هیبرید موازی (Parallel Hybrid) یکی از پیکربندی‌های اصلی در فناوری خودروهای هیبریدی (Hybrid Electric Vehicles – HEVs) و هیبریدهای پلاگین (PHEVs) است. در این نوع سیستم هیبریدی، هم موتور احتراق داخلی (ICE) و هم موتور الکتریکی به گونه‌ای به سیستم انتقال قدرت متصل هستند که می‌توانند به طور مستقیم یا همزمان، نیروی خود را برای به حرکت درآوردن چرخ‌ها فراهم کنند. این رویکرد در مقابل هیبریدهای سری قرار می‌گیرد که در آن‌ها تنها موتور الکتریکی مستقیماً چرخ‌ها را حرکت می‌دهد و موتور بنزینی صرفاً نقش ژنراتور را دارد. هیبرید موازی به دلیل انعطاف‌پذیری در ترکیب توان، در بسیاری از خودروهای هیبریدی مدرن در سطح جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مفهوم، تعریف هیبرید موازی و نحوه ترکیب توان موتورها
مفهوم هیبرید موازی در این است که هر دو منبع توان (موتور بنزینی و موتور الکتریکی) به صورت “موازی” به میل گاردان یا شفت‌های چرخ متصل هستند و می‌توانند نیروی خود را با هم جمع کنند. تعریف هیبرید موازی به خودرویی اطلاق می‌شود که در آن موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی به صورت مکانیکی به یکدیگر و به چرخ‌ها متصل هستند و هر دو می‌توانند به طور مستقیم به رانش خودرو کمک کنند.
نحوه ترکیب توان موتورها در این پیکربندی از طریق یک سیستم انتقال قدرت خاص (مانند کلاچ‌ها، دنده‌ها یا ترکیبی از آن‌ها) صورت می‌گیرد که به سیستم کنترل خودرو اجازه می‌دهد تصمیم بگیرد که:
- خودرو صرفاً با موتور الکتریکی حرکت کند (در سرعت‌های پایین یا هنگام شروع حرکت).
- خودرو صرفاً با موتور بنزینی حرکت کند (در سرعت‌های ثابت بالا).
- هر دو موتور به صورت همزمان کار کرده و حداکثر توان و گشتاور را فراهم آورند (در حین شتاب‌گیری قوی).
- موتور بنزینی باتری را شارژ کند (در صورت نیاز).
- موتور الکتریکی در حین کاهش سرعت انرژی را بازیابی کند (ترمز احیاکننده).
این قابلیت ترکیب توان، انعطاف‌پذیری بالایی را در مدیریت انرژی فراهم می‌کند.
اجزای اصلی سیستم هیبرید موازی و نحوه اتصال آن‌ها
سیستم هیبرید موازی از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:
- موتور احتراق داخلی (ICE): موتور اصلی که با سوخت فسیلی کار می‌کند.
- موتور/ژنراتور الکتریکی (Motor/Generator – MG): می‌تواند هم به عنوان موتور برای تأمین نیروی کمکی یا مستقل عمل کند و هم به عنوان ژنراتور برای شارژ باتری (از ترمز احیاکننده یا موتور بنزینی).
- بسته باتری (Battery Pack): برای ذخیره انرژی الکتریکی. در هیبریدهای موازی معمولی (HEV)، باتری کوچکتر و در هیبریدهای پلاگین موازی (PHEV)، باتری بزرگتر است و قابلیت شارژ از شبکه را دارد.
- واحد کنترل توان (Power Control Unit – PCU): مغز سیستم که جریان انرژی را مدیریت کرده و نحوه همکاری موتورها را کنترل می‌کند.
- سیستم انتقال قدرت: که موتور بنزینی و موتور الکتریکی از طریق آن به چرخ‌ها متصل می‌شوند. این می‌تواند یک گیربکس سنتی (دستی یا اتوماتیک) با اصلاحات برای ادغام موتور الکتریکی، یا یک گیربکس اختصاصی هیبریدی باشد.
