از میکروهیبرید و مایلد هیبرید تا فول هیبرید، پلاگین هیبرید، رنج اکستندر، خودروی تمامبرقی و پیل سوختی
مقدمه
زاگرس موتور شما را به خواندن این مقاله دعوت میکند ؛ صنعت خودرو طی بیش از یک قرن، از پیشرانههای کاملاً مکانیکی و درونسوز به سامانههایی رسیده است که در آنها موتور احتراقی، موتور الکتریکی، باتری، مبدلهای الکترونیکی و نرمافزارهای مدیریت انرژی بهصورت یکپارچه کار میکنند. نتیجه این تحول، شکلگیری خانواده بزرگی از خودروهاست که با نامهایی مانند Micro Hybrid، Mild Hybrid، Full Hybrid، Plug-in Hybrid، Range-Extended Electric Vehicle، Battery Electric Vehicle و Fuel Cell Electric Vehicle شناخته میشوند.
اصطلاح «خودروی برقیشده» یا Electrified Vehicle با «خودروی تمامبرقی» یا All-Electric Vehicle یکسان نیست. هر خودرویی که بخشی از وظایف پیشرانه یا تجهیزات جانبی آن با برق انجام شود میتواند برقیشده نامیده شود؛ اما فقط خودرویی که نیروی اصلی حرکت خود را بدون موتور احتراق داخلی دریافت کند، تمامبرقی محسوب میشود. بنابراین یک خودروی ۴۸ ولتی مایلد هیبرید، برقیشده است اما تمامبرقی نیست.
برای درک صحیح این فناوریها باید سه نوع دستهبندی را از یکدیگر جدا کرد:
- دستهبندی بر اساس میزان یا درجه هیبریدشدن: میکروهیبرید، مایلد هیبرید، فول هیبرید، پلاگین هیبرید و تمامبرقی.
- دستهبندی بر اساس مسیر انتقال انرژی: هیبرید سری، موازی و سری–موازی یا پاوراسپلیت.
- دستهبندی بر اساس محل نصب موتور الکتریکی: معماریهای P0، P1، P2، P2.5، P3 و P4.
مرز میان اصطلاحاتی مانند «مایلد» و «فول» همیشه در تمام استانداردها و شرکتها دقیقاً یکسان نیست؛ اما قابلیت حرکت مستقل با موتور برقی، توان سامانه، ولتاژ، ظرفیت باتری و نحوه اتصال موتور الکتریکی از مهمترین معیارهای تشخیص آنهاست. استاندارد ISO نیز معماریهای سری، موازی و تقسیم توان را بهعنوان ساختارهای اصلی پیشرانه هیبریدی معرفی میکند.
فصل اول: تاریخچه پیشرانههای برقی و هیبریدی
آغاز خودروهای الکتریکی
خودروهای الکتریکی برخلاف تصور عمومی پدیدهای مربوط به قرن بیستویکم نیستند. در سالهای پایانی قرن نوزدهم، خودروهای بخار، بنزینی و الکتریکی همزمان برای تصاحب بازار حملونقل رقابت میکردند. موتور الکتریکی عملکردی آرام، بدون لرزش و بدون نیاز به روشنکردن دستی موتور داشت؛ اما باتریهای سنگین، برد محدود و نبود زیرساخت شارژ مانع گسترش آن شدند.
فردیناند پورشه در سال ۱۸۹۸ یک خودروی الکتریکی با موتورهای نصبشده در مجموعه چرخ طراحی کرد. او در سال ۱۹۰۰ سامانه Lohner-Porsche Semper Vivus را ساخت که از نخستین خودروهای هیبریدی کاربردی جهان بهشمار میرود. در این خودرو، موتور بنزینی یک ژنراتور را به حرکت درمیآورد و برق موردنیاز موتورهای الکتریکی چرخها را تولید میکرد؛ ساختاری که از نظر اصول عملکرد، شباهت زیادی به هیبرید سری و خودروهای رنج اکستندر امروزی داشت.
سلطه موتور درونسوز
با توسعه تولید انبوه، افزایش دسترسی به بنزین، بهبود موتورهای احتراقی و ایجاد شبکه گسترده جایگاههای سوخت، موتور درونسوز یا ICE برای دههها به فناوری غالب تبدیل شد. چگالی انرژی بالای سوخت مایع، سوختگیری سریع و امکان پیمایش طولانی، مزیتهایی بودند که باتریهای آن دوره نمیتوانستند با آن رقابت کنند.
بازگشت خودروهای برقی و ظهور هیبریدهای مدرن
در دهه ۱۹۹۰، پیشرفت الکترونیک قدرت، موتورهای الکتریکی، کنترلهای دیجیتال و باتریهای نیکل–متال هیدرید و سپس لیتیومیون، امکان بازگشت پیشرانههای برقی را فراهم کرد.
جنرال موتورز در سال ۱۹۹۶ خودروی باتریمحور EV1 را به بازار محدود ایالات متحده عرضه کرد. تویوتا در سال ۱۹۹۷ نسل اول Prius را بهعنوان نخستین خودروی سواری هیبریدی تولیدانبوه جهان عرضه کرد. سامانه Toyota Hybrid System توانست موتور بنزینی، دو ماشین الکتریکی، باتری و مجموعه دنده سیارهای تقسیم توان را در یک ساختار هماهنگ قرار دهد.
در سال ۲۰۰۸، عرضه تسلا رودستر نشان داد که باتری لیتیومیون میتواند در یک خودروی تمامبرقی، شتاب، برد و عملکرد قابلتوجهی ایجاد کند. نیسان نیز در سال ۲۰۱۰ مدل LEAF را بهعنوان یکی از نخستین خودروهای تمامبرقی تولیدانبوه برای بازار گسترده عرضه کرد. در همان دوره، شورولت Volt مفهوم خودروی برقی بردافزا یا EREV را تجاری کرد؛ خودرویی که مسیرهای روزمره را عمدتاً با برق طی میکرد و برای ادامه سفر از موتور بنزینی و ژنراتور بهره میگرفت.
فصل دوم: اجزای اصلی یک پیشرانه برقیشده
۱. موتور احتراق داخلی؛ ICE
مخفف ICE به معنای Internal Combustion Engine یا موتور احتراق داخلی است. در خودروهای سواری، موتور بنزینی معمولاً از نوع جرقهای یا SI: Spark Ignition است. سوخت و هوا در سیلندر فشرده شده و با جرقه شمع مشتعل میشوند.
موتورهای بنزینی میتوانند از سامانه پاشش چندنقطهای MPI، پاشش مستقیم بنزین GDI، توربوشارژر، چرخه اتو، اتکینسون یا میلر استفاده کنند. بسیاری از خودروهای فول هیبرید از موتورهایی با ویژگیهای چرخه اتکینسون یا میلر بهره میبرند؛ زیرا موتور الکتریکی میتواند کمبود گشتاور در دورهای پایین را جبران کند و موتور بنزینی در محدوده پربازدهتری کار کند. استفاده از توربوشارژر نیز امکان کوچکسازی موتور یا Downsizing را فراهم میکند.
۲. ماشین الکتریکی؛ EM، MG یا M/G
عبارت EM مخفف Electric Machine است. از آنجا که یک ماشین الکتریکی میتواند هم بهعنوان موتور و هم ژنراتور فعالیت کند، در خودروهای هیبریدی گاهی با نام MG: Motor-Generator شناخته میشود.
در حالت موتور، انرژی الکتریکی به گشتاور مکانیکی تبدیل میشود. هنگام ترمز احیایی، جهت تبدیل انرژی معکوس شده و انرژی جنبشی خودرو به برق تبدیل میشود.
۳. باتری کششی؛ Traction Battery
باتری کششی یا High-Voltage Traction Battery انرژی موردنیاز موتور محرک را ذخیره میکند. این باتری با باتری ۱۲ ولتی تجهیزات جانبی تفاوت دارد. ظرفیت آن با واحد کیلوواتساعت یا kWh و توان لحظهای آن با کیلووات یا kW بیان میشود.
ظرفیت بالا الزاماً به معنای قدرت بالا نیست. یک باتری HEV ممکن است ظرفیت انرژی کمی داشته باشد، اما برای دریافت و تحویل سریع توان طراحی شود. باتری BEV باید علاوه بر توان، انرژی کافی برای پیمایش مسافت طولانی را ذخیره کند.
۴. باتری کمولتاژ
حتی بیشتر خودروهای تمامبرقی نیز یک باتری ۱۲ ولتی یا کمولتاژ جداگانه دارند. این باتری وظیفه تغذیه قفلها، روشنایی، واحدهای کنترل، سامانههای ایمنی، کنتاکتورها و تجهیزات جانبی را بر عهده دارد.
۵. اینورتر؛ Inverter
باتری جریان مستقیم یا DC تولید میکند، در حالی که بیشتر موتورهای کششی خودرو با جریان متناوب چندفاز AC کار میکنند. اینورتر، برق DC باتری را به AC کنترلشده تبدیل میکند. در زمان بازیابی انرژی نیز این فرایند معکوس شده و برق تولیدی موتور–ژنراتور برای ذخیره در باتری به DC تبدیل میشود.
کنترل دقیق فرکانس، ولتاژ و جریان خروجی اینورتر، گشتاور و سرعت موتور الکتریکی را تعیین میکند.
۶. مبدل DC/DC
مبدل DC/DC Converter ولتاژ بالای باتری کششی را به ولتاژ پایین موردنیاز تجهیزات ۱۲ یا ۴۸ ولتی تبدیل میکند و در بیشتر خودروهای برقی جایگزین بخش عمده عملکرد آلترناتور سنتی میشود.
۷. شارژر داخلی؛ OBC
مخفف OBC به معنای On-Board Charger است. در شارژ AC، شارژر داخلی برق متناوب شبکه را به برق مستقیم مناسب باتری تبدیل میکند. توان OBC مشخص میکند خودرو با برق AC حداکثر با چه سرعتی شارژ شود.
در شارژ سریع DC، تبدیل اصلی AC به DC در ایستگاه شارژ انجام میشود و برق DC تحت کنترل سامانههای ایمنی و مدیریت باتری به مجموعه باتری تحویل داده میشود.
۸. سامانه مدیریت باتری؛ BMS
BMS: Battery Management System ولتاژ سلولها، جریان، دما، وضعیت شارژ، وضعیت سلامت و محدودیتهای ایمنی باتری را کنترل میکند.
اصطلاحات مهم عبارتاند از:
- SOC: State of Charge؛ درصد تقریبی شارژ موجود.
- SOH: State of Health؛ وضعیت سلامت و ظرفیت باقیمانده نسبت به باتری نو.
- DOD: Depth of Discharge؛ عمق تخلیه باتری.
- Cell Balancing؛ متعادلسازی سطح شارژ سلولها.
- Thermal Runaway؛ فرار حرارتی ناشی از افزایش کنترلنشده دمای سلول.
۹. سامانه مدیریت حرارتی؛ TMS یا BTMS
باتری، موتور و تجهیزات الکترونیک قدرت در محدوده دمایی مشخصی بهترین عملکرد و عمر را دارند. سامانه TMS: Thermal Management System و در بخش باتری BTMS: Battery Thermal Management System وظیفه گرمکردن یا خنککردن اجزا را بر عهده دارد. دما، عمق تخلیه و الگوی شارژ از عوامل اثرگذار بر کاهش ظرفیت باتری در طول زمان هستند.
