بررسي سيستم ذخيره انرژي، انتقال قدرت و ترمز خودروهاي هيبريد 

در اين مقاله، عملكرد بخش‌هاي مختلفي از خودروهاي هيبريد، شامل موتور، كنترلر، انتقال قدرت و سيستم ترمز بررسي شده است. چرخ طيار كه در واقع منبعي براي ذخيره انرژي است، مورد بررسي قرار گرفته و نقش آن در سيستم ترمز خودروهاي هيبريد، بيان شده است. كنترلر موتور خودروي هيبريد و نقش آيروديناميك در كاهش توان موتور نيز از ديگر مواردي است كه به آنها پرداخته مي‌شود.

مشكلات زيست‌محيطي به وجود آمده در ابعاد كلان از يك‌سو و تنگناهاي مربوط به سوخت‌هاي فسيلي از سوي ديگر، باعث شده است تا خودروهاي هيبريد (تركيب احتراقي و برقي) و نيز خودروهايي كه با پيل سوختي كار مي‌كنند، جايگزين خودروهاي احتراقي شوند. از اين‌رو، امروزه علاوه‌بر سيستم‌هاي قواي محركه خودروهاي درونسوز، دسته‌بندي جديدي از سه سيستم ديگر شكل گرفته است كه عبارتند از: خودروهاي برقي1، خودروهاي هيبريد برقي2 و خودروهاي برقي پيل سوختي3.
خودروي هيبريد برقي، نوعي خودروي الكتريكي است كه فاقد نقايص خودروهاي الكتريكي معمولي است. مثلاً، خودروهاي الكتريكي بايد حتماً داراي باطري‌هاي بزرگ باشند. ثانياً به‌طور مرتب با شبكه انتقال برق شارژ شوند و اين كار زمينه‌ساز پايين بودن كارايي آنهاست. در خودروهاي هيبريد، مي‌توان از قدرت موتور احتراقي آنها به صورت قدرت مكانيكي يا ذخيره آن به صورت انرژي الكتريكي استفاده كرد، لذا قابليت استفاده از سوخت‌هاي جايگزين را دارا بوده و صرفاً منحصر به استفاده از سوخت فسيلي نيستند. در HEVها4، از محفظه‌هاي احتراقي در واحدهاي كمكي قدرت (APU)ا5 براي توليد انرژي الكتريكي با حداقل آلودگي استفاده مي‌شود. HEVها از ذخيره كردن انرژي ترمزگيري استفاده كرده و به كاهش اتلاف انرژي به هنگام حركت، كمك مي‌كنند.

نحوه عملكرد خودروهاي هيبريد
خودروي هيبريد، با دو منبع انرژي متفاوت كار مي‌كند. استفاده از چنين سيستمي، در واقع حفظ بازده موتور درونسوز (ICE) و كاهش آلودگي در حد خودروي الكتريكي (EV) است.
براي به دست آوردن تركيب خوب ICE و EV، به استفاده از پيل‌هاي سوختي و موتورهاي ديزل يا بنزيني و همراه آنها به باطري و چرخ طيار و ذخيره‌كننده‌هاي با ظرفيت بالا نياز داريم.
در خودروهاي هيبريد، از سه ساختار يا حالت مختلف در بهره‌گيري از اين دو نوع موتور استفاده مي‌شود كه عبارتند از:
1. سري
2. موازي
3. سري و موازي