نحوه اتصال آن‌ها در پیکربندی‌های مختلف هیبرید موازی متفاوت است (که در بخش بعدی بررسی می‌شود)، اما ایده اصلی این است که هر دو موتور می‌توانند به طور مستقیم به خط انتقال قدرت متصل شوند.
پیکربندی‌های مختلف هیبرید موازی (P0 تا P5) و تفاوت عملکردی‌شان
هیبرید موازی خود دارای چندین پیکربندی مختلف است که بر اساس محل قرارگیری موتور/ژنراتور الکتریکی نسبت به موتور بنزینی و سیستم انتقال قدرت تعریف می‌شوند (استاندارد SAE J1711 این پیکربندی‌ها را با P-Codes مشخص می‌کند). آشنایی با پیکربندی‌های مختلف هیبرید موازی و تفاوت عملکردی‌شان به درک جزئیات این سیستم‌ها کمک می‌کند:
- P0: موتور/ژنراتور به میل لنگ موتور بنزینی (قبل از کلاچ یا مبدل گشتاور) متصل است. این پیکربندی در سیستم‌های هیبرید ملایم (MHEV) رایج است و بیشتر برای کمک به استارت/استاپ پیشرفته، بازیابی انرژی محدود و کمک گشتاور اندک استفاده می‌شود. رانندگی تمام الکتریکی معمولاً در این حالت ممکن نیست.
- P1: موتور/ژنراتور مستقیماً به میل لنگ موتور بنزینی (بین موتور و کلاچ یا مبدل گشتاور) متصل است.
- P2: موتور/ژنراتور بین موتور بنزینی و گیربکس قرار دارد و معمولاً یک کلاچ بین موتور بنزینی و موتور/ژنراتور وجود دارد. این پیکربندی اجازه می‌دهد موتور بنزینی کاملاً از سیستم انتقال قدرت جدا شده و خودرو تنها با موتور الکتریکی حرکت کند. در بسیاری از هیبریدهای پلاگین موازی رایج است.
- P3: موتور/ژنراتور بعد از گیربکس، اما قبل از دیفرانسیل قرار دارد.
- P4: موتور/ژنراتور بر روی محور دیگری غیر از محوری که موتور بنزینی نیرو به آن می‌فرستد، قرار دارد (مثلاً موتور بنزینی چرخ‌های جلو را حرکت می‌دهد و موتور الکتریکی چرخ‌های عقب را). این در خودروهای هیبریدی چهار چرخ محرک رایج است.
- P5: موتور/ژنراتور مستقیماً در داخل چرخ قرار دارد (In-wheel motor).
تفاوت عملکردی‌شان در توانایی رانندگی تمام الکتریکی (از P2 به بالا معمولاً ممکن است)، میزان کمک گشتاور، و پیچیدگی مکانیکی سیستم است.
مزایا و محدودیت‌های کلیدی خودروهای هیبرید موازی (انعطاف‌پذیری، راندمان بزرگراه) و مقایسه با هیبرید سری
خودروهای هیبرید موازی دارای مزایا و محدودیت‌های کلیدی خاصی هستند:
- مزایا:
- انعطاف‌پذیری در ترکیب توان: امکان استفاده از هر دو موتور به صورت تکی یا همزمان برای بهینه‌سازی راندمان در شرایط مختلف.
- راندمان خوب در سرعت‌های بالا: موتور بنزینی می‌تواند به طور مستقیم در سرعت‌های بالا چرخ‌ها را حرکت دهد که در برخی موارد نسبت به تبدیل‌های انرژی پی‌درپی در هیبریدهای سری کارآمدتر است.
- نیاز کمتر به تبدیل‌های انرژی مکرر: در مقایسه با هیبریدهای سری، انرژی مکانیکی موتور بنزینی می‌تواند مستقیماً به چرخ‌ها برسد.
