خودروی الکتریکی هیبریدی (Hybrid Electric Vehicle – HEV)

خودروی الکتریکی هیبریدی (Hybrid Electric Vehicle – HEV)، که به اختصار خودروی هیبریدی نامیده می‌شود، نوعی وسیله نقلیه است که برای تأمین نیروی مورد نیاز حرکت خود، به طور همزمان از دو یا چند منبع انرژی استفاده می‌کند. در متداول‌ترین شکل آن، خودروی هیبریدی ترکیبی از یک موتور احتراق داخلی (ICE) (معمولاً بنزینی) و یک یا چند موتور الکتریکی است. این ترکیب با هدف بهبود مصرف سوخت و کاهش میزان آلایندگی در مقایسه با خودروهای صرفاً با موتور احتراق داخلی طراحی شده است و به عنوان گامی در مسیر گذار به حمل‌ونقل تمام الکتریکی شناخته می‌شود.

اجزای اصلی یک خودروی هیبریدی (HEV)

یک خودروی هیبریدی از اجزای اصلی زیر در قوای محرکه خود بهره می‌برد:

1. موتور احتراق داخلی (ICE): معمولاً موتور بنزینی که می‌تواند به تنهایی، در کنار موتور الکتریکی، یا برای شارژ باتری هیبریدی (از طریق ژنراتور) عمل کند.
2. موتور الکتریکی: یک یا چند موتور الکتریکی که در شرایط خاص (مانند سرعت‌های پایین یا ترافیک) خودرو را به صورت تمام الکتریکی به حرکت درمی‌آورند، به موتور احتراق داخلی در شتاب‌گیری کمک می‌کنند، و در هنگام کاهش سرعت یا ترمزگیری به عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی را بازیابی می‌کنند (ترمز احیاکننده).
3. ژنراتور: دستگاهی که انرژی مکانیکی (تولید شده توسط موتور احتراق داخلی یا در اثر ترمز احیاکننده) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اغلب موتور الکتریکی اصلی نیز می‌تواند نقش ژنراتور را ایفا کند.
4. باتری هیبریدی (Hybrid Battery): یک پک باتری ولتاژ بالا (معمولاً از نوع نیکل متال هیدرید – NiMH یا لیتیوم یون – Li-ion) با ظرفیت نسبتاً کوچک‌تر از باتری خودروی برقی (EV Battery)، که انرژی الکتریکی مورد نیاز موتور الکتریکی و سیستم‌های جانبی را ذخیره می‌کند و انرژی بازیابی شده از ترمز احیاکننده را می‌پذیرد.
5. سیستم انتقال قدرت هیبریدی: یک سیستم پیچیده (مانند گیربکس‌های سیاره‌ای یا ترکیبی از موتورها و کلاچ‌ها) که نحوه انتقال قدرت از موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی به چرخ‌ها را مدیریت و هماهنگ می‌کند.
6. قطعات الکترونیک قدرت: شامل اینورترها و مبدل‌ها برای کنترل و مدیریت جریان توان بین باتری، موتورها، ژنراتور و موتور احتراق داخلی.

نحوه کارکرد خودروهای هیبریدی (HEV) – حالت‌های عملیاتی

خودروهای هیبریدی می‌توانند در حالت‌های مختلفی عمل کنند تا راندمان انرژی را بهینه سازند:

• رانندگی تمام الکتریکی (EV Mode): در سرعت‌های پایین یا هنگام رانندگی با بار کم (مانند حرکت در ترافیک یا پارک کردن)، خودرو می‌تواند صرفاً با استفاده از موتور الکتریکی و انرژی باتری هیبریدی حرکت کند و موتور احتراق داخلی خاموش می‌ماند. برد پیمایش تمام الکتریکی در هیبریدی‌های استاندارد (HEV) معمولاً بسیار محدود است (تنها چند کیلومتر).
• رانندگی صرفاً با موتور احتراق داخلی: در سرعت‌های بالاتر یا هنگام نیاز به توان ثابت (مانند حرکت در بزرگراه)، موتور احتراق داخلی می‌تواند به تنهایی خودرو را به حرکت درآورد.
• ترکیب قدرت (Hybrid Assist / Boost): در هنگام شتاب‌گیری قوی یا نیاز به توان حداکثر (مانند رانندگی در سربالایی)، هر دو موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی با هم کار می‌کنند تا حداکثر نیروی ممکن را فراهم کنند.
• شارژ باتری: باتری هیبریدی از دو طریق شارژ می‌شود:
  • ترمز احیاکننده: هنگام کاهش سرعت یا ترمزگیری، موتور الکتریکی در نقش ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل و در باتری ذخیره می‌کند.
  • موتور احتراق داخلی: در برخی شرایط، موتور احتراق داخلی می‌تواند بخشی از توان خود را صرف چرخاندن ژنراتور برای شارژ باتری کند.

انواع سیستم‌های هیبریدی (پیکربندی‌ها)

خودروهای هیبریدی را می‌توان بر اساس نحوه ترکیب و اتصال موتورها و سیستم انتقال قدرت به سه دسته اصلی تقسیم کرد (که اغلب همگی در دسته “فول هیبرید” قرار می‌گیرند اگر قابلیت رانندگی تمام الکتریکی داشته باشند):

• هیبریدی سری (Series Hybrid): در این پیکربندی، موتور احتراق داخلی مستقیماً به چرخ‌ها متصل نیست و صرفاً برای چرخاندن یک ژنراتور جهت تولید برق استفاده می‌شود. موتور الکتریکی همواره وظیفه به حرکت درآوردن چرخ‌ها را بر عهده دارد.
• هیبریدی موازی (Parallel Hybrid): هم موتور احتراق داخلی و هم موتور الکتریکی می‌توانند به طور مکانیکی به چرخ‌ها متصل شده و به تنهایی یا با هم خودرو را به حرکت درآورند.
• هیبریدی سری-موازی یا ترکیبی (Series-Parallel / Combined Hybrid): از یک دستگاه تقسیم‌کننده قدرت (مانند مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای) استفاده می‌کند تا امکان ترکیب و تقسیم توان موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی را فراهم کند و بتواند در حالت‌های مختلف سری، موازی و تمام الکتریکی عمل کند. این پیکربندی در بسیاری از خودروهای هیبریدی محبوب مانند تویوتا پریوس استفاده می‌شود.

هیبریدی‌های ملایم و میکرو (Mild and Micro Hybrids): این خودروها نیز از اجزای الکتریکی بهره می‌برند اما قابلیت رانندگی تمام الکتریکی مستقل را ندارند یا بسیار محدود است. سیستم الکتریکی آن‌ها عمدتاً برای کمک به موتور احتراق داخلی در شتاب‌گیری‌های اولیه، بهبود عملکرد سیستم Start/Stop و افزایش کارایی ترمز احیاکننده به کار می‌رود و معمولاً با باتری‌های کوچک‌تر و سیستم‌های ولتاژ پایین‌تر (مانند ۴۸ ولت) کار می‌کنند. این‌ها اغلب “هیبریدی کامل” در نظر گرفته نمی‌شوند.

تفاوت با خودروهای برقی باتری‌دار (BEV) و هیبریدی‌های پلاگین (PHEV)

مهم است که خودروهای هیبریدی (HEV) استاندارد را با خودروهای برقی باتری‌دار (BEV) و هیبریدی‌های پلاگین (PHEV) اشتباه نگیریم:

• در مقابل BEV: هیبریدی‌ها دارای موتور احتراق داخلی هستند و از سوخت بنزین استفاده می‌کنند، در حالی که BEVها صرفاً با انرژی الکتریکی باتری کار می‌کنند و فاقد موتور احتراق داخلی هستند. BEVها باتری‌های بسیار بزرگ‌تر و برد پیمایش تمام الکتریکی قابل توجهی دارند.
• در مقابل PHEV: هیبریدی‌های پلاگین (PHEVs) نیز نوعی خودروی هیبریدی هستند، اما دارای باتری بزرگ‌تر از HEVها بوده و می‌توانند باتری خود را از طریق اتصال به شبکه برق (شارژ پلاگین) نیز شارژ کنند. این قابلیت به آن‌ها امکان می‌دهد مسافت قابل توجهی را به صورت تمام الکتریکی طی کنند (معمولاً ده‌ها کیلومتر)، در حالی که HEVها را نمی‌توان از شبکه برق برای شارژ باتری اصلی متصل کرد و باتری آن‌ها فقط توسط موتور احتراق داخلی یا ترمز احیاکننده شارژ می‌شود.