۱۰. واحد کنترل هیبریدی؛ HCU
HCU: Hybrid Control Unit یا کنترلکننده مرکزی پیشرانه، درباره روشن یا خاموشبودن موتور احتراقی، میزان گشتاور موتور برقی، شارژ یا تخلیه باتری، شدت بازیابی انرژی و نحوه تقسیم توان تصمیم میگیرد.
این واحد با کنترلکننده موتور احتراقی، اینورتر، BMS، گیربکس، ترمز و سامانه کنترل پایداری در ارتباط است.
فصل سوم: خودروی بنزینی متعارف
نام تخصصی و مخفف
ICEV: Internal Combustion Engine Vehicle
در خودروی بنزینی متعارف، انرژی شیمیایی سوخت در موتور احتراقی به انرژی حرارتی و سپس مکانیکی تبدیل میشود. نیرو از طریق کلاچ یا مبدل گشتاور، گیربکس، دیفرانسیل و پلوسها به چرخها انتقال مییابد.
مزایا
- شبکه سوخترسانی گسترده و سوختگیری سریع
- برد حرکتی طولانی
- فناوری شناختهشده و تعمیرپذیری گسترده
- قیمت اولیه معمولاً کمتر از سامانههای برقی پیچیده
- کاهش محسوس وزن نسبت به خودروهای دارای باتری بزرگ
معایب
- اتلاف بخش بزرگی از انرژی به شکل گرما
- تولید آلاینده و دیاکسیدکربن در اگزوز
- مصرف سوخت در حالت درجا
- تعداد زیاد قطعات متحرک و نیاز به روغنکاری، اگزوز و سامانههای کنترل آلایندگی
- راندمان پایینتر در ترافیک و سرعتهای متغیر
- ناتوانی در بازیابی انرژی ترمز
بر اساس برآورد وزارت انرژی آمریکا، راندمان انرژی به چرخ یک خودروی برقی متعارف با درنظرگرفتن بازیابی ترمز میتواند در یک چرخه آزمون به حدود ۸۷ تا ۹۱ درصد برسد، در حالی که مقدار متناظر برای یک خودروی بنزینی متعارف حدود ۳۰ درصد گزارش شده است. این اعداد به چرخه رانندگی، شرایط محیطی و مرز محاسبه وابستهاند و نباید بهعنوان عدد ثابت برای تمام خودروها تلقی شوند.
فصل چهارم: میکروهیبرید
نام تخصصی و مخفف
- Micro Hybrid
- Micro-HEV
- μHEV
- Start-Stop Vehicle
- گاهی: Idle Stop-Start System
تعریف فنی
میکروهیبرید سادهترین سطح برقیسازی پیشرانه است. مهمترین قابلیت آن، خاموشکردن موتور احتراقی در توقف و روشنکردن سریع آن هنگام حرکت مجدد است.
در برخی نمونهها، آلترناتور هوشمند میتواند هنگام کاهش سرعت بار بیشتری ایجاد کند و بخشی از انرژی را در باتری ۱۲ ولتی ذخیره کند. با این حال، در بسیاری از میکروهیبریدها موتور الکتریکی مستقلی برای به حرکت درآوردن چرخها وجود ندارد.
از دیدگاه سختگیرانه مهندسی، یک سامانه صرفاً استارت–استاپ «هیبرید واقعی» نیست؛ زیرا دو منبع مستقل تولید گشتاور برای حرکت چرخها ندارد. اصطلاح میکروهیبرید بیشتر یک نام تجاری یا سطح ابتدایی برقیسازی است.
اجزای اصلی
- استارتر تقویتشده یا استارتر–ژنراتور
- باتری سرب–اسید نوع EFB یا AGM
- آلترناتور هوشمند
- حسگر وضعیت باتری
- سامانه مدیریت استارت–استاپ
- پمپها یا تجهیزات کمکی سازگار با خاموششدن موتور
نحوه عملکرد
هنگامی که خودرو پشت چراغ قرمز متوقف میشود، کنترلکننده در صورت مناسببودن شرایط، موتور را خاموش میکند. با رهاکردن ترمز، فشردن کلاچ یا پدال گاز، موتور دوباره روشن میشود.
اگر دمای موتور، شارژ باتری، نیاز سامانه تهویه، زاویه فرمان یا شرایط ایمنی مناسب نباشد، سیستم ممکن است موتور را خاموش نکند.
مزایا
- هزینه و پیچیدگی کم
- کاهش مصرف سوخت در ترافیک سنگین
- کاهش آلایندگی و صدای موتور هنگام توقف
- امکان استفاده روی پلتفرمهای متعارف با تغییرات محدود
- وزن اضافه بسیار کم
معایب
- عدم امکان حرکت با نیروی برق
- کاهش مصرف محدود در رانندگی جادهای
- فشار کاری بیشتر بر باتری و استارتر
- وابستگی عملکرد به وضعیت باتری و شرایط تهویه
- احتمال احساس لرزش هنگام روشنشدن مکرر در سامانههای ساده
فصل پنجم: مایلد هیبرید
نام تخصصی و مخفف
- MHEV: Mild Hybrid Electric Vehicle
- 48V MHEV
- Power-Assist Hybrid
- BAS Hybrid
- BSG Hybrid
- ISG Hybrid
تعریف
در خودروی مایلد هیبرید، موتور الکتریکی میتواند به موتور احتراقی کمک کند، انرژی ترمز را بازیابی کند و وظیفه روشنکردن نرم و سریع موتور را انجام دهد؛ اما در تعریف رایج، توان آن برای حرکت مستقل و پایدار خودرو کافی نیست.
