چگونه دستگاههای تقسیم قدرت، معماری هیبریدی سری و موازی را برای بالاترین بازدهی ترکیب میکنند
دستگاههای تقسیم قدرت با استفاده از مجموعهچرخدندههای سیارهای برای هدایت یکپارچه نیروی مکانیکی و الکتریکی، به خودروهای هیبریدی اجازه میدهند تا در هر سرعتی با بالاترین بازدهی کار کنند. درک این مکانیزم نشان میدهد که چرا برخی از هیبریدیها در ترافیکهای سنگین عالی عمل میکنند، در حالی که برخی دیگر برای رانندگی در بزرگراهها بیرقیب هستند.
به قلم بهروز ستاری
این خبر را به اشتراک بگذارید
- طرفداران سیستم تکحالته
- استدلال میکنند که سادگی و بازدهی در سرعت پایین یک مجموعهچرخدنده سیارهای تکی، برای اکثریت قریب به اتفاق رانندگیهای روزمره بهینهترین حالت است.
- حامیان سیستم چندحالته
- تاکید میکنند که اضافه کردن کلاچها و یک مجموعهچرخدنده دوم برای از بین بردن افت بازدهی در بزرگراهها کاملاً ضروری است.
- طرفداران گذار به تمامالکتریکی
- تمام پیچیدگیهای سیستم تقسیم قدرت را به عنوان یک راهحل موقت میبینند که به زودی با باتریهای ارزانتر و بزرگتر منسوخ خواهد شد.
دیدگاههایی که این گزارش پوشش نداده
- مکانیکهای مستقلی که وظیفه تعمیر گیربکسهای چندحالته فرسوده را بر عهده دارند
- مصرفکنندگانی که هزینه اولیه هیبریدیهای پیچیده را در برابر صرفهجویی بلندمدت در مصرف سوخت میسنجند
نکات کلیدی
- دستگاههای تقسیم قدرت به موتورهای هیبریدی اجازه میدهند تا بدون توجه به سرعت خودرو، در بهینهترین دور موتور خود کار کنند.
- آنها از مجموعهچرخدندههای سیارهای استفاده میکنند تا مزایای سرعت پایین یک هیبریدی سری را با مزایای سرعت بالای یک هیبریدی موازی ترکیب کنند.
- سیستمهای تکحالته در سرعتهای بزرگراهی به دلیل گردش الکتریکی، تا ۱۵ درصد با افت بازدهی مواجه میشوند.
- سیستمهای چندحالته، مانند پیشرانه ولتک (Voltec)، کلاچها و یک مجموعهچرخدنده دوم را اضافه میکنند تا این افت بازدهی در بزرگراه را دور بزنند.
برای اینکه یک خودروی هیبریدی واقعاً در مصرف سوخت صرفهجویی کند، یک شرط غیرقابلمذاکره باید رعایت شود: موتور احتراق داخلی باید بتواند در بهینهترین دور موتور خود کار کند، کاملاً مستقل از اینکه چرخها با چه سرعتی میچرخند. در یک ماشین معمولی، سرعت موتور از طریق دندههای ثابت به چرخها قفل شده است. اگر این محدودیت در یک خودروی هیبریدی هم پابرجا بماند، تمام مزایای مصرف بهینه دود میشود و به هوا میرود. امروزه، این محدودیت توسط مکانیزمی به نام دستگاه تقسیم قدرت شکسته شده است؛ یک شاهکار مهندسی که تعیین میکند آیا یک راننده در رفتوآمدهای روزانهاش سوخت را بهینه مصرف میکند یا آن را در تقلا با اصطکاک مکانیکی هدر میدهد.[4]
برای خریداری که در نمایشگاه ماشین ایستاده و به خودروها نگاه میکند، انتخاب بین یک هیبریدی ملایم، یک هیبریدی کامل و یک پلاگین هیبریدی اغلب به اندازه باتری و مشوقهای مالیاتی ختم میشود. اما تفاوت اصلی، یعنی سختافزاری که نحوه استفاده از انرژی آن باتری را تعیین میکند، معماری گیربکس است. دستگاه تقسیم قدرت، که اغلب با عنوان گیربکس متغیر پیوسته الکترونیکی (e-CVT) بازاریابی میشود، همان پلی است که به خودرو اجازه میدهد در ترافیک شهری مثل یک ماشین برقی و در بزرگراه مثل یک ماشین بنزینی عمل کند، بدون اینکه راننده اصلاً متوجه این تغییر حالت شود.[4][7]