چرخ طيار
چرخ طيار وسيله تبديل انرژي الكتريكي به انرژي جنبشي (دوراني) است كه با توجه به چرخش سريع در ساختمان موتور، ساخته مي‌شود. اين وسيله، انرژي ذخيره شده به صورت انرژي جنبشي در روتور را به صورت انرژي الكتريكي در حالت برگشت موتور و هنگام كاهش سرعت روتور، آزاد مي‌كنند.
اين سيستم‌ها، انرژي مكانيكي را به صورت انرژي جنبشي ذخيره مي‌كنند. آنها براي شتاب دادن روتور تا سرعت مورد استفاده موتور، يك ورودي الكتريكي دارند. سپس، انرژي الكتريكي مورد استفاده اين موتور را مانند ژنراتور بر مي‌گردانند. اين سيستم‌ها به دو شكل طراحي مي‌شوند، يكي به صورت ديسك دوار كه در مراكز آن يك محور قرار دارد و ديگري يك استوانه تو خالي كه توسط ياتاقان‌هاي مغناطيسي كنترل مي‌شود.
بيشترين عامل اطمينان در طراحي چرخ طيارها، مواد مورد استفاده در لبه يا حاشيه آنهاست. لبه چرخ طيار، بايد براي افزايش انرژي جنبشي ذخيره شده در آن، موادي با ضريب استحكام كششي بالا نسبت به چگالي آنها ساخته شود. لذا نياز به استحكام كششي بالا نسبت به چگالي، ما را به سمت مواد مركبي هدايت مي‌‌كند كه داراي استحكام كششي بالا و چگالي كم بوده و استحكام كششي نسبت به چگالي آنها، 10 برابر فولاد باشد.

ايمن‌سازي ديناميكي چرخ طيار
انرژي يك چرخ طيار با سرعت بالا (حداكثر تا 60 هزار دور در دقيقه) داراي قدرت تخريب زيادي است. انرژي يك چرخ طيار يك كيلو وات ساعتي، قادر است خودرويي با اندازه متوسط را بيشتر از 100 فوت به‌طور عمودي در هوا بلند كند. در نتيجه، قسمت چرخنده آن بايد در محفظه‌اي محافظ، محبوس شود. 3 نكته كه بايد براي طراحي چرخ طيارها در خودروي هيبريدي مد نظر گرفته شود، عبارتند از:
1. احتمال شكستگي روتور و برخورد با محفظه آن به هنگام حركت يا بر اثر تصادف.
2. اثر ژيروسكپي چرخ طيار مي‌تواند سبب واژگوني خودرو به هنگام چرخش مسير شود.
3. شوك ناشي از مسير جاده، مي‌تواند بر عملكرد چرخ طيار تأثير بگذارد.

ايمن‌سازي الكتريكي چرخ طيار
به دليل قدرت بالاي مورد نياز براي چرخ طيارها در حالت اتوماتيك، ولتاژ مورد نياز بسيار زياد و معمولاً در حدود 300 تا 500 ولت است. اين ولتاژ بالا، ممكن است باعث وارد شدن شوك الكتريكي به راننده، سرنشينان و تعميركاران شود. براي ساختن چرخ طيار مطمئن، بايد اثرات هر يك از اجزاي ديگر خودرو و خصوصيات سيستم در نظر گرفته شود.

موتور و كنترلر آن
موتور الكتريكي و كنترلر خودروي هيبريد، براي حركت دادن خودرو از انرژي الكتريكي بهره مي‌گيرند. در نوع سري، يك موتور الكتريكي به تنهايي چرخ‌ها را حركت مي‌دهد. در نوع موازي، تركيب واحدهاي قدرت مي‌تواند از طريق يك سيستم انتقال قدرت، چرخ‌ها را به حركت در آورد.
در سيستم سري- موازي (Dual) از تركيب هر دو حالت بالا استفاده مي‌شود. يعني كنترلر، ولتاژ و جريان رسيده به موتور را كنترل مي‌كند. در خودروي هيبريدي، كنترلر يك سيگنال از پدال گاز مي‌گيرد و توليد انرژي الكتريكي براي موتور را كنترل مي‌كند كه باعث توليد گشتاور مورد نياز براي چرخش چرخ‌ها مي‌شود.
دو گروه اصلي از سيستم‌هاي محركه الكتريكي وجود دارد كه عبارتند از: جريان متناوب (AC) و جريان مستقيم (DC). موتورهاي DC، عموماً ساده‌تر كنترل مي‌شوند، اما كمي گرانتر هستند. اين موتورها، معمولاً بزرگتر و سنگين‌تر هستند. بيشتر خودروهاي هيبريد از موتورهاي AC استفاده مي‌كنند زيرا اغلب آنها داراي بازده بالاتر و محدوده كاري بزرگتري هستند. وقتي كه از موتور درونسوز براي تأمين منبع انرژي اوليه استفاده مي‌شود، يك ريزپردازنده كه از قسمت‌هاي مختلف خودرو سيگنال دريافت مي‌كند، با توجه به وضعيت شارژ باطري‌ها و نيز وضعيت حركتي و سيگنالي كه از پدال گاز دريافت مي‌كند، با استفاده از سيستم‌هاي كنترلي الكترونيكي به كار رفته در خودرو، نحوه عملكرد سيستم انتقال قدرت و موتور احتراقي را به نحوي تنظيم مي‌كند كه موتور در حالتي كار كند كه داراي بهترين بازده سوختي ممكن باشد و دور و گشتاور خروجي مورد نياز را تأمين كند. البته، انجام اين كار در نوع سري آسانتر از نوع موازي است.

