نحوه عملکرد خودروهای هیبریدی از گذشته تا امروز

خودروهای هیبریدی چگونه کار می‌کنند و چرا آینده حمل و نقل هستند

تکنولوژی به‌کاررفته در خودروهای هیبریدی معمولا تلفیقی از موتور احتراق داخلی متداول، باتری و موتور الکتریکی است. این فناوری، کاهش انتشار گازهای آلاینده از اگزوز خودروها، افزایش توان و بهبود عملکرد خودرو و همچنین کاهش مصرف سوخت را به همراه دارد. خودروهای هیبریدی برخلاف خودروهای تمام الکتریکی، هرگز نیازی به اتصال مستقیم به برق ندارند و همین انعطاف‌پذیری ذاتی، آن‌ها را برای ناوگان حمل‌ونقل عمومی، خودروهای تجاری و همچنین استفاده‌های شخصی، به گزینه‌ای مناسب تبدیل کرده است.

خودروهای هیبریدی می‌توانند سرعت و مسافت بیشتری نسبت به خودروهای درون‌سوز طی کنند، زیرا شارژ باتری آن‌ها هرگز به‌طور کامل به پایان نمی‌رسد و بازدهی این خودروها در سطح بالایی قرار دارد. از سوی دیگر، در مقایسه با موتورهای درون‌سوز، میزان انتشار گازهای آلاینده در این خودروها کمتر است و به همین دلیل بسیاری از خودروسازان از سال ۱۹۹۹ تولید انبوه خودروهای هیبریدی را آغاز کرده‌اند. در این مطلب، به تشریح مکانیزم عملکرد خودروهای هیبریدی پرداخته می‌شود.

تاریخچه خودروی هیبریدی

در سال ۱۷۶۹، یک مهندس فرانسوی به نام نیکولاس کوگنو (Nicholas Cugnot) گاری موتوری‌ای با نیروی بخار ساخت که قادر بود با سرعت ۱۰ کیلومتر در ساعت حرکت کند. در سال ۱۸۲۵، مخترع بریتانیایی، گلدزورثی گرنی (Goldsworthy Gurney)، موفق به ساخت خودرویی با موتور بخار شد که توانست در مدت ده ساعت، مسافت ۱۳۶ کیلومتر را طی کند.

موتورهای بخار در قرن نوزدهم، دیدگاه مهندسان و مخترعان را برای طراحی خودروهای هیبریدی اولیه گسترش دادند و نقطه عطفی در مسیر اختراع موتورهای درون‌سوز و الکتریکی به شمار می‌روند. در سال ۱۸۳۹، رابرت اندرسن (Robert Anderson) از شهر آبردین اسکاتلند، نخستین موتور برقی جهان را ساخت. این اختراع باعث شد در سال ۱۸۷۰، مهندس بریتانیایی سر دیوید سالومون (Sir David Salomon) این طرح را توسعه داده و یک خودروی برقی سبک طراحی کند که از باتری‌هایی با ظرفیت بالا بهره می‌برد. با این حال، سرعت و برد حرکتی این خودرو بسیار محدود بود.

در سال ۱۸۸۶، یک خودروی تاکسی مجهز به موتور الکتریکی کوچک و باتری شامل ۲۸ پیل الکتریکی در انگلستان معرفی شد. دو سال بعد، یعنی در سال ۱۸۸۸، یک مهندس آلمانی به نام ایمیش (Immisch) به همراه شرکای تجاری خود، خودرویی چهارسرنشین برای سلطان امپراتوری عثمانی ساخت که قدرت یک اسب‌بخار خود را از باتری‌ای با ۲۴ پیل الکتریکی تامین می‌کرد. در همان سال، در شهر برایتون انگلستان، مهندسی به نام مگنوس فولک (Magnus Volk) یک خودروی سه‌چرخه برقی طراحی کرد.