برای درک دستگاه تقسیم قدرت، ابتدا باید دو معماری که این سیستم جایگزین آنها شده است را بشناسیم: هیبریدیهای سری و موازی. در یک هیبریدی سری، موتور بنزینی هرگز نیرویی به چرخها منتقل نمیکند؛ بلکه فقط یک ژنراتور را میچرخاند تا برای موتور الکتریکی برق تولید کند. این سیستم در ترافیکهای سنگین و توقف-حرکتهای مداوم بسیار کارآمد است، اما در سرعتهای بزرگراهی با افت شدید تبدیل انرژی مواجه میشود، زیرا تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و سپس دوباره به مکانیکی، ذاتاً با اتلاف انرژی همراه است.[4]
در یک هیبریدی موازی، هم موتور بنزینی و هم موتور الکتریکی از نظر مکانیکی به چرخها متصل هستند. آنها برای تامین گشتاور با هم کار میکنند که برای سبقت گرفتن در بزرگراه عالی است، اما وقتی ماشین از حالت توقف شروع به شتابگیری میکند، موتور بنزینی مجبور میشود در یک محدوده وسیع و ناکارآمد از دور موتور (RPM) کار کند. دستگاه تقسیم قدرت اختراع شد تا این دو معماری را با هم ادغام کند و بازدهی در سرعت پایین یک هیبریدی سری را با انتقال مستقیم قدرت در سرعت بالای یک هیبریدی موازی ترکیب نماید.[7]
قلب تپنده یک دستگاه تقسیم قدرت، یک مجموعهچرخدنده سیارهای است. برخلاف یک گیربکس سنتی با دندههای مجزا، یک مجموعهچرخدنده سیارهای از یک چرخدنده مرکزی به نام خورشیدی تشکیل شده که توسط چرخدندههای سیارهای احاطه شده است و همگی درون یک چرخدنده بیرونی به نام حلقهای قرار گرفتهاند. مهندسان با اتصال موتور بنزینی، یک موتور الکتریکی اولیه و یک موتور الکتریکی ثانویه به بخشهای مختلف این مجموعهچرخدنده، میتوانند قدرت را به طور همزمان در چندین جهت هدایت کنند.[1][5]
وقتی راننده پشت چراغ قرمز پا را روی پدال گاز میگذارد، دستگاه تقسیم قدرت موتور بنزینی را قفل کرده و کاملاً به موتورهای الکتریکی متکی میشود و انرژی را از باتری میگیرد. با افزایش سرعت و خالی شدن باتری، سیستم موتور بنزینی را روشن میکند. اما به جای اینکه تمام آن نیروی مکانیکی را به چرخها بفرستد، چرخدنده سیارهای آن را تقسیم میکند: بخشی از گشتاور در حالت موازی مستقیماً به چرخها میرود، در حالی که بقیه آن یک ژنراتور را میچرخاند تا در حالت سری برای موتورهای الکتریکی برق تولید کند.[5][7]
وقتی راننده پشت چراغ قرمز پا را روی پدال گاز میگذارد، دستگاه تقسیم قدرت موتور بنزینی را قفل کرده و کاملاً به موتورهای الکتریکی متکی میشود و انرژی را از باتری میگیرد.
این تقسیم قدرت به موتور بنزینی اجازه میدهد تا در بهینهترین سرعت دورانی خود، که اغلب حدود ۲۰۰۰ دور در دقیقه است، ثابت بماند، در حالی که سرعت خودرو از ۳۰ به ۶۰ مایل بر ساعت میرسد. موتورهای الکتریکی تفاوت سرعت دورانی را جبران میکنند و عملاً به عنوان یک گیربکس متغیر پیوسته الکترونیکی عمل میکنند. در اینجا هیچ تسمه، پولی یا تعویض دندهای در کار نیست، بلکه فقط یک ترکیب یکپارچه از گشتاور است که توسط نرمافزار مدیریت میشود.[7]
با این حال، دستگاه تقسیم قدرت تکحالته در سرعتهای بزرگراهی یک نقطه ضعف اساسی دارد: گردش الکتریکی. وقتی سرعت خودرو از ۶۵ مایل بر ساعت عبور میکند، سرعتهای دورانی درون چرخدنده سیارهای یکی از موتورهای الکتریکی را مجبور میکند تا برعکس بچرخد و به عنوان یک ژنراتور عمل کند، در حالی که موتور دیگر آن برق را برای به حرکت درآوردن چرخها مصرف میکند.[6]
این چرخه تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و دوباره به مکانیکی، باعث یک افت بازدهی مزاحم تا ۱۵ درصد میشود. برای رانندهای که هر روز مسیر طولانی در بزرگراه را طی میکند، این جریمه گردش الکتریکی، صرفهجویی سوختی که در شهر به دست آمده بود را میبلعد و باعث میشود سیستم تقسیم قدرت تکحالته برای رانندگی مداوم با سرعت بالا چندان ایدهآل نباشد.[6]
