بررسی سیستم ذخیره انرژی، انتقال قدرت و ترمز خودروهای هیبرید

بررسی سیستم ذخیره انرژی، انتقال قدرت و ترمز خودروهای هیبرید ماشین هیبریدی ،اصول کارکرد خودروهای برقی چگونه است ،نحوه شارژ خودروهای هیبریدی ،طرز کار خودروهای برقی ،شارژ خودرو هیبریدی در ایران ،نحوه شارژ خودروهای هیبریدی در ایران ،هیبرید یعنی چه ،موتور خودروهای برقی

در این مقاله، عملکرد بخش‌های مختلفی از خودروهای هیبرید، شامل موتور، کنترلر، انتقال قدرت و سیستم ترمز بررسی شده است. چرخ طیار که در واقع منبعی برای ذخیره انرژی است، مورد بررسی قرار گرفته و نقش آن در سیستم ترمز خودروهای هیبرید، بیان شده است. کنترلر موتور خودروی هیبرید و نقش آیرودینامیک در کاهش توان موتور نیز از دیگر مواردی است که به آنها پرداخته می‌شود.

مشکلات زیست‌محیطی به وجود آمده در ابعاد کلان از یک‌سو و تنگناهای مربوط به سوخت‌های فسیلی از سوی دیگر، باعث شده است تا خودروهای هیبرید (ترکیب احتراقی و برقی) و نیز خودروهایی که با پیل سوختی کار می‌کنند، جایگزین خودروهای احتراقی شوند. از این‌رو، امروزه علاوه‌بر سیستم‌های قوای محرکه خودروهای درونسوز، دسته‌بندی جدیدی از سه سیستم دیگر شکل گرفته است که عبارتند از: خودروهای برقی۱، خودروهای هیبرید برقی۲ و خودروهای برقی پیل سوختی۳.
خودروی هیبرید برقی، نوعی خودروی الکتریکی است که فاقد نقایص خودروهای الکتریکی معمولی است. مثلاً، خودروهای الکتریکی باید حتماً دارای باطری‌های بزرگ باشند. ثانیاً به‌طور مرتب با شبکه انتقال برق شارژ شوند و این کار زمینه‌ساز پایین بودن کارایی آنهاست. در خودروهای هیبرید، می‌توان از قدرت موتور احتراقی آنها به صورت قدرت مکانیکی یا ذخیره آن به صورت انرژی الکتریکی استفاده کرد، لذا قابلیت استفاده از سوخت‌های جایگزین را دارا بوده و صرفاً منحصر به استفاده از سوخت فسیلی نیستند. در HEVها۴، از محفظه‌های احتراقی در واحدهای کمکی قدرت (APU)ا۵ برای تولید انرژی الکتریکی با حداقل آلودگی استفاده می‌شود. HEVها از ذخیره کردن انرژی ترمزگیری استفاده کرده و به کاهش اتلاف انرژی به هنگام حرکت، کمک می‌کنند.

نحوه عملکرد خودروهای هیبرید:

خودروی هیبرید، با دو منبع انرژی متفاوت کار می‌کند. استفاده از چنین سیستمی، در واقع حفظ بازده موتور درونسوز (ICE) و کاهش آلودگی در حد خودروی الکتریکی (EV) است.
برای به دست آوردن ترکیب خوب ICE و EV، به استفاده از پیل‌های سوختی و موتورهای دیزل یا بنزینی و همراه آنها به باطری و چرخ طیار و ذخیره‌کننده‌های با ظرفیت بالا نیاز داریم.
در خودروهای هیبرید، از سه ساختار یا حالت مختلف در بهره‌گیری از این دو نوع موتور استفاده می‌شود که عبارتند از:
۱. سری
۲. موازی
۳. سری و موازی

چرخ طیار:

چرخ طیار وسیله تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی (دورانی) است که با توجه به چرخش سریع در ساختمان موتور، ساخته می‌شود. این وسیله، انرژی ذخیره شده به صورت انرژی جنبشی در روتور را به صورت انرژی الکتریکی در حالت برگشت موتور و هنگام کاهش سرعت روتور، آزاد می‌کنند.
این سیستم‌ها، انرژی مکانیکی را به صورت انرژی جنبشی ذخیره می‌کنند. آنها برای شتاب دادن روتور تا سرعت مورد استفاده موتور، یک ورودی الکتریکی دارند. سپس، انرژی الکتریکی مورد استفاده این موتور را مانند ژنراتور بر می‌گردانند. این سیستم‌ها به دو شکل طراحی می‌شوند، یکی به صورت دیسک دوار که در مراکز آن یک محور قرار دارد و دیگری یک استوانه تو خالی که توسط یاتاقان‌های مغناطیسی کنترل می‌شود.
بیشترین عامل اطمینان در طراحی چرخ طیارها، مواد مورد استفاده در لبه یا حاشیه آنهاست. لبه چرخ طیار، باید برای افزایش انرژی جنبشی ذخیره شده در آن، موادی با ضریب استحکام کششی بالا نسبت به چگالی آنها ساخته شود. لذا نیاز به استحکام کششی بالا نسبت به چگالی، ما را به سمت مواد مرکبی هدایت می‌‌کند که دارای استحکام کششی بالا و چگالی کم بوده و استحکام کششی نسبت به چگالی آنها، ۱۰ برابر فولاد باشد.