سال‌های ۱۸۹۰ تا ۱۹۱۰ به عنوان دوره پیشرفت فناوری باتری شناخته می‌شوند؛ چرا که در این بازه زمانی، باتری مدرن سربی-اسیدی توسط اچ. تودور (H. Tudor) توسعه یافت و باتری آهن-نیکل نیز توسط توماس ادیسون (Thomas Edison) و یونگر (Junger) اختراع شد. در سال ۱۸۹۷، شرکت تاکسی الکتریکی لندن خدمات حمل‌ونقل خود را با استفاده از خودروهایی مجهز به موتور برقی با قدرت ۳ اسب‌بخار و باتری‌هایی شامل ۴۰ پیل الکتریکی آغاز کرد. این خودروها که توسط والتر برزی (Walter Bersey) طراحی شده بودند، می‌توانستند بین دو شارژ، مسافت ۸۰ کیلومتر را طی کنند.

در همین سال، کارخانه پاپ (Pope) در ایالت کانکتیکات آمریکا، حدود ۵۰۰ خودروی برقی را در بازه‌ای بیش از دو سال تولید کرد. دکتر فردیناند پورشه (Dr. Ferdinand Porsche) از اتریش نیز در سال ۱۸۹۸ و در سن ۲۳ سالگی، نخستین خودروی خود را ساخت. او اولین خودروی برقی خود را با نام لوهنر (Lohner) طراحی کرد که به‌عنوان نخستین خودروی محور جلو در جهان شناخته می‌شود. دومین خودروی تولیدی پورشه، یک خودروی هیبریدی بود که در آن از موتور احتراق داخلی برای چرخاندن ژنراتور استفاده می‌شد و این ژنراتور، انرژی دو موتور الکتریکی نصب‌شده روی پلوس چرخ‌ها را تامین می‌کرد. این خودرو تنها با استفاده از انرژی باتری قادر بود مسافت ۶۴ کیلومتر را طی کند.

در همان سال، شرکت واگن و کالسکه برقی در شهر نیویورک، ناوگانی شامل ۱۲ دستگاه تاکسی برقی را به کار گرفت. کارخانه پاپ نیز با دو شرکت کوچک‌تر تولید خودروهای برقی ادغام شد و با سرمایه‌ای معادل ۲۰۰ میلیون دلار، یکی از نخستین فعالیت‌های بزرگ صنعت خودروسازی آمریکا را شکل داد. این شرکت در همان سال، دو طرح خودروی هیبریدی را در نمایشگاه پاریس به نمایش گذاشت.

در سال ۱۹۰۰، خودروسازان آمریکایی مجموعا ۱۶۸۱ خودروی بخار، ۱۵۷۵ خودروی برقی و ۹۳۶ خودروی بنزینی تولید کردند. در نخستین نمایشگاه ملی خودروی نیویورک، مشتریان در اولویت اول خود خودروهای الکتریکی را انتخاب کردند و خودروهای بخار در رتبه بعدی قرار گرفتند.

در سال‌های ابتدایی قرن بیستم، هزاران خودروی برقی و هیبریدی در سراسر جهان تولید شد. در سال ۱۹۰۳، شرکت کریگر (Krieger) خودرویی ساخت که در آن از موتور بنزینی برای تامین برق مجموعه باتری استفاده می‌شد. خط تولید هنری فورد (Henry Ford) نیز تا سال ۱۹۲۰، تعداد قابل توجهی خودروی هیبریدی تولید کرد.

در سال ۱۹۰۰، خودروساز بلژیکی پیپر (Pieper) یک خودروی کوچک با موتور بنزینی ۳.۵ اسب‌بخاری معرفی کرد که این موتور به یک موتور الکتریکی در زیر صندلی متصل بود. در حرکت روی سطوح صاف، موتور الکتریکی مانند ژنراتور عمل کرده و باتری‌ها را شارژ می‌کرد، اما هنگام عبور از سربالایی، موتور الکتریکی به صورت هم‌محور با موتور بنزینی وارد مدار می‌شد و توان خودرو را افزایش می‌داد. این فناوری بعدها توسط شرکت اتومیکسته (Auto Mixte) برای ساخت خودروهای تجاری به کار گرفته شد و بین سال‌های ۱۹۰۶ تا ۱۹۱۲ مورد استفاده قرار گرفت.

