خودروی هیبریدی چیست؟ – به زبان ساده

خودروهای هیبریدی با ترکیب موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی، راهکاری برای کاهش مصرف سوخت و آلایندگی ارائه می‌کنند. این خودروها در سال‌های اخیر محبوبیت زیادی پیدا کرده‌اند و امروزه نقش مهمی در صنعت حمل‌ونقل دارند. آشنایی با نحوه عملکرد و انواع آن‌ها در کنار توجه به مزایای خودروهای هیبریدی باعث می‌شود درک بهتری از آن‌ها پیدا کنیم. در این مطلب از مجله فرادرس به این موضوع می‌پردازیم که خودروی هیبریدی چیست و چگونه کار می‌کند. بنابراین پس از ارائه تعریفی از آن‌ها، انواع خودروهای هیبریدی و مزایای آن‌ها را شرح می‌دهیم. در پایان نیز درباره باتری خودروهای هیبریدی توضیحاتی را ارائه می‌کنیم.

خودروی هیبریدی چیست؟

خودروهای هیبریدی اتومبیل‌هایی هستند که در آن‌ها هم از موتور احتراق داخلی و هم از موتور برقی استفاده می‌شود. انرژی موردنیاز برای شارژ باتری و موتور برقی در خودروهای هیبریدی توسط فناوری «ترمز احیاکننده» (Regenerative Braking) تامین می‌شود. بنابراین باتری ولتاژ بالای خودرو نیازی به شارژ از طریق برق شهری ندارد. البته علاوه بر «خودروهای هیبریدی معمولی» (HEV) «خودروهای هیبریدی شارژی» (PHEV) نیز وجود دارند که باید از برق شهری شارژ شوند.

هر بار که راننده سرعت خودرو را کاهش می‌دهد یا ترمز می‌گیرد، بخشی از انرژی جنبشی خودرو که در خودروهای معمولی به‌صورت گرما در لنت‌ها و دیسک‌های ترمز هدر می‌رود، در خودروهای هیبریدی بازیابی می‌شود. در این فرآیند، موتور الکتریکی نقش ژنراتور را ایفا کرده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

سپس این انرژی در باتری ولتاژ بالا ذخیره می‌شود تا در زمان نیاز دوباره مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری با نام ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) یا به اختصار Regen شناخته می‌شود. در مسابقات فرمول یک (F1) نیز فناوری مشابهی با نام سیستم بازیابی انرژی جنبشی (KERS) مورد استفاده قرار گرفته است.

ترمز احیاکننده چگونه کار می‌کند؟

عملکرد ترمز احیاکننده بر اساس نحوه کار موتور الکتریکی است. زمانی که انرژی الکتریکی از باتری به موتور الکتریکی ارسال می‌شود، موتور با تبدیل این انرژی به انرژی مکانیکی، خودرو را به حرکت درمی‌آورد یا به حرکت آن کمک می‌کند.

اما زمانی که راننده سرعت خودرو را کاهش می‌دهد یا ترمز می‌گیرد، نقش موتور الکتریکی تغییر می‌کند. در این شرایط، موتور الکتریکی مانند یک ژنراتور (Generator) عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را که در حالت عادی به صورت گرما در ترمزها هدر می‌رود، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

برق تولیدشده دوباره به باتری ولتاژ بالا بازمی‌گردد و برای استفاده در شتاب‌گیری یا حرکت بعدی ذخیره می‌شود. به همین دلیل، موتور الکتریکی خودروهای هیبریدی و برقی را معمولا موتور ژنراتور (Motor Generator) نیز می‌نامند؛ زیرا این مجموعه هم می‌تواند خودرو را به حرکت درآورد و هم در هنگام کاهش سرعت، برق تولید کند.

از آنجا که تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی باعث ایجاد نیروی مقاوم در برابر حرکت می‌شود، خودرو به‌طور طبیعی سرعت خود را از دست می‌دهد. به همین دلیل، ترمز احیاکننده علاوه بر تولید برق، در کاهش سرعت خودرو نیز نقش دارد.

فعال شدن این سیستم به‌صورت خودکار توسط واحد کنترل الکترونیکی خودرو (ECU) مدیریت می‌شود. هر زمان راننده پدال ترمز را فشار دهد یا خودرو در سراشیبی حرکت کند، سیستم میزان مناسب بازیابی انرژی را محاسبه کرده و ترمز احیاکننده را فعال می‌کند. در صورت نیاز به نیروی ترمز بیشتر، سیستم به‌صورت هوشمند از ترمزهای هیدرولیکی معمولی نیز کمک می‌گیرد تا خودرو با ایمنی کامل متوقف شود.

آیا ترمز احیاکننده جایگزین ترمز معمولی می‌شود؟

خیر. ترمز احیاکننده جایگزین سیستم ترمز هیدرولیکی نیست. این سیستم در کنار ترمزهای معمولی کار می‌کند و تنها بخشی از نیروی ترمز را برای بازیابی انرژی تأمین می‌کند. در ترمزهای شدید یا توقف اضطراری، سیستم ترمز هیدرولیکی همچنان نقش اصلی را بر عهده دارد.

انرژی ذخیره‌شده چگونه استفاده می‌شود؟

انرژی الکتریکی ذخیره‌شده در باتری، هنگام شروع حرکت یا شتاب‌گیری دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین دلیل، خودروهای هیبریدی معمولاً می‌توانند در شروع حرکت یا در سرعت‌های پایین، بدون روشن شدن موتور بنزینی و تنها با استفاده از موتور الکتریکی حرکت کنند.

در بسیاری از خودروهای هیبریدی، موتور بنزینی تا زمانی که سرعت خودرو به حدود ۴۰ کیلومتر بر ساعت برسد یا راننده به توان بیشتری نیاز نداشته باشد، خاموش باقی می‌ماند. البته این سرعت در مدل‌های مختلف خودرو متفاوت است و به شرایط رانندگی و میزان شارژ باتری بستگی دارد.

چرا خودروهای هیبریدی در شهر مصرف سوخت کمتری دارند؟

از آنجا که در رانندگی شهری توقف و حرکت مکرر اتفاق می‌افتد، سیستم ترمز احیاکننده فرصت بیشتری برای بازیابی انرژی دارد. این انرژی در دفعات بعدی برای حرکت خودرو استفاده می‌شود و باعث می‌شود موتور بنزینی کمتر روشن شود.

به همین دلیل، مصرف سوخت خودروهای هیبریدی در رانندگی شهری معمولاً به‌مراتب کمتر از خودروهای بنزینی معمولی است و در بسیاری از موارد حتی از مصرف سوخت آن‌ها در جاده نیز کمتر خواهد بود. این یکی از مهم‌ترین مزایای خودروهای هیبریدی در کاهش مصرف سوخت و افزایش بهره‌وری انرژی است.

یادگیری مکانیک خودرو با فرادرس

یادگیری مکانیک خودرو به شما کمک می‌کند با نحوه عملکرد بخش‌های مختلف خودرو، از موتور و گیربکس گرفته تا سیستم ترمز، تعلیق و فرمان آشنا شوید. با پیشرفت فناوری، خودروهای امروزی تنها به سامانه‌های مکانیکی محدود نیستند و از تجهیزات الکترونیکی و کنترلی پیشرفته نیز بهره می‌برند.

به همین دلیل، آشنایی با فناوری خودروهای هیبریدی و خودروهای برقی نیز به بخشی مهم از دانش مکانیک خودرو تبدیل شده است. در این خودروها، موتور احتراق داخلی در کنار موتور الکتریکی، باتری و سامانه‌های مدیریت انرژی فعالیت می‌کند.

یادگیری مکانیک خودرو علاوه بر افزایش مهارت در عیب‌یابی و تعمیرات، درک بهتری از فناوری‌های نوین صنعت خودروسازی و فرصت‌های شغلی گسترده‌تر را فراهم می‌کند. با توجه به این موضوع فیلم‌های آموزشی متنوعی در ارتباط با مکانیک خودرو در فرادرس تهیه شده است که برخی از آن‌ها را در فهرست زیر مشاهده می‌‌‌کنید.

• فیلم آموزش برق خودرو و عیب یابی قطعات الکتریکی و الکترونیکی ماشین فرادرس
• فیلم آموزش دیاگ خودرو و انژکتور – نحوه دیاگ زدن ماشین و عیب یابی فرادرس
• فیلم آموزش خودروهای برقی یا الکتریکی و عملکرد آن‌ ها فرادرس
• فیلم آموزش آشنایی با کامپیوتر خودرو یا ای سی یو ECU و عملکرد آن فرادرس
• فیلم آموزش شبیه سازی خودروی هیبریدی با AVL CRUISE، تنظیمات کاربردی نرم‌افزار فرادرس

همچنین فرادرس، دوره‌های ویدیویی بسیار متنوع و کاربردی را در زمینه تعمیر و نگهداری خودرو به انتشار رسانده که اگر به این مباحث علاقه‌مند هستید می‌توانید آن‌ها را از طریق لینک زیر مشاهده کنید.

• مجموعه فیلم‌های آموزش تعمیر و نگهداری خودرو فرادرس

انواع خودروهای هیبریدی

خودروهای هیبریدی را می‌توان به دو گروه زیر تقسیم کرد. البته امروزه خودروهای هیبریدی با ساختارهای متنوع‌تری ساخته می‌شوند که در ادامه این مطلب مثال‌هایی از آن‌ها نیز می‌آوریم.

• هیبرید موازی
• هیبرید سری

هیبرید موازی چیست؟

هیبرید موازی (Parallel Hybrid) رایج‌ترین نوع سیستم هیبریدی در خودروهای امروزی است. در این ساختار، موتور بنزینی و موتور الکتریکی هر دو به سیستم انتقال قدرت متصل هستند و می‌توانند بسته به شرایط رانندگی، به‌صورت جداگانه یا هم‌زمان نیروی محرکه خودرو را تأمین کنند.

در سرعت‌های پایین و هنگام شروع حرکت، معمولاً موتور الکتریکی وظیفه به حرکت درآوردن خودرو را بر عهده می‌گیرد. دلیل این موضوع، گشتاور بالای موتور الکتریکی در دورهای پایین و راندمان بالای آن است که باعث می‌شود انرژی محدود باتری با بیشترین بهره‌وری مصرف شود. البته این موضوع به عواملی مانند میزان شارژ باتری، فشار راننده بر پدال گاز و شرایط رانندگی نیز بستگی دارد.

با افزایش سرعت یا نیاز به توان بیشتر، موتور بنزینی به‌طور خودکار وارد مدار می‌شود و در بسیاری از شرایط، همراه با موتور الکتریکی نیروی محرکه را تأمین می‌کند. در سرعت‌های ثابت و رانندگی در بزرگراه، معمولا موتور بنزینی نقش اصلی را بر عهده می‌گیرد، زیرا در این شرایط با بیشترین راندمان کار می‌کند.

انواع طراحی سیستم هیبرید موازی

خودروهای هیبرید موازی معمولا با یکی از دو ساختار زیر طراحی می‌شوند.

• استفاده از یک موتور الکتریکی: در این طراحی، یک موتور الکتریکی بین موتور بنزینی و گیربکس قرار می‌گیرد و در هنگام شتاب‌گیری یا حرکت در سرعت‌های پایین به موتور بنزینی کمک می‌کند. این ساختار در بسیاری از خودروهای هیبریدی هوندا و همچنین برخی محصولات هیوندای و کیا مانند هیوندای النترا هیبرید استفاده شده است.
• استفاده از دو موتور الکتریکی: در این طراحی، دو موتور الکتریکی به همراه یک مجموعه دنده سیاره‌ای (Planetary Gear Set)، سامانه انتقال قدرت eCVT را تشکیل می‌دهند. این سیستم بدون استفاده از گیربکس CVT تسمه‌ای یا پولی، نسبت انتقال قدرت را به‌صورت پیوسته و هوشمند تنظیم می‌کند و هماهنگی بین موتور بنزینی و موتورهای الکتریکی را بر عهده دارد.

