چرا خودروهای هیبریدی در سرعت پایین برقی و در سرعت بالا بنزینی هستند؟

در شهر هیبرید با آرامش و سکوت با برق حرکت می‌کند، اما در بزرگراه در برابر مقاومت هوا با منطقه کارآمد موتور بنزینی پاسخ می‌دهد؛ تصمیم را نه راننده، بلکه رایانه در چند ثانیه می‌گیرد.
در شهر هیبرید با آرامش و سکوت با برق حرکت می‌کند، اما در بزرگراه در برابر مقاومت هوا با منطقه کارآمد موتور بنزینی پاسخ می‌دهد؛ تصمیم را نه راننده، بلکه رایانه در چند ثانیه می‌گیرد.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

خودروهای هیبریدی در سرعت پایین و تقاضای توان کم از موتور الکتریکی، و در سرعت بالا یا بار سنگین از موتور بنزینی استفاده می‌کنند؛ زیرا در سرعت‌های شهری محرکه الکتریکی کارآمدتر و بی‌صداتر است، در حالی که در سرعت‌های بزرگراهی، مقاومت هوا و نیاز به توان افزایش‌یافته با محدوده کارآمد موتور بنزینی مطابقت دارد. تصمیم تغییر وضعیت را رایانه خودرو به‌صورت آنی می‌گیرد و نیازی به دخالت راننده نیست. در ادامه این منطق تغییر وضعیت را لایه به لایه بررسی می‌کنیم.

نکات برجسته

  • حالت EV یک هیبریدی معمولی تنها در مسافت‌های کوتاه و تا سرعت حدود 40 کیلومتر بر ساعت با برق کار می‌کند.
  • هیبریدهای کامل معمولاً در مسافت‌های کوتاهی مانند 1.5 تا 3 کیلومتر می‌توانند کاملاً الکتریکی حرکت کنند.
  • در هیبریدهای پلاگین‌دار، برد الکتریکی معمولاً حدود 48 کیلومتر است؛ با پایان برد، خودرو مانند یک بنزینی معمولی رفتار می‌کند.
  • مدل‌های هیبریدی در بیشتر موارد در مقایسه با معادل‌های غیرهیبریدی خود بیش از 10 مایل بر گالن کارایی اضافی ارائه می‌دهند.
  • سیستم تقسیم توان تویوتا به لطف مجموعه دنده‌ای خود، انتقال بین برق و بنزین را تقریباً نامحسوس می‌کند.

تصمیم را چه کسی و بر اساس چه معیارهایی می‌گیرد؟

در یک مجموعه انتقال قدرت هیبریدی دو منبع توان وجود دارد: موتور احتراق داخلی و یک یا چند موتور الکتریکی. گیربکسی که این دو را به چرخ‌ها متصل می‌کند، توسط کنترل‌کننده قدرت الکترونیک مدیریت می‌شود. کنترل‌کننده با خواندن مستمر متغیرهایی مانند موقعیت پدال راننده، سرعت خودرو، وضعیت شارژ باتری و دمای موتور، تصمیم می‌گیرد کدام منبع چقدر توان تولید کند.

منطق در واقع بر یک معادله ساده کارایی استوار است. موتور الکتریکی گشتاور خود را در دورهای پایین فوراً و کامل ارائه می‌دهد؛ در ترافیک توقف و حرکت، این مزیت نسبت به موتور بنزینی‌ای که با تأخیر وارد مدار می‌شود، برتری دارد. موتور بنزینی اما در بارهای متوسط و سنگین و سرعت‌های پایدار، در کارآمدترین حالت خود است. به همین دلیل خودرو برای هر سرعت و تقاضای توان، از نظر ریاضی ارزان‌ترین مسیر انرژی را انتخاب می‌کند - یعنی ارزان‌ترین از نظر سوخت.

این سیستم یک مزیت ذاتی نیز دارد: به لطف توان اضافی که موتور الکتریکی فراهم می‌کند، موتور بنزینی می‌تواند در ابعاد کوچک‌تر انتخاب شود و باز هم افت عملکردی رخ ندهد. باتری همچنین با تغذیه بارهای کمکی مانند چراغ‌ها و کولر، کار بی‌بار موتور در لحظات توقف خودرو - یعنی مصرف درجا - را از بین می‌برد.