ایمن‌سازی دینامیکی چرخ طیار:

انرژی یک چرخ طیار با سرعت بالا (حداکثر تا ۶۰ هزار دور در دقیقه) دارای قدرت تخریب زیادی است. انرژی یک چرخ طیار یک کیلو وات ساعتی، قادر است خودرویی با اندازه متوسط را بیشتر از ۱۰۰ فوت به‌طور عمودی در هوا بلند کند. در نتیجه، قسمت چرخنده آن باید در محفظه‌ای محافظ، محبوس شود. ۳ نکته که باید برای طراحی چرخ طیارها در خودروی هیبریدی مد نظر گرفته شود، عبارتند از:
۱. احتمال شکستگی روتور و برخورد با محفظه آن به هنگام حرکت یا بر اثر تصادف.
۲. اثر ژیروسکپی چرخ طیار می‌تواند سبب واژگونی خودرو به هنگام چرخش مسیر شود.
۳. شوک ناشی از مسیر جاده، می‌تواند بر عملکرد چرخ طیار تأثیر بگذارد.

ایمن‌سازی الکتریکی چرخ طیار:

به دلیل قدرت بالای مورد نیاز برای چرخ طیارها در حالت اتوماتیک، ولتاژ مورد نیاز بسیار زیاد و معمولاً در حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ ولت است. این ولتاژ بالا، ممکن است باعث وارد شدن شوک الکتریکی به راننده، سرنشینان و تعمیرکاران شود. برای ساختن چرخ طیار مطمئن، باید اثرات هر یک از اجزای دیگر خودرو و خصوصیات سیستم در نظر گرفته شود.

موتور و کنترلر آن:

موتور الکتریکی و کنترلر خودروی هیبرید، برای حرکت دادن خودرو از انرژی الکتریکی بهره می‌گیرند. در نوع سری، یک موتور الکتریکی به تنهایی چرخ‌ها را حرکت می‌دهد. در نوع موازی، ترکیب واحدهای قدرت می‌تواند از طریق یک سیستم انتقال قدرت، چرخ‌ها را به حرکت در آورد.
در سیستم سری- موازی (Dual) از ترکیب هر دو حالت بالا استفاده می‌شود. یعنی کنترلر، ولتاژ و جریان رسیده به موتور را کنترل می‌کند. در خودروی هیبریدی، کنترلر یک سیگنال از پدال گاز می‌گیرد و تولید انرژی الکتریکی برای موتور را کنترل می‌کند که باعث تولید گشتاور مورد نیاز برای چرخش چرخ‌ها می‌شود.
دو گروه اصلی از سیستم‌های محرکه الکتریکی وجود دارد که عبارتند از: جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC). موتورهای DC، عموماً ساده‌تر کنترل می‌شوند، اما کمی گرانتر هستند. این موتورها، معمولاً بزرگتر و سنگین‌تر هستند. بیشتر خودروهای هیبرید از موتورهای AC استفاده می‌کنند زیرا اغلب آنها دارای بازده بالاتر و محدوده کاری بزرگتری هستند. وقتی که از موتور درونسوز برای تأمین منبع انرژی اولیه استفاده می‌شود، یک ریزپردازنده که از قسمت‌های مختلف خودرو سیگنال دریافت می‌کند، با توجه به وضعیت شارژ باطری‌ها و نیز وضعیت حرکتی و سیگنالی که از پدال گاز دریافت می‌کند، با استفاده از سیستم‌های کنترلی الکترونیکی به کار رفته در خودرو، نحوه عملکرد سیستم انتقال قدرت و موتور احتراقی را به نحوی تنظیم می‌کند که موتور در حالتی کار کند که دارای بهترین بازده سوختی ممکن باشد و دور و گشتاور خروجی مورد نیاز را تأمین کند. البته، انجام این کار در نوع سری آسانتر از نوع موازی است.

سیستم انتقال قدرت:

در یک خودروی معمولی، موتور احتراقی، سوخت را به انرژی تبدیل می‌کند، ولی در خودروی هیبرید، از تکنولوژی‌های تبدیل سوخت دیگری استفاده می‌شود. در موتورهای معمولی، سوخت از طریق احتراق به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می‌شود. در یک خودروی هیبرید، لازم است که انرژی سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل شود تا به موتور الکتریکی توانایی تولید قدرت بدهد. از آنجا که هدف در HEVها، به دست آوردن حداکثر بازده سوخت است، اغلب از ۳ نوع موتور استفاده می‌شود:
۱. موتورهای بنزینی که از تکنولوژی‌های پاشش مستقیم سوخت بهره می‌گیرند. از این نوع برای HEVهای سبک (خودروهای شخصی) استفاده می‌شود.
۲. موتورهای دیزل که اغلب از آنها برای HEVهای سنگین، مانند اتوبوس‌ها و غیره استفاده می‌شود.
۳. موتورهای گازی که از آنها فقط در HEVهای نوع سری می‌توان استفاده کرد. در این خودروها، استفاده از منابع انرژی نو مانند پیل‌های سوختی یا پیل‌های خورشیدی، بسیار مرسوم است.

