خودروی هیبریدی و موتور الکتریکی هیبریدی در خودروی چرخ خودرو



دانشگاه آزاد اسلامی واحد یادگار امام خمینی (ره)

دانشکده فنی و مهندسی
گروه مهندسی مکانیک
پروژه پایانی برای دریافت درجه کارشناسی
در گرایش مهندسی تکنولوژی مکانیک خودرو
عنوان:
خودرو های هیبریدی و موتور الکتریکی هیبریدی در توپی چرخ های خودرو
استاد راهنما:
جناب آقای دکتر امیر خرم
نگارش:
محمد احمدی

اسفند 1395
فهرست مطالب
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….7
تاریخچه ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 8
خودروی هیبریدی چیست ؟ ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..9
فصل اول …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….11
مقایسه خودروهای هیبریدی با خودروهای دارای موتور احتراق داخلی ………………………………………………………………………………..11
1- بررسى علت کاهش مصرف سوخت خودروهاى هیبرید در مقایسه با خودروهای احتراق داخلی ……………………………………….11
2- تشریح سیستم هیبرید نمونه …………………………………………………………………………………………………………………………………….11
3- انرژی مصرف شده در خودرو هیبریدی ……………………………………………………………………………………………………………………..14
4- میزان انرژی متوسط مصرف شده در خودرو درونسوز معادل ………………………………………………………………………………………..15
فصل دوم …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….18
موتورهای الکتریکی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………18
1- موتورهای جریان مستقیم(DC) ………………………………………………………………………………………………………………………………20
2- موتورهای سنکرون آهنربای دائم(DMSM) …………………………………………………………………………………………………………..20
3- موتورهای DC بدون جاروبک آهنربای دائم(BDCM) …………………………………………………………………………………………….21
4- موتورهای رلوکتانسی سوئیچ شونده(SRM) …………………………………………………………………………………………………………….22
5- موتورهای القائی(I M) ………………………………………………………………………………………………………………………………………….22
6- مقایسه چند نوع موتورهای الکتریکی مورد استفاده در خودروهای برقی و هیبریدی ……………………………………………………..23
7- استراتژیهای بکار گیری تعداد موتور و کنترلر الکتریکی در خودروهای برقی وهیبرید …………………………………………………..24
8- سیستم محرکه با یک موتور …………………………………………………………………………………………………………………………………..24
9- سیستم محرکه با دو موتور و دو کنترلر(موتورهای داخلی چرخ ) …………………………………………………………………………………26
10- سوئیچ های نیمه هادی مورد استفاده در خودروهای برقی وهیبرید …………………………………………………………………………….26
فصل سوم …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….29
موتورهای احتراق داخلی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………..29
1- کاربرد موتورهای احتراق داخلی در وسایل نقلیه هیبرید ……………………………………………………………………………………………..29
2- نکات مهم در طراحی موتورهای احتراق داخلی برای سیستم هیبرید …………………………………………………………………………….30
3- استفاده از موتور CNG برای اتوبوس شهری ……………………………………………………………………………………………………………32
4-استفاده از موتور دیزل TDI برای یک خودروی هیبریدی …………………………………………………………………………………………….34
5-موتور STYECH ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………37
6-مزیت موتورSTYECH برای کاربرد در اتوموبیل ……………………………………………………………………………………………………….40
فصل چهارم ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….42
ترکیب بندی اجزا خودروهای هیبریدی ………………………………………………………………………………………………………………………….42
1- خودروهای برقی هیبریدی …………………………………………………………………………………………………………………………………….42
2- معایب خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی ……………………………………………………………………………………………….43
3- خودروهای هیبریدی سری ……………………………………………………………………………………………………………………………………44
4- سیستم هیبرید سری ایده آل ………………………………………………………………………………………………………………………………..46
5- سیستم هیبرید سری جبران ساز توان مصرفی ………………………………………………………………………………………………………..47
6- سیستم هیبرید سری جبران ساز شارژ باتری ……………………………………………………………………………………………………………47
7- ویژگی های مختلف هیبرید سری ………………………………………………………………………………………………………………………….48
8- خودرو هیبرید موازی …………………………………………………………………………………………………………………………………………….48
9- سیستم هیبرید موازی ایده آل …………………………………………………………………………………………………………………………………50
10-سیستم موازی احتراقی اصلی _ الکتریکی کمکی ……………………………………………………………………………………………………50
11-سیستم موازی احتراقی کمکی _ الکتریکی اصلی ……………………………………………………………………………………………51
12- سیستم موازی مجزا …………………………………………………………………………………………………………………………………….57
فصل پنجم ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….63
مروری بر عملکرد سیستم های خودروهای هیبریدی و بررسی عملکرد سیستمهای هیبرید تویوتا ………………………………………63
1- سیستم های هیبرید سری …………………………………………………………………………………………………………………………………63
2- سیستم های هیبرید موازی ……………………………………………………………………………………………………………………………….65
3- مقایسه بین سیستم های هیبرید سری و موازی …………………………………………………………………………………………………..66
4- سیستم ها هیبرید سری و موازی ………………………………………………………………………………………………………………………..66
5- عملکرد موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی در هر سیستم ………………………………………………………………………………..67
6- ویژگی های هیبرید …………………………………………………………………………………………………………………………………………..68
7- سیستم THS II چکونه کار می کند ؟ ……………………………………………………………………………………………………………….70
8- عملکرد سیستم THS II…………………………………………………………………………………………………………………………………..70
9- سیستم های ولتاژ بالا – موتور الکتریکی و ژنراتور ………………………………………………………………………………………………74
10- مدار قدرت ولتاژ بالا …………………………………………………………………………………………………………………………………………74
11- موتور الکتریکی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………..75
12- ژنراتور ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..76
13- واحد کنترل قدرت …………………………………………………………………………………………………………………………………………….76
14- باتری هیبریدی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………..78
15- مبدل اینورتر و کانورتر ……………………………………………………………………………………………………………………………………….80
16- سیستم ترمز احیا کننده ……………………………………………………………………………………………………………………………………..80
17- سیستم انتقال قدرت هیبرید ……………………………………………………………………………………………………………………………….81
18- عملکرد جعبه تقسیم قدرت (power split device) ……………………………………………………………………………………..82
19- حالت عملکردی موتور احتراقی ، موتور الکتریکی و ژنراتور درpower split device ………………………………………..83
20- موتور احتراق داخلی (ICE) ………………………………………………………………………………………………………………………………..86
موتورهای الکتریکی هیبریدی در توپی چرخ های خودرو ……………………………………………………………………………………………..88
1- متن زبان لاتین طراحی موتورهائی که بدون ذغال توپی در چرخ قرار میگیرند …………………………………………………………..88
2- طراحی موتورهائی که بدون ذغال توپی در چرخ قرار میگیرند – In Hub Brhless Motors ……………………………..98
منابع ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………106

