تبلیغات
خودروی هیبرید - بررسی سیستم ذخیره انرژی، انتقال قدرت و ترمز خودروهای هیبرید

خودروی هیبرید

طراحی و ساخت موتورهای الكتریكی خودروهای هیبرید

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

مشكلات زیست‌محیطی به وجود آمده در ابعاد كلان از یك‌سو و تنگناهای مربوط به سوخت‌های فسیلی از سوی دیگر، باعث شده است تا خودروهای هیبرید (تركیب احتراقی و برقی) و نیز خودروهایی كه با پیل سوختی كار می‌كنند، جایگزین خودروهای احتراقی شوند. از این‌رو، امروزه علاوه‌بر سیستم‌های قوای محركه خودروهای درونسوز، دسته‌بندی جدیدی از سه سیستم دیگر شكل گرفته است كه عبارتند از: خودروهای برقی1، خودروهای هیبرید برقی2 و خودروهای برقی پیل سوختی3.

خودروی هیبرید برقی، نوعی خودروی الكتریكی است كه فاقد نقایص خودروهای الكتریكی معمولی است. مثلاً، خودروهای الكتریكی باید حتماً دارای باطری‌های بزرگ باشند. ثانیاً به‌طور مرتب با شبكه انتقال برق شارژ شوند و این كار زمینه‌ساز پایین بودن كارایی آنهاست. در خودروهای هیبرید، می‌توان از قدرت موتور احتراقی آنها به صورت قدرت مكانیكی یا ذخیره آن به صورت انرژی الكتریكی استفاده كرد، لذا قابلیت استفاده از سوخت‌های جایگزین را دارا بوده و صرفاً منحصر به استفاده از سوخت فسیلی نیستند. در HEVها4، از محفظه‌های احتراقی در واحدهای كمكی قدرت (APU)ا5 برای تولید انرژی الكتریكی با حداقل آلودگی استفاده می‌شود. HEVها از ذخیره كردن انرژی ترمزگیری استفاده كرده و به كاهش اتلاف انرژی به هنگام حركت، كمك می‌كنند.

نحوه عملكرد خودروهای هیبرید

خودروی هیبرید، با دو منبع انرژی متفاوت كار می‌كند. استفاده از چنین سیستمی، در واقع حفظ بازده موتور درونسوز (ICE) و كاهش آلودگی در حد خودروی الكتریكی (EV) است.

برای به دست آوردن تركیب خوب ICE و EV، به استفاده از پیل‌های سوختی و موتورهای دیزل یا بنزینی و همراه آنها به باطری و چرخ طیار و ذخیره‌كننده‌های با ظرفیت بالا نیاز داریم.

در خودروهای هیبرید، از سه ساختار یا حالت مختلف در بهره‌گیری از این دو نوع موتور استفاده می‌شود كه عبارتند از:

1. سری

2. موازی

3. سری و موازی

چرخ طیار

چرخ طیار وسیله تبدیل انرژی الكتریكی به انرژی جنبشی (دورانی) است كه 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 الكتریكی در حالت برگشت موتور و هنگام كاهش سرعت روتور، آزاد می‌كنند.

این سیستم‌ها، انرژی مكانیكی را به صورت انرژی جنبشی ذخیره می‌كنند. آنها برای شتاب دادن روتور تا سرعت مورد استفاده موتور، یك ورودی الكتریكی دارند. سپس، انرژی الكتریكی مورد استفاده این موتور را مانند ژنراتور بر می‌گردانند. این سیستم‌ها به دو شكل طراحی می‌شوند، یكی به صورت دیسك دوار كه در مراكز آن یك محور قرار دارد و دیگری یك استوانه تو خالی كه توسط یاتاقان‌های مغناطیسی كنترل 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 استحكام كششی بالا نسبت به چگالی آنها ساخته شود. لذا نیاز به استحكام كششی بالا نسبت به چگالی، ما را به سمت مواد مركبی هدایت می‌‌كند كه دارای استحكام كششی بالا و چگالی كم بوده و استحكام كششی نسبت به چگالی آنها، 10 برابر فولاد باشد.

ایمن‌سازی دینامیكی چرخ طیار

انرژی یك چرخ طیار با سرعت بالا (حداكثر تا 60 هزار دور در دقیقه) دارای قدرت تخریب زیادی است. انرژی یك چرخ طیار یك كیلو وات ساعتی، قادر است خودرویی با اندازه متوسط را بیشتر از 100 فوت به‌طور عمودی در هوا بلند كند. در نتیجه، قسمت چرخنده آن باید در محفظه‌ای محافظ، محبوس شود. 3 نكته كه باید برای طراحی چرخ طیارها در خودروی هیبریدی مد نظر گرفته شود، عبارتند از:

1. احتمال شكستگی روتور و برخورد با محفظه آن به هنگام حركت یا بر اثر تصادف.

