نحوه عملکرد سیستم هیبرید خودروهای تویوتا

سیستم هیبرید تویوتا موتور بنزینی و دو موتور/ژنراتور الکتریکی را با یک سیستم تقسیم توان (Power Split) ترکیب می‌کند تا خودرو در سرعت‌های پایین با برق و در شتاب‌گیری با هر دو موتور حرکت کند؛ باتری هیبرید هم بدون شارژر خارجی و با موتور بنزینی و ترمز بازیاب شارژ می‌شود. در این مقاله و ویدیوی آموزشی، اجزای این سیستم، نحوه عملکرد آن در حرکت و روش‌های شارژ باتری هیبرید و باتری ۱۲ ولت را بررسی می‌کنیم.

اجزای سیستم هیبرید تویوتا

در سیستم هیبرید خودروهای تویوتا، همه اجزا به‌صورت ویژه برای این سیستم طراحی شده‌اند.
بازده حرارتی موتور بنزینی با مصرف سوخت و آلایندگی کمتر افزایش یافته است.
موتور الکتریکی فضای کمی اشغال کرده و دارای بازده بالایی است و شتاب بسیار نرمی را ایجاد می‌کند. ژنراتور دوران موتور را به الکتریسیته تبدیل می‌کند که به موتور الکتریکی و باتری‌ها ارسال می‌شود؛ همچنین به‌عنوان استارتر موتور استفاده می‌شود که استارت نرمی را ایجاد می‌کند.
باتری‌ها الکتریسیته تولید‌شده را ذخیره کرده و موتور الکتریکی را تغذیه می‌کنند و نیازی به شارژر خارجی یا تعویض باتری‌ها نیست. این باتری‌ها دوام بالایی در مقابل حرارت دارند.انواع، مشخصات و علائم خرابی این باتری را در مقاله باتری هیبرید تویوتا چیست؟ بررسی کرده‌ایم.
یونیت‌های سیستم هیبرید تویوتا دارای اعتمادپذیری بالایی هستند که ثمره سال‌ها کار طراحی و پیشرفت مستمر است.برای آشنایی با نشانه‌های ایراد در این گیربکس، مقاله علائم خرابی گیربکس هیبرید تویوتا را بخوانید. تعمیر و نگهداری گیربکس‌های هیبریدی تویوتا نیازمند دانش تخصصی است؛ در دوره تعمیر گیربکس تویوتا این مهارت به‌طور کامل آموزش داده می‌شود.

نحوه عملکرد سیستم هیبرید تویوتا در حرکت

زمانی‌که خودروی تویوتا ساکن است، هیچ‌گونه تلفات انرژی وجود ندارد. زمانی‌که خودرو شروع به حرکت می‌کند، موتور الکتریکی به‌آرامی و بی‌صدا خودرو را به حرکت درمی‌آورد و در سرعت‌های پایین، برای رسیدن به مصرف سوخت پایین، از موتور الکتریکی استفاده می‌شود.
در زمان شتاب‌گیری، موتور الکتریکی با موتور بنزینی در سرعتی که بازده بالاتری دارد ترکیب می‌شود تا خودرو با توان مناسب و مصرف سوخت پایین حرکت کند. موتور بنزینی هم‌زمان هم خودرو را به حرکت درمی‌آورد و هم باتری‌ها را شارژ می‌کند.
سیستم تقسیم توان تویوتا یک تکنولوژی خاص است که انرژی خروجی موتور بنزینی را با توجه به شرایط مختلف رانندگی، بین تولید الکتریسیته و سیستم محرکه تقسیم می‌کند. سیستم کنترل توان تویوتا نیز به‌عنوان هسته سیستم هیبرید، مشخص‌کننده سهم هر قسمت از توان تولیدی است. تفاوت این ساختار با سایر سیستم‌های هیبرید را در مقاله انواع خودروهای هیبریدی بخوانید.

سیستم هیبرید تویوتا چگونه شارژ می‌شود؟

باتری هیبرید تویوتا دو منبع شارژ دارد: موتور بنزینی، که با کاهش شارژ باتری از طریق موتور/ژنراتور اول برق تولید می‌کند، و ترمز بازیاب، که هنگام کاهش سرعت موتور/ژنراتور دوم را به ژنراتور تبدیل می‌کند. باتری ۱۲ ولت هم بدون دینام و از طریق یک مبدل DC به DC از همین باتری هیبرید شارژ می‌شود.