مقدمه
محدودیت ذخایر نفتی دنیا و نقش بارز خودروهای با سوخت فسیلی به عنوان یکی از منابع بزرگ الودگی در شهرهای بزرگ از دلایل مهم برای استفاده بهینه از این سوخت ها می باشد . طراحی خودروها از آغاز بر پیشینه در دسترس بودن، ارزا ن بودن و فراوانی سوختهای فسیلی شکل گرفت. به همین دلیل، در طی صد سال اخیرکمتر تلاشی برای کم کردن آلایند ه ها و یا استفاده از منابع دیگرانرژی صورت گرفته است و بیشتر تلاش خودرو سازان صرف بهبود راندمان، راحتی و کارایی محصولاتشان می شده ، اما حجم بالای آلاینده ها در شهرهای پرازدحام از یک سوی و پی بردن به نزدیکی اتمام ذخایر سوختهای فسیلی از سوی دیگر باعث شده تا توجه جامعه علمی و به تبع آن خودروسازان به استفاده از منابع دیگر انرژی جلب شود . یکی از روش هایی که برای مقابله با موارد فوق پیشنهاد شده است ، استفاده از خودروهای الکتریکی می باشد . اما اگرچه این خودروها ایجادآلودگی نمی کنند، اما خود دارای مشکلات و محدودیت هایی از جمله برد و حداکثر سرعت محدود هستند که باعث می شود تا این ماشینها از لحاظ مشخصات و کارکرد کاملا غیر قابل مقایسه با خودروهای احتراقی باشند . جهت رفع محدودیت های ناشی ازاستفاده خودروهای الکتریکی و احتراقی، استفاده از خودروهای با منابع انرژی هیبرید (الکتریکی و فسیلی) به عنوان یک گزینه مناسب در دنیامطرح شده است.
در این پروژه،خلاصه ای از توضیحات مربوط به خودروهای هیبریدی مطرح شده و عملکرد سیستم ها با توجه به موضوع تایید شده تحقیق در مورد خودرو های هیبرید تویوتا گفته می شود . تویوتا در حال حاضر Prius را به عنوان یکی از خودروهای هیبرید پیشرفته و در حال توسعه در اختیار دارد . دراین راستا THS و THS II به ترتیب دو مدل هیبرید قرار گرفته بر روی خودروهای تویوتا می باشند . در سال 1997 اولین خودروی هیبرید ساخت تویوتا با مدل THS (THS-C در وانت استیما و THS-M در کرون، سدان لوکس) نصب شد و اخیرا مدل جدیدی از Prius را با هدف بهبود مفهوم محرک همنیروزایی هیبرید (Hybrid Synergy Drive)، تولید می کند. بر اساس این مفهوم جدید تویوتا سیستم هیبرید جدیدی را با عنوان THS II تولید می نماید که در اینجا سیستم های قبلی به کلی اصلاح شده اند، که در این تحقیق سیستم THS II مورد بحث قرار می گیرد.
تاریخچه
یک مهندس آمریکائی به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 یک ماشین هیبریدی ساخت که قادر بود در طی 10 ثانیه تا 25 مایل شتاب بگیرد. موتور این خودرو ترکیبی از موتور بنزینی و موتور الکتریکی بود که امروزه به عنوان موتور هیبریدی شناخته می شود. Piper در سه سال و نیم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پیشرفت سریع موتورهای احتراق داخلی با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنین قابلیت استارت بدون هندل آنها و از همه مهمتر پایین بودن قیمت سوختهای فسیلی و مطرح نبودن آلودگی محیط زیست، سبب عدم توجه به این نوع خودروها شد. در پی بحرانهای نفتی سالهای 1970 دوباره این خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولی تا سال 1990 که کار اصولی با مشارکت PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمریکا آغاز گردید، این خودروها به طور جدی پیگیری نشدند.
امروزه خودروهای هیبریدی مورد توجه کمپانیهای بزرگ جهان قرار گرفته اند که از آن جمله می توان به شرکتهایی مانند: تویوتا، هندا، میتسوبیشی، فورد، فیات، جنرال موتورز، دایملر کرایسلر، نیسان و پژو و … اشاره نمود. توفیق این محصولات به حدی چشمگیر بوده که از دسامبر سال 1997 تا ابتدای سال 2000 بیش از چهل هزار محصول پریوس کمپانی تویوتا به فروش رسیده است.

خودروی هیبریدی چیست ؟
لفظ هیبرید برای سیستمهایی به کار برده می شود که از دو نوع منبع انرژی برای فراهم کردن انرژی خود استفاده می کنند. در حال حاضر گرایش خودروها در استفاده از این دو منبع ، به استفاده از یک موتور احتراق داخلی(ICE) و یک موتور الکتریکی (GM) بیشتر مد نظر می باشد . با توجه به این تعریف ، خودروی هیبرید الکتریکی ، خودرویی است که علاوه برموتور الکتریکی از انواع موتورهای دیگر برای فراهم آوردن انرژی حرکتی ، استفاده کند. انواع مختلفی از موتورها برای این امر درکنار موتورهای الکتریکی استفاده شده اند که برای مثال می توان از انواع متداول موتورهای CNG ، موتورهای استرلینگ، هیدروژنی و البته از انواع موتورهای بنزینی و دیزلی نام برد. دو سیستم تولید قدرت تواماً در تولید توان مورد نیاز خو درو نقش دارند . توان تولیدی هر یک از این دوسیستم در بخشی به نام جمع کننده، با هم ترکیب شده و به چرخ ها منتقل می شود. در واقع هیبرید معایب خودروهای برقی و احتراقی را تا حدی بر طرف نموده است،بطوری که در مدلی از تویوتا Prius ، از یک موتور الکتریکی با توان تولیدی 30- 50 کیلووات در کنار موتور چهار سیلندر 1500 سی سی با کارایی بالا استفاده شده است که مصرف سوخت ان را به 2.4 لیتر در 100 کیلومتر تقلیل داده است. بازده بالا، آلایندگی کم، مسافت قابل پیمایش بالا، ایمنی مطلوب ،از جمله ویژگیهای حائز اهمیت برای خودروهای هیبریدی است. میزان مصرف سوخت و آلایندگی در ساختارهای هیبریدی به صورت قابل توجهی از حالت اصلی پایینتر می باشد. این مقادیر حتی فراتر از استانداردهای محیط زیست می باشد.تنها عاملی که می تواند مانع تولید فراگیر این نوع از خودروهاباشد، قیمت تمام شده آنها است . موتور الکتریکی، مجموعه باتر یها،کنترلرها و مبد لهای الکتریکی ساختارهای هیبرید ، باعث می شود تا قیمت و وزن این خودروها افزایش چشمگیری داشته باشد ؛ همچنین این خودروها با توجه به مودهای حرکتی ای ، از کنترل نسبتاً پیچید های برخوردارند .

موتور تویوتا پریوس(هیبرید)

فصل اول
مقایسه خودروهای هیبریدی با خودروهای دارای موتور احتراق داخلی
1- بررسى علت کاهش مصرف سوخت خودروهاى هیبرید در مقایسه با خودروهای احتراق داخلی
در این بخش ابتدا بررسى و تحلیل در مورد دلایل افزایش مصرف سوخت در خودرو احتراقى معمولى در شرایط مختلف حرکت ارائه خواهد شد. سپس میزان مصرف و تولید انرژى به صورت عددى و با انتگرال گیرى از منحنى توان زمان اجزاء محرکه اصلى در یک خودرو هیبرید ساخته شد در شرکت Volvo در مدت 50، ثانیه از حرکت آن محاسبه مى شود. آنگاه با استفاده از ضرایب بازده اجزاء سیستم، میزان مصرف انرژى و توان متوسط مصرفى در یک خودرو هیبرید و یک خودرو احتراق داخلى معادل با آن به روش شبیه سازى به دست مى آید و میزان مصرف انرژى و توان متوسط دوسیستم باهم مقایسه مى شوند.

2-تشریح سیستم هیبرید نمونه
اجزاء اصلى سیستم هیبرید سرى ک در کامیون هیبرید ساخت شرکت Volvo به کار رفته در شکل (5 الف( نشان مى دهد موتور دیزل 154Kw که با ژنراتور سه فاز سنکرون مغناطیس دائم کوپل شده است، وظیفه تولید انرژی الکتریکى را در سیستم بر عهده دارد. انرژى تولید شده یا مستقیماً به مجموعه موتور کنترلر الکتریکى که با چرخها کوپل شده است فرستاده مى شود و یا در مجموعه زوج باتریها ذخیره مى شود و در واقع مورد نیاز براى شتاب گیرى و یا زمانهاى خاموشى مجموعه موتور ژنراتور براى تامین انرژى الکتریکى محرکه خودرو مورد استفاده قرار مى گیرد.
به طورى که در شکل (5-2) دیده مى شود نحوه عملکرد و میزان فلوى انرژى در هر جزء از سیستم توسط واحدى به نام vmu کنترل مى شود. در واقع استراتژى کنترل توسط این واحد بر سیستم اعمال مى شود. اجزاء این سیستم هیبرید و محل آنها در شکل (5 ب) آمده است.

