ماشین هیبریدی چیست و چطور کار می‌کند؟

خب، بذار اینطوری برات توضیح بدم: ماشین‌های هیبریدی یه جورایی پیچیده‌ترین و باهوش‌ترین سیستم‌های موتوری توی دنیای خودرو رو دارن. هدف اصلی از ساختن این ماشین‌ها اینه که با ترکیب یه موتور بنزینی و یه موتور برقی، هم بیشترین بازدهی رو داشته باشی، هم کمترین بنزین رو بسوزونی. برای اینکه بفهمی یه ماشین هیبریدی چطور کار می‌کنه، باید اول با قطعات مختلفش آشنا بشی، ببینی این قطعات چطور به هم وصل می‌شن و ماشین تو شرایط مختلف رانندگی چه جور رفتاری داره. اگه کنجکاوی بدونی ماشین هیبریدی چیه و چطور کار می‌کنه، این مطلب رو از دست نده.

ماشین هیبریدی چیست؟

اگه می‌خوای از شر ماشین‌های بنزینی خلاص بشی و یه تجربه جدید تو رانندگی داشته باشی، قبل از خرید حتماً یه نگاهی به ماشین‌های برقی و هیبریدی بنداز. ماشین هیبریدی یعنی هم موتور بنزینی داره، هم موتور برقی، و این دوتا بسته به شرایط جاده و رانندگی، یا جدا جدا کار می‌کنن یا با هم. هدف از این سیستم اینه که سوخت بهینه مصرف بشه و ماشین تا جایی که ممکنه کم‌مصرف باشه. برای همین، تو سرعت‌های پایین موتور برقی کار رو راه می‌ندازه و تو سرعت‌های بالا، موتور بنزینی میاد وسط. یه وقتایی هم که ماشین نیاز به قدرت بیشتر داره، هر دو موتور باهم روشن می‌شن تا حداکثر توان رو بده.

تاریخچه خودروی هیبریدی

جالبه بدونید که اولین قدم‌ها برای طراحی ماشین‌های دوگانه‌سوز (هیبریدی) تو صنعت خودروسازی، بین سال‌های ۱۸۹۰ تا ۱۹۰۰ میلادی برداشته شد. فردیناند پورشه تو سال ۱۸۹۹ یه سیستمی درست کرد که توش یه موتور بنزینی کوچیک به عنوان ژنراتور کار می‌کرد تا باتری‌ها رو شارژ کنه. موتورهای برقی که تو چرخ‌های جلو نصب شده بودن، ماشین رو به حرکت درمی‌آوردن. این ماشین تو نمایشگاه جهانی پاریس، سال ۱۹۰۰ رونمایی شد.

ارزون بودن نفت تو اوایل قرن بیستم و قیمت بالای تولید ماشین هیبریدی باعث شد که تو نیمه اول قرن بیستم، تولید این ماشین‌ها رونق نگیره. اما وقتی تو دهه ۱۹۷۰ قیمت نفت رفت بالا و مشکلات محیط زیستی جدی‌تر شدن، دوباره ایده ماشین هیبریدی مورد توجه قرار گرفت.

تویوتا پریوس اولین ماشین هیبریدی تو دنیا بود که سال ۱۹۹۷ توی بازار ژاپن عرضه شد. یه کم بعدتر، تو سال ۱۹۹۹، هوندا اینسایت اومد که دومین خودروی هیبریدی با تولید انبوه بود. این ماشین هم از پریوس سبک‌تر بود و هم بنزین کمتری می‌خورد.

از اول قرن ۲۱ به بعد، کلی از خودروسازهای معروف جهان اومدن تو زمینه ساخت ماشین‌های هیبریدی فعالیت کردن. کمکم فناوری‌هایی که تو این ماشین‌ها به کار می‌رفت هم بهتر و پیشرفته‌تر شدن. آمار دقیقی از سهم ماشین‌های هیبریدی تو بازار جهانی وجود نداره، ولی طبق گزارش سازمان بین‌المللی انرژی (IEA)، تو سال ۲۰۲۴، ماشین‌های برقی و هیبریدی روی هم رفته حدود ۳۰ درصد از کل فروش خودروهای دنیا رو تشکیل دادن.