در شهر برق، در بزرگراه بنزین: چرا برعکس آن نیست؟

تعریف رانندگی شهری، ترافیک توقف و حرکت است: شتاب‌گیری‌های کوتاه، توقف‌ها در چراغ‌ها، سرعت متوسط پایین. این پروفایل، نقطه قوت موتور الکتریکی است. خودروی هیبریدی هنگام توقف در چراغ قرمز می‌تواند موتور بنزینی را کاملاً خاموش کند و تنها با باتری حرکت کند. در ترافیک آهسته، رانندگی کاملاً الکتریکی مصرف سوخت را به‌طور محسوسی کاهش می‌دهد. در ترمز نیز ترمز بازیاب فعال می‌شود: هنگام کند شدن خودرو، انرژی جنبشی چرخ‌های در حال چرخش از طریق ژنراتور به برق تبدیل شده و به باتری بازگردانده می‌شود. از آنجا که در ترافیک شهری پیوسته ترمز می‌کنید، این بازیابی نیز دائماً ادامه دارد.

در بزرگراه ماجرا فرق می کند. با افزایش سرعت، مقاومت هوا با مجذور سرعت رشد می کند و توان پیوسته لازم برای کشش چند برابر می شود. تغذیه باتری با این توان هم ناکارآمد است و هم شارژ را سریع خالی می کند. اما موتور بنزینی در این بار ثابت می تواند در محدوده حداکثر بازده خود کار کند. وقتی نیاز به شتاب گیری بالا پیش بیاید، سیستم اغلب هر دو را همزمان درگیر می کند: موتور بنزینی توان پایه را تامین می کند و موتور الکتریکی تقویت گشتاور موقتی انجام می دهد.

خلاصه اینکه تغییر حالت یک آستانه سرعت نیست، بلکه محاسبه توان و بازدهی است. حتی با سرعت یکسان، در سربالایی موتور بنزینی و در سرپایینی سیستم الکتریکی می تواند فعال شود؛ سیستم به سرعت نگاه نمی کند، بلکه به تقاضای گشتاور لحظه ای توجه دارد.

پس آیا بالای 80 کیلومتر بر ساعت حتما بنزینی است؟

نه. میان رانندگان این باور رایج وجود دارد که خودروهای هیبریدی از یک سرعت مشخص - مثال پرتکرار 80 کیلومتر بر ساعت - بالاتر بروند، از برقی به بنزینی تغییر حالت می دهند. این یک قاعده قطعی نیست. در واقع سیستم بر اساس تقاضای توان لحظه ای کار می کند: در بزرگراه با سرعتی ثابت و معتدل، رانندگی الکتریکی با موتور خاموش برای لحظات کوتاه ممکن است؛ اما در لحظات بار بالا مانند شتاب گیری یا سربالایی، موتور بنزینی وارد عمل می شود. تفسیر درست این است: سرعت به تنهایی تعیین کننده نیست، سرعت ضربدر تقاضای توان تعیین کننده است.

انواع هیبرید و تفاوت ها در رفتار تغییر حالت

همه هیبریدها به یک شکل کار نمی کنند. نحوه گذار سیستم از برق به بنزین، بسته به اندازه و معماری باتری، تفاوت های زیادی نشان می دهد.