شکل 5 الف

شکل ( 5 ب) اجزا و محل نصب آنها در کامیون هیبریدى Volvo FL6
شکل (6 ) منحنى تولید و مصرف توان در اجزاء سیستم را در مدت 150 ثانیه از کار آن نشان مى دهد. در این شکل منحنى شمارهء2 یا (pedS) میزان توان مصرفى و یا تولید توسط مجموعه موتور اینورتر 6 منحنى شماره 2 یا (pgen)توان تولید شده توسط مجموعه موتور دیزل ژنراتور، منحنى شماره3 میزان توان داده شده به مجموعه باتریها یا گرفته شده از آنها بر حسب کیلو وات و منخنى شماره، میزان سرعت نقلیه بر حسب کیلو متر بر ساعت است.

شکل (6)
به طورى که ملاحظه مى شود در زمانهاى شتاب گیرى خودرو همچون زمانهاى =t 5 7 و 120 =، ثانیه توان مصرفى مجموعه موتور اینورتر توسط مجموعه باتریها و APL (مجموعه موتور دیزل ژنراتور) تامین مى شود. همچنین در مواقعى که سرعت ثابت است همچون 50 t= و t=100 ثانیه توان تولیدى توسط APU صرف غلبه بر اصطکاک جاده و شارژ باتریها مى شود و در هنگام کاهش سرعت همچون زمانهاى t=30 و t=75 و t=135 ثانیه جذب شده از مجموعه موتور اینورتر نیز صرف شارژ باتریها مى شود. به طورى که منحنى نشان مى دهد در این زمانها این مجموعه مى تواند خاموش باشد و یا اینکه به صورت هرز بگردد.
3-انرژی مصرف شده در خودرو هیبریدی
براى اندازه گیرى توان مصرف شده توسط مجموعه APU در خودرو هیبرید بر اساس منحنى شکل (6) ابتدا منحنیهاى اصلى توان و سرعت از این شکل استخراج مى شود. شکل(7 الف، ب، ج، پ، ت) منحنیهاى بوجود آمده توسط نرم افزار Matlab را نشان مى دهد و براى محاسبه توان مصرف شده توسط APU مى توان از منحنیهاى حالت ژنراتور و موتور دیزل استفاده و دست آخر توان مصرفى APL را محاسبه کرد که با توجه به عدم دسترسى به این منحنیها، این کار مستلزم وقت زیاد است. با توجه به عدم نیاز دقت بالا و توجه به هدف این مطالعه که مقایسه توان مصرفى در سیستم هیبرید و ICE معمولى است از این راه حل صرفنظر و با استفاده از ضریب بازده متوسط ارائه شده در مراجع این محاسبه انجام مى شود. در این جا سه خودرو کاملاً معادل از انواع هیبرید سرى، هیبرید موازى، و درونسوز معمولى ساخت شرکت فورد مقایسه شده اند. که براى مجموعه APU خودرو سرى جدول سرى )2( به دست مى آید.

جدول (2) : میزان متوسط بازده در نظر گرفته شده براى هر جزء APU سیستم هیبرید سرى
جزء در نظر گرفته شده
بازده متوسط %
بازده حداکثر %
ژنراتور سه فازه مغناطیس دائم
90
95
موتور دیزل کوپل شده با ژنراتور
2/40
43
مجموعه باطری
6/87
0
با توجه به مقادیر ارائه شده در جدول (2) مقدار کل انرژی سوخت مصرف شده توسط مجموعه APU به صورت فرمول (1) است.

Wins-Cons-hyb=1/86 e+4kws (1)
و توان متوسط مصرفی در مدت 150 ثانیه به صورت فرمول (2) است.
Pcons-hyb=ein-med-cons-hyb=win-cons-hyb/150
Pcons-hyb=107/7858kw (21)
در این حالت انرژی محاسبه شده باتریها what=-880/36 که نشان می دهد این انرژی بعد از مدت 150 ثانیه در باتریها ذخیره شده است.

4-میزان انرژی متوسط مصرف شده در خودرو درونسوز معادل
در اینجا نیز محاسبه انرژى مصرفى به همان ترتیب که در بخش قبل صورت گرفت انجام مى شود، با این تفاوت که ابتدا توان مصرفى مجموعه موتور اینورتر با استفاده از ضرایب بازده متوسط آن به بخش محور موتور منتقل مى شود و سپس با محاسبه افت حاصل از سیستم انتقال قدرت مکانیکى و با در نظر گرفتن میزان متوسط بازده موتور دیزل در خودرو احتراقى معمولى، مقدار انرژى مورد نظر به دست مى آید. با توجه به مقادیر بازده مطرخ شده در جدول (3) انرژى مصرف شده در خودرو درونسوز با خودرو هیبرید مطرح شده برابر خواهد بود با:
Win-Cons-hyb=
Win-eng-conv=1.9198e+4kws
و توان متوسط مصرفی برابر خواهد بود با:
Pin-eng-conv=win-eng-conv/150=127/9849kw
جدول3: بازده موتور مجموعه موتور اینورتر در خودرو هیبرید و موتور دیزل و سیستم انتقال نیروى محرکه در خودرو درونسوز معمولى با خودرو هیبرید
جزء در نظر گرفته شده
بازده متوسط%
بازده حداکثر %
مجموعه موتور اینورتر الکتریکی در خودرو هیبرید
86/8
92
مجموعه سیستم انتقال قدرت در خودرو درونسوز
92
–
موتور دیزل به کار برده شده در خودرو درونسوز
26
46/5

نکته قابل توجه اینکه توان مصرفى در موتور درونسوز با توجه به توان مصرفى حداکثر که معادل 628/11kw است در محاسبات حداقل 15kw در نظر گرفته شده است.
منحنى توان O' زمان خودرو درونسوز مورد نظر به عنوان مقایسه در شکل (7) آمده است. به طورى که در این شکل ملاحظه مى شود موتور دیزل خودرو درونسوز معمولى باید نقطه اوجهاى بسیار مرتفعى را در زمان شتاب گیرى ایجاد و در زمانهاى عدم نیاز به آن یا در زمان بارهاى کم به صورت هرز کار کند، به علاوه اینکه موتور احتراقى فقط مصرف کننده انرژیى است. هیچگونه بازیابى انرژیی ندارد، در صورتى که مجموعه موتور اینورتر درخودرو هیبرید داراى مزیت بازیابى انرژى است. به همین علت موتور دیزل به کار رفته در این خودرو داراى بازده پایینى است.

شکل (7)

فصل دوم
موتورهای الکتریکی

محرکه الکتریکی در وخودروهای برقی وهیربد بعنوان یک منبع تولید انرژی مکانیکی تلقی می شودبه طوری که انرژی الکتریکی را ازباتریهادریافت نموده وبه انرژی مکانیکی برای به حرکت درآوردن خودرو تبدیل می شود . یک سیستم محرکه الکتریکی شامل موتورالکتریکی،مبدل الکترونیک قدرت و کنترل الکترونیکی می باشد . شکل (1) بلوک دیاگرام یک سیستم محرکه یک خودروی برقی نمونه را نشان می دهد ، که فلش های پررنگ نشان دهنده قدرت انتقالی وفلش های کمرنگ نشان دهنده علائم انتقال دهنده می باشد. بخاطر وجود ترمز ژنراتوری ، جهت انتقال قدرت به صورت معکوس نیز امکانپذیر می باشد . بستگی به استراتژی کنترل موتور ، دستورات راننده واطلاعات بدست امده از سیستم مدیریت انرژی ، کنترل الکترونیکی سیگنالهای مناسبی را برای مبدل قدرت فراهم می آورد . این سیگنال ها تقویت شده تا سوئیچینگ مناسب توسط سوئیچ های قدرت انجام گیرد . بنابراین مبدل الکترونیک قدرت ، قدرت جاری بین باتری ها و موتور را در حالت موتوری و ژنراتوری تنظیم می نماید .

موتورهای الکتریکی بیشتر از یک قرن است که پا به عرصه صنعت نهاده اند . تکامل موتورها بر خلاف علم الکترونیک وکامپیوتر کند انجام گرفته است . با اینحال پیشرفت موتورها پیوسته توسط انرژی بالای آهنربای دائم وتکنیک های قوی طراحی با کمک کامپوتر تکامل یافته اند . شکل (2) انواع موتورهای الکتریکی موجود را نشان می دهد.
انواع گوناگونی ازموتورهای الکتریکی برای استفاده درخودروهای برقی پیشنهاد وبررسی شده اند . ازانواع موتورهای الکتریکی که دراین زمینه مورد بررسی قرار گرفته اند می توان به موتور جریان مستقیم ، موتور القایی ، موتور با اهنربای دائم و موتور رلوکتانس سوئیچ شونده اشاره نمود .
برخی از ویژگی هایی که سیستم درایو الکتریکی مورد استفاده در خودروهای برقی و هیبرید باید دارا باشد : گشتاور راه اندازی بالا ، قابلیت صرفه جویی در مصرف انرژی ، وزن مناسب ، چرخش نرم وبدون ضربانهای گشتاور است . علاوه برموارد فوق ، ویژگی های دیگری نیز باید درنظر گرفته شود که مخصوص خود درایو خودرو برقی و هیربید نبوده وحالت عمومی دارد مانند ، استحکام مکانیکی ، مقاومت در برابر شرایط محیطی مختلف قیمت مناسب ، حجم قابل قبول درایو وغیره .

شکل2
1-موتورهای جریان مستقیم(DC)
موتورهای (DC) دارای یک سیم پیچی تحریک برروی استاتور وسیم پیچی تحریک توسط منبع dc تغذیه می شود تا شار درون ماشین شکل گیرد ، از طرفی جریان الکتریکی از منبع dc از طریق جاروبک وارد آرمیچر می شود که به دلیل وجود میدان قطبهای استاتور گشتاوری پدید می آید .
موتورهای dc دارای مزایا ازقبیل : انعطاف پذیری ، گشتاور شروع بکار نسبتا خوب ، کنترل سرعت ساده ، ضربان چرخش کم ، عدم نیاز به منبع تغذیه با فرکانس متغیر و معایبی مانند : وجوداتصالات لغزنده ، نیاز به نگه داری وتعمیرات دوره ای ، قابلیت اطمینان کم ، قیمت نسبتا بالا ، وزن ، حجم واینرسی بالا ، نیاز به مبدل dc به dc (چاپر) ، عدم قابلیت استفاده در محیط های با گرد وغبار وانفجار وراندمان نسبتا کم می باشند .

2-موتورهای سنکرون آهنربای دائم(DMSM)
با جایگزینی سیم پیچی میدان با آهنربای دائم ، موتور سنکرون می تواند جاروبک ها ، حلقه های لغزان وتلفات مسی میدان راحذف نماید.آهنربای دائم ، موتورهایی با تحریک دائم را بوجود می آورد .
یکی از معایب این موتورها هزینه اولیه بالای آنها می باشد . وقتی آهنربا در سطح روتور قرار گیرد موتور سنکرون بصورت قطب صاف عمل می نماید ، زیرا نفوذ پذیری آهنربای دائمی مثل هوا می باشد. از طرف دیگر با قرار دادن آهنربای دائمی درون روتور خاصیت قطب برجسته بودن باعث ایجادیک گشتاوررلوکتانسی می شود که این امر باعث بوجود آمدن محدوده وسیعتر سرعت در قدرت ثابت می شود .
آهنربای فریت ، النیکو ، ساماریوم – کبالت ونادیمیوم – آهن – برون و هرکدام دارای ویژگیهایی هستند که در موارد خاص خود به کار برده می شوند . فریت دارای قیمت پایین وپسماندگی پایین می باشد . الینکو دارای مشخصه مغناطیسی غیر خطی است .
ساماریوم – کبالت که از مواد مغناطیسی نادر وکمیاب می باشد دارای پسماند بالایی است، ولی قیمت آن بسیار زیاد می باشد . پرکاربردترین این آهنرباها نادیمیوم – آهن – برون می باشد که دارای پسماندگی بالا وقیمت نسبتا پایین است .

3-موتورهای DC بدون جاروبک آهنربای دائم(BDCM)
این موتور با معکوس کردن استاتور و روتور موتور dc آهنربای دائم بوجود می آید که آنرا موتور ac تغذیه با منبع مستطیلی شکل نیز می نامند . مزیت آشکار این موتورها حذف جاروبک ها ومشکلات ناشی از جاروبک ها می باشد .
مزیت دیگر این موتورها توانایی تولید گشتاور بیشتر در جریان و ولتاژ برابر بعلت اثر متقابل بین جریان مستطیلی ومیدان مغناطیسی مستطیلی می باشد . بعلاوه ساختار بدون جاروبک فضای بیشتری را برای سیم پیچی آرمیچر فراهم آورد وبنابراین باعث افزایش چگالی قدرت می شود . گرچه ساختار این گونه موتورها بسیار مشابه با موتور های سنکرون آهنربای دائم می باشد،اما تفاوت آنها در تغذیه این دونوع موتور می باشد.
موتورهای dc بدون جاروبک با آهنربای دائم بوسیله موج ac مستطیل تغذیه می شوند، درحالیکه موتورهای سنکرون آهنربای دائم بوسیله موج سینوسی یا PWM تغذیه می شوند .

4-موتورهای رلوکتانسی سوئیچ شونده(SRM)
ایده اصلی موتورهای رلوکتانسی سوئیچ شونده از موتورهای پله ای با رلوکتانس سوئیچ شونده شامل یک استاتور قطب برجسته ( که از فولاد ورقه ورقه ساخته شده ) ویک روتور قطب برجسته (که معمولا از فولاد ورقه ورقه ساخته شده ) می باشند . در این موتورها روتور به هادی وبه آهنربای دائم نیازی ندارد . معمولا تعداد قطبهای استاتور و روتور متفاوت است .هرچه تعداد قطب های روتور و استاتور زیادتر باشد ضربان گشتاور کمتر خواهد بود .
سیم بندی استاتور دراین موتور ها ازنوع متمرکز می باشد ودر مقایسه با سیم بندی گسترده تر ارزانتر است . سیم بندی استاتور در این موتورها از نوع متمرکز می باشد و در مقایسه با سیم بندی گسترده ارزانتر است .
سیم بندی های استاتور قرار گرفته روی قطبهای روبروی هم به صورت سری با یکدیگر متصل می شوند تا یک فاز استاتور را تشکیل دهند . بنابراین موتوری با استاتور شش قطب وروتور چهار قطب یک ماشین سه فاز می باشد و البته موتوری با استاتور دوازده قطب وروتور هشت قطب نیز یک ماشین سه فاز است ، اما هر فاز استاتور دارای چهار قطب می باشد دراین موتورها توالی پالسهای جریان برای هرفازاستاتوربوسیله بکارگیری یک مبدل قدرت مناسب انجام میگیرد.مشابه موتورهای dc آهنربای دائم بدون جاروبک این موتورها معمولا نیاز به سنسور موقعیت دارند . هرچند موتورهای رلوکتانسی سوئیچ شونده نمی توانند راندمان یا چگالی قدرت همانند موتورهای ac آهنربای دائم بدست آورند .این نوع موتورازجهات بسیاری شرایط یک موتوربرای خودروهای برقی راداراست . وزن کم وکنترل ساده آن ازمزایای این نوع موتورمی باشد. اما مشکل اصلی قیمت بالای آن می باشد .
5-موتورهای القائی(I M)
موتورهای القایی نیزمانند سایر موتورها از یک قسمت ساکن به نام استاتور ویک قسمت متحرک به نام روتورتشکیل شده اند.روتورموتورهای القایی از نظر ساختار بر دو نوع قفس سنجابی و روتور سیم پیچی شده تقسیم میشوند.
ازمیان انواع مختلف موتورهای الکتریکی،موتورهای القایی بویژه نوع روتور قفس سنجابی دلیل مزایایی مانند عدم وجود کموتاتوروجاروبک ، نیاز به نگه داری کم ، قابلیت اطمینان نسبتا خوب ، قیمت مناسب، وزن،حجم واینرسی نسبتا کم، راندمان خوب وقابلیت بکارگیری در محیط های با گرد و غبار ومحیط های قابل انفجار بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند . همچنین تکنولوژی ساخت موتورهای القایی در مقایسه با سایر موتورها شناخته شده تر می باشد .

6-مفایسه چند نوع موتورهای الکتریکی مورد استفاده در خودروهای برقی و هیبریدی
انتخاب موتورهای الکتریکی برای خودروهای برقی وهیبرید توسط سه فاکتور ارزیابی می شود ؛ وزن ، راندمان وهزینه ، مقایسه ای از این سه فاکتور برای موتور جریان مستقیم ، موتور القایی ، موتور با آهنربای دائم وموتور با رلوکتانس سوئیچ شونده و در جدول (1) آمده است. مبنای مقایسه یک موتور 50 کیلو وات می باشد که مبدل قدرت با سوئیچ های IGBT فرض شده است.

جدول (1) مقایسه وزن (برمبنای PM=100) راندمان وهزینه (برمبنای DC=100) چند موتور الکتریکی ومبدل مربوطه

7- استراتژیهای بکار گیری تعداد موتور و کنترلر الکتریکی در خودروهای برقی وهیبرید
در خودروهای برقی وهیبرید سری می توان بجای استفاده از یک موتور و کنترلر دو موتور و دو کنترلر جداگانه ( یا موتور داخل چرخ ) جهت حذف سیستم دیفرانسیل استفاده نمود ، ازطرفی می توان جعبه دنده را نیز حذف کرد . حال به بررسی و مقایسه این دو استراتژی پرداخته می شود :

8- سیستم محرکه با یک موتور
در شکل (3- الف ) معمولترین نوع سیستم محرکه همراه با جعبه دنده ودیفرانسیل نشان داده شده است . این نوع محرکه در خودرو های با احتراق داخلی بهترین انتخاب می باشد،زیرا ماکزیمم گشتاور خروجی در این نوع موتور احتراقی با تغییر سرعت، تغییر می نماید و عموما گشتاور خروجی در سرعتهای خیلی پایین یا خیلی بالا به اندازه ی کافی بزرگ نمی باشد.
در این شکل موتور احتراقی به سادگی با یک موتور الکتریکی جایگزین شده است. هر چند تلفات انرژی به دلیل وجود جعبه دنده و سیستم دیفرانسیل غیر قابل اجتناب میباشد.انرژی الکتریکی با دارا بودن مزایای بسیار، به سادگی قابل تبدیل به انرژی مکانیکی از طریق یک موتور الکتریکی میباشدو عموما موتور الکتریکی دارای مشخصه گشتاورثابت در ناحیه سرعت پایین تراز سرعت پایه و توان ثابت در ناحیه الکتریکی نیاز میباشد که این باعث ارزان تر شدن سیستم و هم چنین سادگی بسیار زیادی در سیستم کنترل در مقایسه با روش های دیگر میشود. در خودرو های برقی و هیبرید سری میتوان از ساختارهای دیگری نیز همانطور که در شکل (3) نشان داده شده است ، استفاده نمود.

شکل(3) استراتژی های به کارگیری موتورهای ا لکتریکی در خودروهای برقی و هیبرید

(سری) (الف) ساختار تک موتور به همراه جعبه دنده ف سیستم انتقال و دیفرانسیل( ب ) ساختار تک موتوربا حذف جعبه دنده(ج)ساختاردو موتور و دو کنترلر به همراه سیستم انتقال و حذف جعبه دنده و دیفرانسیل (د) ساختار موتور داخل چرخ

9- سیستم محرکه با دو موتور و دو کنترلر (موتورهای داخلی چرخ )
در این استراتژی همانطور که در شکل (3-د) نشان داده شده محرکه با دو موتور که به طور مستقیم به دو چرخ متصل میشود به کار میرود .در این طرح دو موتور و دو کنترلر لازم میباشد.
به دلیل عدم نیاز این استرتژی به سیستم دیفرانسیل وجعبه دنده راندمان کل سیستم بالاترمیباشد ولی به دلیل وجود دوموتورودو کنترلر الکتریکی هزینه وپیچیدگی سیستم کنترل بسیار بالاتر از مدل تک موتور می باشد . موتورهی الکتریکی در این نوع اتصال می بایست دارای راندمان بالایی باشند . این نوع اتصال بیشتر درخودروهای سواری به کار می رود . دراین طرح کنترل گشتاور توسط مبدل الکترونیک قدرت طوری انجام می گیرد که عمل دیفرانسیل را انجام دهد .
10- سوئیچ های نیمه هادی مورد استفاده در خودروهای برقی وهیبرید
درسالهای اخیر ،تکنولوژی ساخت سوئیچ های الکترونیک قدرت پیشرفت
چشم گیری داشته است . سوئیچ های الکترونیکی قدرتی اخیر نظیر
SITH,SIT,IGBT, MOSFET,BIT,GTO و MCT معرفی شده اندتا
بتوان مبدلهایی با عملکرد عالی وتلفات کم طراحی نمود . انتخاب قطعات
قدرت برای محرکه خودروهای برقی مبتنی بر میزان ولتاژ ،جریان ،فرکانس
کلید زنی ، تلفات ومشخصه دینامیکی مورد نیاز می باشد.میزان ولتاژ بستگی به ولتاژ نامی باتری ، ماکزیمم ولتاژ در حین شارژ وماکزیمم ولتاژ در طول تمز ژنراتوری دارد. میزان جریان بستگی به میزان توان پیک موتور و تعداد قطعات متصل شده به طور موازی دارد . فرکانس کلید زنی می بایست به اندازه کافی زیاد باشد تا نویز صوتی ، اندازه فیلتر ومسئله تداخل با امواج الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش دهد .از طرف دیگر فرکانس کلید زنی زیاد باعث افزایش تلفات کلید زنی می شود از آنجائیکه یک درصد رآندمان بیشتردرمحرکه خودروی برقی منجربه توانایی چند کیلومتر برد بیشتر در رانندگی می شود ، تلفات کلید زنی وهدایت باید مینیمم شوند . مشخصه دینامیکی باید به اندازه کافی جالب باشد تا قابلیت تحمل
di/dt,dv/dt زیاد را داشته باشد و همچنین کنترل این قطعات ساده باشد . موازی کردن سوئیچ های نیمه هادی و از طرفی حفاظت ، قابلیت اعتمادوهزینه قطعات نیز از مسائلی است که باید مدنظر قرار گیرند .

جدول4
درمیان سوئیچ های قدرت موجود MCT , IGBT,MOSFET,BJT,GTO برای محرکه خودروهای برقی مناسب می باشند . بعضی از مشخصات این قطعات در جدول (4) آمده است . در حال حاضر IGBT بخاطر آمپلانس ورودی بالا ومشخصه سرعت بالا همانند MOSFET ومشخصه هدایتی همانند BJT وقابلیت فرکانس بالا پر طرفدارترین قطعه می باشد.دراینده نزدیکMCT یکی ازقطعات برگزیده درخودروهای برقی خواهد بود ، زیرا دارای سرعت کلید زنی بالا ، مشخصه دینامیکی عالی و قابلیت اعتماد بالا می باشد .