طرز کار ماشین هیبریدی

خودروهای هیبریدی نیروی محرکه‌شون رو از دو جا می‌گیرن: یکی موتور بنزینی (همون موتور احتراق داخلی) و یکی موتور برقی. این دو تا منبع با کمک یه سیستم هوشمند مدیریت انرژی باهم هماهنگ می‌شن تا توی هر لحظه بهترین ترکیب قدرت رو تحویل بدن.

اجزای اصلی یه ماشین هیبریدی این‌ها هستن:
– موتور بنزینی
– موتور برقی (بعضی وقتا دو تا)
– باتری با ولتاژ بالا
– ژنراتور
– جعبه دنده مخصوص هیبریدی
– واحد کنترل الکترونیکی
– اینورتر (همون دستگاهی که جریان DC رو به AC تبدیل می‌کنه و برعکس)

حالا تصور کن بشینی پشت فرمون یه ماشین هیبریدی و استارت بزنی. توی این حالت، موتور بنزینی روشن نمی‌شه، بلکه موتور برقی با استفاده از انرژی باتری ماشین رو راه می‌ندازه. شاید بپرسی چرا موقع استارت زدن، این موتور برقیه که کار رو انجام می‌ده؟ دلیلش اینه که موتور برقی می‌تونه همون لحظه گشتاور مناسبی تولید کنه و چون توی فرآیند استارت خبری از سوخت نیست، بازدهی خیلی بالایی داره.

وقتی با ماشین هیبریدی حرکت می‌کنی، تا وقتی سرعتت پایینه، ماشین بیشتر از موتور برقی استفاده می‌کنه. فقط وقتی باتری کم بیاره، موتور بنزینی توی سرعت پایین وارد کار می‌شه. به خاطر همین توی ترافیک‌های سنگین شهری، بیشترین استفاده از سیستم برقی توی خودروی هیبریدی انجام می‌شه.

وقتی سرعت ماشین زیاد میشه، معمولاً موتور الکتریکی نقش اصلی رو به موتور بنزینی میده. دلیلش اینه که تو سرعت‌های بالا، موتور بنزینی بهتر و به‌صرفه‌تر کار می‌کنه. البته بعضی وقت‌ها موتور الکتریکی هم کمک می‌کنه تا ماشین به حداکثر قدرتی که نیاز داره برسه. پس وقتی پدال گاز رو می‌فشاری، ماشین برای رسیدن به سرعت بالا از موتور بنزینی استفاده می‌کنه.

تو یه ماشین معمولی بنزینی، وقتی ترمز می‌گیری، انرژی حرکتی به گرما تبدیل میشه و عملاً هدر می‌ره. اما یکی از مهم‌ترین بخش‌های کار ماشین هیبریدی، ترمز احیاکننده است. یعنی وقتی ترمز می‌گیری، موتور الکتریکی مثل یه ژنراتور عمل می‌کنه و انرژی حرکتی چرخ‌ها رو به برق تبدیل می‌کنه و باهاش باتری ماشین رو شارژ می‌کنه.

با این توضیحات، ماشین هیبریدی موقع رانندگی یه چرخه کاری رو مدام تکرار می‌کنه. تو تصویر بالا هم چرخه کامل کار ماشین هیبریدی رو حین رانندگی دیدی.

چگونه خودرو هیبریدی تصمیم می‌گیرد از کدام موتور استفاده کند؟

خب، خیلیا فکر میکنن ماشین هیبریدی یعنی همون ماشینی که گاهی با برق راه میره. ولی راستش قضیه فرق داره. هیبرید یعنی ماشینی که مدام بین حالت‌های مختلف جابه‌جا میشه تا کمترین انرژی ممکن هدر بره و بیشترین بازدهی رو داشته باشه. این که تو هر لحظه کدوم موتور باید ماشین رو بکشه، دست یه واحد کنترل قدرت به اسم PCU هست.