2. اثر ژیروسكپی چرخ طیار می‌تواند سبب واژگونی خودرو به هنگام چرخش مسیر شود.

3. شوك ناشی از مسیر جاده، می‌تواند بر عملكرد چرخ طیار تأثیر بگذارد.

ایمن‌سازی الكتریكی چرخ طیار

به دلیل قدرت بالای مورد نیاز برای چرخ طیارها در حالت اتوماتیك، ولتاژ مورد نیاز بسیار زیاد و معمولاً در حدود 300 تا 500 ولت است. این ولتاژ بالا، ممكن است باعث وارد شدن شوك الكتریكی به راننده، سرنشینان و تعمیركاران شود. برای ساختن چرخ طیار مطمئن، باید اثرات هر یك از اجزای دیگر خودرو و خصوصیات سیستم در نظر گرفته شود.

موتور و كنترلر آن

موتور الكتریكی و كنترلر خودروی هیبرید، برای حركت دادن خودرو از انرژی الكتریكی بهره می‌گیرند. در نوع سری، یك موتور الكتریكی به تنهایی چرخ‌ها را حركت می‌دهد. در نوع موازی، تركیب واحدهای قدرت می‌تواند از طریق یك سیستم انتقال قدرت، چرخ‌ها را به حركت در آورد.

در سیستم سری- موازی (Dual) از تركیب هر دو حالت بالا استفاده می‌شود. یعنی كنترلر، ولتاژ و جریان رسیده به موتور را كنترل می‌كند. در خودروی هیبریدی، كنترلر یك سیگنال از پدال گاز می‌گیرد و تولید انرژی الكتریكی برای موتور را كنترل می‌كند كه باعث تولید گشتاور مورد نیاز برای چرخش چرخ‌ها می‌شود.

دو گروه اصلی از سیستم‌های محركه الكتریكی وجود دارد كه عبارتند از: جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC). موتورهای DC، عموماً ساده‌تر كنترل می‌شوند، اما كمی گرانتر هستند. این موتورها، معمولاً بزرگتر و سنگین‌تر هستند. بیشتر خودروهای هیبرید از موتورهای AC استفاده می‌كنند زیرا اغلب آنها دارای بازده بالاتر و محدوده كاری بزرگتری هستند. وقتی كه از موتور درونسوز برای تأمین منبع انرژی اولیه استفاده می‌شود، یك ریزپردازنده كه از قسمت‌های مختلف خودرو سیگنال دریافت می‌كند، با توجه به وضعیت شارژ باطری‌ها و نیز وضعیت حركتی و سیگنالی كه از پدال گاز دریافت می‌كند، با استفاده از سیستم‌های كنترلی الكترونیكی به كار رفته در خودرو، نحوه عملكرد سیستم انتقال قدرت و موتور احتراقی را به نحوی تنظیم می‌كند كه موتور در حالتی كار كند كه دارای بهترین بازده سوختی ممكن باشد و دور و گشتاور خروجی مورد نیاز را تأمین كند. البته، انجام این كار در نوع سری آسانتر از نوع موازی است.

سیستم انتقال قدرت

در یك خودروی معمولی، موتور احتراقی، سوخت را به انرژی تبدیل می‌كند، ولی در خودروی هیبرید، از تكنولوژی‌های تبدیل سوخت دیگری استفاده می‌شود. در موتورهای معمولی، سوخت از طریق احتراق به انرژی چرخشی مكانیكی تبدیل می‌شود. در یك خودروی هیبرید، لازم است كه انرژی سوخت به انرژی الكتریكی تبدیل شود تا به موتور الكتریكی توانایی تولید قدرت بدهد. از آنجا كه هدف در HEVها، به دست آوردن حداكثر بازده سوخت است، اغلب از 3 نوع موتور استفاده می‌شود:

1. موتورهای بنزینی كه از تكنولوژی‌های پاشش مستقیم سوخت بهره می‌گیرند. از این نوع برای HEVهای سبك (خودروهای شخصی) استفاده می‌شود.

2. موتورهای دیزل كه اغلب از آنها برای HEVهای سنگین، مانند اتوبوس‌ها و غیره استفاده می‌شود.

3. موتورهای گازی كه از آنها فقط در HEVهای نوع سری می‌توان استفاده كرد. در این خودروها، استفاده از منابع انرژی نو مانند پیل‌های سوختی یا پیل‌های خورشیدی، بسیار مرسوم است.

سیستم ترمز

در ترمزهای هیدرولیك استاندارد، پدال ترمز به پیستونی متصل است كه در سیلندر اصلی قرار دارد. سیلندر اصلی، به سیلندرهای روی هر یك از چرخ‌ها متصل است، به طوری كه وقتی پدال ترمز فشرده می‌شود، پیستون‌ها را به سمت بیرون فشار داده و كفشك‌های ترمز به طور متقابل به درام ترمز فشرده می‌شوند.