سيستم انتقال قدرت
در يك خودروي معمولي، موتور احتراقي، سوخت را به انرژي تبديل مي‌كند، ولي در خودروي هيبريد، از تكنولوژي‌هاي تبديل سوخت ديگري استفاده مي‌شود. در موتورهاي معمولي، سوخت از طريق احتراق به انرژي چرخشي مكانيكي تبديل مي‌شود. در يك خودروي هيبريد، لازم است كه انرژي سوخت به انرژي الكتريكي تبديل شود تا به موتور الكتريكي توانايي توليد قدرت بدهد. از آنجا كه هدف در HEVها، به دست آوردن حداكثر بازده سوخت است، اغلب از 3 نوع موتور استفاده مي‌شود:
1. موتورهاي بنزيني كه از تكنولوژي‌هاي پاشش مستقيم سوخت بهره مي‌گيرند. از اين نوع براي HEVهاي سبك (خودروهاي شخصي) استفاده مي‌شود.
2. موتورهاي ديزل كه اغلب از آنها براي HEVهاي سنگين، مانند اتوبوس‌ها و غيره استفاده مي‌شود.
3. موتورهاي گازي كه از آنها فقط در HEVهاي نوع سري مي‌توان استفاده كرد. در اين خودروها، استفاده از منابع انرژي نو مانند پيل‌هاي سوختي يا پيل‌هاي خورشيدي، بسيار مرسوم است.

سيستم ترمز
در ترمزهاي هيدروليك استاندارد، پدال ترمز به پيستوني متصل است كه در سيلندر اصلي قرار دارد. سيلندر اصلي، به سيلندرهاي روي هر يك از چرخ‌ها متصل است، به طوري كه وقتي پدال ترمز فشرده مي‌شود، پيستون‌ها را به سمت بيرون فشار داده و كفشك‌هاي ترمز به طور متقابل به درام ترمز فشرده مي‌شوند.
HEVها، اغلب از سيستم ترمز استاندارد استفاده نمي‌كنند بلكه از نوعي سيستم ترمز به نام ترمز بازيافتي بهره مي‌برند. ترمز بازيافتي، نوعي فرايند جذب مجدد انرژي است كه معمولاً در زمان ترمزگيري عادي، آزاد مي‌شود. ذخيره اين انرژي به صورت الكتريكي صورت مي‌پذيرد.
اين انرژي، در باطري يا چرخ طيار و يا در ذخيره‌كننده‌هاي با ظرفيت بالا، ذخيره مي‌شود. اين مقدار انرژي باعث كاهش انرژي لازم براي حركت خودروي هيبريد شده و بايد از منبع توليدكننده دريافت شود كه در نتيجه، بازده افزايش مي‌يابد.
انرژي جنبشي برگشتي، مي‌تواند انرژي تلف شده توسط ديگر مقاومت‌هاي خودرو، نظير نيروي پسا هوا را جبران كند. علاوه‌بر آن، از قابليت توقف سريعتر و اخذ بيشتر انرژي برخوردار است.
ترمزهاي بازيافتي شامل 3 جزء مختلف هستند كه عبارتند از:
1. دستگاه ذخيره كننده انرژي، براي نگهداري انرژي برگردانده شده در زمان ترمزگيري تا وقتي كه براي حركت دوباره مورد استفاده قرار گيرد
2. واسطه انتقال دهنده قدرت، براي انتقال انرژي چر‌خ‌ها به دستگاه ذخيره كننده
3. كنترل كننده شدت ترمز
مثلاً، سيستم ترمز هوندا، مجموعه‌اي است كه در آن، يك موتور الكتريكي DC بدون جاروبك، به طور مستقيم توسط شفت به موتور بنزيني متصل است. ميل لنگ، توسط مجموعه‌اي از چرخدنده‌ها، به شفت حركت متصل است، شفت حركت نيز از طريق شفت‌هاي مياني و اتصالات سرعت ثابت، به چرخ‌ها متصل است، زماني كه خودرو حركت مي‌كند و ترمزها فشرده مي‌شوند، ترمزهاي بازيافتي درگير مي‌شوند. اين حالت تا زماني ادامه مي‌يابد كه ميانگين كاهش سرعت مورد نظر در حدود 0.1g تا 0.2g باشد.
در زماني كه به كاهش سرعت بيشتري نياز باشد، علاوه‌بر ترمزهاي بازيافتي، ترمزهاي ديسكي نيز نيروي ترمز اضافي را اعمال مي‌كنند. اين كار توسط موتور الكتريكي كه در حالت معكوس به صورت ژنراتور عمل مي‌كند، صورت مي‌گيرد. هنگامي كه پدال ترمز فشرده مي‌شود، كلاچ‌ درگير شده و حركت چرخشي چرخ‌ها از طريق سيستم انتقال قدرت به ميل‌لنگ متصل مي‌شود. بنابراين، حركت چرخشي چرخ‌ها به طور مستقيم به موتور الكتريكي انتقال مي‌يابد كه اكنون به عنوان يك ژنراتور عمل كرده و در نتيجه، شروع به توليد الكتريسيته‌اي مي‌كند كه در باطري‌ها ذخيره مي‌شود. اين الكتريسيته، فرايند مقاومتي را در برابر چرخش ايجاد مي‌كند.