- محدودیت‌ها:
- پیچیدگی مکانیکی: اتصال موتور بنزینی و الکتریکی به یک سیستم انتقال قدرت واحد می‌تواند از نظر مکانیکی پیچیده باشد.
- عملکرد کمتر ایده‌آل در رانندگی صرفاً شهری: در هیبریدهای سری، موتور بنزینی می‌تواند در دور ثابت و پرراندمان کار کند و برق تولید کند، که برای رانندگی متوقف در شهر می‌تواند کارآمد باشد. در هیبریدهای موازی، موتور بنزینی ممکن است مجبور به کار در دورهای مختلف و کمتر بهینه در ترافیک شهری شود (اگرچه سیستم کنترل تلاش می‌کند این را بهینه کند).
- قابلیت رانندگی تمام الکتریکی محدودتر: در مقایسه با هیبریدهای سری یا PHEVs با باتری مشابه، هیبریدهای موازی ممکن است توانایی کمتری در رانندگی تمام الکتریکی صرف داشته باشند (مگر در پیکربندی‌های خاص مانند P2 PHEV).
مقایسه با هیبرید سری: در هیبرید سری، موتور بنزینی فقط ژنراتور را می‌چرخاند و تنها موتور الکتریکی چرخ‌ها را حرکت می‌دهد. این برای رانندگی شهری خوب است، اما در سرعت‌های بالا ممکن است راندمان تبدیل انرژی متوالی (بنزین -> برق -> حرکت) کمتر از انتقال مستقیم مکانیکی (در هیبرید موازی) باشد.
نقش هیبرید موازی در بازار خودروی جهانی و جایگاه آن در کنار سایر هیبریدها
هیبرید موازی یکی از رایج‌ترین پیکربندی‌های هیبرید در بازار خودروی جهانی است، به‌خصوص در خودروهای هیبریدی که بر راندمان در سرعت‌های بالاتر (مانند رانندگی بزرگراهی) تمرکز دارند یا در هیبریدهای پلاگین که نیاز به توان قابل توجهی از موتور بنزینی برای پشتیبانی از برد بلند دارند. بسیاری از خودروسازان از جمله هوندا، هیوندای، کیا، فولکس‌واگن و بسیاری از خودروسازان اروپایی و آمریکایی از پیکربندی‌های مختلف هیبرید موازی در محصولات خود استفاده می‌کنند. جایگاه آن در کنار سایر هیبریدها (سری و سری-موازی) به نیازهای عملکردی، هزینه‌ای و بازار هدف آن مدل خودرو بستگی دارد.
نتیجه‌گیری
هیبرید موازی (Parallel Hybrid) یکی از پیکربندی‌های اصلی سیستم‌های هیبرید در خودروها است که با مفهوم، تعریف و نحوه ترکیب توان موتورها (موتور بنزینی و الکتریکی هر دو می‌توانند مستقیماً چرخ‌ها را حرکت دهند) شناخته می‌شود. اجزای اصلی سیستم هیبرید موازی و نحوه اتصال آن‌ها در پیکربندی‌های مختلف (P0 تا P5) متفاوت است و بر تفاوت عملکردی‌شان تأثیر می‌گذارد. مزایای کلیدی خودروهای هیبرید موازی (انعطاف‌پذیری، راندمان بزرگراه) و محدودیت‌های آن‌ها (پیچیدگی مکانیکی، عملکرد صرفاً شهری) مشخص‌کننده نقاط قوت و ضعف این رویکرد است. مقایسه با هیبرید سری نشان‌دهنده تفاوت در نحوه انتقال قدرت است. نقش هیبرید موازی در بازار خودروی جهانی قابل توجه است و به عنوان یکی از راه‌های اصلی برای الکتریکی‌سازی خودروها در کنار هیبریدهای سری و سری-موازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
