انواع خودروهای هیبریدی و ساختار کلی آنها

خودرو هیبریدی (Hybrid Vehicle) به خودرویی گفته می‌شود که برای حرکت، علاوه بر موتور احتراق داخلی، از یک موتور الکتریکی نیز استفاده می‌کند. امروزه ماشین هیبریدی یکی از واقعی‌ترین جایگزین‌های خودروهای با سوخت فسیلی به شمار می‌رود و در این مقاله، انواع خودروهای هیبریدی و ساختار کلی هرکدام را بررسی می‌کنیم.
همان‌طور که در مقاله انرژی‌های جایگزین نشان داده شد، اقبال عمومی جهان به سمت استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر است و انرژی الکتریکی، که از دیرباز به آن نیم‌نگاه وجود داشت، از جمله همین انرژی‌های جایگزین است که شرکت‌های خودروساز نیز به آن توجه داشته‌اند.

خودرو هیبریدی (ماشین هیبریدی) چیست؟

همانطور که در مقاله خودروها با انرژی‌های جایگزین اشاره شد خودروهایی که علاوه بر استفاده از یک نوع سوخت فسیلی از انرژی الکتریکی به‌عنوان انرژی کمکی برای حرکت خودرو استفاده می‌کنند. خودروهای هیبریدی گفته می‌شود. این خودروها با علامت اختصاری HEV معرفی می‌شوند. در واقع  در این خودروها از یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی برای حرکت خودرو استفاده می‌شود.

انواع خودرو هیبریدی

به روش‌های مختلف می‌توان خودروهای هیبریدی را دسته‌بندی کرد شکل 1 روش دسته‌بندی این خودروها را نشان می‌دهد.

شکل 1- انواع روش دسته‌بندی خودروهای هیبرید

دسته‌بندی از نظر درجه یا درصد هیبریدی بود کمی عام‌تر و دسته‌بندی از نظر طراحی کمی خاص‌تر است.

دسته‌بندی خودروهای هیبریدی از نظر درصد هیبریدی

• Micro Hybrid (میکرو هیبرید)

شاید قراردادن این دسته در خودروهای هیبریدی اشتباه باشد چون گروه بزرگی از خودروها را شامل می‌شود که از سیستم Start-Stop استفاده می‌کنند. خودروهایی که میکرو هیبرید نامیده می‌شوند از دو مرجع نیروده استفاده نمی‌کنند. در ایران اولین نمونه از این طرح در خودرو سمند استفاده شد و معروف به سمند میکرو هیبرید است. شکل 2 معرفی این خودرو را نشان می‌دهد.

شکل 2- معرفی سامانه سمند میکرو هیبرید

• Mild Hybrid (مایلد هیبرید)

خودروهایی که در این دسته قرار می‌گیرند واقعاً هیبریدی به شمار می‌روند یعنی از دو واحد مجرا نیرو استفاده می‌کنند اما توانمندی‌های این خودروها در حداقل خودروهای هیبرید است. معمولاً از طراحی نوع موازی استفاده می‌کنند. معمولاً خودروهایی هیبریدی که تا سال 2010 تولید شده‌اند به‌احتمال زیاد در این دسته قرار می‌گیرید. شکل 3 نمونه‌ای از خودروهای در این دسته را نشان می‌دهد.

شکل 3- بیوک LaCrosse 2008

• Full Hybrid (فول هیبرید)

این دسته از خودروهای هیبریدی به معنی واقعی هیبریدی هستند. این خودروها میتوانند فقط با نیروی موتور احتراق داخلی و یا فقط با نیروی الکتریکی و یا ترکیبی از این دونیرو حرکت کنند. بیشتر خودروهای هیبریدی امروزی در این رده قرار می‌گیرند.

جدول شکل 4 مقایسه خودروهای هیبریدی را دیدگاه درصد هیبریدی بودن نشان می‌دهد.