این فناوری در بسیاری از خودروهای هیبریدی تویوتا، لکسوس و برخی مدل‌های فورد مانند فورد ماوریک هیبرید (Ford Maverick Hybrid) به کار گرفته شده است.

مهم‌ترین مزیت سیستم Parallel Hybrid این است که از مزایای هر دو منبع نیرو بهره می‌برد. موتور الکتریکی در سرعت‌های پایین، مصرف سوخت و آلایندگی را کاهش می‌دهد و موتور بنزینی نیز در سرعت‌های بالا و سفرهای طولانی، توان و برد حرکتی موردنیاز خودرو را تأمین می‌کند. به همین دلیل، این نوع سیستم هیبریدی یکی از محبوب‌ترین و کارآمدترین فناوری‌ها در خودروهای امروزی به شمار می‌رود.

هیبرید سری چیست؟

هیبرید سری (Series Hybrid) یکی از انواع سیستم‌های محرکه هیبریدی است که در آن چرخ‌های خودرو همیشه توسط موتور الکتریکی به حرکت درمی‌آیند. برخلاف سیستم هیبرید موازی (Parallel Hybrid)، در این نوع خودروها موتور بنزینی هیچ اتصال مکانیکی مستقیمی به چرخ‌ها ندارد و تنها وظیفه آن تولید برق است.

در سرعت‌های پایین یا زمانی که باتری شارژ کافی دارد، خودرو تنها با استفاده از موتور الکتریکی حرکت می‌کند. انرژی موردنیاز این موتور از باتری ولتاژ بالا تأمین می‌شود و بخشی از این انرژی نیز هنگام کاهش سرعت یا ترمزگیری، از طریق ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) دوباره به باتری بازمی‌گردد.

با کاهش شارژ باتری یا افزایش نیاز به توان، موتور احتراق داخلی به‌طور خودکار روشن می‌شود و یک ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد. ژنراتور انرژی مکانیکی موتور بنزینی را به برق تبدیل می‌کند و این برق برای تغذیه موتور الکتریکی و در صورت نیاز شارژ باتری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از آنجا که در این ساختار، نیروی محرکه همیشه توسط موتور الکتریکی تولید می‌شود، شتاب‌گیری خودرو کاملاً نرم، یکنواخت و بدون تعویض دنده احساس می‌شود. این ویژگی یکی از مهم‌ترین مزایای سیستم هیبرید سری است.

البته تبدیل انرژی از بنزین به انرژی مکانیکی، سپس به برق و در نهایت دوباره به انرژی مکانیکی باعث ایجاد مقداری تلفات انرژی می‌شود. به همین دلیل، هیبریدهای سری خالص در رانندگی با سرعت‌های بالا معمولاً راندمان کمتری نسبت به هیبریدهای موازی دارند. با این حال، پیشرفت فناوری در موتورهای الکتریکی، ژنراتورها و سامانه‌های مدیریت انرژی باعث شده است این اختلاف راندمان در خودروهای جدید کمتر شود.

امروزه برخی خودروهای هیبریدی هوندا در بیشتر شرایط رانندگی مشابه یک هیبرید سری عمل می‌کنند، اما از نظر فنی یک سیستم هیبرید سری موازی (Series Parallel Hybrid) هستند؛ زیرا در سرعت‌های بالا، موتور بنزینی می‌تواند به‌طور مستقیم نیز در به حرکت درآوردن چرخ‌ها مشارکت کند.

آیا خودروهای هیبریدی فقط یک نوع سیستم دارند؟

اگرچه خودروهای هیبریدی معمولاً به دو دسته هیبرید موازی (Parallel Hybrid) و هیبرید سری (Series Hybrid) تقسیم می‌شوند، اما در عمل بسیاری از خودروهای هیبریدی امروزی به‌طور کامل در یکی از این دو گروه قرار نمی‌گیرند. خودروسازان برای دستیابی به بیشترین راندمان و کمترین مصرف سوخت، از ترکیبی از این دو فناوری استفاده می‌کنند.

برای مثال، سیستم Hybrid Synergy Drive تویوتا یک هیبرید سری موازی (Series Parallel Hybrid) است. این سیستم در بیشتر شرایط مانند یک هیبرید موازی عمل می‌کند، اما به لطف استفاده از دو موتور الکتریکی و مجموعه دنده سیاره‌ای (Planetary Gear Set)، در برخی شرایط نیز می‌تواند مانند یک هیبرید سری، موتور بنزینی را برای تولید برق به کار بگیرد. به این ترتیب، خودرو بسته به شرایط رانندگی، مناسب‌ترین روش انتقال قدرت را انتخاب می‌کند.

از سوی دیگر، نسل جدید سیستم هیبریدی هوندا نیز عمدتاً مشابه یک هیبرید سری عمل می‌کند؛ یعنی در بیشتر مواقع، موتور بنزینی تنها برق موردنیاز موتور الکتریکی را تولید می‌کند. با این حال، در سرعت‌های بالا و زمانی که این روش راندمان بیشتری داشته باشد، واحد کنترل خودرو از طریق یک کلاچ، موتور بنزینی را به‌طور مستقیم به چرخ‌ها متصل می‌کند تا نیروی محرکه را بدون واسطه منتقل کند.

این مثال‌ها نشان می‌دهد که در خودروهای هیبریدی مدرن، هدف مهندسان صرفاً پیروی از یک معماری مشخص نیست؛ بلکه بیشترین بهره‌وری انرژی، کاهش مصرف سوخت و بهبود عملکرد خودرو در اولویت قرار دارد. به همین دلیل، بسیاری از خودروهای هیبریدی امروزی از ترکیبی هوشمندانه از سیستم‌های هیبرید سری و موازی بهره می‌برند تا در هر شرایط رانندگی، مناسب‌ترین و کارآمدترین روش انتقال قدرت را انتخاب کنند.