در ۲۳ نوامبر ۱۹۰۵، یک مهندس آمریکایی به نام اچ. پایپر (H. Piper) خودرویی هیبریدی ساخت که قادر بود در مدت ده ثانیه به سرعت ۴۰ کیلومتر در ساعت برسد. در سال ۱۹۱۰، یک شرکت تجاری کامیون هیبریدی‌ای تولید کرد که در آن با حذف گیربکس و باتری، از موتور چهار سیلندر بنزینی برای تقویت یک ژنراتور استفاده می‌شد. تولید این خودرو تا سال ۱۹۱۸ در فیلادلفیا ادامه داشت.

با اختراع سیستم استارت برقی در سال ۱۹۱۳ و حذف استارت هندلی، استفاده از موتورهای بنزینی آسان‌تر شد و به‌تدریج خودروهای بخار و الکتریکی به حاشیه رفتند. در این سال، فروش خودروهای برقی به حدود ۶۰۰۰ دستگاه کاهش یافت، در حالی که شرکت فورد تنها از مدل T بنزینی خود، ۱۸۲ هزار دستگاه فروش داشت.

در سال ۱۹۱۶، دو شرکت بزرگ تولیدکننده خودروهای برقی در آمریکا، یعنی بیکر (Baker) از کلیولند و وودز (Woods) از شیکاگو، خودروهای هیبریدی خود را به بازار عرضه کردند. فاصله سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۶۵ به دوره پنهان تولید خودروهای هیبریدی شهرت دارد؛ دوره‌ای که بیشتر خودروسازان بر تولید انبوه خودروهای بنزینی تمرکز داشتند و خودروهای هیبریدی تنها به‌عنوان گزینه‌های جایگزین و در مقیاس محدود ساخته می‌شدند، تا این که در سال ۱۹۶۶ کنگره آمریکا رسما اعلام کرد تولید خودروهای برقی می‌تواند نقش مهمی در کاهش آلودگی هوا داشته باشد.

در فاصله سال‌های ۱۹۶۸ تا ۱۹۷۱، سه دانشمند علوم مکانیک و خودرو به نام‌های دکتر باروک برمن (Baruch Berman)، دکتر جرج گلب (George Gelb) و دکتر نیل ریچاردسون (Neal Richardson) که در شرکت TRW فعالیت می‌کردند، یک سیستم قوای محرکه هیبریدی طراحی کردند. آن‌ها سیستم انتقال قدرت الکترومکانیکی (EMT) را توسعه داده و آن را ثبت اختراع کردند. این سیستم در کنار یک موتور احتراق داخلی کوچک‌تر، عملکرد بهتری نسبت به نمونه‌های متداول ارائه می‌داد و بسیاری از مفاهیم مهندسی آن، امروزه نیز در خودروهای هیبریدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پس از اعلام کنگره آمریکا و بروز بحران نفتی دهه ۱۹۷۰، بار دیگر خودروهای برقی و هیبریدی مورد توجه قرار گرفتند، اما تا دهه ۱۹۹۰ پیگیری جدی در این حوزه صورت نگرفت. در سال ۱۹۶۹، یک خودروی آزمایشگاهی هیبریدی با نام GM512 ساخته شد که تا سرعت ۱۶ کیلومتر در ساعت از موتور الکتریکی استفاده می‌کرد، در بازه ۱۶ تا ۲۱ کیلومتر در ساعت به‌صورت ترکیبی از باتری و موتور دو سیلندر بهره می‌برد و در سرعت‌های بالاتر از ۲۱ کیلومتر در ساعت، تنها با موتور بنزینی حرکت می‌کرد.

در سال 1974 دو مهندس عضو سازمان فدرال خودروهای پاک به نام‌های ویکتور ووک (Victor Wouk) و چارلی روزن (Charlie Rosen) با استفاده از بدنه یک بیوک اسکای‌لارک (Buick Skylark)، طرح اولیه یک خودروی هیبریدی بنزینی-برقی را تولید کردند که مورد آزمایش سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا قرار گرفت و در این آزمایش مورد تایید واقع شد. در همان سال، شرکت تویوتا نیز نخستین خودروی هیبریدی خود را ساخت که یک خودروی اسپرت کوچک بود. در این خودرو، یک ژنراتور توربین گازی جریان موتور الکتریکی را تامین می‌کرد.