شکل 4- جدول مقایسه خودروهای هیبریدی از نظر درصد هیبریدی بودن

دسته‌بندی خودروهای هیبریدی از نظر طراحی

• روش موازی (Parallel Hybrid)

در این مدل طراحی یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی وجود دارد که به روش موازی به هم متصل شده و نیروی خود را به چرخ‌ها انتقال می‌دهند. باتوجه‌به پایین‌تر بودن سطح راندمان در این مدل نسبت به سایر روش‌ها بیشتر در خودروهای تا سال 2015 مشاهده می‌شوند.
باتوجه‌به محل نصب موتور و چرخ‌های متحرک چیدمان اتصال هیبریدی می‌تواند متفاوت باشد اما معمولاً از دو روش عمومی استفاده می‌شود. شکل 5 روشی در خودروهای موتور جلو و عقب محرک متداول است را نشان می‌دهد.

1- موتور احتراقی 2-کنترلر باتری 3- باتری 4-دیفرانسیل 5- جعبه‌دنده 6- کلاچ 7- موتور الکتریکی 8- باک
شکل 5- چیدمان خودرو هیبریدی از نوع موازی – محرک عقب

سیستم محرک عقب امروزه بیشتر در خودروها اسپورت مشاهده می‌شود. شکل 6 مجموعه موتور تا گیربکس یک خودرو هیبریدی محرک عقب را نشان می‌دهد.

شکل 6- مجموعه موتور احتراق داخلی + موتور الکتریکی+ گیربکس – نیسان

البته بیشتر خودروها سواری در رده متوسط از نوع محرک جلو هستند. این خودروها اگر هیبریدی باشند معمولاً از الگوی شکل 7 پیروی می‌کنند.

1- موتور احتراقی 2- کلاچ 3- باک سوخت 4- گیربکس 5- دیفرانسیل
6- موتور الکتریکی 7- کنترلر باتری 8-باتری
شکل 7- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع موازی – محرک جلو

همانطور که در شکل 6 و 7 مشاهده می‌شود واحد کلاچ نقش حیاتی در سیستم دارد. به‌طوری که می‌تواند انتقال نیرو از سمت موتور به سمت جعبه‌دنده هدایت کند و یا مسیر انتقال نیرو از موتور احتراقی را قطع کرده و فقط از طریق موتور الکتریکی گشتاور را به گیربکس منتقل کند

• روش سری (Series Hybrid)

نسل دوم خودروهای هیبریدی از روش سری برای انتقال گشتاور به موتور استفاده می‌کند. این روش بسیار ساده است. در واقع اینجا ارتباط بین موتور احتراقی و جعبه‌دنده کاملاً حذف می‌شود. شکل 8 این نمونه چیدمان رانشان می‌دهد.

1- باک سوخت 2- باتری 3- کنترلر باتری (کنترلر هیبریدی) 4- گیربکس 5- دیفرانسیل
6- موتور/ژنراتور 7-موتور احتراقی
شکل 8- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع سری

همانطور که در شکل 8 ملاحظه می‌شود موتور الکتریکی از طریق یک موتور/ژنراتور به واحد کنترلر باتری که در واقع همان واحد کنترلر سیستم هیبریدی است متصل می‌شود. در صورت شارژ بودن باتری موتور احتراقی خاموش است و انرژی از طریق باتری و واحد کنترلر به موتور/ژنراتور 2 رسیده و پس از عبور از گیربکس و دیفرانسیل به چرخ‌ها منتقل می‌شود. واحد کنترلر در صورت نیاز باتری، ابتدا با ارسال برف به موتور/ژنراتور 1، موتور احتراقی را روشن می‌کند و سپس با استفاده از همان موتور/ژنراتور گشتاور تولیدی برق تولیدی توسط واحد موتور ژنراتور را به باتری منتقل کرده. آن را شارژ می‌کند.

• روش ترکیبی سری-موازی (Series-Parallel Hybrid)

این نسل خودروهای هیبریدی، ارتقا یافته سیستم سری هستند. سیستم‌های سری موازی طوری طراحی شده‌اند که بتوانند از مزایای هر دو روش سری و موازی در لحظه مناسب استفاده کنند. شکل 9 چیدمان این نوع را نشان می‌دهد.