سیستم ترمز:

در ترمزهای هیدرولیک استاندارد، پدال ترمز به پیستونی متصل است که در سیلندر اصلی قرار دارد. سیلندر اصلی، به سیلندرهای روی هر یک از چرخ‌ها متصل است، به طوری که وقتی پدال ترمز فشرده می‌شود، پیستون‌ها را به سمت بیرون فشار داده و کفشک‌های ترمز به طور متقابل به درام ترمز فشرده می‌شوند.
HEVها، اغلب از سیستم ترمز استاندارد استفاده نمی‌کنند بلکه از نوعی سیستم ترمز به نام ترمز بازیافتی بهره می‌برند. ترمز بازیافتی، نوعی فرایند جذب مجدد انرژی است که معمولاً در زمان ترمزگیری عادی، آزاد می‌شود. ذخیره این انرژی به صورت الکتریکی صورت می‌پذیرد.
این انرژی، در باطری یا چرخ طیار و یا در ذخیره‌کننده‌های با ظرفیت بالا، ذخیره می‌شود. این مقدار انرژی باعث کاهش انرژی لازم برای حرکت خودروی هیبرید شده و باید از منبع تولیدکننده دریافت شود که در نتیجه، بازده افزایش می‌یابد.
انرژی جنبشی برگشتی، می‌تواند انرژی تلف شده توسط دیگر مقاومت‌های خودرو، نظیر نیروی پسا هوا را جبران کند. علاوه‌بر آن، از قابلیت توقف سریعتر و اخذ بیشتر انرژی برخوردار است.
ترمزهای بازیافتی شامل ۳ جزء مختلف هستند که عبارتند از:
۱. دستگاه ذخیره کننده انرژی، برای نگهداری انرژی برگردانده شده در زمان ترمزگیری تا وقتی که برای حرکت دوباره مورد استفاده قرار گیرد
۲. واسطه انتقال دهنده قدرت، برای انتقال انرژی چر‌خ‌ها به دستگاه ذخیره کننده

۳. کنترل کننده شدت ترمز:

مثلاً، سیستم ترمز هوندا، مجموعه‌ای است که در آن، یک موتور الکتریکی DC بدون جاروبک، به طور مستقیم توسط شفت به موتور بنزینی متصل است. میل لنگ، توسط مجموعه‌ای از چرخدنده‌ها، به شفت حرکت متصل است، شفت حرکت نیز از طریق شفت‌های میانی و اتصالات سرعت ثابت، به چرخ‌ها متصل است، زمانی که خودرو حرکت می‌کند و ترمزها فشرده می‌شوند، ترمزهای بازیافتی درگیر می‌شوند. این حالت تا زمانی ادامه می‌یابد که میانگین کاهش سرعت مورد نظر در حدود ۰.۱g تا ۰.۲g باشد.
در زمانی که به کاهش سرعت بیشتری نیاز باشد، علاوه‌بر ترمزهای بازیافتی، ترمزهای دیسکی نیز نیروی ترمز اضافی را اعمال می‌کنند. این کار توسط موتور الکتریکی که در حالت معکوس به صورت ژنراتور عمل می‌کند، صورت می‌گیرد. هنگامی که پدال ترمز فشرده می‌شود، کلاچ‌ درگیر شده و حرکت چرخشی چرخ‌ها از طریق سیستم انتقال قدرت به میل‌لنگ متصل می‌شود. بنابراین، حرکت چرخشی چرخ‌ها به طور مستقیم به موتور الکتریکی انتقال می‌یابد که اکنون به عنوان یک ژنراتور عمل کرده و در نتیجه، شروع به تولید الکتریسیته‌ای می‌کند که در باطری‌ها ذخیره می‌شود. این الکتریسیته، فرایند مقاومتی را در برابر چرخش ایجاد می‌کند.

بدنه و شاسی:

بدنه HEVها شکل متفاوتی با خودروهای بنزینی معمولی ندارد، اما هنگامی که بازده انرژی، نقشی مهم در طراحی آنها دارد، آیرودینامیک خوب و شاسی سبک، باعث افزایش بازده خودرو خواهد شد.
دو عامل مهمی که روی آیرودینامیک خودروها اثر می‌گذارد، عبارتند از: ضریب پسای Cd و سطح تصویر از روبه‌رو A. حاصلضرب این دو عامل متناسب با نیروی پسای آیرودینامیکی خودروست. از دیگر نیروهای پسای خودرو، نیروهای پسای غلتشی است که با وزن خودرو تناسب دارد. مجموعه این نیروها به صورت زیر بیان می‌شود:
Ftotal = Froll + Faero
بازده مصرف سوخت پایین و عملکرد بالای موتور و امکان کاهش وزن، نتایجی امیدبخش را در طراحی خودروهای هیبرید، نوید می‌دهند. کاهش آلودگی محیط‌زیست و نیز کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی، فصلی جدید در طراحی خودروهای آتی خواهد گشود.