مزایای خودرو هیبریدی چیست؟

خودروهای هیبریدی به دلیل ترکیب موتور بنزینی و موتور الکتریکی، مزایای متعددی نسبت به خودروهای بنزینی معمولی دارند. مهم‌ترین مزایای این خودروها را در فهرست زیر مشاهده می‌کنید.

• بازیابی انرژی ترمز: این خودروها انرژی جنبشی که در خودروهای معمولی به‌صورت گرما در ترمزها هدر می‌رود را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در باتری ذخیره می‌کنند تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد.
• کاهش آلایندگی: مصرف کمتر سوخت باعث کاهش تولید دی‌اکسید کربن و سایر آلاینده‌ها می‌شود و خودروهای هیبریدی را به گزینه‌ای سازگارتر با محیط زیست تبدیل می‌کند.
• افزایش عمر لنت و دیسک ترمز: از آنجا که بخش قابل‌توجهی از کاهش سرعت توسط ترمز احیاکننده انجام می‌شود، لنت‌ها و دیسک‌های ترمز دیرتر فرسوده شده و هزینه‌های نگهداری کاهش می‌یابد.
• عملکرد نرم و شتاب اولیه مناسب: گشتاور بالای موتور الکتریکی در لحظه شروع حرکت باعث می‌شود خودروهای هیبریدی شتاب اولیه نرم، سریع و بدون تأخیر داشته باشند.
• کاهش هزینه‌های سوخت در رانندگی شهری: به دلیل توقف و حرکت‌های مکرر در ترافیک شهری، موتور الکتریکی بیشتر وارد مدار می‌شود و همین موضوع باعث صرفه‌جویی قابل‌توجه در هزینه سوخت می‌شود.

تفاوت خودروی هیبریدی با برقی

خودروی هیبریدی از ترکیب موتور بنزینی و موتور الکتریکی استفاده می‌کند و نگرانی بابت شارژ یا محدودیت پیمایش ندارد. در مقابل، خودروی برقی تنها با باتری و موتور الکتریکی کار می‌کند، مصرف سوخت فسیلی و آلایندگی اگزوز ندارد، اما برای ادامه حرکت باید باتری آن از طریق شبکه برق شارژ شود. در جدول زیر تفاوت خودروهای برقی و هیبریدی را به‌طور خلاصه آورده‌ایم.

سایر انواع خودروهای هیبریدی

علاوه بر هیبریدهای موازی و هیبریدهای سری، فناوری‌های دیگری نیز برای کاهش مصرف سوخت و افزایش بهره‌وری انرژی توسعه یافته‌اند. از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به خودرو هیبرید با موتور برقی کمکی و خودروهای سلول سوختی (Fuel Cell Electric Vehicle) اشاره کرد.

هیبرید با موتور برقی کمکی

«هیبرید با موتور برقی کمکی» (Mild Hybrid) به یک سیستم برقی، معمولاً ۴۸ ولتی، مجهز هستند. برخلاف خودروهای هیبریدی کامل، موتور الکتریکی این خودروها به‌تنهایی قادر به حرکت دادن خودرو نیست و تنها به موتور احتراق داخلی در شرایط مختلف رانندگی کمک می‌کند.

این خودروها انرژی حاصل از ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) را بازیابی کرده و در باتری ذخیره می‌کنند. همچنین در بسیاری از مدل‌ها، استارت و دینام در قالب یک مجموعه واحد به نام «استارت ژنراتور یکپارچه» (Integrated Starter Generator) طراحی شده‌اند. این مجموعه باعث می‌شود موتور بنزینی در سیستم «استارت استاپ» (Start Stop) سریع‌تر، نرم‌تر و بدون لرزش روشن شود و در نتیجه مصرف سوخت و آلایندگی کاهش یابد.

خودروهای سلول سوختی

«خودروهای سلول سوختی» (Fuel Cell Electric Vehicle | FCEV) از نظر نحوه حرکت شباهت زیادی به خودروهای هیبریدی سری دارند. در این خودروها، نیروی محرکه همواره توسط موتور الکتریکی تأمین می‌شود و انرژی آن از یک سلول سوختی هیدروژنی و یک باتری ولتاژ بالا فراهم می‌شود.

سلول سوختی با ترکیب گاز هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا، برق تولید می‌کند و تنها محصول جانبی این واکنش آب است. به همین دلیل، این خودروها در زمان حرکت هیچ آلاینده‌ای مانند دی‌اکسید کربن تولید نمی‌کنند.

مانند خودروهای هیبریدی و برقی، خودروهای سلول سوختی نیز از ترمز احیاکننده برای بازیابی انرژی هنگام کاهش سرعت استفاده می‌کنند. همچنین عملکرد بسیار آرام و بی‌صدای موتور الکتریکی، تجربه رانندگی مشابه خودروهای تمام‌برقی را فراهم می‌کند.

یکی از مهم‌ترین مزایای خودروهای سلول سوختی، سرعت بالای سوخت‌گیری است؛ به‌طوری که مخزن هیدروژن آن‌ها معمولاً در حدود ۳ تا ۵ دقیقه پر می‌شود. با این حال، گسترش این فناوری هنوز با چالش کمبود ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن روبه‌رو است و در حال حاضر این زیرساخت تنها در برخی مناطق جهان، مانند ایالت کالیفرنیای آمریکا، به‌صورت گسترده‌تر در دسترس قرار دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره کاربرد انرژی‌های نوین در اتومبیل و ساختار خودروهای برقی می‌توانید فیلم آموزش کاربرد انرژی‌ های نوین در خودرو فرادرس را مشاهده کنید.