در بعضی سامانههای پیشرفته ۴۸ ولتی ممکن است خودرو در شرایط بسیار محدود و سرعت پایین برای لحظاتی با نیروی برق حرکت کند؛ بنابراین مرز میان مایلد و فول در محصولات مختلف کاملاً مطلق نیست. معیار بنیادی این است که در مایلد هیبرید، موتور احتراقی همچنان منبع اصلی حرکت است.
چرا ۴۸ ولت؟
افزایش ولتاژ از ۱۲ به ۴۸ ولت باعث میشود برای توان یکسان، جریان الکتریکی کاهش یابد. کاهش جریان میتواند تلفات مقاومتی و ضخامت موردنیاز کابلها را محدود کند و امکان استفاده از موتور–ژنراتور قویتر، کمپرسور برقی، پمپ برقی و توربوشارژر الکتریکی را فراهم سازد.
سامانه ۴۸ ولتی معمولاً در کنار شبکه ۱۲ ولتی کار میکند و یک مبدل DC/DC میان آنها قرار دارد.
انواع موتور–ژنراتور مایلد هیبرید
BSG یا BAS
- BSG: Belt Starter Generator
- BAS: Belt Alternator Starter
در این ساختار، موتور–ژنراتور از طریق تسمه به میللنگ متصل است. این معماری معمولاً P0 نامیده میشود.
ISG
ISG: Integrated Starter Generator
موتور–ژنراتور به شکل یکپارچهتر به میللنگ، فلایویل یا بخش ورودی گیربکس متصل میشود. بعضی ISGها میتوانند گشتاور و بازیابی انرژی بیشتری نسبت به BSG تسمهای فراهم کنند.
حالتهای عملکرد
استارت–استاپ سریع
موتور–ژنراتور احتراقی را سریعتر و نرمتر از استارتر سنتی روشن میکند.
کمک گشتاوری؛ Torque Assist
در شتابگیری، ماشین الکتریکی بخشی از گشتاور لازم را فراهم میکند. به این ترتیب بار موتور احتراقی کاهش مییابد یا امکان استفاده از موتور کوچکتر فراهم میشود.
بازیابی انرژی؛ Recuperation
در کاهش سرعت، موتور–ژنراتور به ژنراتور تبدیل شده و بخشی از انرژی جنبشی را در باتری ذخیره میکند.
حرکت آزاد؛ Coasting یا Sailing
در برخی خودروها، هنگام برداشتن پا از پدال گاز، موتور احتراقی خاموش یا از خط انتقال قدرت جدا میشود تا تلفات کاهش یابد.
پرکردن تأخیر توربو؛ Torque Fill
گشتاور فوری موتور الکتریکی میتواند در فاصله زمانی افزایش فشار توربوشارژر، کمبود گشتاور را جبران کند.
مزایا
- هزینه کمتر از فول هیبرید
- امکان نصب روی بسیاری از پلتفرمهای موجود
- استارت نرمتر و سریعتر
- کاهش مصرف سوخت بدون نیاز به شارژ خارجی
- بازیابی بخشی از انرژی ترمز
- بهبود پاسخ پدال گاز
- امکان برقیکردن تجهیزات جانبی پرمصرف
معایب
- معمولاً فاقد رانندگی تمامبرقی واقعی
- کاهش مصرف کمتر از فول هیبرید
- همچنان وابسته به موتور احتراقی
- اضافهشدن باتری، مبدل DC/DC و تجهیزات کنترلی
- افزایش هزینه تعمیرات تخصصی نسبت به خودروی بنزینی ساده
- امکان ایجاد ابهام بازاریابی؛ زیرا عبارت «هیبرید» ممکن است قابلیتهای خودرو را بیش از واقعیت نشان دهد
فصل ششم: فول هیبرید
نام تخصصی و مخفف
- HEV: Hybrid Electric Vehicle
- FHEV: Full Hybrid Electric Vehicle
- Strong Hybrid
- Full-Function Hybrid
- گاهی: Self-Charging Hybrid؛ یک عبارت بازاریابی، نه نام دقیق علمی
تعریف
فول هیبرید دارای موتور احتراقی، یک یا چند موتور–ژنراتور و باتری کششی است. موتور احتراقی و موتور الکتریکی میتوانند بسته به معماری، بهتنهایی یا همزمان خودرو را به حرکت درآورند.
برخلاف PHEV، باتری یک HEV متعارف از برق شهر شارژ نمیشود. انرژی باتری از بازیابی ترمز و در صورت نیاز از موتور احتراقی تأمین میشود. به همین علت اصطلاح «خودشارژشونده» نباید به معنای تولید انرژی رایگان در نظر گرفته شود؛ انرژی در نهایت از سوخت یا بازیابی انرژی جنبشی تأمین میشود.
حالتهای عملکرد
حرکت برقی محدود
در سرعت پایین، بار کم یا حرکت آرام، موتور احتراقی میتواند خاموش بماند و خودرو برای مسافتی محدود با موتور الکتریکی حرکت کند.
حرکت با موتور احتراقی
در رانندگی یکنواخت، موتور احتراقی میتواند مستقیماً چرخها را به حرکت درآورد یا همزمان بخشی از انرژی خود را برای شارژ باتری اختصاص دهد.
حرکت ترکیبی
هنگام شتابگیری شدید، موتور احتراقی و موتور الکتریکی با یکدیگر کار میکنند.
ترمز احیایی
در کاهش سرعت، موتور کششی انرژی را بازیابی میکند. اگر توان ترمز درخواستی از ظرفیت بازیابی بیشتر باشد، ترمز اصطکاکی نیز وارد عمل میشود.
مدیریت نقطه کار موتور
کنترلکننده میتواند موتور احتراقی را در محدوده پربازده روشن نگه دارد و انرژی اضافه را در باتری ذخیره کند؛ سپس در زمانی دیگر از آن انرژی برای کمک به حرکت استفاده کند.