نوعرانندگی الکتریکیرفتار تغییر حالت
هیبرید ملایم (Mild)ندارد، نمی توان صرفا با برق حرکت کردموتور بنزینی همیشه درگیر است؛ برق فقط در شتاب گیری گشتاور اضافی فراهم می کند
هیبرید کامل (Full)در مسافت کوتاه، معمولا 1.5 تا 3 کیلومتردر سرعت کم و حرکت توقف-حرکت، موتور کاملا خاموش می شود و با برق پیش می رود
هیبرید پلاگین (PHEV)حدود 48 کیلومتر برد الکتریکیپس از اتمام برد، به حالت بنزینی می رود و مانند یک بنزینی معمولی کار می کند

درباره هیبریدهای ملایم نمی توان از تغییر حالت سخن گفت؛ زیرا موتور احتراق داخلی هرگز کاملا از مدار خارج نمی شود. سیستم الکتریکی فقط کمک می کند و به شارژ خارجی نیازی ندارد. در هیبریدهای کامل اما بخش قابل توجهی از رانندگی شهری می تواند بی صدا سپری شود. هیبریدهای پلاگین در صورت شارژ منظم، بخش بزرگی از استفاده روزانه را با برق پوشش می دهند؛ و هنگام اتمام باتری، با گذاری روان به حالت بنزینی بازمی گردند. تفاوت اصلی میان هیبرید کامل و پلاگین همین است: اندازه، هزینه و هدف باتری.

سیستم های سری، موازی و تقسیم توان: سه راه برای یک تغییر حالت واحد

Şehirde sessizce elektrikle süzülen hibrit, otoyolda gücü benzinli motora bırakır; işin sırrı hız ve yüke göre an be an değişen güç dağıtımındadır.

برای درک اینکه این تغییر حالت چگونه احساس می شود، باید به معماری سیستم نگاه کرد. سه رویکرد اصلی وجود دارد.

در هیبرید سری، موتور بنزینی هرگز مستقیماً به چرخ‌ها متصل نیست؛ تنها ژنراتور را به کار می‌اندازد و خودرو به طور معمول با موتور الکتریکی تغذیه‌شده از باتری حرکت می‌کند. اما در هیبرید موازی، موتور و موتور الکتریکی می‌توانند مجموعه انتقال قدرت را با هم یا به صورت جداگانه بگردانند؛ سیستم کامپیوتری توزیع قدرت را به طور مداوم مدیریت می‌کند. سیستم تقسیم قدرت - یعنی سری-موازی - به معماری موازی یک مسیر قدرت دوم از موتور تا چرخ‌ها اضافه می‌کند و می‌تواند از دو منبع به صورت مستقل یا همزمان استفاده کند.

نمونه ملموس آن، یکی از شناخته‌شده‌ترین کاربردهای منطق تقسیم قدرت است: Toyota Hybrid Synergy Drive از یک مجموعه دنده تقسیم قدرت استفاده می‌کند که موتور بنزینی، ژنراتور و موتور الکتریکی را به یک واحد واحد متصل می‌کند. به این ترتیب خودرو می‌تواند تنها با بنزین، تنها با برق یا با هر دو کار کند؛ انرژی موتور در صورت نیاز به شارژ باتری یا در صورت نیاز به حرکت مستقیم هدایت می‌شود. برخی سیستم‌های مدرن نیز در سرعت‌های بالا و نسبت‌های دنده بالا مانند هیبرید موازی و در سرعت پایین مانند هیبرید سری رفتار می‌کنند و کارآمدترین معماری هر رژیم را انتخاب می‌کنند.

چرا تعویض حس نمی‌شود: پیش‌زمینه فنی تعویض بدون لرزش

مهم‌ترین پرسش رانندگان این است که آیا تعویض حس می‌شود یا نه. در یک هیبرید خوش‌طرح، لحظه تعویض تقریباً قابل درک نیست. دلیل اصلی این است که برخی گیربکس‌های هیبریدی کلاچ‌هایی که وارد و خارج شوند ندارند: مجموعه دنده تقسیم قدرت همواره متصل است و سیستم هنگام به کارگیری موتور بنزینی، با محاسبه مداوم، دور و گشتاور را برابر می‌کند. چون ضربه کلاچ یا افت دور وجود ندارد، راننده معمولاً فقط صدای ملایمی از موتور می‌شنود.