در خودروهای هیبرید تویوتا هدف از شارژ باتری تکمیل کردن ظرفیت شارژ باتری نیست بلکه نگه داشتن سطح شارژ باتری در محدوده مناسب است. گفتنی است سیستم کنترل هوشمند این سیستم به شکلی سطح شارژ باتری کنترل می‌کند که تحت هیچ شرایطی باتری به صورت کامل شارژ یا دشارژ نشود و همچنین دمای باتری در محدوده مناسب حفظ شود. عمل شارژ این باتری به روش‌های متفاوتی انجام می‌شود که در ادامه به آنها می‌پردازیم.

موتور بنزینی در چه شرایطی و چطور باتری هیبرید را شارژ میکند؟

در خودروهای هیبرید تویوتا موتور بنزینی در شرایط مختلفی اقدام به شارژ کردن باتری هیبرید میکند. این شرایط میتواند در حالت حرکت خودرو یا حالت سکون باشد. اما به صورت کلی شارژ باتری هیبرید توسط موتور بنزینی کاملا وابسته به نیاز این باتری میباشد که سیستم کنترل هوشمند آن را مدیریت میکند.

شارژ باتری همزمان با حرکت خودرو

در این شرایط نیروی مورد نیاز برای حرکت خودرو توسط موتور/ژنراتور دوم تامین میشود که این موتور انرژی مورد نیاز خود را از باتری دریافت میکند. در این زمان در صورت نیاز به شارژ شدن باتری، موتور بنزینی روشن میشود به سیستم تقسیمِ توان، یا همان power split انرژی وارد میکند. انرژی وارد شده توسط موتور/ژنراتور اول جذب شده و تبدیل به انرژی الکتریکی میشود و به اینونتر ارسال میگردد. انرژی الکتریکی به دست آمده معمولا صرف شارژ کردن باتری میشود اما به دلیل مصرف انرژی توسط موتور/ژنراتور دوم به صورت همزمان، ممکن است سطح شارژ باتری در محدوده مشخصی ثابت بماند. یا به بیانی دیگر انرژی الکتریکی تولید شده توسط موتور/ژنراتور اول صرف حرکت موتور/ژنراتور الکتریکی دوم شود.
نحوه ارتباط موتور ژنراتورهای الکتریکی و موتور بنزینی در مقاله گیربکس e_cvt به وضوح بیان شده است)
تصویر زیر شماتیک شارژ باتری در حالت حرکت خودرو توسط موتور بنزینی را نمایش می‌دهد:

شارژ باتری در زمان توقف خودرو

هنگامی که خودرو متوقف است، در صورت کم بودن سطح شارژ باتری و نیاز به افزایش سطح شارژ باتری، موتور بنزینی روشن میشود به سیستم power split انرژی وارد می‌کند. بدیهی است که به دلیل ثابت بودن رینگی نیروی وارد شده به سمت خورشیدی جریان پیدا می‌کند که به معنی چرخش موتور/ژنراتور اول می‌باشد. این ژنراتور نیز انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و از طریق سیستم اینونتر آن را به باتری انتقال می‌دهد.
تصویر زیر شماتیک شارژ باتری در حالت ساکن بودن خودرو توسط موتور بنزینی را نمایش می‌دهد:

در دو حالت توضیح داده شده، انرژی شیمیایی در ابتدا به وسیله موتور بنزینی به انرژی جنبشی یا به عبارتی حرکت مکانیکی تبدیل می‌شود و این انرژی پس از گذر از سیستم انتقال قدرت به موتور/ژنراتور اول میرسد و این ژنراتور انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. به طور خلاصه در این روند انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

ترمز بازیاب چطور باتری هیبرید را شارژ می‌کند؟

یکی دیگر از روش‌های شارژ باتری هیبرید، تولید انرژی الکتریکی در زمان ترمز گیری است. به بیان ساده، در خودروهای بنزینی هنگام رها کردن پیدال گاز برای کاهش سرعت ابتدا از نیروی ترمز موتوری استفاده می‌شود و در صورت نیاز به کاهش سرعت سریع تر از سیستم ترمز خودرو استفاده می‌شود. از این رو با رها کردن پدال گاز، جهت انتقال نیرو برعکس شده نیرویی که در چرخ ها وجود دارد به سمت موتور جریان می‌یابد(این نیرو در اثر انرژی جنبشی خودرو میباشد). این نیرو با رسیدن به موتور با مقامت‌هایی همچون اصطکاک، فشار هوای داخل سیلندر و… مواجه می‌شود که در نهایت به گرما تبدیل می‌شود، یعنی انرژی جنبشی وارد شده از سمت چرخ‌ها به انرژی گرما تبدیل میشود و طی این فرایند عمل ترمز موتوری انجام می‌شود.
در خودروهای هیبرید، به هنگام رها کردن پدال گاز انرژی مکانیکی چرخ‌ها از طریق سیستم انتقال قدرت به موتور/ژنراتور منتقل می‌شود، به صورت همزمان سیستم کنترل هوشمند این عضو را به ژنراتور تبدیل می‌کند. انرژی جنبشی وارد شده در این ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میشود که از طریق اینونتر به باتری می‌رسد و باعث شارژ شدن باتری می‌شود. در این حالت انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
تصویر زیر شماتیک شارژ باتری در حالت حرکت خودرو توسط ترمز بازیاب را نمایش می‌دهد:

باتری ۱۲ ولت در تویوتا هیبرید چگونه شارژ می‌شود؟

در تمامی خودروها باتری 12 ولتی وجود دارد که وظیفه تامین انرژی الکتریکی ادوات برقی خودرو مانند چراغ‎های جلو، برف‌پاک‌کن، سیستم مدیریت موتور و… بر عهده دارد. اما با توجه به قانون بقای انرژی، بدیهی است که پس از مدت کوتاهی که انرژی الکتریکی از باتری دریافت شود این باتری به صورت کامل دشارژ می‌شود. همان‌طور که میدانید در تمامی خودروهای بنزینی از یک ژنراتور که آلترناتور یا دینام نام دارد استفاده می‌شود که به وسیله تسمه توسط موتور بنزینی به حرکت در می‌یاید و مادامی که موتور بنزینی روشن است عملیات تولید انرژی الکتریکی را انجام می‌دهد تا از دشارژ شدن کامل باتری جلو گیری کند.
اما در خودروهای هیبرید به دلیل وجود باتری ولتاژ بالا با قابلیت تأمین جریان قابل اعتماد، از استفاده از قطعه‌ای مجزا به عنوان دینام یا آلترناتور در جهت شارژ باتری 12 ولت اجتناب شده است. زیرا با وجود باتری هیبرید، تنها با استفاده از مبدل کاهنده DC به DC میتوان باتری 12 ولت را شارژ نمود. در این سیستم انرژی از شکل الکتریکی خارج نمیشود اما با کاهش ولتاژ باتری را 12 ولت را شارژ می‌کند.
همچنین گفتنی است که باتری 12 خودروهای هیبرید در مقابل خودروهای بنزینی از ظرفیت کمتری برخورداراست. دلیل اصلی این موضوع عدم استفاده از استارتر برای موتور بنزینی در این خودرو می‌باشد و موتور بنزینی توسط موتور الکتریکی اول به حرکت در می‌یاید (این موضوع در مقاله گیربکس E-CVT به وضوح توضیح داده شده است).

اگر این چرخه شارژ درست کار نکند، ایراد معمولاً در یکی از حلقه‌های همین مسیر است: باتری هیبرید و سیستم مدیریت آن (BMS)، اینورتر، موتور/ژنراتورها یا مبدل DC به DC. بررسی عملی همین قطعات با دستگاه دیاگ و ابزار اندازه‌گیری، بخشی از دوره خودروهای برقی و هیبریدی ایمگ است.

سوالات متداول

باتری تویوتا هیبرید از چه راه‌هایی شارژ می‌شود؟

باتری هیبرید تویوتا دو منبع شارژ دارد: موتور بنزینی که از طریق موتور/ژنراتور اول برق تولید می‌کند، و ترمز بازیاب که هنگام کاهش سرعت، موتور/ژنراتور دوم را به ژنراتور تبدیل می‌کند. سیستم کنترل هوشمند، شارژ باتری را همیشه در محدوده مناسب نگه می‌دارد و اجازه نمی‌دهد کاملاً پر یا خالی شود.

آیا تویوتا هیبرید نیاز به شارژ خارجی دارد؟

خیر، مدل‌های هیبرید معمولی تویوتا (غیر پلاگین‌این) هیچ‌وقت به پریز برق وصل نمی‌شوند و کل فرآیند شارژ داخل خودرو انجام می‌شود.

سیستم تقسیم توان تویوتا چیست؟

تکنولوژی‌ای است که انرژی خروجی موتور بنزینی را بین تولید الکتریسیته و سیستم محرکه، بر اساس شرایط رانندگی، تقسیم می‌کند.

آیا تویوتا هیبرید دینام دارد؟

خیر. در تویوتا هیبرید دینام یا آلترناتور جداگانه وجود ندارد و باتری ۱۲ ولت با یک مبدل کاهنده DC به DC از باتری ولتاژ بالا شارژ می‌شود. موتور بنزینی هم استارتر ندارد و با موتور/ژنراتور اول روشن می‌شود.

نویسنده: مهندس ابولفضل مهدی زاده