خودروی هیبریدی شارژی چیست؟

«خودروی هیبریدی شارژی» (Plug in Hybrid Electric Vehicle | PHEV) در واقع نسخه پیشرفته‌تر خودروهای هیبریدی معمولی است. مهم‌ترین تفاوت این خودروها با هیبریدهای معمولی، استفاده از باتری بزرگ‌تر است که علاوه بر شارژ شدن توسط موتور بنزینی و سیستم ترمز احیاکننده (Regenerative Braking)، از طریق برق شهری نیز شارژ می‌شود.

به لطف این باتری بزرگ‌تر، خودروهای هیبریدی شارژی می‌توانند مسافت قابل‌توجهی را تنها با موتور الکتریکی و بدون روشن شدن موتور بنزینی طی کنند. برد خودرو با موتور الکتریکی با توجه به مدل خودرو معمولاً بین ۳۰ تا ۸۰ کیلومتر است و در برخی مدل‌های جدید حتی به بیش از ۱۰۰ کیلومتر نیز می‌رسد.

یکی از مهم‌ترین مزایای این خودروها، انعطاف‌پذیری بالای آن‌ها است. اگر امکان شارژ خودرو در منزل یا محل کار را داشته باشید، می‌توانید بیشتر رفت‌وآمدهای روزانه را تنها با برق انجام دهید و مصرف بنزین را به حداقل برسانید. در عین حال، برای سفرهای طولانی هیچ نگرانی بابت محدودیت شارژ وجود ندارد، زیرا پس از کاهش شارژ باتری، موتور بنزینی به‌طور خودکار وارد مدار شده و اتومبیل شما مانند یک خودروی هیبریدی معمولی به حرکت خود ادامه می‌دهد.

از آنجا که خودروهای هیبریدی شارژی همچنان از مزایای سیستم هیبریدی مانند ترمز احیاکننده، بازیابی انرژی و همکاری موتور الکتریکی و موتور بنزینی بهره می‌برند، حتی هنگام رانندگی با موتور بنزینی نیز معمولاً مصرف سوخت کمتری نسبت به خودروهای بنزینی مشابه دارند. علاقه‌مندان به آشنایی با سیستم شارژ خودرو در خودروهای بنزینی معمولی می‌توانند مطلب سیستم شارژ خودرو از مجله فرادرس را مطالعه کنند.

مزایای خودروهای هیبریدی شارژی

مزایای خودروهای هیبردی شارژی را در ادامه ذکر کرده‌ایم.

• امکان رانندگی فقط با برق برای مسافت‌های روزانه
• مصرف سوخت بسیار پایین در استفاده‌های شهری
• عدم نگرانی از محدودیت برد حرکتی در سفرهای طولانی
• کاهش آلایندگی و انتشار گازهای گلخانه‌ای
• بهره‌مندی از مزایای خودروهای هیبریدی و برقی به‌صورت هم‌زمان

معایب خودروهای هیبریدی شارژی

معایب خودروهای هیبریدی شارژی را در فهرست زیر آورده‌ایم.

• قیمت خرید بالاتر به دلیل استفاده از باتری بزرگ‌تر
• نیاز به شارژ از طریق برق شهری برای استفاده حداکثری از قابلیت‌های برقی
• افزایش وزن خودرو نسبت به هیبریدهای معمولی
• اشغال بخشی از فضای صندوق عقب به دلیل نصب باتری بزرگ‌تر
• کوچک‌تر بودن باک سوخت در برخی مدل‌ها برای ایجاد فضای کافی جهت نصب باتری

به همین دلیل، خودروهای هیبریدی شارژی (PHEV) برای افرادی مناسب هستند که بیشتر مسیرهای روزانه خود را در شهر طی می‌کنند، اما در عین حال می‌خواهند بدون نگرانی از محدودیت شارژ، امکان انجام سفرهای طولانی را نیز داشته باشند.

استفاده از موتور احتراق داخلی در کنار موتور الکتریکی در این خودروها به معنی دو برابر شدن قدرت خودرو نیست. بلکه در شرایط مختلف رانندگی از ترکیبی از این دو منبع استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات درباره نحوه عملکرد خودروهای هیبریدی و انواع موتورهای الکتریکی در آن‌ها می‌توانید فیلم آموزش شبیه سازی خودروی هیبریدی با AVL CRUISE فرادرس را مشاهده کنید.

رانندگی با خودروی هیبریدی

برای رانندگی با خودروهای هیبریدی به مهارت خاصی نیاز نیست و در صورتی که در گذشته با خودروهای دنده اتوماتیک رانندگی کرده باشید به‌راحتی می‌توانید با خودروهای هیبریدی نیز رانندگی کنید. اما دانستن برخی موارد در خصوص رانندگی با آن‌ها و نحوه عملکرد خودروهای هیبریدی، می‌تواند مصرف سوخت را کاهش و بهره‌وری را افزایش دهد.

در «خودروهای هیبریدی خودشارژ» (Self Charging Hybrid)، شتاب‌گیری ملایم و یکنواخت اهمیت زیادی دارد. این نوع رانندگی باعث می‌شود سیستم مدیریت قوای محرکه از موتور الکتریکی به شکل مؤثرتری استفاده کند و در بسیاری از مدل‌ها که به گیربکس‌های eCVT یا سایر گیربکس‌های اتوماتیک ویژه خودروهای هیبریدی مجهز هستند، عملکرد نرم‌تر و مصرف سوخت بهینه‌تری ارائه شود. در مقابل، شتاب‌گیری ناگهانی معمولاً باعث افزایش دور موتور بنزینی و مصرف بیشتر سوخت می‌شود.

تمام خودروهای هیبریدی به‌صورت اتوماتیک رانده می‌شوند و نحوه استفاده از دسته دنده آن‌ها تفاوت چندانی با خودروهای اتوماتیک معمولی ندارد. برخی مدل‌ها دارای حالت‌های رانندگی مختلف هستند که یکی از آن‌ها میزان ترمز احیاکننده را افزایش می‌دهد. در این حالت، با برداشتن پا از روی پدال گاز، خودرو با شدت بیشتری سرعت خود را کاهش می‌دهد و انرژی جنبشی حاصل از حرکت را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در باتری ذخیره می‌کند.