1- موتور احتراقی 2- باک سوخت 3- باتری 4- کنترلر باتری (هیبریدی) 5-گیربکس 6- دیفرانسیل
7-کلاچ 8- موتور/ژنراتور
شکل 9- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع سری – موازی

مزیت این ساختار در این است که در سرعت‌های پایین، مجموعه به‌صورت هیبریدی سری رفتار می‌کند و موتور را در کارآمدترین نقطه کار می‌کند. در سرعت بالای خودرو، کلاچ بسته می‌شود و موتور می‌تواند گشتاور را به چرخ محرکه منتقل کند، بنابراین پیشرانه به یک هیبریدی موازی تبدیل می‌شود.
نوع خاصی از هیبریدی سری که به نوع Power-Spit شناخته می‌شود در واقع به‌جای استفاده از یک ساختار ساده‌تر در کلاچ مجموعه از کلاچ و گیربکس خورشیدی با مدیریت الکترونیکی را جایگزین کرده است که در نتیجه راندمان خروجی را بالاتر می‌برد. شکل 10 این مدل را نشان می‌دهد.

1- موتور/ژنراتور 2- موتور احتراقی 3- مجموعه کنترلر و گیربکس خورشیدی 4- باک سوخت
5- گیربکس (در صورت نیاز) 6- دیفرانسیل 7- موتور/ژنراتور 8- باتری 9- کنترلر باتری
شکل 10- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع Power-Split

تقریباً بهترین مدل از خودروهای هیبریدی نوع اخیر است. بیشتر خودروهای 2016 به بعد عموماً از این روش استفاده کرده‌اند. البته شرکت تویوتا به‌عنوان شاخص‌ترین شرکت استفاده‌کننده از این روش است. شکل 11 خودرو تویوتا پریوس که از این ساختار استفاده کرده است را نشان می‌دهد. گیربکس‌های هیبریدی تویوتا (D-CVT و E-CVT) ساختار پیچیده‌ای دارند که تعمیر آن‌ها نیاز به آموزش تخصصی دارد؛ در دوره تعمیر گیربکس تویوتا این مهارت به‌طور کامل آموزش داده می‌شود.

شکل 11- مدل شاسی و تجهیزات مرتبط با هیبرید در تویوتا پریوس

ساختار مجزا (چهارچرخ محرک هیبریدی)

1- موتور احتراقی 2- کنترلر باتری هیبریدی 3- گیربکس 4- باتری 5- موتور/ژنراتور 6- باک سوخت
شکل 12- چیدمان اجزا خودرو هیبریدی از نوع مجزا

همانطور که در شکل 12 مشاهده می‌شود. در این نوع خودرو چهارچرخ محرک، چرخ‌های جلو از گشتاور موتور بنزینی و چرخ‌های عقب از نیروی باتری و موتور/ژنراتور تأمین می‌شود. البته واحد کنترلر باتری وظیفه بسیار مهم هماهنگی توان خروجی واحد موتور/ژنراتور را با سرعت و گشتاور چرخ‌های جلو بر عهده دارد. شکل 13 خودرو پژو 3008 را که از این الگو استفاده می‌کند نشان می‌دهد.

شکل 13- ساختار هیبریدی پژو 3008

در این مقاله انواع ماشین هیبریدی از نظر درصد هیبریدی بودن (میکرو، مایلد، فول، پلاگین‌این) و از نظر طراحی (موازی، سری، ترکیبی، Power-Split) بررسی شد. در مقاله‌های بعدی اجزا، عملکرد و استراتژی‌های هر سیستم به‌طور مفصل شرح داده خواهد شد.

سوالات متداول

ماشین هیبریدی چیست؟

ماشین هیبریدی خودرویی است که علاوه بر موتور احتراق داخلی، از یک موتور الکتریکی برای حرکت استفاده می‌کند و با کد HEV شناخته می‌شود.

چند نوع ماشین هیبریدی وجود دارد؟

از نظر درصد هیبریدی بودن: میکرو هیبرید، مایلد هیبرید، فول هیبرید و پلاگین‌این هیبرید. از نظر طراحی: سری، موازی، ترکیبی (سری-موازی) و پاورااسپلیت.

بهترین نوع سیستم هیبریدی کدام است؟

سیستم پاورااسپلیت (مثل تویوتا پریوس) بالاترین راندمان را دارد و بیشتر خودروهای هیبریدی از سال ۲۰۱۶ به بعد از این روش استفاده می‌کنند.