در فاصله سال‌های 1977 تا 1979، شرکت جنرال موتورز برای تحقیق و توسعه خودروهای الکتریکی بیش از بیست میلیون دلار هزینه کرد و اعلام نمود که خودروهای الکتریکی تا اواسط دهه 80 میلادی وارد خط تولید انبوه خواهند شد. در سال 1979، مهندسی به نام دیو آرتورز (Dave Arthurs) از ایالت آرکانزاس، با صرف 1500 دلار و استفاده از یک موتور ماشین چمن‌زنی شش اسب‌بخاری، یک موتور الکتریکی 400 آمپری و مجموعه‌ای از باتری‌های شش ولتی، خودروی اپل GT استاندارد خود را به یک خودروی هیبریدی تبدیل کرد. این خودرو در هر صد کیلومتر تنها 3.4 لیتر بنزین مصرف می‌کرد.

در سال 1980، کمپانی بریگز و استراتون (Briggs & Stratton)، سازنده موتورهای ماشین چمن‌زنی، یک خودروی هیبریدی تولید کرد که به وسیله یک موتور بنزینی دو سیلندر چهار زمانه با قدرت 16 اسب‌بخار و یک موتور الکتریکی با قدرت 26 اسب‌بخار تقویت می‌شد. این قوای محرکه هیبریدی برای تامین نیروی حرکتی یک خودروی دو در با شش چرخ طراحی شده بود که دو چرخ در جلو و چهار چرخ در عقب قرار داشتند.

شرکت آئودی در سال 1989 نخستین نسل از خودروی هیبریدی خود با نام Audi Duo را معرفی کرد که بر پایه آئودی 100 کواترو ساخته شده بود. در سال 1993، شرکت تویوتا مدیرعامل خود، مهندس ایجی تویودا (Eiji Toyoda)، را مسئول پروژه‌ای محرمانه با نام G21 کرد که هدف آن طراحی و ساخت یک خودروی جهانی برای قرن بیست و یکم بود.

در سال 1999، مجموعه‌ای از خودروهای تمام الکتریکی خودروسازان بزرگ در ایالت کالیفرنیا معرفی شدند؛ از جمله خودروی EV Plus از هوندا، وانت الکتریکی S-10 از جنرال موتورز، وانت Ranger از فورد و خودروی RAV4 EV از شرکت تویوتا. این خودروها پس از آزمایش توسط حدود صد راننده، مورد تایید قرار نگرفتند و در نتیجه، طی کمتر از دو سال تمامی برنامه‌های ساخت خودروهای تمام الکتریکی با شکست مواجه شد.

پس از این ناکامی، شرکت هوندا در سال 2000 خودروی دو در هوندا Insight را معرفی کرد که نخستین خودروی هیبریدی موفق در بازار آمریکا به شمار می‌رفت. در سال 2002 نیز هوندا با معرفی هوندا سیویک هیبریدی، دومین خودروی هیبریدی بنزینی-الکتریکی تجاری خود را روانه بازار آمریکا کرد که در مقایسه با نسخه بنزینی سیویک، عملکرد و سواری بهتری داشت. در سال 2004، تویوتا پریوس موفق شد دو جایزه «بهترین خودروی سال» را از مجله Motor Trend و نمایشگاه خودروی آمریکای شمالی دریافت کند.

امروزه فناوری ساخت خودروهای هیبریدی مورد توجه شرکت‌های بزرگ خودروسازی جهان قرار گرفته است. از جمله این شرکت‌ها می‌توان به تویوتا، هوندا، میتسوبیشی، فورد، فیات، جنرال موتورز، دایملر-کرایسلر، نیسان و پژو اشاره کرد. موفقیت این خودروها در بازار به اندازه‌ای چشمگیر بوده که تنها در بازه زمانی دسامبر 1997 تا ابتدای سال 2000، بیش از چهل هزار دستگاه تویوتا پریوس به فروش رسید.