باتری فول هیبرید
در HEV ظرفیت باتری نسبتاً محدود است؛ زیرا هدف اصلی، ذخیره انرژی کافی برای بازیابی ترمز، کمک به شتابگیری و حرکت برقی کوتاه است، نه پیمایش طولانی.
باتریهای نیکل–متال هیدرید یا NiMH به دلیل دوام و تحمل مناسب سالها در HEVها استفاده شدهاند. باتریهای لیتیومیون نیز به دلیل چگالی انرژی و توان بالاتر کاربرد گستردهای پیدا کردهاند.
مزایا
- مصرف سوخت مناسب، بهویژه در شهر
- عدم نیاز به شارژر خارجی
- حرکت نرم و کمصدا در سرعت پایین
- بازیابی مؤثر انرژی ترمز
- امکان خاموشکردن موتور در توقف و حرکت آرام
- برد و سرعت سوختگیری مشابه خودروهای بنزینی
- فشار کمتر بر ترمزهای اصطکاکی در استفاده صحیح
معایب
- وجود همزمان موتور احتراقی و سامانه الکتریکی
- پیچیدگی نرمافزاری و مکانیکی
- وزن و هزینه بیشتر از خودروی بنزینی ساده
- برد تمامبرقی بسیار محدود
- همچنان دارای مصرف سوخت، اگزوز و آلایندگی
- فضای اشغالشده توسط باتری و تجهیزات قدرت
- نیاز به تعمیرکار آشنا با سامانه ولتاژ بالا
فصل هفتم: پلاگین هیبرید
نام تخصصی و مخفف
- PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle
- Plug-in HEV
- گاهی: PHV
تعریف
پلاگین هیبرید ترکیبی از یک خودروی فول هیبرید و یک خودروی تمامبرقی است. این خودرو دارای باتری بزرگتری است که میتوان آن را از شبکه برق شارژ کرد و قادر است بخشی از مسیر را در حالت تمامبرقی طی کند.
پس از کاهش شارژ باتری، خودرو معمولاً به حالت هیبریدی پایدار وارد میشود و مانند یک HEV، از موتور احتراقی، بازیابی انرژی و باتری استفاده میکند.
دو حالت اصلی مدیریت شارژ
Charge-Depleting Mode؛ CD
در حالت کاهش شارژ، خودرو بخش عمده انرژی حرکت را از برق ذخیرهشده در باتری میگیرد و SOC بهتدریج کاهش مییابد.
این حالت ممکن است کاملاً الکتریکی یا ترکیبی باشد. در بعضی PHEVها موتور احتراقی در شتاب شدید، سرعت بالا، سرمای زیاد یا نیاز بالای بخاری روشن میشود.
Charge-Sustaining Mode؛ CS
پس از رسیدن SOC به حد تعیینشده، خودرو وارد حالت حفظ شارژ میشود. کنترلکننده اجازه نمیدهد باتری از محدوده ایمن پایینتر برود و خودرو مانند یک هیبرید بدون پلاگین عمل میکند.
حالتهای قابل انتخاب
بسته به مدل، راننده ممکن است به حالتهای زیر دسترسی داشته باشد:
- EV Mode: اولویت حرکت برقی
- Hybrid Mode: مدیریت خودکار موتور و باتری
- Battery Hold: حفظ شارژ برای استفاده در آینده
- Battery Save: محدودکردن مصرف باتری
- Battery Charge: شارژ باتری با موتور احتراقی؛ این حالت معمولاً از شارژ شبکه کمبازدهتر است
اهمیت شارژ منظم
مزیت واقعی PHEV بهشدت به الگوی استفاده وابسته است. اگر خودرو هر روز شارژ شود و مسافت روزانه در محدوده برد برقی باشد، بخش بزرگی از سفرها بدون مصرف بنزین انجام میشود. اگر خودرو شارژ نشود، وزن باتری و سامانه برقی را حمل میکند اما بیشتر مانند یک خودروی بنزینی سنگین یا HEV عمل خواهد کرد.
دادههای کمیسیون اروپا برای خودروهای PHEV ثبتشده در سال ۲۰۲۱ نشان داد که میانگین انتشار واقعی دیاکسیدکربن آنها حدود ۳٫۵ برابر ارقام آزمون تأیید نوع بوده است. دلیل اصلی، شارژ و رانندگی برقی کمتر از فرضیات آزمون عنوان شده است. این نتیجه مربوط به مجموعه داده و شرایط بررسیشده در اروپا است، اما اصل وابستگی PHEV به شارژ منظم در همه بازارها اهمیت دارد.
مزایا
- امکان انجام سفرهای روزمره با برق
- حفظ موتور احتراقی برای سفرهای طولانی
- وابستگی کمتر به شارژ سریع جادهای
- کاهش مصرف بنزین در صورت شارژ منظم
- انعطافپذیری بالا برای کاربر دارای پارکینگ و پریز
- شتاب و گشتاور مناسب به دلیل ترکیب دو منبع قدرت
معایب
- بیشترین پیچیدگی سختافزاری در میان بسیاری از پیشرانهها
- وجود همزمان موتور، گیربکس، مخزن سوخت، باتری بزرگ، شارژر و اینورتر
- وزن زیاد
- قیمت خرید و احتمال هزینه تعمیر بالاتر
- کاهش فضای بار در برخی طراحیها
- عملکرد اقتصادی و زیستمحیطی ضعیفتر در صورت شارژنکردن
- مصرف قابلتوجه در سفرهای طولانی پس از تخلیه باتری، بهخصوص در خودروهای بزرگ و سنگین
فصل هشتم: خودروی برقی بردافزا یا رنج اکستندر
نامها و مخففها
- EREV: Extended-Range Electric Vehicle
- E-REV: Extended-Range Electric Vehicle
- REEV: Range-Extended Electric Vehicle
- REx: Range Extender
- BEVx: Range-Extended Battery Electric Vehicle در برخی طبقهبندیها
تعریف
در خودروی رنج اکستندر، موتور الکتریکی منبع اصلی یا تنها منبع گشتاور محرک چرخهاست. خودرو ابتدا از انرژی باتری شارژشده با شبکه استفاده میکند. پس از کاهش شارژ، یک واحد بردافزا—معمولاً موتور احتراقی متصل به ژنراتور—برق موردنیاز را تولید میکند.