فصل سوم
موتورهای احتراق داخلی

1- کاربرد موتورهای احتراق داخلی در وسایل نقلیه هیبرید
تفاوت های زیادی بین استفاده از موتورهای احتراق داخلی در وسایل نقلیه معمولی و وسایل نقلیه هیبریدی وجود دارد . برای اینکه از یک موتور احتراق داخلی در وسیله نقلیه هیبریدی استفاده کنیم باید موتور را اساسا بدین منظور طراحی کنیم .
در تحقیقی که به وسیله TNO انجام شد مشخص شد که موتورهای احتراق داخلی اگر براساس نیازهای هیبرید طراحی شوند وبا آن وفق داده شوند توانایی آن را دارند که آلودگی را تا نزدیک صفر کاهش دهند . این تحقیق برروی یک عدد موتور CNG که در اتوبوس شهری به کار رفته بود ویک عدد موتور دیزل که در اتوموبیل های سواری مورد استفاده قرار گرفته بود انجام شد .
یکی دیگر تز مواردی که باید درباره موتور احتراق داخلی در نظرگرفته شود تنظیم آن با روش کنترل قدرتی است که ما انتخاب کرده ایم . اتوموبیلها هیبریدی حمل ونقل فوق العاده تمیز را فراهم می کنند . هنگامی که یک هیبرید سری بطور مناسب طراحی شود می تواند مزایای وسایل نقلیه الکتریکی باتری دار داشته باشد ومعایب آن را حداقل کند . مزایای یک هیبرید سری را می توانیم چنین نام ببریم :
1- سوخت پربازده (استفاده موثرموتورو امکان استفاده ازذخیره سازی نیروی ترمزی)
2- امکان رساندن سطح آلودگی به صفر
3- طراحی آزاد
4-آزادی انتخاب واحد قدرت کمکی APU (نوع مولد قدرت کمکی وسوخت آن)
5-امکانات مختلف با تکنولوژی های پیشرفته
معایب هیبرید سری عبارتند از :
1- افزایش جرم ، پیچیدگی زیاد وافزایش هزینه
2- راننده با این نوع اتوموبیل نمی تواند به خوبی رانندگی کند زیرا نمی تواند ارتباط مناسب با اتوموبیل برقرار کند .
3- به کار بردن محرک مستقیم ممکن نیست (بازده زیاد در سرعت های ثابت بالاست)
4- ظرفیت محدود دستگاه طراز یابی بار (LLD) که می تواند بازده را اگر اتوموبیل در شکل تمام الکتریک یا حالت شارژ پایین باشد کاهش دهد.
تنوع زیادی در استفاده از واحدهای قدرت کمکی … برای استفاده دراتوموبیل های هیبریدی وجود دارد . به احتمال زیاد موتور احتراق داخلی … که قابلیت استفاده از سوخت های مختلف را دارد انتخاب می شود . تفاوت های اساسی بین استفاده از موتور های احتراق داخلی (ICE) در وسایل نقلیه هیبرید وجود دارد . که البته این تفاوت ها ناشی از عملکرد موتور ونحوه ارتباط آن باسیستم انتقال قدرت هیبرید مانند ارتباط آن با موتور – ژنراتور یا با دستگاه کنترل کننده می باشد .

2- نکات مهم در طراحی موتورهای احتراق داخلی برای سیستم هیبرید
یکی از مسائل مهمی که برای کاربرد موتور احتراق داخلی (ICE) در هیبرید سری مطرح می شود توانایی ارتباط آن با تکنولوژی های جدید از جمله باتری ها ، موتورهای الکتریک و الکترونیک قدرت (کنترل کننده ها ) می باشند ازطرفی به موتور احتراق داخلی به دید یک جزء بسیار سودمند نگریسته می شود . بنابراین باید مخصوص وسایل نقلیه هیبرید طراحی شود استفاده از استاندارد موتور احتراق داخلی برای وسیله نقلیه هیبرید تنها به عنوان یک راهنما نیست بلکه به عنوان عامل اصلی در کاهش سطح آلاینده ها وسیستم انتقال قدرتی که فقط مخصوص راه های دورنیست می باشد.
درهیبرید های سری موتور احتراق داخلی به ژنراتور کوپل شده است این ژنراتور ها فقط وظیفه دارند تا قدرت متوسط مورد نیاز را تامین کنند نیازبه گشتاور های بالا(ماکزیمم قدرت مثبت یا منفی مانند شتابها یا بازیافت نیروهای ترمزی )توسط ابزار تراز یا بی بار(باتری های با قدرت بالا)برآورده میشود.اثر موارد فوق این است که موتور میتواند کوچکتر باشد. روش دوم این است که موتور احتراق داخلی با بار هیچگونه ارتباطی ندارد، بلکه عملکرد آن محدود به نقاطی شده است که سوخت در آنجا حداکثر بازده را داشته باشدو همچنین آلودگی تولید شده حداقل باشد. برای بکار بردن یک موتور احتراق داخلی در وسیله نقلیه هیبرید باید موارد زیر مد نظر قرار بگیرد:
1- تعیین خصوصیات کلی(قدرت، بازده، آلودگی، صدا) ICE که بستگی به خواسته های ما و نحوه انتخاب انرژی برای وسیله نقلیه دارد .
2- تعیین نقاط کار موتور (گشتاور وسرعت ) که وابسته است به روش کنترل قدرت،
نتایج آلودگی و بازده هنگامی که این نقاط تغییر می کند .
3-بهینه کردن موتور برای کار در این نقاط ممکن است شامل تنظیم سیستم تزریق سوخت وسیستم جرقه باشد ، همچنین تنظیم تایم سوپاپ ومانی فولدورودی .
4-جور کردن یک سیستم خنک کننده موتور که شامل اندازه گیری میزان خنک کنندگی سیستم می باشد .ترکیب سیستم خنک کن موتور باسیستم های دیگر هیبری (خنک کردن اجزای دیگر، ترمز الکتریکی بازدارنده )، امکانات پیش گرم کن وامکان گرم کردن قسمت مسافری هنگامی که ICE خاموش است .
5- فراهم کردن یک سیستم تحلیل کننده خروجی
6- کوپل کردن موتور به ژنراتور (کنترل پایدار ، اتصالات مکانیکی ، امکان حذف کردن الترناتور ، موتور استارت وفلایویل ).
7- رضایت بخش بودن عمل روشن وخاموش شدن (صدا ، سایش ، آلودگی ها ، بازده).
واضح است که تحقیق سهم بزرگی در پیشرفت وسایل نقلیه هیبرید بر عهده دارد . نه فقط دانستنی های موتور احتراق داخلی نیاز است بلکه وضعیت کنونی جهان ، اجزای دیگر هیبرید (اجزای الکترومکانیکی ، الکترونیک قدرت وباتری ها ) وروش ها ی شبیه سازی (موتور ها ، انتقال قدرت ها، سیستم های کنترل ) مورد نیاز می باشد . دونوع وسیله نقلیه که تفاوت زیادی بین قدرت متوسط وقدرت به کار گرفته شده ماکزیمم دارد اتوبوس های شهری ووسایل نقلیه سواری می باشند . تحقیق کردن درباره استفاده از انتقال قدرت هیبریدی و بهینه کردن موتور در این دو نوع اتوموبیل با صرفه می باشد.
3- استفاده از موتور CNG برای اتوبوس شهری
جدول شماره (1-3) مشخصات یک اتوبوس هیبرید را نشان می دهد . این اتوبوس دارای یک موتور احتراق داخلی است که باگاز طبیعی فشرده کار می کند.