علاوه بر این، بسیاری از خودروهای هیبریدی شارژی و برخی مدل‌های هیبریدی دیگر، امکان انتخاب حالت رانندگی تمام‌برقی (EV Mode) را در صورت کافی بودن شارژ باتری فراهم می‌کنند. بیشتر این خودروها همچنین به حالت خودکار (Auto Mode) مجهز هستند که به‌صورت هوشمند تصمیم می‌گیرد در هر لحظه از موتور بنزینی، موتور الکتریکی یا ترکیبی از هر دو استفاده کند. در برخی مدل‌ها نیز حالت Sport یا Power وجود دارد که با به‌کارگیری هم‌زمان موتور بنزینی و موتور الکتریکی، حداکثر شتاب و عملکرد را در اختیار راننده قرار می‌دهد.

حالت‌های رانندگی در خودروهای هیبریدی شارژی

بسیاری از خودروهای هیبریدی شارژی علاوه بر حالت رانندگی تمام‌برقی، به قابلیتی با عنوان Battery Save یا حالت حفظ شارژ باتری نیز مجهز هستند. در این حالت، خودرو تا حد امکان از موتور بنزینی برای تأمین نیروی محرکه استفاده می‌کند و از مصرف شارژ باتری جلوگیری می‌کند تا انرژی الکتریکی برای زمان مناسب‌تری ذخیره شود. در برخی مدل‌ها نیز موتور بنزینی می‌تواند در حین رانندگی، بخشی از شارژ باتری را بازیابی کند.

برای مثال، اگر بخش زیادی از مسیر را در بزرگراه طی می‌کنید، می‌توانید حالت Battery Save را فعال کنید تا شارژ باتری برای رانندگی در مناطق شهری حفظ شود. پس از ورود به شهر، با انتخاب حالت تمام‌برقی (EV Mode) می‌توانید بدون مصرف سوخت و بدون تولید آلایندگی مستقیم، از نیروی موتور الکتریکی استفاده کنید.

از آنجا که فناوری خودروهای هیبریدی در میان خودروسازان مختلف یکسان نیست، نحوه عملکرد سیستم هیبریدی، حالت‌های رانندگی و مدیریت باتری ممکن است در هر خودرو متفاوت باشد. به همین دلیل، توصیه می‌شود پس از خرید خودرو، دفترچه راهنمای سازنده را به‌دقت مطالعه کنید تا با قابلیت‌ها و تنظیمات اختصاصی همان مدل آشنا شوید.

برخی از خودروهای هیبریدی شارژی پیشرفته حتی به فناوری «Geofencing» (موقعیت‌یابی جغرافیایی هوشمند) مجهز هستند. در این فناوری، خودرو با استفاده از اطلاعات سامانه ناوبری (GPS) می‌تواند هنگام ورود به مناطق از پیش تعیین‌شده، مانند محدوده‌های شهری یا مناطق کم‌آلایندگی، به‌طور خودکار حالت رانندگی را تغییر دهد. برای مثال، خودرو ممکن است در بزرگراه از موتور بنزینی استفاده کند، اما به محض ورود به محدوده شهر، به‌صورت خودکار به حالت تمام‌برقی (EV Mode) سوئیچ کند تا میزان آلایندگی و مصرف سوخت کاهش یابد.

آیا خرید خودروی هیبریدی ارزش دارد؟

پاسخ به این سؤال به نوع استفاده، میزان رانندگی و نیازهای شما بستگی دارد و نمی‌توان برای همه افراد یک پاسخ یکسان ارائه کرد.اگر سالانه حدود ۶۴ هزار کیلومتر رانندگی می‌کنید و بیشتر مسیرهای شما در بزرگراه‌ها و جاده‌های بین‌شهری است، ممکن است یک خودروی دیزلی از نظر مصرف سوخت و پیمایش گزینه مناسب‌تری باشد. زیرا خودروهای هیبریدی خودشارژ بیشترین مزیت خود را در رانندگی شهری، ترافیک و مسیرهای پرتوقف نشان می‌دهند و در سرعت‌های ثابت بزرگراهی معمولاً بخش عمده نیروی محرکه توسط موتور بنزینی تأمین می‌شود.

اگر بیشتر رانندگی شما در شهر انجام می‌شود، یک خودروی هیبریدی خودشارژ می‌تواند تجربه‌ رانندگی نرم، کم‌صدا و کم‌مصرف را برایتان فراهم کند؛ زیرا در ترافیک و سرعت‌های پایین، استفاده از موتور الکتریکی بیشتر است و مصرف سوخت کاهش می‌یابد.

برای رانندگانی که میزان پیمایش متوسط دارند و بخشی از مسیرهای آن‌ها شهری و بخشی بین‌شهری است، هر دو نوع خودروی هیبریدی شارژی (PHEV) و هیبریدی خودشارژ (Self Charging Hybrid) می‌توانند گزینه‌های مناسبی باشند. البته باید توجه داشت که در بسیاری از بازارها، خودروهای بنزینی یا دیزلی مشابه معمولاً قیمت خرید اولیه کمتری دارند. بنابراین، پیش از تصمیم‌گیری، بهتر است مزایا و معایب هر نوع خودرو را با توجه به بودجه، میزان رانندگی و شرایط استفاده خود مقایسه کنید.

انواع باتری خودروهای هیبریدی

خودروی هیبریدی (HEV) نوعی خودروی برقی است که علاوه بر موتور الکتریکی، از یک موتور بنزینی نیز برای تأمین نیروی محرکه استفاده می‌کند. به همین دلیل، باتری آن نسبت به خودروهای تمام‌برقی کوچک‌تر است و در حین رانندگی از طریق سیستم بازیابی انرژی و در بسیاری از مدل‌ها با کمک موتور بنزینی شارژ می‌شود.