HEVها، اغلب از سیستم ترمز استاندارد استفاده نمی‌كنند بلكه از نوعی سیستم ترمز به نام ترمز بازیافتی بهره می‌برند. ترمز بازیافتی، نوعی فرایند جذب مجدد انرژی است كه معمولاً در زمان ترمزگیری عادی، آزاد می‌شود. ذخیره این انرژی به صورت الكتریكی صورت می‌پذیرد.

این انرژی، در باطری یا چرخ طیار و یا در ذخیره‌كننده‌های با ظرفیت بالا، ذخیره می‌شود. این مقدار انرژی باعث كاهش انرژی لازم برای حركت خودروی هیبرید شده و باید از منبع تولیدكننده دریافت شود كه در نتیجه، بازده افزایش می‌یابد.

انرژی جنبشی برگشتی، می‌تواند انرژی تلف شده توسط دیگر مقاومت‌های خودرو، نظیر نیروی پسا هوا را جبران كند. علاوه‌بر آن، از قابلیت توقف سریعتر و اخذ بیشتر انرژی برخوردار است.

ترمزهای بازیافتی شامل 3 جزء مختلف هستند كه عبارتند از:

1. دستگاه ذخیره كننده انرژی، برای نگهداری انرژی برگردانده شده در زمان ترمزگیری تا وقتی كه برای حركت دوباره مورد استفاده قرار گیرد

2. واسطه انتقال دهنده قدرت، برای انتقال انرژی چر‌خ‌ها به دستگاه ذخیره كننده

3. كنترل كننده شدت ترمز

مثلاً، سیستم ترمز هوندا، مجموعه‌ای است كه در آن، یك موتور الكتریكی DC بدون جاروبك، به طور مستقیم توسط شفت به موتور بنزینی متصل است. میل لنگ، توسط مجموعه‌ای از چرخدنده‌ها، به شفت حركت متصل است، شفت حركت نیز از طریق شفت‌های میانی و اتصالات سرعت ثابت، به چرخ‌ها متصل است، زمانی كه خودرو حركت می‌كند و ترمزها فشرده می‌شوند، ترمزهای بازیافتی درگیر می‌شوند. این حالت تا زمانی ادامه می‌یابد كه میانگین كاهش سرعت مورد نظر در حدود 0.1g تا 0.2g باشد.

در زمانی كه به كاهش سرعت بیشتری نیاز باشد، علاوه‌بر ترمزهای بازیافتی، ترمزهای دیسكی نیز نیروی ترمز اضافی را اعمال می‌كنند. این كار توسط موتور الكتریكی كه در حالت معكوس به صورت ژنراتور عمل می‌كند، صورت می‌گیرد. هنگامی كه پدال ترمز فشرده می‌شود، كلاچ‌ درگیر شده و حركت چرخشی چرخ‌ها از طریق سیستم انتقال قدرت به میل‌لنگ متصل می‌شود. بنابراین، حركت چرخشی چرخ‌ها به طور مستقیم به موتور الكتریكی انتقال می‌یابد كه اكنون به عنوان یك ژنراتور عمل كرده و در نتیجه، شروع به تولید الكتریسیته‌ای می‌كند كه در باطری‌ها ذخیره می‌شود. این الكتریسیته، فرایند مقاومتی را در برابر چرخش ایجاد می‌كند.

بدنه و شاسی

بدنه HEVها شكل متفاوتی با خودروهای بنزینی معمولی ندارد، اما هنگامی كه بازده انرژی، نقشی مهم در طراحی آنها دارد، آیرودینامیك خوب و شاسی سبك، باعث افزایش بازده خودرو خواهد شد.

دو عامل مهمی كه روی آیرودینامیك خودروها اثر می‌گذارد، عبارتند از: ضریب پسای Cd و سطح تصویر از روبه‌رو A. حاصلضرب این دو عامل متناسب با نیروی پسای آیرودینامیكی خودروست. از دیگر نیروهای پسای خودرو، نیروهای پسای غلتشی است كه با وزن خودرو تناسب دارد. مجموعه این نیروها به صورت زیر بیان می‌شود:

Ftotal = Froll + Faero

بازده مصرف سوخت پایین و عملكرد بالای موتور و امكان كاهش وزن، نتایجی امیدبخش را در طراحی خودروهای هیبرید، نوید می‌دهند. كاهش آلودگی محیط‌زیست و نیز كاهش مصرف سوخت‌های فسیلی، فصلی جدید در طراحی خودروهای آتی 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.

 

نویسنده : عباس ربیعی

به گالری تصاویر خودروهای هیبرید خوش آمدید
  • آخرین صفحات

آمار سایت

  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل صفحات :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :