مکانیک پیشرانه‌های هیبریدی: مقایسه معماری‌های سری، موازی و سری-موازی

هنگامی که راننده پدال گاز یک وسیله نقلیه مدرن را فشار می‌دهد، واکنش فوری—گشتاور، سوخت مصرفی، و انتشار گازهای گلخانه‌ای تولید شده—کاملاً به معماری پنهانی بستگی دارد که منبع انرژی را به چرخ‌ها متصل می‌کند. برای دهه‌ها، این یک مسیر مکانیکی ساده از موتور احتراق به گیربکس بود.

امروزه، در حالی که صنعت خودروسازی گذار به سمت برقی‌سازی کامل را مدیریت می‌کند، پیشرانه‌های هیبریدی به پل حیاتی تبدیل شده‌اند. با این حال، همه هیبریدی‌ها به یک شکل مهندسی نشده‌اند. آرایش خاص موتورهای الکتریکی، باتری‌ها و موتورهای احتراق داخلی تعیین می‌کند که آیا یک وسیله نقلیه در ترافیک شهری با توقف و حرکت مکرر برتری دارد یا در رانندگی طولانی‌مدت در بزرگراه.

درک این سامانه‌ها مستلزم فراتر رفتن از اصطلاحات بازاریابی و توجه به فیزیک بنیادی تحویل قدرت است. در هسته خود، یک وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی، یک موتور احتراق داخلی را با یک سامانه پیشرانه الکتریکی ادغام می‌کند.

هدف این است که موتور احتراق در اوج راندمان حرارتی خود کار کند، در حالی که برای مدیریت بارهای گذرا—مانند شتاب‌گیری از حالت سکون—که موتورهای بنزینی در آن به شدت ناکارآمد هستند، به موتور الکتریکی تکیه شود. مهندسان با ترکیب این منابع قدرت می‌توانند به طور قابل توجهی کار مفید بیشتری از هر قطره سوخت استخراج کنند.

مهندسان سه معماری اصلی را برای دستیابی به این تعادل توسعه داده‌اند: سری، موازی و سری-موازی، که اغلب به عنوان طراحی تقسیم قدرت (Power-split) شناخته می‌شود. هر یک از اینها فلسفه متفاوتی از مدیریت انرژی را نشان می‌دهد که یا سادگی مکانیکی، یا کارایی در بزرگراه، یا حداکثر انعطاف‌پذیری را در اولویت قرار می‌دهد. انتخاب معماری بر کل طراحی خودرو تأثیر می‌گذارد و اندازه باتری، پیچیدگی نرم‌افزار کنترل، و در نهایت، هزینه تولید و ردپای کربن خودرو را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد.

در یک معماری هیبریدی سری، موتور احتراق داخلی هیچ اتصال مکانیکی فیزیکی به چرخ‌های محرک ندارد. در عوض، موتور صرفاً به عنوان یک ژنراتور الکتریکی داخلی عمل می‌کند. این موتور سوخت را می‌سوزاند تا یک ژنراتور را بچرخاند، که برق تولید می‌کند و این برق یا بسته باتری را شارژ می‌کند یا مستقیماً به موتور کششی الکتریکی جریان می‌یابد. این موتور الکتریکی به تنهایی مسئول به حرکت درآوردن خودرو است و عملاً خودرو را به یک ماشین برقی تبدیل می‌کند که منبع تولید برق خود را حمل می‌کند.[1]

این طراحی جداگانه اجازه می‌دهد که موتور احتراق صرف نظر از سرعت واقعی خودرو، به طور مداوم در کارآمدترین دور در دقیقه خود کار کند. بر اساس تحلیل‌های پارامتری راندمان پیشرانه، این امر باعث می‌شود که هیبریدهای سری در محیط‌های شهری که با توقف‌های مکرر و سرعت‌های پایین مشخص می‌شوند، به طور استثنایی کارآمد باشند. از آنجایی که موتور الکتریکی تمام نیروی محرکه را تأمین می‌کند، خودرو گشتاور آنی و نرمی را که مشخصه یک وسیله نقلیه برقی باتری‌دار است، بدون نیاز به تعویض دنده ارائه می‌دهد.[4]

با این حال، معماری سری تلفات ذاتی تبدیل انرژی را به همراه دارد. انرژی مکانیکی موتور باید توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل شود و سپس توسط موتور کششی دوباره به انرژی مکانیکی تبدیل گردد.

در سرعت‌های طولانی‌مدت بزرگراهی، جایی که یک اتصال مکانیکی مستقیم بسیار کارآمد خواهد بود، این مراحل تبدیل چندگانه منجر به کاهش قابل توجهی در راندمان کلی سامانه می‌شود. علاوه بر این، موتور الکتریکی باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که بتواند حداکثر نیازهای قدرت خودرو را به طور مستقل مدیریت کند، که این امر می‌تواند وزن و هزینه کلی پیشرانه را افزایش دهد.[2]

معماری هیبریدی موازی رویکردی متضاد را در تحویل قدرت در پیش می‌گیرد. هم موتور احتراق داخلی و هم موتور الکتریکی به صورت مکانیکی به گیربکس متصل هستند و می‌توانند چرخ‌ها را به طور همزمان به حرکت درآورند.

موتور الکتریکی معمولاً بین موتور احتراق و گیربکس قرار می‌گیرد و به هر دو منبع قدرت اجازه می‌دهد تا خروجی خود را در یک شفت محرک واحد ترکیب کنند. این بدان معناست که خودرو می‌تواند تنها توسط موتور احتراق، تنها توسط موتور الکتریکی، یا توسط هر دو که به صورت هماهنگ کار می‌کنند، به حرکت درآید.[1]

این پیکربندی تلفات تبدیل انرژی را در طول رانندگی در بزرگراه به حداقل می‌رساند. از آنجایی که موتور می‌تواند مستقیماً چرخ‌ها را به حرکت درآورد، سامانه از جریمه تبدیل ژنراتور به موتور که در طرح‌های سری ذاتی است، جلوگیری می‌کند.

هنگامی که حداکثر شتاب مورد نیاز است، موتور الکتریکی یک تقویت گشتاور فراهم می‌کند و به خودروسازان اجازه می‌دهد تا از یک موتور احتراق کوچک‌تر و کم‌مصرف‌تر بدون قربانی کردن عملکرد استفاده کنند. این امر هیبریدهای موازی را به ویژه برای رفت و آمدهای طولانی و سفرهای طولانی‌مدت با سرعت بالا مناسب می‌سازد.[4]

مصالحه برای این اتصال مکانیکی مستقیم، وابستگی شدید به سامانه‌های انتقال قدرت پیچیده است—اغلب گیربکس‌های خودکار چند سرعته یا کلاچ دوگانه—تا موتور را در محدوده قدرت بهینه خود نگه دارند. در ترافیک سنگین شهری، سامانه موازی عموماً کارایی کمتری نسبت به یک آرایش سری دارد، زیرا موتور نمی‌تواند کاملاً مستقل از سرعت خودرو کار کند. اتصال مکانیکی به این معنی است که دور موتور (RPM) به سرعت چرخ گره خورده است و توانایی سامانه را برای حفظ اوج راندمان حرارتی در شرایط رانندگی بسیار متغیر محدود می‌کند.[1]

برای دستیابی به کارایی شهری یک سامانه سری و کارایی بزرگراهی یک سامانه موازی، مهندسان معماری سری-موازی یا تقسیم قدرت را توسعه دادند. این طراحی از یک مجموعه دنده سیاره‌ای (Planetary Gearset) استفاده می‌کند تا به طور پیوسته قدرت خروجی موتور احتراق را تقسیم کند. خروجی موتور می‌تواند به صورت مکانیکی به چرخ‌ها، به صورت الکتریکی به یک ژنراتور، یا ترکیبی از هر دو به طور همزمان هدایت شود، بسته به آنچه شرایط رانندگی ایجاب می‌کند.[1]

این معماری پیچیده‌ترین رویکرد برای مدیریت انرژی هیبریدی را نشان می‌دهد. یک کامپیوتر داخلی به طور مداوم شرایط رانندگی، وضعیت شارژ باتری و تقاضای قدرت را ارزیابی می‌کند تا جریان قدرت بهینه را تعیین کند. در سرعت‌های پایین، می‌تواند به عنوان یک وسیله نقلیه تمام برقی یا یک هیبرید سری عمل کند. در سرعت‌های بزرگراهی، برای حداکثر کارایی مکانیکی در پیکربندی موازی قفل می‌شود و بدون دخالت راننده به طور یکپارچه بین حالت‌ها جابجا می‌شود.[1]

نتیجه یک پیشرانه بسیار سازگار است که پنجره گسترده‌ای از کارایی بهینه را در چرخه‌های رانندگی متنوع حفظ می‌کند. بررسی‌های فناوری‌های خودروهای برقی مسافری نشان می‌دهد که سامانه‌های سری-موازی به طور مداوم بالاترین میزان کلی مصرف سوخت را در شرایط رانندگی ترکیبی ارائه می‌دهند. مجموعه دنده سیاره‌ای اساساً به عنوان یک گیربکس متغیر پیوسته الکترونیکی عمل می‌کند و منابع قدرت را به آرامی ترکیب می‌کند، بدون تغییر دنده‌های مجزا در گیربکس‌های سنتی، اگرچه این امر به بهای پیچیدگی مکانیکی و نرم‌افزاری قابل توجهی تمام می‌شود.[2]

اصول حاکم بر این معماری‌ها بسیار فراتر از خودروهای سواری گسترش می‌یابد. در بخش هوافضا، محققان در حال ارزیابی سامانه‌های پیشرانه هیبریدی سری و موازی برای وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) هستند که از پیشرانه توزیع شده استفاده می‌کنند. در این کاربردها، جریمه وزنی ماشین‌های الکتریکی دوگانه در سامانه سری باید با دقت در برابر مزایای آیرودینامیکی جدا کردن تولید قدرت از روتورهای تولیدکننده رانش سنجیده شود، که نشان می‌دهد چگونه این مصالحه‌های مهندسی بنیادی در حالت‌های مختلف حمل و نقل مقیاس‌پذیر هستند.[3]

در هر سه معماری، سخت‌افزار فیزیکی تنها نیمی از معادله است. عامل تمایز واقعی در پیشرانه‌های هیبریدی مدرن، نرم‌افزار کنترل است. الگوریتم‌هایی که زمان روشن شدن موتور، میزان قدرت مورد نیاز از باتری و میزان تهاجمی بودن ترمز احیاکننده را تعیین می‌کنند، عملکرد واقعی سامانه را مشخص می‌سازند. با افزایش قدرت پردازش، این استراتژی‌های کنترل پیش‌بینی‌کننده می‌شوند و از توپوگرافی GPS و داده‌های ترافیکی لحظه‌ای برای بهینه‌سازی مصرف باتری برای مسیر پیش رو استفاده می‌کنند.

در حالی که وسایل نقلیه برقی باتری‌دار (BEV) نقطه نهایی حمل و نقل با آلایندگی صفر را نشان می‌دهند، معماری‌های هیبریدی همچنان یک فناوری انتقالی حیاتی باقی می‌مانند. آنها محدودیت‌های زیرساختی فوری شبکه‌های شارژ را برطرف می‌کنند، در حالی که مصرف نفت را امروز به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند. با درک واقعیت‌های مکانیکی سامانه‌های سری، موازی و سری-موازی، صنعت حمل و نقل می‌تواند فناوری مناسب را برای مورد استفاده مناسب به کار گیرد و ناوگان جهانی را هم برای کارایی و هم برای کاربرد عملی بهینه کند.