مزایای خودروهای هیبریدی (HEV)

• بهبود مصرف سوخت و کاهش آلایندگی: در مقایسه با خودروهای بنزینی مشابه، به‌خصوص در رانندگی شهری با توقف و حرکت مکرر، هیبریدی‌ها مصرف سوخت کمتری داشته و میزان آلایندگی پایین‌تری تولید می‌کنند.
• عدم نگرانی از برد پیمایش (Range Anxiety): به دلیل داشتن موتور احتراق داخلی، مالکان هیبریدی‌ها نگرانی از تمام شدن شارژ باتری و نیاز به یافتن ایستگاه شارژ خودروی برقی را ندارند و می‌توانند در هر پمپ بنزینی سوخت‌گیری کنند.
• فناوری جاافتاده: سیستم‌های هیبریدی در حال حاضر فناوری‌های نسبتاً پخته و قابل اعتمادی محسوب می‌شوند.

محدودیت‌های خودروهای هیبریدی (HEV)

• پیچیدگی بیشتر: قوای محرکه هیبریدی به دلیل ترکیب دو سیستم (احتراق داخلی و الکتریکی) از خودروهای صرفاً بنباین بسیار پیچیده‌تر است.
• نیاز به سوخت فسیلی: هیبریدی‌ها همچنان به سوخت بنزین وابسته بوده و در هنگام کارکرد موتور احتراق داخلی، آلایندگی تولید می‌کنند.
• برد پیمایش تمام الکتریکی محدود: قابلیت رانندگی صرفاً با برق در هیبریدی‌های استاندارد بسیار محدود است.

خودروهای هیبریدی در بازار ایران

خودروهای الکتریکی هیبریدی (HEV) سال‌هاست که در بازار خودروی ایران حضور دارند و به عنوان جایگزینی با مصرف سوخت کمتر و میزان آلایندگی پایین‌تر نسبت به خودروهای بنزینی سنتی شناخته شده‌اند. مدل‌های محبوبی مانند تویوتا پریوس، تویوتا کمری هیبرید، لکسوس سری NX و RX هیبرید، و هیوندای سوناتا هیبرید از جمله خودروهای هیبریدی وارداتی به ایران هستند. این خودروها به دلیل کاهش هزینه سوخت در استفاده روزمره مورد توجه قرار گرفته‌اند. شناخت انواع سیستم‌های هیبریدی (سری، موازی، سری-موازی) و نوع باتری هیبریدی مورد استفاده در آن‌ها (NiMH در مدل‌های قدیمی‌تر در مقابل Li-ion در مدل‌های جدیدتر) برای مالکان و تکنسین‌های فعال در بازار ایران برای درک عملکرد، نگهداری و تعمیرات این خودروها ضروری است.

نتیجه‌گیری

خودروی الکتریکی هیبریدی (HEV) با ترکیب موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی، راهکاری برای بهبود مصرف سوخت و کاهش میزان آلایندگی در مقایسه با خودروهای بنزینی صرفاً است. این خودروها با استفاده از باتری هیبریدی کوچک‌تر و قابلیت ترمز احیاکننده، راندمان انرژی را به خصوص در رانندگی شهری افزایش می‌دهند، اما فاقد قابلیت شارژ پلاگین و برد پیمایش تمام الکتریکی قابل توجه هستند. هیبریدی‌ها به عنوان یک فناوری میانی در مسیر گذار به خودروهای تمام برقی شناخته می‌شوند و در بازار خودروی ایران نیز به دلیل مزایای اقتصادی در مصرف سوخت مورد استقبال قرار گرفته‌اند.