در مقابل، خودروی هیبریدی شارژی (PHEV) علاوه بر این روش‌ها، امکان شارژ باتری از طریق برق شهری را نیز دارد. این ویژگی باعث می‌شود خودرو بتواند مسافت بیشتری را تنها با نیروی موتور الکتریکی طی کند. برای مثال، میتسوبیشی اوتلندر PHEV می‌تواند بیش از ۶۰ کیلومتر را در حالت تمام‌برقی طی کند و با استفاده از شارژر مناسب، با صرف زمان حدود ۳۸ دقیقه باتری آن می‌تواند تا ۸۰ درصد شارژ شود.

به‌طور کلی، خودروهای هیبریدی از یکی از دو نوع باتری زیر استفاده می‌کنند.

• «باتری نیکل هیدرید فلز» (Nickel Metal Hydride | NiMH)
• «باتری لیتیوم یون» (Lithium Ion)

در ادامه، با ساختار، مزایا، معایب و تفاوت‌های هر یک از این دو نوع باتری بیشتر آشنا خواهیم شد.

باتری نیکل هیدرید فلز در خودروهای هیبریدی

باتری «نیکل هیدرید فلز» (Nickel Metal Hydride | NiMH) یکی از رایج‌ترین انواع باتری در خودروهای هیبریدی است. این باتری از کاتد نیکل، آند هیدرید فلزی و الکترولیت هیدروکسید پتاسیم ساخته می‌شود و به دلیل دوام بالا، قابلیت اطمینان مناسب و هزینه تولید کمتر، در بسیاری از خودروهای هیبریدی طی دو دهه گذشته مورد استفاده قرار گرفته است.

یکی از مزایای مهم باتری‌های NiMH عملکرد پایدار آن‌ها در شرایط دمایی مختلف است. این باتری‌ها در هوای سرد افت عملکرد کمتری نسبت به برخی فناوری‌های دیگر دارند و معمولاً به سیستم‌های پیچیده مدیریت دما نیاز ندارند.

اگرچه چگالی انرژی باتری‌های NiMH از باتری‌های لیتیوم یون کمتر است و وزن و ابعاد بزرگ‌تری دارند، اما توانایی تحمل تعداد زیاد چرخه‌های شارژ و دشارژ بدون کاهش محسوس عملکرد، آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای خودروهای هیبریدی تبدیل کرده است.

با این حال، به دلیل وزن بیشتر و ظرفیت انرژی پایین‌تر، بیشتر خودروهای تمام‌برقی از باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌کنند. همچنین، اگرچه باتری‌های NiMH ممکن است تا حدی دچار «اثر حافظه‌ای» (Memory Effect) شوند، اما سیستم مدیریت باتری در خودروهای هیبریدی این موضوع را تا حد زیادی کنترل می‌کند.

اثر حافظه‌ای (Memory Effect) پدیده‌ای است که در برخی باتری‌های قابل شارژ، از جمله باتری‌های نیکل متال هیدرید (NiMH)، ممکن است در شرایط خاص رخ دهد. در این حالت، اگر باتری بارها قبل از تخلیه کامل دوباره شارژ شود، به‌تدریج ظرفیت قابل استفاده آن کاهش می‌یابد و باتری گویی تصور می‌کند فقط به همان میزان شارژ و دشارژ محدود نیاز دارد. به زبان ساده، باتری هنوز انرژی در خود دارد، اما نمی‌تواند از تمام ظرفیت واقعی خود استفاده کند و در نتیجه زودتر از حد انتظار خالی می‌شود.

امروزه بسیاری از خودروهای هیبریدی قدیمی‌تر از باتری‌های NiMH استفاده می‌کنند، اما در نسل‌های جدید، خودروسازان به‌تدریج به سمت استفاده از باتری‌های لیتیوم یون حرکت کرده‌اند.

باتری لیتیوم یون در خودروهای هیبریدی

باتری «لیتیوم یون» (Lithium Ion) نیز مانند باتری‌های NiMH از الکترولیت برای انتقال یون‌ها استفاده می‌کند، با این تفاوت که عنصر اصلی آن لیتیوم است. مهم‌ترین مزیت این باتری‌ها، چگالی انرژی بالاتر است؛ به این معنا که در حجم و وزن مشابه، انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های نیکل هیدرید فلز ذخیره می‌کنند.

به همین دلیل، بسیاری از خودروهای هیبریدی جدید، به‌ویژه هیبریدی‌های شارژی (PHEV)، از باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌کنند. البته در گذشته، هزینه بالاتر تولید این باتری‌ها باعث می‌شد استفاده از آن‌ها در خودروهای هیبریدی چندان مقرون‌به‌صرفه نباشد. باتری‌های لیتیوم یون برخلاف باتری‌های نیکل متال هیدرید تقریباً از مشکل اثر حافظه‌ای مصون هستند؛ با این حال، عمر آن‌ها بیشتر تحت تأثیر عواملی مانند دما، تعداد چرخه‌های شارژ و نحوه مدیریت شارژ قرار دارد.

باتری‌های لیتیوم یون مانند باتری تلفن همراه و لپ‌تاپ، نسبت به دما و نحوه شارژ حساس‌تر هستند؛ اما با پیشرفت فناوری و سیستم‌های مدیریت باتری، امروزه عملکرد، طول عمر و بازده آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی بهبود یافته است. به همین دلیل، این نوع باتری در حال حاضر فناوری غالب در بسیاری از خودروهای هیبریدی و برقی مدرن محسوب می‌شود.

سایر باتری‌های خودروهای هیبریدی

باتری ولتاژ بالای سیستم هیبریدی تنها منبع ذخیره انرژی در این خودروها نیست. بیشتر خودروهای هیبریدی علاوه بر آن، یک باتری ۱۲ ولتی سرب اسیدی نیز دارند که وظایف زیر را بر عهده دارد.