برای حل این مشکل، مهندسان معماری تقسیم قدرت چندحالته را توسعه دادند که برجستهترین نمونه آن در سیستم پیشرانه ولتک (Voltec) استفاده شده است. با اضافه کردن یک مجموعهچرخدنده سیارهای دوم و یک سری کلاچهای مکانیکی، یک سیستم چندحالته میتواند چرخه گردش الکتریکی را در سرعتهای بزرگراهی به صورت فیزیکی قفل کرده و از مدار خارج کند.[2][3]
وقتی خودرو به سرعت کروز یا پیمایش ثابت میرسد، کلاچها درگیر میشوند تا موتور بنزینی را به شکل مستقیمتری به چرخها متصل کنند و فرآیند تبدیل الکتریکی را به طور کامل دور بزنند. این کار به خودرو اجازه میدهد تا در بزرگراه به عنوان یک هیبریدی موازی با بازدهی بالا عمل کند، در حالی که همچنان این قابلیت را دارد که برای عملکرد هیبریدی سری در محیطهای شهری، موتور را از مدار خارج کند.[2][5]
برای مصرفکننده، تفاوت بین یک دستگاه تقسیم قدرت تکحالته و چندحالته تعیینکننده بهترین نوع استفاده از خودرو است. یک سیستم تکحالته برای رانندگان تاکسیهای اینترنتی در شهر و کسانی که از حومه به شهر رفتوآمد میکنند عالی است و بازدهی را در ترافیکهای متغیر به حداکثر میرساند. اما یک سیستم چندحالته، با وجود اینکه سنگینتر و پیچیدهتر است، یک راهحل بینقص برای رانندگانی است که زمان خود را بین خیابانهای شهری و بزرگراههای بینشهری تقسیم میکنند.[1][8]
آنچه هنوز نامشخص است این است که معماریهای تقسیم قدرت تا چه زمانی در بازار باقی خواهند ماند. با کاهش قیمت باتریها و گسترش زیرساختهای شارژ، صنعت خودرو در حال چرخش به سمت خودروهای تمامالکتریکی است که نیازی به موتور بنزینی و در نتیجه نیازی به دستگاه تقسیم قدرت ندارند. پیچیدگی مکانیکی ترکیب دو منبع قدرت ممکن است در نهایت از نظر اقتصادی توجیه خود را در بازار از دست بدهد.[8]
با این وجود، برای دهه آینده که دوران گذار انرژی است، دستگاه تقسیم قدرت همچنان یک پل ارتباطی حیاتی باقی میماند. این سیستم همان مترجم مکانیکی است که به یک تکنولوژی احتراقی صد ساله اجازه میدهد تا به زبان نیروی محرکه الکتریکی مدرن صحبت کند و تضمین میکند که بدون توجه به اینکه خودرو در کجا رانده میشود، هر قطره سوخت با بالاترین بازدهی ممکن مصرف شود.[8]
- 15%
- حداکثر افت بازدهی گردش الکتریکی در سرعتهای بزرگراهی
- 2
- مجموعهچرخدندههای سیارهای در سیستمهای چندحالته ولتک (Voltec)
- 2,000 RPM
- نمونه سرعت بهینهشده موتور هنگام شتابگیری
بررسی عمیق دیدگاهها
مسافران شهری
تمرکز بر بازدهی در سرعت پایین و عملکرد یکپارچه در ترافیکهای توقف-حرکت که توسط سیستمهای تکحالته ارائه میشود.
برای رانندگانی که به ندرت از سرعت ۵۰ مایل بر ساعت عبور میکنند، دستگاه تقسیم قدرت تکحالته یک شاهکار مهندسی است. این سیستم با تنظیم مداوم نسبت قدرت الکتریکی به مکانیکی، به موتور اجازه میدهد در هنگام کاهش سرعت و درجا کار کردن کاملاً خاموش شود، در حالی که هنگام شتابگیری آن را در بهینهترین محدوده قدرت نگه میدارد. سادگی یک مجموعهچرخدنده سیارهای تکی، هزینههای تولید را پایین و قابلیت اطمینان را بالا نگه میدارد و آن را به معماری ایدهآلی برای تاکسیهای شهری و رانندگان روزمره حومه شهر تبدیل میکند.
رانندگان بزرگراه
تاکید بر نیاز به سیستمهای چندحالته برای از بین بردن تلفات گردش الکتریکی در طول پیمایش مداوم با سرعت بالا.