جدول(1-3)
برای بهبود این سیستم موتور دیزل استاندارد کنار گذاشته شده است وبه جای آن یک موتور کوچک با حجم … قرار گرفته است وبا CNG کار می کند . این موتور به دقت برای شرایط کاری مختلف وآلودگی های تولید شده مورد بررسی قرار گرفته است .
موتور با قدرت ثابت می تواند 27kw تا 32kw قدرت تولید کند . کمبودهای قدرت مورد نیاز هنگام رانندگی از باتری گرفته می شود . سرعت موتور تا1850rpm تنظیم می شود .بسته به قدرت خواسته شده گشتاور می تواند بین 75% تا 100% تغییر کند .
جریان گاز خروجی اندازه گیری شده است وتوسط سیستم کنترل با پسخورانداز موتور بهینه شده است واین بیانگر آن است که اگر سطح تولید آلودگی موتور احتراق داخلی پایین نباشد خیلی مهم نیست ، زیرا با این سیستم می توانیم گاز خروجی را به صورت نرمال در آوریم .
برطبق جریان های گرمایی سیستم خنک کاری طراحی می شود . دریک اتوموبیل معمولی سرعت اتوموبیل توسط راننده با پدال گاز انجام می شود ، ولی در مورد هیبرید موتور به ژنراتورکوپل شده است ونیاز به یک کنترل کننده سرعت موتور احتراق داخلی دارد . تنظیم کنترلر ضروری است تا این سیستم بهینه عمل کند .زمان تاخیر بین سوپاپ گاز گشتاور موتور وسرعت خروجی برای موتور باسیکل اتو خیلی مهم است . موارد دیگری مانند سیستم خروجی مانند قبل طراحی می شود .
چهار اتوبوس با هم مقایسه شده اند ونمودار شکل (1) بدست آمده است .
* یک دیزل پیشرفته با جعبه دنده اتوماتیک یا معمولی .
* یک هیبرید سری با یک موتور دیزل کوچک مدرن ، بهینه شده برای هیبرید.
* یک اتوبوس با سوخت LPG/CNG با جعبه دنده اتوماتیک یا معمولی .
* یک هیبرید سری با موتور کوچک با سوخت LPG/CNG .
درشکل (1) میزان تولید NOx,CO,HC وذرات دیگر همچنین مصرف سوخت نشان داده شده است.

شکل1

4-استفاده از موتور دیزل TDI برای یک خودروی هیبریدی
همانطور که قبلا ذکر شد ، یک موتور دیزل آلودگی کم تولید می کند و مصرف سوخت پایینی دارد.بنابراین موردتوجه جدی محققین برای بکاربردن دراتوموبیل های هیبریدی قرار گرفته است . موتورهای دیزل نسبت به انواع APU دارای بازده بالاتری هستند .
یکی از عیب های موتور دیزل این است که در بار زیاد ، سطح آلودگی آن رضایت بخش نیست .
بعداز اینکه بازده ونقاط کار موتور دیزل تعیین شد (براساس برنامه خواسته شده وشبیه سازی کامپیوتر ) موتور برای کاربرد در اتوموبیل هیبریدی بهینه شده است . گوناگونی در موتورهای دیزل باعث می شود تا موتوری با حداقل آلودگی وحداکثر بازده انتخاب کنیم.برای بدست آوردن قدرت زیاددریک اتوموبیل هیبرید ، موتور باید با حداکثر قدرت کار کند وباعث می شود تا NOx وذرات معلق بیشتری تولید شوند . بنابراین از سیستم هایی همچون EGR ویا اکسداسیون استفاده شده است.
EGR یعنی مخلوط کردن بخشی از دود با هوای ورودی موتور برای کاهش اکسدهای نیتروژن .
… نسبت هوا وسوخت پایین تر باعث می شود تاذرات کربن تولیدی کوچکتر باشد . هرچه ذرات کوچکتر باشند ، اکسیداسیون بهتر صورت می گیرد . درهمان زمان روی مقدار EGR محدودیت اعمال می شود تا اینکه بتواند مقدار قابل قبولی دود را استفاده کند .همچنین اگر ضریب زاویه فشار (شیب فشار ) بین فشار ورودی وخروجی متناسب نباشد ، EGR با مشکل روبرو خواهد شد .
اگر از یک گلوگاه روی ورودی هوا استفاده شود ، باعث می شود تاضریب زاویه فشار مقدارمناسب خودراحفظ کند. سوخت بعد از خروج وارد یک نوع مخزن می شود ومبدل DENOX اکسید نیتروژن را احیاء می کند وذرات را بازیافت می کند با CRT.
ازمزیت های CRT این است که زمینه اکسید شدن HC,CO را فراهم می کند. محدوده درجه حرارت برای اجزایی که بعد ازخروج دود کار می کنند بوسیله کار موتور، موقعیت سیستم وعایقکاری حرارتی مشخص می شود .(کمتر از 250 سانتی گراد برای CRT و400 سانتی گراد برای بازیافت کننده DENOX ) همچنین ممکن است از یک پیش گرمکن نیزاستفاده شود.سیستم تزریق سوخت نقش مهمی در کاهش hلودگی دارد .از طرفی مبدل مخزن … نقش مهمی درکاهش CO,HC دارد .

یکی از راه های کم کردن آلودگی این است که سوخت را زودتر از موقع داخل سیلندر بپاشیم که این عمل همچنین باعث کم شدن صدای احتراق خواهد شد . سیستم سوخت رسانی دارای واحد انژکتور یا ریل مشترک می باشد .
در موتورهای دیزل معمولی نتیجه سوار کردن توربو شارژ روی موتور رضایت بخش بوده است . درنوع هیبرید ، با توجه به اینکه کاربرد موتور محدودتر شده است واز طرف دیگر تعداد دفعات روشن وخاموش شدن اتوموبیل زیاد است .بنابراین تحقیق درمورد اینکه چه نوع توربو شارژ روی این موتور قرار بگیرد ادامه دارد و سیستم های حرارتی وبرودتی موتور طوری طراحی شده اند تا طول عمر روغن را بیشتر کنند وآب را خنک کنند وهمچنین درجه حرارت مناسبی را برای هوای ورودی فراهم کنند .
شکل شماره (2) سیکل کار یک موتور را نشان می دهد . دراین مثال می بینیم قدرت موتور … است . برای ترسیم این نمودار آزمایشات زیادی انجام گرفته است . بازده سوخت افزایش پیدا کرده است (40% مصرف سوخت نسبت به نوع معمولی کم شده است ) .
برای کنترل اتوموبیل های هیبریدی پیشرفت های صورت گرفته است . همچنین برای کنترل ICE راه های زیادی ارائه شده است . از جمله :
1. انتخاب نقاط کار برای ICE که سیکل موتور احتراق داخلی را بخوبی مشخص می کند .
2. روش های روشن و خاموش شدن ICE ، البته تعداد دفعات روشن و خاموش شدن اتوموبیل تحت تاثیر جاده ومهارت جاده ومهارت راننده است . نحوه روشن و خاموش شدن نیز کنترل می شود .
3. روشهای ترمز گیری وکنترل آن (الکترونیکی ، مکانیکی ، بازیافت نیروی ترمزی)
4. کنترل موتور .
5 . الگوریتم کنترل دستگاه ژنراتور

