و نرمافزاری که مدیریت هوشمند انرژی و تنظیم عملکرد موتورهای مختلف را به عهده دارند تا بهینهترین عملکرد و کمترین مصرف سوخت حاصل شود.
۲.۵ گیربکس و سیستم انتقال قدرت
گیربکسهای مخصوص هیبریدی که توانایی انتقال گشتاور از موتورهای مختلف و ترکیب آنها را دارند؛ مانند گیربکسهای سیارهای (Planetary Gearset) و گیربکسهای CVT پیشرفته.
۳. نحوه عملکرد سیستم تمام هیبرید
۳.۱ حالتهای مختلف رانندگی
سیستمهای Full Hybrid قادرند در حالتهای زیر عمل کنند:
- رانندگی صرفاً الکتریکی (EV Mode): خودرو با استفاده از انرژی ذخیره شده در باتری، فقط موتور الکتریکی فعال است، بدون استفاده از موتور احتراق.
- رانندگی احتراقی (Engine Mode): حرکت خودرو تنها با موتور احتراق عمل میکند، معمولاً در سرعتهای بالا یا زمانی که باتری خالی است.
- حالت ترکیبی (Hybrid Mode): هر دو موتور به صورت همزمان فعال بوده و توان خروجی با ترکیب نیروهای آنها تأمین میشود.
- بازسازی انرژی (Regenerative Braking): در زمان ترمزگیری، موتور الکتریکی به ژنراتور تبدیل شده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل و در باتری ذخیره میکند.
۳.۲ الگوریتم مدیریت انرژی
هسته اصلی عملکرد سیستم تمام هیبرید، الگوریتمهای کنترل پیشرفته است که با توجه به شرایط مختلف نظیر سرعت، بار موتور، حجم باتری، شیب جاده و حالت رانندگی، بهترین ترکیب استفاده از موتور احتراق و موتور الکتریکی را تعیین میکند تا مصرف سوخت و آلایندگی در حداقل مقدار ممکن بماند.
به عنوان مثال در شیب تند یا سرعت بالا، موتور احتراق بیشتر فعال است، اما در ترافیک یا توقفهای کوتاه، موتور الکتریکی اولویت دارد.
۴. مزایای سیستمهای تمام هیبرید
۴.۱ کاهش مصرف سوخت
به دلیل امکان استفاده از موتور الکتریکی و مدیریت هوشمند انرژی، مصرف سوخت تا 30-50٪ نسبت به خودروهای عادی کاهش مییابد.
۴.۲ کاهش آلایندگی
کاهش انتشار گازهای گلخانهای و آلایندههای NOx، CO و ذرات معلق به دلیل کاهش استفاده از موتور احتراق در شرایط نامطلوب و استفاده از حالت الکتریکی.
۴.۳ قابلیت حرکت در حالت صرفاً برقی
امکان رانندگی بیصدا و بدون آلایندگی در شهر و فضاهای بسته، که بهبود کیفیت زندگی و کاهش آلودگی صوتی را به همراه دارد.
۴.۴ بازیابی انرژی ترمز
صرفهجویی در مصرف انرژی و افزایش بهرهوری با استفاده از تکنولوژی بازسازی انرژی در هنگام کاهش سرعت و ترمزگیری.
۴.۵ افزایش راندمان موتور
با تخصیص بار به موتورهای مختلف در شرایط بهینه، موتور احتراق در محدودههای کارایی بالا قرار میگیرد و کارایی کلی سیستم افزایش مییابد.
۵. معایب و چالشهای سیستم تمام هیبرید
۵.۱ هزینه اولیه بالا
پیچیدگی ساختاری و وجود قطعات الکتریکی و باتریهای بزرگ، هزینه خرید و نگهداری خودروهای هیبرید را افزایش میدهد.
۵.۲ وزن بیشتر
باتریها و موتورهای اضافی باعث افزایش وزن خودرو میشوند که خود میتواند تأثیر منفی در شتابگیری و مصرف سوخت داشته باشد.
۵.۳ نیاز به تخصص در تعمیر
سیستمهای هیبریدی نیاز به تجهیزات و دانش تخصصی برای تعمیر و نگهداری دارند که در برخی مناطق ممکن است محدودیتهایی ایجاد کند.
۵.۴ عمر و عملکرد باتری
باتریها در طول زمان عملکرد خود را از دست میدهند و نیاز به تعویض دارند که هزینهبر است.
۶. مثالهای عملی از خودروهای تمام هیبرید
۶.۱ تویوتا پریوس (Toyota Prius)
یکی از شناختهشدهترین و پرفروشترین خودروهای تمام هیبرید در جهان که از اولین نسلهای سیستمهای Full Hybrid محسوب میشود. مجهز به موتور بنزینی 1.8 لیتری و موتور الکتریکی قوی با سیستم کنترل پیشرفته.
۶.۲ فورد فیوژن هیبرید (Ford Fusion Hybrid)
خودروی سدان متوسط با طراحی زیبا و سیستم هیبریدی کارآمد که توانسته است مصرف سوخت و آلایندگی را به طرز چشمگیری کاهش دهد.
۶.۳ هوندا اینسایت (Honda Insight)
یکی از پیشگامان سیستمهای هیبریدی که ترکیبی از موتور الکتریکی و موتور احتراق کارآمد را ارائه میدهد و قیمت مناسبتری نسبت به برخی رقبا دارد.
۷. فناوریهای مرتبط و آینده سیستمهای تمام هیبرید
سامانههای تمام هیبرید، به عنوان پلی بین خودروهای معمولی و خودروهای تمام الکتریکی، در حال پیشرفت هستند. تکنولوژیهایی مانند باتریهای با ظرفیت بالاتر و وزن کمتر، سامانههای الکترونیکی پیشرفتهتر و کاهش هزینهها، آینده روشنی را برای این فناوری رقم زدهاند.
علاوه بر این، پیادهسازی مدلهای هیبرید پلاگین (Plug-in Hybrid) که اجازه شارژ مستقیم از طریق برق را دارند و ترکیب آن با سیستمهای تمام هیبرید نیز نویدبخش پیشرفتهای بیشتر است.
۸. نتیجهگیری
سیستمهای تمام هیبرید یا Full Hybrid، تکنولوژی پیشرفتهای است که با ترکیب هوشمندانه موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی، مصرف سوخت را کاهش داده و میزان آلایندگی را به حداقل میرساند. با وجود اینکه هزینه اولیه و وزن خودروهای مجهز به این فناوری بیشتر است، مزایای فراوان آن از جمله راندمان بالاتر، امکان رانندگی در حالت برقی و کاهش آلودگی، باعث شده این سیستمها روزبهروز محبوبتر و گستردهتر شوند. در آینده، توسعه این فناوری میتواند نقش مهمی در گذار به حملونقل پایدار و دوستدار محیط زیست ایفا کند.