گیربکس e-CVT که به عنوان گیربکس پیوسته متغیر الکتریکی شناخته می‌شود، یکی از قطعاتی است که این تعادل را برقرار می‌کند. نباید با یک CVT کلاسیک اشتباه گرفته شود: یک گیربکس پیوسته متغیر واقعی نیست و نسبت‌های دنده را به جای تسمه، با اختلاف دور دو موتور-ژنراتور تنظیم می‌کند. چون گشتاور الکتریکی بلافاصله در دسترس است، پاسخ اولیه قوی است و اغلب نیازی به رسیدن موتور به دور بالا نیست. کار اصلی گیربکس هیبریدی نیز همین است: تعادل مجدد قدرت دو منبع قدرت در هر لحظه متناسب با شرایط رانندگی.

این بدان معنا نیست که در همه خودروها بی‌نقص است. در برخی مدل‌ها - به عنوان مثال در SUVهای هیبریدی کامپکت - خاموش و روشن شدن موتور به ویژه در لحظات موتور سرد و مصرف بالای باتری می‌تواند محسوس باشد. تفاوت بین خودروها ناشی از معماری دنده سیستم و کالیبراسیون نرم‌افزار است.

حالت EV چه زمانی مفید است و چه زمانی سوخت را هدر می‌دهد؟

در بیشتر هیبریدهای کامل، حالتی به نام EV وجود دارد که راننده می‌تواند به صورت دستی انتخاب کند. این حالت برای رانندگی کوتاه‌مدت تمام الکتریکی تا سرعت‌های حدود 40 کیلومتر بر ساعت طراحی شده است: سناریوهایی مانند خروج از پارکینگ، فضاهای بسته و عبورهای شبانه در محله‌هایی که سکوت و آلایندگی پایین مطلوب است. همچنین در سفرهای کوتاه و کم‌سرعت، صرفه‌جویی در سوخت را نیز فراهم می‌کند.

اما نمی‌توان گفت حالت EV از نظر اقتصادی همیشه برتر است. اصرار بر استفاده از حالت EV در زمانی که باتری در سطح پایینی قرار دارد، موتور بنزینی را برای شارژ باتری مدت طولانی‌تری روشن نگه می‌دارد و می‌تواند مصرف کل را افزایش دهد. برای کسانی که به دنبال حداکثر سوخت‌رسانی اقتصادی هستند، حالت Eco و رانندگی عادی با پدال گاز ملایم معمولاً انتخاب درست‌تری است؛ نگه داشتن حالت EV برای لحظاتی که رانش محلی صفر لازم است منطقی‌تر است. در بزرگراه، در هیچ حالتی بازدهی شهری به دست نمی‌آید: با افزایش سرعت، مقاومت هوا هم حالت برقی و هم حالت بنزینی را کم‌بازده می‌کند.

برای درک درست سیستم حالت‌های رانندگی، صفحه نمایش جریان انرژی در پشت آمپر نیز آموزنده است: تغییر جهت پیکان‌ها بین موتور، باتری و چرخ‌ها، شهودی‌ترین راه برای فهمیدن اینکه سیستم در آن لحظه از چه منبعی استفاده می‌کند است.

خلاصه: چگونه رفتار خودروی خود را بخوانیم؟

جابه‌جایی خودروی هیبریدی بین برق و بنزین یک نقص یا بلاتکلیفی نیست؛ این همان وظیفه اصلی سیستم است. خودرویی که در شهر بی‌صدا حرکت می‌کند، در بزرگراه به موتور بنزینی سوییچ می‌کند و خود را به کارآمدترین رژیم می‌رساند. محسوس بودن تغییر حالت به معماری بستگی دارد: سیستم‌های تقسیم توان با چرخ‌دنده‌های بدون کلاچ، تغییر حالت را پنهان می‌کنند، در حالی که در برخی سیستم‌های موازی ورود موتور شنیده می‌شود. هنگام تفسیر خودروی خود، سه پرسش را مطرح کنید: در چه سرعتی، در چه سطحی از تقاضای توان و در چه وضعیت شارژ باتری، تغییر حالت رخ می‌دهد. پاسخ‌ها از یک منطق سازگار بازدهی پیروی خواهند کرد - و هنگامی که آن منطق را یک بار درک کردید، هر سکوت و هر غرش زیر پدال معنایی پیدا می‌کند.

منابع