خودروی هیبرید چیست و چگونه عمل می کند؟ + تاریخچه

خودروی هیبرید نوعی از خودروهای مرسوم در بازار امروز به حساب می آید. اما خودروهای هیبرید و پلاگین هیبرید چگونه عمل می کنند؟

چرا هیبرید؟

دهه های ۶۰ و۷۰ میلادی  صنعت خودرو خصوصا در ایالات متحده دوران طلایی خودروهای راحت و بزرگ با پیشرانه های حجیم بود و هرچه ابعاد خودرو بزرگتر و تعداد سیلندر بیشتر می شد، نماد تجمل و تفاخر به حساب می آمد. خودروسازان بنا به میل مشتریان و بدون کوچکترین توجهی به مسائل زیست محیطی در تولید خودروهای با حجم موتور بالا از یکدیگر سبقت می گرفتند. تا همین یک دو دهه قبل هم این موضوع کما فی السابق به قوت خود باقی بود.

اما با گذشت زمان و مشخص شدن اثر مخرب آلاینده ها و گازهای تولیدی خودروها بر محیط زیست و از طرف دیگر بحث تجدیدناپذیر بودن سوخت های فسیلی  و همچنین پیشرفت تکنولوژی، رفته رفته اهمیت تولید خودروهای با فناوری جدید از قبیل توربوشارژ، هیبرید و تمام برقی بر همگان آشکارتر شد و این بار خودروسازان با رونمایی از پیشرانه های جدید کم حجم و کاهش مصرف سوخت سعی در ترغیب خریداران به محصولات جدید داشتند. امروزه خودروهای هیبرید، پلاگین هیبرید و تمام برقی سهم بزرگی از سبد محصولات تولیدی خودروسازان را به خود اختصاص داده اند. اگرچه هنوز آنطور که باید و شاید نتوانسته اند جای خود را در بین علاقه مندان به خودرو به عنوان جایگزین قطعی پیشرانه های دورن سوز باز کنند اما شکی نیست که با پیشرفت تکنولوژی آینده از آن خودروهای برقی در جهان خواهد بود.

حتما بخوانید : پلتفرم خودرو چیست؟ + تعاریف

تاریخچه پیدایش خودروی هیبرید

با وجود اینکه شرکت تویوتا به ویژه با مدل پریوس خود تداعی کننده نام خودروی هیبرید در تصور عموم بوده و از پیشکسوتان این صنعت به حساب می آید، اما باید بدانیم سال ها قبل از تویوتا کمپانی اسپرت ساز پورشه در سال ۱۹۰۰ طرح اولیه خودروی برقی را ارائه کرد. اولین خودروی هیبرید با نام Lohner Porsche که توسط جیکوب لوهنر و فردیناند پورشه در آن سال ها طراحی و معرفی شد، با موتور تک سیلندر بنزینی کار می‌کرد تا ژنراتوری را به حرکت درآورد و انرژی الکتریکی را به موتورهای نصب شده روی چرخ‌های جلو برساند.

طبق گزارش ها، این خودرو از طریق موتور برقی خود ۵ اسب بخار قدرت تولیدی داشت و توانسته بود به حداکثر سرعت ۵۶ کیلومتر در ساعت دست یابد. اما هیچ گاه مورد استقبال قرار نگرفت و تنها ۳۰۰ دستگاه از آن فروخته شد. سال ۱۹۹۷ تویوتا با عرضه اولین نسل از پریوس خودروی هیبرید را در سطح تولید انبوه به جهان معرفی نمود. تا سال ۲۰۰۳  نسل اول پریوس روی خط تولید قرار داشت. درسال ۲۰۰۷ و با گذشت ۴ سال از عرضه نسل دوم پریوس نقطه عطف بزرگی در تولید خودروهای  هیبرید تویوتا بود و توانست به فروش  بیش از یک میلیون دستگاه در سال دست یابد. در سال ۲۰۱۳ هشتاد درصد فروش سالانه خودروهای هیبرید در جهان متعلق به شرکت تویوتا بود و ۱۴% از تولیدات این شرکت به تولید خودروهای هیبرید اختصاص داشت. همچنان هم تویوتا همچنان از پیشتازان تولید خودروی هیبرید در جهان به شمار می رود.

حتما بخوانید : گیربکس اتوماتیک AT چیست و چگونه عمل می کند؟

تفاوت خودروی هیبرید و برقی

شاید برای شما هم جای سوال باشد که آیا خودروهای برقی و هیبرید یکی هستند یا خیر. که پاسخ این سوال منفی است. خودروی هیبرید همانطور که از معنای کلمه هیبرید مشخص است ترکیبی از دو موتور برقی و موتور بنزینی (گازوئیلی) را با هم دارد. درواقع توان خروجی آن مستلزم وجود هر دو نوع موتور بر روی خودرو می باشد اگرچه ممکن  است در حالت های خاصی تنها یکی از دو موتور وارد مدار شود اما این به این معنی نیست که همیشه با یک موتور به کار خود ادامه می دهد. در مقابل در خودروهای برقی که امروزه به سرعت در حال پیشرفت هستند پیشرانه احتراقی(بنزینی-گازوئیلی) بطور کامل حذف شده و قوای محرکه خودرو تنها از طریق موتور برقی و باتری های مخصوص تامین می شود که برای شارژ شدن این باتری ها نیاز به جایگاه شارژ یا برق شهری می باشد. انواع مدل های تسلا، پورشه تایکان و… از این دست خودروها هستند.

انواع خودروی هیبرید

خودروهای هیبرید که اساس کار بخش الکتریکی آن بطور کلی از یک موتور الکتریکی، و یک یا چند باتری تشکیل شده است بر اساس چگونگی تامین انرژی به سه دسته عمده موازی، سری، و پلاگین هیبرید تقسیم می شوند. در دو حالت اول نیروی حاصل از عملکرد موتور بنزینی و نیروی جنبشی حاصل از ترمز گیری انرژی مورد نیاز موتور الکتریکی را در باتری ذخیره می کند و در نمونه پلاگین هیبرید باتری ها از طریق جایگاه شارژ عمومی یا پریز برق شهری شارژ می شوند.

هیبرید موازی

این مدل متداول ترین نوع پیشرانه در خودروی هیبرید می باشد که موتور الکتریکی و بنزینی بطور همزمان کار می کنند و قوای محرکه لازم برای به حرکت درآوردن خودرو را تامین می کنند. در این حالت موتور الکتریکی به تنهایی نمی تواند خودرو را به حرکت دربیاورد و تنها به صورت کمکی در کنار موتور بنزینی بکار می رود. در مواقعی که خودرو در سرازیری قرار می گیرد موتور الکتریکی به عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی را ذخیره می کند. یا هنگام ترمز گیری انرژی الکتریکی در باتری ها ذخیره می شود. در این نوع خودروها نوع گیربکس استفاده شده و حجم موتور بنزینی از عوامل اصلی تعیین کننده شتاب خودرو می باشند. تویوتا، لکسوس، هیوندای، کیا، فورد و نیسان از برند هایی هستند که از این نوع ترکیب هیبرید استفاده می کنند.

هیبرید سری

در این نوع سیستم موتور الکتریکی می تواند تا مسافتی مشخص قوای محرکه خودرو را به طور مستقل از موتور بنزینی تامین کند و ارتباط مستقیمی بین دو موتور وجود ندارد.اما این بدان معنا نیست که خودرو بدون موتور بنزینی قادر به ادامه حرکت برای مسافت های طولانی باشد. البته موتور بنزینی برعکس نمونه موازی به نوعی پشتیبان موتور الکتریکی هستند و یا هنگامی که خودرو در ترافیک قرار می گیرد موتور بنزینی خاموش می شود و فقط موتور برقی کار می کند تا مصرف سوخت کاهش یابد. به این نوع سیستم هیبرید EREV هم می گویند. در این سیستم پیشرانه بنزینی وارد مدار قدرت نمی شود و نقش ژنراتور را برای باتری ها و پیشرانه برقی دارد. این نوع خودرو در بازار چین بسیار رایج است.

پلاگین هیبرید PHEV

پلاگین هیبرید ها همانند خودروهای تمام برقی انرژی مورد نیاز خود را از طریق جایگاه های شارژ عمومی و یا منبع برق شهری به دست می آوردند و از باتری های بزرگتری نسبت به دو نمونه قبلی بهره می برند. از این جهت با دو نمونه قبلی تفاوت اساسی دارند. استفاده از این خودروها در ناوگان شهری مستلزم وجود جایگاه های شارژ به تعداد لازم و در سطح وسیع می باشد. در کشورمان تنها به تازگی در برخی نقاط کلانشهری مانند تهران ایجاد شده که قطعا در صورت واردات این نوع خودروها در سطح وسیع پاسخگوی نیاز مصرف کنندگان نخواهد بود. شارژ باتری در این نوع خودروهای هیبرید بسته به اینکه با برق شهری شارژ شود یا جایگاه شارژ سریع، از چند ساعت تا ۳۰ دقیقه می تواند متغیر باشد. خودروی میتسوبیشی اوتلندر پلاگین نمونه ای از این نوع خودروهاست و فونیکس تیگو ۸ پرو e پلاس هم نخستین پلاگین هیبرید مونتاژی بازار ایران محسوب می شود.

جنس باتری

باتری های استفاده شده در خودروهای هیبرید، Electric Vehicle Battery یا به اختصار EVB نام دارند. دو فاکتور اصلی در باتری ها ظرفیت(مقدار انرژی ذخیره شده در باتری) و مقدار جریان بطور کلی از سه نوع زیر هستند :

۱ – نیکل_متال_هایدرید (NIMH) : باتری های نیکل_متال_هیدرید نوعی از باتری های قابل شارژ هستند که در خودروهای هیبرید و برقی بکار می روند. در هر سلول این باتری ها ۲/۱ ولت کار انجام می شود. این باتری ها در مقایسه با سایر مدل ها چرخه عمر طولانی تری دارند و ایمنی بهتری بخاطر تولید کمتر مواد سمی دارند اما در مقابل  قیمت نسبتا گران تر و اندازه بزرگتر و سنگین تر آن نسبت به سایر مدل ها و همچنین حساسیت بیشتر نسبت به  بالارفتن دما از نکات منفی این نوع باتری ها است. تویوتا پریوس و هوندا اینسایت از این باتری استفاده می کنند. بطور مثال باتری تویوتا پریوس با وزن حدود ۵/۵۲ کیلوگرم دارای ۲۸ماژول شامل ۱۲۸سلول می باشد که در مجموع ۶/۲۰۱ ولت تولید می کند.

۲ – لیتیوم_یون : باتری های لیتیوم_یونی در مقایسه با سایر مدل ها از وزن کمتری برخوردارند سرعت شارژ بالاتری دارند اما بایستی در دوره های ۲-۳ سال تعویض گردند و در طول دوره استفاده اگر زود به زود شارژ شوند، ظرفیت شان به تدریج کاهش می یابد. نیسان لیف، هوندا فیت ومیتسوبیشی i-Miev از این نوع باتری بهره می برند. این نوع باتری ها حالا متوداول ترین انواع در خودروهای تمام برقی هستند و پیشرفت تکنولوژی در این رده باعث شده تا شرکت های برقی ساز تا ۸ سال وارانتی برای این باتری ها بدهند. البته لازم به ذکر است که چرخه عمر باتری ها در خودروهای هیبرید کمتر خواهد بود.

۳ – سرب_اسید : قدیمی ترین باتری های قابل شارژ هستند. در مقایسه با باتری‌های لیتیومی و باتری‌های نیکل-هیدرید زودتر ظرفیت خود را از دست می‌دهند و بسیار سنگین‌تر هستند، اما نسبتاً ارزان قیمت تر و ایمن هستند. در این نوع باتری ها حدود ۵۰۰ چرخه شارژ و دشارژ دارند و عملکرد و شارژ باتری منجر به انتشار گازهای اکسیژن، هیدروژن و گوگرد می شود و چنانچه به درستی هواگیری نشود می تواند منجر به نشت این گازها به کابین شود. تویوتا راو۴ EV از این باطری استفاده می کند.

انواع دیگری از باتری ها از جمله باتری های خازنی الکتریکی ، کبالت اسید و آهن فسفات نیز در خودروها استفاده می شوند که نسبت به مدل های قبلی عمومیت کمتری دارد.

یکی از معایب باتری های هیبریدی عمر محدود آنهاست. اکثر باتری های دارای گارانتی ۱۲۰-۱۶۰ هزار کیلومتر یا ۸-۱۰ ساله هستند اما برخی از آنها زودتر از این زمان نیاز به تعویض پیدا می کنند. نکته دیگر اینکه طول عمر باتری و عملکرد آن به دمای کارکرد بستگی دارد و دمای بخیلی سرد و خیلی گرم باعث کاهش عمر باتری می شود. خوشبختانه فناوری هیبرید در حال پیشرفت بوده و روز به روز بر عمر باتری ها و عملکردشان افزوده می گردد.

حتما بخوانید : سیستم کنترل پایداری خودرو ESP چیست؟

نکات نگهداری خودروهای هیبرید

۱ – انتخاب رینگ و لاستیک مناسب : از آنجا که در خودروهای هیبرید از  سیستم بازیابی انرژی ترمز استفاده شده است بنابراین نوع رینگ و لاستیک انتخابی برای این خودروها می بایست طبق مدل توصیه شده شرکت سازنده باشد و تغییر سایز و نوع رینگ خودروهای هیبرید با نمونه های غیراستاندارد عملکرد سامانه ترمز گیری را مختل خواهد نمود.