بدنه و شاسي
بدنه HEVها شكل متفاوتي با خودروهاي بنزيني معمولي ندارد، اما هنگامي كه بازده انرژي، نقشي مهم در طراحي آنها دارد، آيروديناميك خوب و شاسي سبك، باعث افزايش بازده خودرو خواهد شد.
دو عامل مهمي كه روي آيروديناميك خودروها اثر مي‌گذارد، عبارتند از: ضريب پساي Cd و سطح تصوير از روبه‌رو A. حاصلضرب اين دو عامل متناسب با نيروي پساي آيروديناميكي خودروست. از ديگر نيروهاي پساي خودرو، نيروهاي پساي غلتشي است كه با وزن خودرو تناسب دارد. مجموعه اين نيروها به صورت زير بيان مي‌شود:
Ftotal = Froll + Faero
بازده مصرف سوخت پايين و عملكرد بالاي موتور و امكان كاهش وزن، نتايجي اميدبخش را در طراحي خودروهاي هيبريد، نويد مي‌دهند. كاهش آلودگي محيط‌زيست و نيز كاهش مصرف سوخت‌هاي فسيلي، فصلي جديد در طراحي خودروهاي آتي خواهد گشود.

پانوشت‌ها:
1. Pure Electric
2. Hybrid Electric
3. Fuel Cell Electric
4. Hybrid Electric Vehicle
5. Auxiliary Power Unit

منابع:
1. Empact.Pdf, a study of the european market potential and erformancerequirmeents of hybrid, electric and a alternatively fuelled lightcommercial vehicles, 31 July 1998.
2. A Powerflow control strategy to minimize energy losses in Hybrid Elestric Vehicles, By Morten Henningsson, Lund 1999, Department of Inductrial Electrical Engineering and Automation, Lundinstitute of Tehnology, Lund University.
3. Technology Snapshot, Toyota Prius (Snapshot.pdf), U.S. Department of Emergy Technology Snapshot Featuring the Toyota Prius, 1/16/2001.
4. Development and Validation of a Modular Hybric Vehicle Simulation Model, William F. Kellermeyer III, Morgantown, West Virginia May 1998.
5. Variable Bus Voltage Modeling for series Hybrid Electric Vehicle Simulation, By Matthew Alan Merkle, Virginia Polytechnic Institute and State University, December, 1, 1997.

نويسنده : عباس ربيعي