• روشن کردن سامانه‌های الکترونیکی خودرو
• تأمین برق رایانه‌ها و واحدهای کنترل سیستم هیبریدی
• تغذیه تجهیزات به‌طور دائم فعال مانند سیستم امنیتی و ارتباطی
• تأمین برق تجهیزات اضطراری مانند چراغ‌های هشدار

علاوه بر باتری‌های NiMH و لیتیوم یون، پژوهشگران در حال توسعه فناوری‌های جدیدی برای افزایش برد و بهبود عملکرد خودروهای الکتریکی و هیبریدی هستند. از جمله این فناوری‌ها می‌توان به «باتری‌های حالت جامد» (Solid State Batteries)، باتری‌های با ترکیب گرافیت و سیلیکون و «ابرخازن‌ها» (Supercapacitors) اشاره کرد.

ابرخازن‌ها می‌توانند انرژی را در مدت‌زمان بسیار کوتاه با توان بالا ذخیره و آزاد کنند و به همین دلیل گزینه‌ای مناسب برای برخی خودروهای هیبریدی و نسل آینده خودروهای کم‌مصرف به شمار می‌روند. همچنین انتظار می‌رود باتری‌های حالت جامد، به دلیل وزن کمتر، ایمنی بیشتر و چگالی انرژی بالاتر، نقش مهمی در آینده صنعت خودروهای برقی و هیبریدی ایفا کنند.

عمر باتری خودروهای هیبریدی چقدر است؟

بسیاری از خودروهای هیبریدی می‌توانند بیش از ۴۸۰ هزار کیلومتر را بدون نیاز به تعویض باتری طی کنند. امروزه عمر باتری خودروهای تمام‌برقی معمولاً حداقل ۸ تا ۱۰ سال یا حدود ۱۶۰ هزار کیلومتر برآورد می‌شود و در شرایط آب‌وهوایی مناسب، این میزان می‌تواند به حدود ۲۴۰ هزار کیلومتر یا بیشتر نیز برسد.

اما باتری خودروهای هیبریدی شرایط متفاوتی دارد. از آنجا که این باتری به‌طور مداوم مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و نسبت به باتری خودروهای تمام‌برقی چرخه‌های شارژ و دشارژ کمتری را تجربه می‌کند، معمولاً طول عمر بیشتری دارد.

یکی از دلایل دوام بالای باتری‌های هیبریدی، استفاده از ترمز احیاکننده است. این فناوری هنگام کاهش سرعت یا رها کردن پدال گاز، بخشی از انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و باتری را شارژ می‌کند. در برخی مدل‌ها، مانند میتسوبیشی اوتلندر PHEV، شدت ترمز احیاکننده به اندازه‌ای است که در بسیاری از شرایط می‌توان خودرو را تنها با یک پدال کنترل کرد.

اگرچه رعایت اصول صحیح رانندگی و نگهداری می‌تواند به افزایش عمر باتری کمک کند، اما بخش عمده مدیریت سلامت باتری بر عهده «سیستم مدیریت باتری» (Battery Management System | BMS) است که وظیفه کنترل فرآیند شارژ، دشارژ و دمای باتری را بر عهده دارد.

یادگیری مهندسی مکانیک با فرادرس

یادگیری مهندسی مکانیک برای طراحی و ساخت خودروهای هیبریدی اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا این خودروها ترکیبی از سامانه‌های مکانیکی، حرارتی و الکتریکی هستند. مهندسان مکانیک با مفاهیمی مانند موتورهای احتراق داخلی، انتقال قدرت، دینامیک خودرو، ترمودینامیک و مدیریت انرژی آشنا می‌شوند و می‌توانند نحوه همکاری موتور بنزینی و موتور الکتریکی را تحلیل و بهینه‌سازی کنند. همچنین درک عملکرد سیستم‌هایی مانند ترمز احیاکننده، باتری‌های هیبریدی و سامانه‌های خنک‌کاری بدون دانش مهندسی مکانیک دشوار است.

به همین دلیل، مهندسی مکانیک یکی از مهم‌ترین رشته‌ها برای ورود به صنعت طراحی، توسعه و تولید خودروهای هیبریدی و برقی محسوب می‌شود. برای یادگیری دروس مهندسی مکانیک خودرو فیلم‌های آموزشی متنوعی در فرادرس تهیه شده است که برخی از آن‌ها را در فهرست زیر مشاهده می‌کنید.

• فیلم آموزش مقاومت مصالح ۱ و ۲
• فیلم آموزش تحلیل استاتیکی با سالیدورکس
• فیلم آموزش سینماتیک و دینامیک ماشین ها
• فیلم آموزش علم مواد
• فیلم آموزش ترمودینامیک

برای یادگیری سایر دروس و مطالب مرتبط با مهندسی مکانیک می‌توانید از لینک زیر استفاده کنید.

• مجموعه فیلم آموزش مهندسی مکانیک از دروس دانشگاهی تا کاربردی

جمع‌بندی

در ابتدای این مطلب از مجله فرادرس به این موضوع پرداختیم که خودروی هیبریدی چیست و درباره بازیابی انرژی هنگام ترمزگیری و ترمز احیاکننده در آن‌ها توضیح دادیم. انواع خودروهای هیبریدی را بیان کردیم. برای این منظور انواع خودروهای هیبریدی موازی و هیبرید سری را شرح دادیم و علاوه بر این سایر انواع خودروهای هیبریدی را نیز شرح دادیم.

حالت‌های رانندگی در خودروهای هیبریدی شارژی را بیان کردیم و به این سوال پاسخ دادیم که آیا خرید خودروی هیبرید ارزش دارد. در ادامه انواع باتری‌ در خودروهای هیبریدی را شرح دادیم. در پایان نیز درباره عمر باتری‌های خودروی هیبریدی توضیحاتی را ارائه کردیم.