در یک معماری سری خالص، موتور احتراقی هیچ اتصال مکانیکی با چرخها ندارد. در برخی محصولات که با نام EREV عرضه شدهاند، امکان اتصال مکانیکی محدود موتور احتراقی در شرایط خاص وجود داشته است. بنابراین «EREV» بیشتر یک تعریف عملکردی است و لزوماً به معنای سری خالص در تمام شرایط نیست.
تفاوت EREV با PHEV
در PHEV معمولی، موتور احتراقی بخش مهمی از طراحی حرکت خودرو است و میتواند مستقیماً چرخها را به حرکت درآورد.
در EREV، شخصیت خودرو برقیمحور است. موتور الکتریکی باید توان لازم برای عملکرد اصلی خودرو را داشته باشد و موتور احتراقی عمدتاً نقش تولیدکننده برق یا پشتیبان برد را ایفا میکند.
تمام EREVها را میتوان در خانواده خودروهای پلاگین قرار داد، اما هر PHEV یک EREV نیست.
عملکرد واحد بردافزا
هنگامی که SOC به حد پایین میرسد، موتور احتراقی روشن شده و ژنراتور را به حرکت درمیآورد. برق تولیدی میتواند مستقیماً به اینورتر و موتور برسد، باتری را در سطح مشخص حفظ کند یا هر دو کار را همزمان انجام دهد.
موتور بردافزا میتواند در تعداد محدودی نقطه کاری پربازده فعالیت کند؛ زیرا الزام ندارد مستقیماً با سرعت چرخها هماهنگ شود.
انواع واحد بردافزا
- موتور بنزینی پیستونی
- موتور دورانی وانکل
- موتور دیزلی در کاربردهای تجاری
- میکروتوربین
- پیل سوختی کوچک
- ژنراتورهای سوختی با سوختهای جایگزین
مزایا
- تجربه رانندگی نزدیک به خودروی تمامبرقی
- گشتاور و پاسخ یکنواخت موتور الکتریکی
- حذف اضطراب برد در مسیرهای طولانی
- امکان کوچکترکردن باتری نسبت به BEV با برد مشابه مجموع
- امکان کار موتور احتراقی در نقاط نسبتاً بهینه
- عدم نیاز به گیربکس چندسرعته پیچیده در ساختار سری خالص
معایب
- وجود دو زنجیره تبدیل انرژی
- اتلاف تبدیل سوخت به مکانیک، مکانیک به برق و برق به حرکت
- وزن و هزینه موتور، ژنراتور، اگزوز، مخزن سوخت و باتری
- نیاز به سرویس موتور احتراقی
- تولید آلاینده هنگام فعالیت بردافزا
- صدای موتور ممکن است با سرعت خودرو هماهنگ نباشد و برای راننده غیرعادی به نظر برسد
- اگر موتور–ژنراتور توان کافی نداشته باشد، در سربالایی طولانی یا بار سنگین امکان محدودشدن عملکرد وجود دارد
فصل نهم: خودروی تمامبرقی باتریمحور
نامها و مخففها
- BEV: Battery Electric Vehicle
- AEV: All-Electric Vehicle
- Pure EV
- Battery-Only Electric Vehicle
- در گفتار عمومی: EV
تعریف
خودروی BEV فاقد موتور احتراق داخلی، مخزن سوخت و اگزوز است. انرژی در باتری کششی ذخیره و از طریق اینورتر به یک یا چند موتور الکتریکی منتقل میشود. باتری از یک منبع خارجی برق شارژ میشود.
اجزای پیشرانه BEV
- باتری کششی
- BMS
- موتور یا موتورهای کششی
- اینورتر
- کاهنده دور و دیفرانسیل
- مبدل DC/DC
- OBC
- درگاه شارژ
- سامانه مدیریت حرارتی
- باتری ۱۲ ولتی
- واحد کنترل خودرو یا VCU
- سامانه ترمز ترکیبی احیایی و اصطکاکی
گیربکس در خودروهای برقی
بیشتر BEVهای سواری از یک نسبت دنده ثابت استفاده میکنند. موتور الکتریکی میتواند در دامنه وسیعی از سرعت، گشتاور تولید کند؛ بنابراین معمولاً نیازی به گیربکس چندسرعته متعارف وجود ندارد.
با این حال، بعضی خودروهای عملکردی یا تجاری از گیربکس دو یا چندسرعته استفاده میکنند تا شتاب، سرعت نهایی یا راندمان در شرایط خاص را بهبود دهند.
شتاب و گشتاور
موتور الکتریکی میتواند از سرعتهای بسیار پایین، گشتاور زیادی تولید کند. کنترل دیجیتال سریع گشتاور سبب پاسخ فوری پدال گاز، تعویضدنده کمتر و حرکت نرم میشود.
ترمز احیایی
با رهاکردن پدال گاز یا فشردن ترمز، موتور به ژنراتور تبدیل میشود. شدت بازیابی به عوامل زیر محدود است:
- SOC باتری
- دمای باتری
- توان پذیرش باتری
- چسبندگی چرخها
- سرعت خودرو
- درخواست راننده
- محدودیتهای اینورتر و موتور
هنگامی که باتری کاملاً پر یا بسیار سرد است، ممکن است بازیابی انرژی کاهش یابد و ترمز اصطکاکی سهم بیشتری داشته باشد.