۲ – لزوم رعایت نکات ایمنی در مواقع ضروری : به دلیل اینکه در این خودروها جریان برق  وجود دارد هرگونه رعایت نکرد نکات ایمنی در تعمیر و نگهداری آن می تواند خطر برق گرفتگی و آتش سوزی را به همراه داشته باشد. برای مثال چنانچه خودرو هیبرید خراب شود و نیاز به بکسل کردن پیدا کند، ضروری است چرخ های جلو که مجهز به سیستم بازیابی ترمز هستند از زمین فاصله داشته باشند در غیر این صورت و ایجاد اصطکاک بین چرخ و زمین باعث ایجاد حوادثی من جمله آتش سوزی خواهد شد. بهتر است از متخصصین این امر استفاده نمایید.

۳ – استفاده از روغن مناسب : خودروهای هیبرید از روغن های با چگالی و گرانروی پایین تر استفاده می کنند .ضروری است موقع تعویض روغن به این نکته توجه شود و از روغن مناسب خودروی هیبرید استفاده شود.

۴ – رانندگی به دور از هیجان : شتاب گیری های ناگهانی و رانندگی پرهیجان می تواند عمر مفید باتری ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد.

۵ – اطمینان از عملکرد سیستم خنک کننده : در این نوع خودروها به دلیل وجود موتور برقی و همچنین سیستم بازیابی انرژی ترمز که در آن انرژی الکتریک در باتری ذخیره می شود گرمای بسیار بیشتری در مقایسه با خودروهای معمولی تولید می شود و اطمینان از عملکرد سیستم های خنک کننده از خرابی های بیشتر این سیستم جلوگیری می کند.

۶ – خرید خودروی کارکرده : یکی از مهم ترین نکات در خرید خودروی کارکرده اطمینان از خراب نبودن و صحت کارکرد باتری های سیستم الکتریکی آن می باشد.درصورت خرابی باتری ها خریدار هزینه ای در حدود ۳۰۰۰ دلار محتمل خواهد شد.بهتر است قبل از خرید این خودروها به نمایندگی مجاز یا متخصص خودروهای هیبریدی مراجعه کنید.

نکات مثبت خودروی هیبرید

۱ – کاهش مصرف سوخت به دلیل استفاده از موتور بنزینی کم حجم و تامین بخشی از نیرو توسط موتور الکتریکی. ذکر این نکته نیز جالب توجه است که در خودروهای هیبریدی برعکس خودروهای درون سوز (بنزینی_گازوئیلی) مصرف سوخت شهری به دلیل استفاده بیشتر موتور برقی در سرعت های پایین به مراتب کمتر از مصرف جاده ای خودرو است.

۲ – کاهش آسیب به محیط زیست به دلیل تولید کمتر آلاینده ها و گازهای سمی

۳ – کمتر بودن استهلاک خودروی هیبرید در مقایسه با نمونه های بنزینی به دلیل پیشرانه درون سوز کوچک تر

۴ – فواصل تعویض روغن طولانی مدت تر در مقایسه با خودروی بنزینی

۵ – مصرف لنت ترمز کمتر به دلیل استفاده از سیستم بازیابی ترمز و جلوگیری و از هدر رفت انرژی

نکات منفی خودروی هیبرید

۱ – هزینه بالای تعویض باتری های سیستم الکتریکی

۲ – نبودن متخصص و تعمیرکار ماهر در و لزوم بازدید خودرو توسط متخصص این خودرو

۳ – نبودن جایگاه شارژ به تعداد کافی در سطح شهر ها در نمونه های پلاگین هیبرید

۴ – بازار دست دوم ضعیف تر نسبت به خودروی بنزینی به دلیل هزینه بالای تعویض باتری

۵ – محدودیت استفاده این خودروها در اقلیم های با آب و هوای بیش از حد سرد یا گرم به دلیل اختلال در عملکرد

۶ – قیمت بالاتر این خودروها نسبت به نمونه های بنزینی و گازوئیلی. البته این مورد بازار کشورمان به دلیل محدودیت واردات و مشکل تامین قطعات تقریبا برعکس است. گواه این موضوع می تواند اختلاف قیمت بین نمونه های توربو بنزینی و هیبرید در لکسوس NX باشد که نمونه هیبریدی قیمت پایین تری دارد و با تویوتا C-HR هیبرید که نسبت به نمونه توربوشارژ آن ارزان قیمت تر است.