PCU تو کسری از ثانیه کلی اطلاعات رو می‌گیره و پردازش می‌کنه؛ مثلاً اینکه چقدر پدال گاز رو فشار دادی، باتری چقدر شارژ داره، سرعت ماشین چنده، دمای موتور چقدره و اینجور چیزا. بعدش بر اساس اینکه چطور کمترین مصرف انرژی و بهترین بازدهی داشته باشه، بهترین فرمان رو به پیشرانه ماشین میده.

مثلاً فرض کن تو ترافیک گیر کردی. اگه بخوای از موتور بنزینی استفاده کنی، معمولاً بنزین زیادی می‌سوزونه. چون تو ترافیک ماشین به قدرت زیادی نیاز نداره، PCU دستور میده موتور بنزینی خاموش بشه و موتور برقی، اگه باتری شارژ کافی داشته باشه، ماشین رو به راه بندازه.

حالا با اینکه حتی ارزون‌ترین ماشین‌های هیبریدی تو ایران بازم گرون‌قیمتن، اگه به فکر خریدشون هستی، بد نیست با ارزان‌ترین مدل‌های هیبریدی تو ایران آشنا بشی.

حالت‌های مختلف رانندگی با ماشین هیبریدی

خودروهای هیبریدی معمولاً خودشون به صورت هوشمند حالت‌های مختلف رانندگی رو مدیریت می‌کنن. اما تو بعضی ماشین‌ها، خودت می‌تونی یه سری حالت خاص رو انتخاب کنی که اینان:

حالت EV
حالت Eco
حالت Sport
حالت Charge/Hold

وقتی حالت EV رو فعال کنی، به ماشین می‌گی تا جایی که میشه فقط از موتور برقی استفاده کنه. این حالت بیشتر تو سرعت‌های کم و مسافت‌های کوتاه (تا وقتی باتری شارژ داره) به کار میاد.

اگر حالت Eco رو بزنی، ماشین پدال گاز رو کندتر جواب میده و سیستم تهویه رو هم طوری تنظیم می‌کنه که مصرف سوخت بیاد پایین و باتری بیشتر تو مدار بمونه. تو حالت Sport، برعکس، پدال گاز حساستر میشه و موتور بنزینی همیشه آماده‌ست تا سریع واکنش نشون بده. تو این حالت، باتری هم با قدرت بیشتری تخلیه میشه تا شتاب‌گیری بهتر باشه.

تو ماشین‌های پلاگین هیبرید که بعداً بیشتر معرفی می‌کنیم، معمولاً حالت Charge/Hold هست که به راننده اجازه میده شارژ باتری رو برای استفاده تو شهر نگه داره. تو این حالت، ماشین مجبور میشه تو اتوبان فقط با موتور بنزینی کار کنه.

انواع ماشین هیبریدی براساس ساختار فنی

خودروهای هیبریدی بر اساس ساختار فنی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:

• هیبرید سری
• هیبرید موازی
• هیبرید سری – موازی

در ماشین هیبرید سری، موتور بنزینی هیچ ارتباط فیزیکی با چرخ‌ها ندارد و فقط به عنوان یک ژنراتور برای تولید برق عمل می‌کند. چرخ‌ها همیشه توسط موتور الکتریکی می‌چرخند. وقتی شارژ باتری کم شود، موتور بنزینی روشن شده و برق تولید می‌کند تا باتری شارژ شود یا مستقیماً به موتور الکتریکی انرژی بدهد. هوندا سیویک eHEV و نیسان قشقایی e-Power نمونه‌هایی از خودروهای هیبریدی سری هستند.