رانندگی تکپداله
در حالت One-Pedal Driving، برداشتن پا از پدال گاز کاهش سرعت قابلتوجهی ایجاد میکند. در بسیاری از شرایط راننده بدون استفاده مکرر از پدال ترمز سرعت را تنظیم میکند؛ بااینحال برای توقف اضطراری یا ترمز شدید همچنان باید از پدال ترمز استفاده شود.
عوامل تعیینکننده برد
برد واقعی BEV به عوامل متعددی وابسته است:
- ظرفیت قابلاستفاده باتری
- جرم خودرو
- ضریب درگ و سطح مقطع
- سرعت
- شیب مسیر
- دمای محیط
- استفاده از بخاری و کولر
- نوع تایر و فشار آن
- بار و سرنشین
- باد مخالف
- سبک رانندگی
- سلامت باتری
- میزان توقف و حرکت
- پیشگرمایش یا پیشسرمایش خودرو
در سرعت بزرگراه، مقاومت آیرودینامیکی رشد زیادی پیدا میکند و میتواند مصرف انرژی را افزایش دهد. در شهر، امکان بازیابی انرژی ترمز سبب میشود BEV برخلاف خودروی درونسوز لزوماً مصرف بیشتری نداشته باشد.
مزایا
- نبود آلایندگی مستقیم اگزوز
- راندمان بالای زنجیره محرکه
- شتابگیری سریع و یکنواخت
- صدای کم
- قطعات متحرک کمتر در پیشرانه
- عدم نیاز به روغن موتور، شمع، تسمه تایم و اگزوز
- امکان شارژ در خانه یا محل کار
- امکان پیشگرمایش کابین هنگام اتصال به برق
- مرکز جرم پایین در طراحیهای موسوم به Skateboard
- قابلیت کنترل مستقل موتورهای جلو و عقب
- امکان عرضه برق به تجهیزات یا شبکه در خودروهای مجهز
معایب
- زمان شارژ بیشتر از سوختگیری
- وابستگی به زیرساخت برق و شارژ
- کاهش برد در سرمای شدید، گرمای شدید یا سرعت بالا
- جرم و قیمت باتری
- نگرانی درباره افت ظرفیت در بلندمدت
- هزینه تعمیر بالای برخی قطعات ولتاژ بالا
- کاهش سرعت شارژ در انتهای فرایند شارژ
- دشواری سفر برای افرادی که امکان شارژ خانگی ندارند
- نیاز به برنامهریزی بیشتر در مناطق کمشارژر
- اثر زیستمحیطی استخراج، تولید و بازیافت مواد باتری
BEV در محل استفاده آلایندگی اگزوز ندارد، اما تولید برق، ساخت خودرو و تولید باتری میتوانند آلایندگی ایجاد کنند. ارزیابی EPA نشان میدهد خودروهای برقی معمولاً حتی با درنظرگرفتن تولید برق، ردپای کربنی کمتری از خودروهای بنزینی متوسط دارند؛ میزان این مزیت به ترکیب تولید برق، نوع خودرو، باتری و الگوی استفاده بستگی دارد.
فرهنگ اختصارات تخصصی
| مخفف | عبارت کامل | معنی فارسی |
|---|---|---|
| ICE | Internal Combustion Engine | موتور احتراق داخلی |
| ICEV | Internal Combustion Engine Vehicle | خودروی درونسوز |
| EV | Electric Vehicle | خودروی الکتریکی |
| xEV | Electrified Vehicle | عنوان کلی خودروهای برقیشده |
| μHEV | Micro Hybrid Electric Vehicle | میکروهیبرید |
| MHEV | Mild Hybrid Electric Vehicle | مایلد هیبرید |
| HEV | Hybrid Electric Vehicle | خودروی هیبریدی |
| FHEV | Full Hybrid Electric Vehicle | فول هیبرید |
| PHEV | Plug-in Hybrid Electric Vehicle | پلاگین هیبرید |
| EREV | Extended-Range Electric Vehicle | خودروی برقی بردافزا |
| REEV | Range-Extended Electric Vehicle | خودروی برقی با افزایشدهنده برد |
| BEV | Battery Electric Vehicle | خودروی تمامبرقی باتریمحور |
| FCEV | Fuel Cell Electric Vehicle | خودروی برقی پیل سوختی |
| H2-ICE | Hydrogen Internal Combustion Engine | موتور احتراقی هیدروژنی |
| EM | Electric Machine | ماشین الکتریکی |
| MG | Motor-Generator | موتور–ژنراتور |
| BSG | Belt Starter Generator | استارتر–ژنراتور تسمهای |
| BAS | Belt Alternator Starter | آلترناتور–استارتر تسمهای |
| ISG | Integrated Starter Generator | استارتر–ژنراتور یکپارچه |
| PMSM | Permanent Magnet Synchronous Motor | موتور سنکرون آهنربای دائم |
| IPMSM | Interior Permanent Magnet Synchronous Motor | موتور سنکرون با آهنربای داخلی |
| IM | Induction Motor | موتور القایی |
| SRM | Switched Reluctance Motor | موتور رلوکتانسی سوئیچشونده |
| OBC | On-Board Charger | شارژر داخلی |
| BMS | Battery Management System | سامانه مدیریت باتری |
| TMS | Thermal Management System | سامانه مدیریت حرارتی |
| BTMS | Battery Thermal Management System | مدیریت حرارتی باتری |
| HCU | Hybrid Control Unit | واحد کنترل هیبریدی |
| VCU | Vehicle Control Unit | واحد کنترل خودرو |
| SOC | State of Charge | وضعیت شارژ |