رانندگانی که مسیرهای طولانی بینشهری را طی میکنند، اغلب متوجه میشوند که هیبریدیهای استاندارد نمیتوانند مصرف سوخت تبلیغشده خود را در سرعت ۷۵ مایل بر ساعت ارائه دهند. این به دلیل گردش الکتریکی است، جایی که مجموعهچرخدنده سیارهای سیستم را مجبور میکند تا نیروی مکانیکی را به شکلی ناکارآمد به برق و دوباره به نیروی مکانیکی تبدیل کند تا فقط سرعت را حفظ کند. سیستمهای چندحالته این مشکل را با قفل کردن فیزیکی مسیر الکتریکی توسط کلاچها حل میکنند و خودرو را به یک هیبریدی موازی با بازدهی بالا تبدیل میکنند که قدرت موتور را مستقیماً به چرخها میفرستد.
مهندسان خودرو
دستگاه تقسیم قدرت را به عنوان یک تکنولوژی گذار ضروری اما بسیار پیچیده میبینند که شکاف بین معماریهای احتراق داخلی و تمامالکتریکی را پر میکند.
از منظر مهندسی، ترکیب دو سیستم پیشرانه کاملاً متفاوت از طریق یک مجموعهچرخدنده سیارهای، نیازمند کالیبراسیون نرمافزاری و دقت مکانیکی خیرهکنندهای است. در حالی که این سیستم بالاترین بازدهی را از سوختهای فسیلی استخراج میکند، اما سختافزارها را نیز دو برابر میکند؛ چرا که به یک موتور بنزینی، چندین موتور الکتریکی، یک باتری و یک گیربکس پیچیده نیاز دارد. بسیاری از مهندسان این را یک راهحل درخشان اما موقتی میدانند که با بهبود چگالی انرژی باتریها و تبدیل شدن پیشرانههای تمامالکتریکی به استاندارد غالب، به ناچار از رده خارج خواهد شد.
چرا مهم است
برای رانندهای که بین خرید یک هیبریدی معمولی و یک پلاگین هیبریدی مردد است، دستگاه تقسیم قدرت همان مکانیزم پنهانی است که تعیین میکند مصرف سوخت او در بزرگراه ۳۵ مایل بر گالن باشد یا ۵۰ مایل بر گالن. درک نحوه کار این سیستم به خریداران کمک میکند تا اگر مسیر هرروزهشان فقط از بزرگراهها میگذرد، ماشینی نخرند که موتور آن برای رانندگی در شهر بهینهسازی شده است.
منابع
پوشش منابع
8 منبع
3 دیدگاه شناساییشده
- [1]MDPIحامیان سیستم چندحالته
Study and Analysis of a Multi-Mode Power Split Hybrid Transmission
مطالعه در MDPI → - [2]IEEE Transactions on Vehicular Technologyحامیان سیستم چندحالته
Design of Multimode Power-Split Hybrid Vehicles—A Case Study on the Voltec Powertrain System
مطالعه در IEEE Transactions on Vehicular Technology → - [3]Elsevierحامیان سیستم چندحالته
The Voltec System—Energy Storage and Electric Propulsion
مطالعه در Elsevier → - [4]EVCUBE.NETطرفداران سیستم تکحالته
Hybrid Cars: Parallel vs. Power-Split Systems Explained
مطالعه در EVCUBE.NET → - [5]PMCحامیان سیستم چندحالته
Powertrain configuration design for two mode power split hybrid electric vehicle
مطالعه در PMC → - [6]MDPIحامیان سیستم چندحالته
Effects of Electric Circulation on the Energy Efficiency of the Power Split e-CVT Hybrid Systems
مطالعه در MDPI → - [7]IEEE Transactions on Power Electronicsطرفداران سیستم تکحالته
Hybrid Electric Vehicle Propulsion System Architectures of the e-CVT Type
مطالعه در IEEE Transactions on Power Electronics → - [8]تیم سردبیری کوهستانطرفداران گذار به تمامالکتریکی
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
نظرات
بیشتر در خودرو
مشاهده همه →فناوری موتور
توربوشارژرهای هندسه متغیر (VGT) چگونه تاخیر توربو را از بین میبرند؟
6 منبع
فناوری سیستم تعلیق
زمان پاسخگویی میکروثانیهای سیال مگنتورئولوژیک: چگونه کمکفنرهای فعال، راحتی را فدای سفتی در پیچها میکنند
8 منبع
مکانیک سیستم انتقال قدرت
نقص تقسیم گشتاور: چرا دیفرانسیل باز تمام قدرت را به چرخی میفرستد که کمترین اصطکاک را دارد؟
6 منبع
فروش قطعات یدکی
فشار اقتصادی، رانندگان را به تعمیر خودرو در خانه و افزایش فروش ابزارهای یدکی سوق میدهد
6 منبع
هر زاویه. هر روز.
دریافت خودرو اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، مستقیم در صندوق ورودی شما.