در فاصله سال‌های 2004 تا 2011، به دلایلی مانند افزایش آلودگی هوا در شهرهای بزرگ و رشد قیمت سوخت، بیشتر خودروسازان مطرح جهان، تمرکز اصلی تحقیقات و پروژه‌های توسعه‌ای خود را بر مدل‌های هیبریدی و برقی قرار دادند. شرکت‌هایی مانند فولکس‌واگن، تویوتا، هوندا، مزدا، آئودی، مرسدس‌بنز و بی‌ام‌و در تولیدات جدید خود مدل‌های هیبریدی و الکتریکی را عرضه کردند. از سال 2020 به بعد نیز پروژه‌های گسترده‌ای از سوی خودروسازان بزرگ برای توسعه خودروهای هیبریدی و الکتریکی معرفی شده است. جنرال موتورز، بی‌ام‌و، مرسدس‌بنز و تویوتا اعلام کرده‌اند که در بازه زمانی 2030 تا 2035 تولید خودروهای مجهز به موتور احتراق داخلی را متوقف خواهند کرد و تمامی محصولات آن‌ها الکتریکی خواهند بود.

عملکرد خودروهای هیبریدی

خودروهای هیبریدی از دو منبع انرژی شامل یک واحد تبدیل انرژی مانند موتور احتراق داخلی یا پیل سوختی و یک سامانه ذخیره انرژی مانند باتری یا فراخازن نیرو می‌گیرند. واحد تبدیل انرژی امکان استفاده از سوخت‌هایی مانند بنزین، گازوییل، متانول، گاز طبیعی فشرده، هیدروژن یا سایر سوخت‌های جایگزین را دارد. این خودروها توانایی دستیابی به راندمانی دو تا سه برابر بیشتر نسبت به خودروهای متداول را دارند.

خودروهای هیبریدی می‌توانند دارای طراحی موازی، طراحی سری یا ترکیبی از هر دو باشند. در سیستم طراحی موازی، واحد تبدیل انرژی و سیستم محرکه الکتریکی به صورت مستقیم به چرخ‌ها متصل هستند. موتور اصلی در رانندگی‌های بزرگراهی فعال است و موتور الکتریکی هنگام عبور از سربالایی‌ها یا نیاز به توان بیشتر، نیروی کمکی را تامین می‌کند. در طراحی سری، موتور احتراق داخلی به یک ژنراتور متصل است که برق تولیدی آن باتری را شارژ کرده و موتور الکتریکی، نیروی حرکتی چرخ‌ها را فراهم می‌سازد. برخلاف خودروهای الکتریکی، خودروهای هیبریدی نیازی به اتصال به برق شهری ندارند و باتری آن‌ها از طریق ژنراتور یا سیستم بازیابی انرژی ترمز شارژ می‌شود.

اجزای خودروهای هیبریدی

خودروهای هیبریدی ترکیبی بهینه از اجزای مختلف هستند که شامل کنترل‌کننده‌ها و موتورهای الکتریکی، سامانه‌های ذخیره انرژی الکتریکی مانند باتری و فراخازن، واحد تبدیل انرژی یا توان هیبریدی شامل موتورهای احتراق جرقه‌ای، موتورهای انژکتوری مستقیم با احتراق تراکمی (دیزل)، توربین‌های گازی و پیل‌های سوختی، سامانه‌های سوخت‌رسانی و جعبه دنده می‌شود. با پیشرفت فناوری، الزامات دیگری نیز به طراحی خودروهای هیبریدی اضافه شده که از جمله آن‌ها می‌توان به سیستم کنترل گازهای خروجی، مدیریت انرژی، مدیریت حرارتی اجزا، کاهش وزن بدنه و شاسی، بهبود آیرودینامیک بدنه و لاستیک‌ها و کاهش بار تجهیزات جانبی اشاره کرد.

کنترل‌کننده‌ها و موتورهای هیبریدی

موتورها نقش اصلی را در سامانه خودروهای هیبریدی ایفا می‌کنند. موتور الکتریکی انرژی الکتریکی ذخیره‌شده را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و چرخ‌ها را به حرکت درمی‌آورد. برخلاف خودروهای معمولی که برای دستیابی به گشتاور بالا نیاز به افزایش دور موتور دارند، موتور الکتریکی قادر است گشتاور کامل را در سرعت‌های پایین نیز فراهم کند. این ویژگی، شتاب‌گیری مناسب و پاسخ‌دهی سریع خودرو را به همراه دارد. از مهم‌ترین ویژگی‌های موتورهای هیبریدی می‌توان به صدای کم، راندمان بالا، کنترل‌پذیری مناسب و قیمت قابل قبول در تولید انبوه اشاره کرد.