در ماشین هیبرید موازی، مسئولیت اصلی به حرکت در آوردن چرخ‌ها بر عهده موتور بنزینی است. در این خودرو، موتور الکتریکی نقش کمکی برای ارتقای توان پیشرانه را بر عهده دارد. خودروهای هیبرید سری – موازی نیز حاصل ترکیب دو مورد قبل هستند که در حال حاضر به‌عنوان رایج‌ترین سیستم هیبریدی در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع ماشین هیبریدی براساس اتکا به برق

خودروهای دوگانه‌سوز یا همون هیبریدی، باتوجه به اندازه و قدرت باتری‌شون به سه گروه اصلی تقسیم می‌شن که اینان:

هیبرید ملایم (MHEV)
هیبرید کامل یا معمولی (HEV)
هیبرید پلاگین (PHEV)

حالا بیایم ببینیم هرکدوم چی هستن و چه فرقی با هم دارن.

هیبرید ملایم (Mild Hybrid – MHEV)

سیستم هیبرید ملایم (Mild Hybrid) ساده‌ترین و کم‌خرج‌ترین نوع خودروهای دوگانه‌سوزه. تو این مدل، موتور برقی به تنهایی نمی‌تونه ماشین رو به راه بندازه. معمولاً یه موتور برقی کوچیک (با ولتاژ حدود ۴۸ ولت) جای استارت و دینام ماشین می‌نشینه و فقط تو لحظه‌های اول حرکت یا وقتی می‌خوای گاز بدی، به موتور بنزینی کمک می‌کنه تا فشار کمتری بهش بیاد. چندتا نمونه از خودروهای هیبرید ملایم رو می‌تونی زیر ببینی:

مرسدس بنز کلاس S
آئودی A6
ولوو XC60
سوزوکی سوئیفت هیبرید
سوزوکی فرانکس هیبرید

هیبرید معمولی یا کامل (Full Hybrid – HEV)

این معروف‌ترین نوع ماشین‌های دوگانه‌سوزه. تو این مدل، هم موتور بنزینی و هم موتور برقی می‌تونن چرخ‌ها رو بچرخونن. باتری این ماشین‌ها کوچیکه و فقط وقتی ترمز می‌گیری یا موتور بنزینی کار می‌کنه، شارژ میشه. ماشین تو سرعت‌های پایین با برق راه می‌ره و وقتی سرعت می‌ره بالا یا می‌خوای گاز بدی، موتور بنزینی وارد کار میشه. چندتا از ماشین‌های دوگانه‌سوز کامل این‌ها هستن:

تویوتا پریوس
تویوتا کمری هیبرید
لکسوس NX 300H
هیوندای سوناتا هیبرید

پلاگین هیبرید (Plug-in Hybrid – PHEV)

ماشین‌های پلاگین هیبرید در واقع ترکیبی از خودروی تمام برقی و هیبرید معمولی هستند. باتری آن‌ها بزرگ‌تر از دو دسته قبل است و می‌توان آن‌ها را با اتصال به پریز برق (در خانه یا ایستگاه شارژ) شارژ کرد. برخی از خودروهای پلاگین هیبرید محبوب در صنعت خودرو عبارت‌اند از:

• میتسوبیشی اوتلندر PHEV
• ولوو XC90 Recharge
• بی ام و 530e
• کیا اسپورتیج پلاگین هیبرید
• فونیکس تیگو 7 پرو هیبرید

باطری ماشین هیبریدی

خودروهای هیبریدی یه باتری دارن که اصلاً شبیه باتری ماشین‌های معمولی نیست. تو ماشین‌های عادی، باتری ۱۲ ولتی فقط کارش اینه که چراغا رو روشن کنه و ماشین رو استارت بزنه. اما تو ماشین‌های هیبریدی، باتری ولتاژ خیلی بالایی داره و حکم قلب تپنده ماشینه. این باتری انرژیه که ماشین براش حرکت کنه رو تأمین می‌کنه و اصلاً یه قطعه مصرفی ساده نیست.

انواع باتری خودرو هیبریدی

خودروهای هیبریدی معمولاً دو جور باتری دارن:

یکی باتری نیکل متال هیدرید که همون NiMH هستش
و دومی باتری لیتیوم یون که بهش میگن Li-ion

باتری نیکل متال هیدرید یه تکنولوژی قدیمی‌تر محسوب می‌شه و از نظر قیمت هم ارزون‌تر از باتری لیتیوم یون درمیاد. ولی مشکل اصلی‌اش اینه که هم جاش زیاد می‌گیره هم وزنش زیاده. امروزه توی بیشتر خودروهای هیبریدی از باتری لیتیوم یون استفاده می‌کنن؛ چون هم سبکه هم فضای کمتری اشغال می‌کنه. یه نکته خوب دیگه‌اش اینه که باتری لیتیوم یون خیلی سریع‌تر شارژ می‌شه.

سیستم مدیریت باتری ماشین هیبریدی

همه باتری‌های هیبریدی یه سیستم هوشمند مخصوص به خودشون دارن به اسم BMS که در واقع یه جور کامپیوتر کوچیکه. این کامپیوتر همیشه و به طور مداوم وضعیت شارژ و دشارژ سلول‌های باتری رو چک می‌کنه تا مطمئن بشه همه سلول‌ها یه جور و یکنواخت شارژ و تخلیه می‌شن. اگه این کار درست انجام نشه، کمکم بازدهی باتری میاد پایین.

از اون طرف، سیستم BMS دمای کلی باتری رو هم لحظه‌ای اندازه می‌گیره. اگه باتری زیادی داغ بشه، هم به عملکردش ضربه می‌زنه هم عمرش رو کم می‌کنه. تو ماشین‌های هیبریدی معمولاً یه سیستم خنک‌کننده جدا برای باتری می‌ذارن که شبیه همون سیستم خنک‌کننده خود ماشین کار می‌کنه. سیستم BMS هم بر اساس دمای باتری، بهش دستور می‌ده که سیستم خنک‌کننده روشن یا خاموش بشه.

همون‌طور که می‌دونید، خالی شدن کامل باتری برای عمرش خیلی بده. اگه این اتفاق چند بار تکرار بشه، احتمال خراب شدن باتری ماشین بیشتر می‌شه. سیستم BMS هم همیشه میزان شارژ باتری رو زیر نظر داره و نمی‌ذاره که باتری کامل خالی بشه.

عمر باتری ماشین های هیبریدی

بیشتر شرکت‌های خودروسازی برای باتری ماشین‌های هیبریدی گارانتی‌های خیلی طولانی (چیزی حدود ۸ تا ۱۰ سال) می‌ذارن. این باتری‌ها معمولاً طوری ساخته شدن که بین ۱۵۰ تا ۲۵۰ هزار کیلومتر یا ۱۰ تا ۱۵ سال دوام بیارن. اگه شارژ باتری رو همیشه بین ۳۰ تا ۸۰ درصد نگه داری، خیلی به عمرش کمک می‌کنه و بیشتر می‌تونه کار کنه.

تفاوت باتری خودروهای هیبریدی و برقی

مشخصات فنی باتری خودروهای هیبریدی با برقی تفاوت بنیادی دارد. در خودروهای برقی اولویت با ظرفیت انرژی (Energy Density) است تا امکان پیمایش مسافت بیشتر فراهم شود؛ اما در خودروهای هیبریدی اولویت با چگالی توان (Power Density) است؛ یعنی باتری باید بتواند در عرض چند ثانیه مقدار زیادی انرژی را تخلیه (برای شتاب‌گیری) یا جذب (هنگام ترمزگیری) کند.

باتری ماشین هیبریدی معمولا ولتاژ بین 200 تا 650 ولت کار می‌کند. برای خودروهای هیبریدی معمولی، ظرفیت باتری معمولا بین 0.5 تا 2 کیلووات ساعت است. در مقابل، باتری خودروهای برقی معمولا بین 40 تا 100 کیلووات ساعت ظرفیت دارند. باتری خودروهای هیبریدی معمولا بین 30 تا 60 کیلوگرم وزن دارد. این عدد برای خودروهای برقی بیش از 400 کیلوگرم است.

سیستم انتقال قدرت در ماشین هیبریدی چیست؟

خودروهای هیبریدی برای این که بتونن قدرت موتور بنزینی و برقی رو یه جا جمع کنن، به یه سری سیستم نیاز دارن که بدون مکث گشتاور رو قاطی کنن. تقریباً همه ماشین‌های هیبریدی جدید از دنده‌اتوماتیک استفاده می‌کنن. ولی نوع دنده‌اتوماتیک توی این ماشین‌ها فرق داره.

بعضی از خودروهای هیبریدی که تکنولوژی ساده‌تری دارن، از یه سیستم تک‌سرعته استفاده می‌کنن. موتورهای برقی برخلاف موتور بنزینی، توی همه دورها گشتاور خوبی دارن و به خاطر همین نیازی به دنده ندارن. موتور بنزینی هم یا فقط واسه شارژ باتری کار می‌کنه (مثل شورولت ولت) یا فقط توی سرعت‌های بالا به سیستم وصل می‌شه. پس توی سیستم تک‌سرعته، موتور برقی مستقیم یا با یه دنده ثابت به چرخ‌ها وصله.

رایج‌ترین نوع سیستم انتقال قدرت توی ماشین‌های هیبریدی، گیربکس متغیر پیوسته الکترونیکی یا همون e-CVT هست. توی گیربکس e-CVT خبری از کلاچ یا تسمه نیست. تغییر نسبت دور موتور به سرعت چرخ‌ها با تغییر سرعت چرخش ژنراتور انجام می‌شه. انتقال قدرت توی این گیربکس کاملاً نرمه. ضمن این که ساختمون این گیربکس سادست و چون قطعات متحرک و درگیرش محدوده، کمتر خراب می‌شه.

سیستم‌های کمکی خودرو هیبریدی چیست؟

خب، بریم سراغ معرفی دو تا از سیستم‌های کمکی تو ماشین‌های هیبریدی. هرکدوم از اینا یه جوری به بهینه شدن مصرف سوخت کمک می‌کنن، راندمان موتور رو حفظ می‌کنن و باعث می‌شن باتری ماشین بیشتر عمر کنه.

سیستم ترمز احیاکننده

وقتی تو ماشین هیبریدی پاتو می‌زاری رو پدال ترمز، یه سیستمی به اسم ترمز احیاکننده شروع به کار می‌کنه. این سیستم موتور الکتریکی ماشین رو تبدیل می‌کنه به یه ژنراتور. به این ترتیب، انرژی‌ای که از ترمز کردن به دست میاد، می‌ره توی باتری ماشین ذخیره می‌شه. یه نکته جالب دیگه هم اینه که این کار باعث می‌شه لنت‌ها داغ نکنن و به خاطر همین، عمر لنت ترمز تو ماشین‌های هیبریدی تقریباً دو برابر ماشین‌های معمولیه.

سیستم مدیریت حرارت باتری

سیستم مدیریت حرارت باتری در خودرو هیبریدی تضمین می‌کند که باتری همواره در دمای عملیاتی استاندارد به‌کار خود ادامه دهد. زمانی که باتری در معرض حرارت بالا قرار می‌گیرد، این سیستم وظیفه خنک‌سازی باتری را با سازوکاری مشابه رادیاتور انجام می‌دهد. همچنین در سرمای شدید نیز این سیستم باتری را مقداری گرم می‌کند تا در محدوده دمای استاندارد قرار بگیرد.

کلام پایانی

تو این مطلب بررسی کردیم که ماشین هیبریدی چیه و چطور کار میکنه. از اونجایی که تو ایران هنوز زیرساخت ماشین‌های برقی اونقدرا همه‌گیر نشده، به نظر میاد که خودروهای هیبریدی بهترین گزینه برای جایگزینی ماشین‌های بنزینی باشن. پیشنهاد میکنم حتماً قبل از خرید یه ماشین هیبریدی، درباره طرز کار این مدل ماشین‌ها خوب تحقیق کنی تا با اطلاعات کامل بری پای معامله.