| SOH | State of Health | وضعیت سلامت باتری |
| DOD | Depth of Discharge | عمق تخلیه |
| RESS | Rechargeable Energy Storage System | سامانه ذخیره انرژی قابل شارژ |
| HV | High Voltage | ولتاژ بالا |
| LV | Low Voltage | ولتاژ پایین |
| DC | Direct Current | جریان مستقیم |
| AC | Alternating Current | جریان متناوب |
| DC/DC | Direct Current Converter | مبدل ولتاژ مستقیم |
| EVSE | Electric Vehicle Supply Equipment | تجهیزات تأمین برق خودرو |
| CCS | Combined Charging System | سامانه شارژ ترکیبی |
| V2L | Vehicle-to-Load | برقرسانی خودرو به مصرفکننده |
| V2H | Vehicle-to-Home | برقرسانی خودرو به خانه |
| V2G | Vehicle-to-Grid | تبادل برق خودرو و شبکه |
| e-AWD | Electric All-Wheel Drive | چهارچرخ محرک الکتریکی |
| CD | Charge Depleting | حالت کاهش شارژ |
| CS | Charge Sustaining | حالت حفظ شارژ |
| AGM | Absorbent Glass Mat | باتری سربی با جداکننده شیشهای |
| EFB | Enhanced Flooded Battery | باتری سربی تقویتشده |
| NiMH | Nickel-Metal Hydride | نیکل–متال هیدرید |
| LFP | Lithium Iron Phosphate | لیتیوم آهن فسفات |
| NMC | Nickel Manganese Cobalt | نیکل منگنز کبالت |
| NCA | Nickel Cobalt Aluminum | نیکل کبالت آلومینیوم |
| LTO | Lithium Titanate | لیتیوم تیتانات |
جمعبندی نهایی
پیشرانههای هیبریدی و برقی را نباید تنها با وجود یک باتری یا نشان «Hybrid» روی بدنه قضاوت کرد. تفاوت واقعی آنها در اندازه باتری، قدرت موتور الکتریکی، مسیر انتقال نیرو، امکان شارژ خارجی و میزان وابستگی به موتور احتراقی است.
میکروهیبرید در اصل یک سامانه استارت–استاپ پیشرفته است.
مایلد هیبرید از موتور الکتریکی برای کمک به موتور احتراقی استفاده میکند، اما معمولاً توان حرکت مستقل ندارد.
فول هیبرید میتواند برای مدت و مسافت محدود با برق حرکت کند و نیازی به شارژ خارجی ندارد.
پلاگین هیبرید باتری بزرگتر و قابلیت شارژ از شبکه دارد، اما مزایای آن تنها با شارژ منظم محقق میشود.
رنج اکستندر یک خودروی برقیمحور است که برای ادامه مسیر از ژنراتور سوختی استفاده میکند.
BEV تمام نیروی خود را از باتری و موتور الکتریکی میگیرد.
FCEV نیز خودرویی الکتریکی است که برق را داخل خودرو از هیدروژن تولید میکند.
هیچیک از این فناوریها در تمام شرایط بهترین انتخاب مطلق نیستند. زیرساخت انرژی، قیمت برق و سوخت، مسافت روزانه، شرایط آبوهوایی، امکان شارژ خانگی، نوع جاده، هزینه خرید، هزینه تعمیر و طول مدت مالکیت تعیین میکنند کدام پیشرانه منطقیتر است.
مسیر آینده صنعت خودرو احتمالاً تنها به یک فناوری محدود نخواهد شد. خودروهای باتریمحور در بسیاری از کاربردهای سواری و شهری، هیبریدها در دوره گذار و بازارهای دارای محدودیت زیرساخت، رنج اکستندرها در برخی کاربریهای دوربرد و پیلهای سوختی در بعضی ناوگانهای سنگین یا پرتردد نقش خواهند داشت. عامل تعیینکننده، نه صرفاً نام فناوری، بلکه راندمان کل سامانه، منبع تولید انرژی، هزینه چرخه عمر، قابلیت بازیافت و تناسب آن با نیاز واقعی مصرفکننده خواهد بود.
منابع مرجع
- مرکز سوختهای جایگزین وزارت انرژی آمریکا، تعاریف و اجزای خودروهای HEV، PHEV، BEV و FCEV.
- سازمان بینالمللی استانداردسازی، استاندارد ISO 20762 و دستهبندی معماریهای سری، موازی و تقسیم توان.
- شورای بینالمللی حملونقل پاک، مطالعات فناوری میکروهیبرید و مایلد هیبرید.
- انجمن خودروسازان اروپا، تعریف مایلد هیبرید و فول هیبرید.
- آرشیو رسمی پورشه، تاریخچه خودروهای الکتریکی و Lohner-Porsche Semper Vivus.
- آرشیو رسمی تویوتا، معرفی Prius در سال ۱۹۹۷ و تکامل سامانه هیبریدی.
- آرشیو رسمی نیسان، تاریخچه عرضه Nissan LEAF.
- اسناد رسمی جنرال موتورز، EV1 و سامانه بردافزای Chevrolet Volt.
- وزارت انرژی آمریکا، راندمان انرژی خودروهای برقی و بنزینی.
- وزارت انرژی آمریکا، خانواده شیمیهای باتری لیتیومیون و فناوریهای نسل آینده.
- سازمان حفاظت محیطزیست آمریکا، آلایندگی مستقیم و چرخه انرژی خودروهای برقی.
- کمیسیون اروپا، دادههای واقعی مصرف و انتشار خودروهای پلاگین هیبرید.
- وزارت انرژی آمریکا، اصول ذخیرهسازی هیدروژن و عملکرد خودروهای پیل سوختی.
- آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدپذیر، فناوری و توان تجهیزات شارژ خودروهای الکتریکی.