باتری خودروهای هیبریدی

باتری یکی از اجزای حیاتی خودروهای هیبریدی محسوب می‌شود. اگرچه برخی خودروهای هیبریدی به باتری‌های پیشرفته مجهز شده‌اند، اما هنوز هیچ نوع باتری، ترکیب کاملا اقتصادی و ایده‌آلی از توان، راندمان انرژی و طول عمر برای تولید انبوه ارائه نکرده است. ویژگی‌های مطلوب باتری‌های مناسب خودروهای هیبریدی شامل توان مخصوص بالا، انرژی مخصوص بالا، قابلیت پذیرش شارژ بالا برای استفاده موثر از ترمز احیاکننده و طول عمر زیاد است.

پیل‌های سوختی خودروهای هیبریدی

پیل سوختی از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی، هیدروژن را با اکسیژن موجود در هوا ترکیب کرده و برق تولید می‌کند. هیدروژن خالص یا سوخت‌های فسیلی اصلاح‌شده می‌توانند برای تولید این گاز مورد استفاده قرار گیرند که متانول یکی از گزینه‌های رایج است. تنها خروجی پیل سوختی بخار آب است و به همین دلیل، یکی از پاک‌ترین واحدهای توان هیبریدی به شمار می‌رود. راندمان بالا، صدای کم و قابلیت اطمینان مناسب باعث شده است که پیل‌های سوختی در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی بنزینی با راندمان 20 تا 25 درصد، عملکرد بهتری داشته باشند.

فراخازن‌های خودروهای هیبریدی

فراخازن‌ها در مقایسه با باتری‌ها دارای توان مخصوص بالاتری هستند و به عنوان نوع پیشرفته‌ای از خازن‌های الکترولیتی شناخته می‌شوند که انرژی را به صورت بار الکتریکی ساکن ذخیره می‌کنند. این سامانه‌ها نقش مهمی در افزایش توان موتور هنگام شتاب‌گیری و عبور از سربالایی دارند و مکمل سیستم بازیابی انرژی ترمز محسوب می‌شوند. فراخازن‌ها برای تامین توان لحظه‌ای و کاهش فشار روی باتری‌های شیمیایی بسیار موثر هستند.

آلودگی کمتر و راندمان بالاتر

میزان آلایندگی خودروهای هیبریدی به نوع خودرو و اندازه اجزای آن بستگی دارد، اما به طور کلی این خودروها آلایندگی کمتری نسبت به خودروهای معمولی دارند. حضور موتور الکتریکی در کنار موتور احتراق داخلی باعث کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش گازهای خروجی می‌شود. همچنین امکان حرکت خودرو تنها با موتور الکتریکی در برخی شرایط، نقش موثری در کاهش آلودگی هوا دارد.

مقایسه عملکرد خودروهای برقی و هیبریدی

اگرچه خودروهای برقی به عنوان راهکاری برای کاهش آلودگی هوا معرفی شدند، اما به دلیل محدودیت در پیمایش‌های طولانی، نتوانستند موفقیت پایداری در بازار به دست آورند. در مقابل، خودروهای هیبریدی با بهره‌گیری از دو منبع انرژی، ضمن کاهش مصرف سوخت و آلایندگی، محدودیت‌های خودروهای برقی را نیز برطرف کرده‌اند. به همین دلیل، خودروهای هیبریدی مزیت عملیاتی بیشتری نسبت به خودروهای تمام برقی دارند. خودروهایی مانند تویوتا پریوس، هوندا اینسایت، فورد فیوژن، فورد سی‌مکس هیبرید و آئودی A8 هیبرید از موفق‌ترین نمونه‌های این کلاس در بازار جهانی محسوب می‌شوند.