شکل2

5-موتور STYECH

یکی از مسائل مهم در دراتوموبیل های هیبریدی اندازه موتور احتراقی وفضای اشغال شده توسط آن است ازمسائل دیگرمطرح شده NVH می باشد. با استفاده از تکنولوژی معروف بهsytech( scotch yokc engine technology ) با قیمت مناسبی می توانیم مشکلات قید شده در بالا را برطرف کنیم .
با استفاده از این تکنولوژی گشتاورها تا اندازه زیادی کاهش می یابد همچنین صدای کابین ونوسانات آن. (NVH یعنی صدا ، نوسانات وسختی زیاد ) با استفاده ازاین موتور احتراق داخلی می توانیم اجزاء بسیاری را حذف کنیم و وزن وسیله نقلیه را کاهش دهیم . این موتورها کاملا نرم کار می کنند به سه دلیل :
1- موتورها کاملا بالانس هستند وهیچ اینرسی یا گشتاور آزادی وجود ندارد .
2- صدای پیستون مکانیکی خیلی پایین است .
3- حداکثر نوسانات گشتاور خروجی خیلی پایین است .
هزینه ساخت موتور SYTech قابل مقایسه با موتورهای V شکل یا موتورهای سیلندر متقابل(موتورهای افقی) است . ترکیبات NOx که یکی از خروجیهای مضر هرموتور احتراق داخلی می باشند به اندازه 30% کاهش یافته اند . حرکت سینوسی پیستونهای موتور می تواند چنین کاهشی را امکان پذیر سازد ، بدون اینکه مصرف ویژه سوخت افزایش یابد . مکانیسم لنگ این موتورها مانند موتورهای معمول دیگر می باشد .
دوپیستون که حول محورمیل لنگ این موتورها مانند موتورهای معمول دیگر می باشد.
دوپیستون که حول محور میل لنگ می چرخند می توانند با هم زاویه داشته باشند . تفاوت عمده این موتورها با موتورهای معمولی این است که یاتاقان های خطی (لبه دار) به جای یاتاقان های معمولی استفاده کرده اند . (شکل 3) مزیت این یاتاقان ها این است که نیروی ناشی از گاز ونیروهای اینرسی را از شاتون به میل لنگ انتقال می دهند . البته از این یاتاقانها خیلی کم استفاده می شود وهر مهندسی باید با توجه به سرعت حداکثر وبار حداکثر بتواند برای استفاده خودش آنرا طراحی کند .
البته تضمینی وجود ندارد که یاتاقان خطی همانند یک یاتاقان معمولی دوام داشته باشد . هنگامی که یاتاقان بار سنگینی را انتقال می دهد در اطراف نقطه مرگ بالا و پایین سرعت لغزش زیاد می شود .

شکل3

شکل4
ترکیب اعمال هیدرو استاتیک وهیدرودینامیک در یاتاقان های خطی باعث می شود تا مکانیسم لنگ قابل اطمینان باشد . اگر یک سیستم روغن کاری خوب طراحی کنیم عمریاتاقان های خطی افزایش خواهد یافت با استفاده از این تکنولوژی مصرف سوخت، اندازه ووزن موتور وآلاینده های … را می توانیم کاهش دهیم و nvh را برای یک وسیله نقلیه می توانیم افزایش دهیم . جمع کردن این مسائل با همدیگر دریک وسیله نقلیه هیبرید خیلی مشکل است . موتورهای SYTech یک سیلندر افقی دارند که معمولا دو پیستون مخالف به صورت صلب توسط شاتون به هم متصل شده اند پایه های موازی این شاتونها سطوح یاتاقان چرخشی که توسط محور لنگ می چرخد انجام شده است .این یاتاقان شبیه به یاتاقان شاتون متصل به میل لنگ در موتورهای معمولی می باشد .
مجموعه پیستون وشاتون با یک حرکت کاملا سینوسی درامتداد محور سیلندر حرکت می کنند .
با بکار بردن خصوصیات ذکر شده می توانیم شاتون را کوچک انتخاب کنیم بنابراین دیر فرسوده می شود ، صدا ومسائل اصطکاک بهبود می یابد که همه اینها تحت تاثیر کاهش نسبت طول شاتون به شعاع لنگ ( L / R) می باشد . این نسبت برای موتورهای معولی 4/3 تا 4 است .
در موتورهای SYTech نسبت ( L/R ) تقریبا برابر 5/2 است . بدین وسیله می توانیم اندازه موتور را کوچک انتخاب کنیم . حرکت سینوسی این امکان را به مامی دهد که نیروهای اینرسی وگشتاورها کاملا بالانس شوند ، توسط این شفت متعال کننده با سرعت موتور می چرخد و میل لنگ موتور SYTech کوتاهتر از میل لنگ های معمولی می باشد به همین خاطر هزینه ساخت وتنشهای وارده بران کمتر است وپیچش در آن کاهش یافته است یعنی درکل تعادل موتور خیلی بهتر است . ارتفاع لنگها کم است بخاطر همین مساله می توانیم موتور احتراق داخلی را زیر صندلی اتاق در بیرون نصب کنیم.
با این ترکیب موتور الکتریکی وژنراتور جای کمی را اشغال خواهند کرد .

6-مزیت موتورSTYECH برای کاربرد در خودروهای هیبریدی
موتورهای SYTech تمام مزایای موتورهای سیلندر متقابل را دارا هستند . موتورهای معمولی اگرچه خیلی عریض نیستنداغلب بین اجزاء سیستم تعلیق جلو بسته می شوند.
در اتوموبیل هیبرید با وجود وسایل الکتریکی فضا برای موتور احتراق داخلی کاهش می یابد . پس موتور با عرض وطول کوچکتر باید انتخاب شود .
مقادیر(L.W.H) تا حدود 35% الی 50%دراین موتورها نسبت به موتورهای معمولی کاهش پیدا کرده است . با طراحی مناسب برای مانیفولدهای ورودی و خروجی و بعضی اجزاء دیگر اندازه موتور حدوداmm (500*300) کاهش می یابد ومرکز اینرسی آن به زمین نزدیکتر می شود . امنیت این نوع موتور نیز در حد خوبی است زیرا در اتوموبیل هایی که موتور معمولی دارند به هنگام تصادف موتور به داخل فرو می رود ، ولی موتورهایsytechz چون مسطح هستند وارتفاع زیادی ندارند اگر صندلی سرنشین کمی بالاتر از موقعیت اصلیش نسبت به اتوموبیل های معمولی قرارگیرد ومی توان آن را زیر صندلی راننده البته بیرون جا داد.
که با بکار بردن باتری ها وموتور در زیر کابین (اتاق) مرکز گرانیگاه بسیار پایین قرار می گیردوامنیت را افزایش می دهد . خصوصا مواقع شتاب گیری وترمز گیری در سرپیچها.
ارتفاع محفظه لنگ وسرسیلندرحدودا 300 تا 400 میلیمتر می باشد . کاهش مصرف سوخت برای افزایش بازده موتور، اصلاح مسیر قدرت وپدید آوردن شرایط ایده آل برای موتور وسیستم انتقال قدرت ، قطع ووصل کردن موتور احتراق داخلی با ابزار کنترل کننده ودر پایان کاهش نیروی مقاومت هوا همه بطور مستقیم با کاهش صدا مخالفت می کنند .
هدف اصلی یک وسیله نقلیه با کاهش وزن حدود 30% به خاطر مصرف سوخت کمتر به نظر می رسد که با موتورهای معمولی انجام پذیر نباشد وسطح NVH قابل قبولی را فراهم نیاورد . صداهایی که از موتور خطی منتشر می شود ناشی از تاثیرات اینرسی های آزاد وگشتاورها می باشد ، همچنین کار کردن با فرکانسهای 1hz,4khz,800hz,400 یکی دیگر از دلایل انتشار صدا می باشد . همه این صداها به هوا منتقل می شود . عموما کنترل صدا کار مشکلی است ، که جدیدا با سیستم های بسیار پیچیده توانسته اند تا حدودی صداها را کنترل کنند . برای از بین بردن نوسانات احتیاج به کمک فنرها ، تنظیم شاسی و اصلاحات زیاد دیگری داریم که باعث افزایش هزینه می شود . البته وزن را هم افزایش می دهد که در اتوموبیل های هیبریدی با وجود وسایل الکتریکی زیاد این مساله بحرانی خواهد بود . درموتورها وجعبه دنده های امروزی از وسایل سبکی استفاده می کنندکه توانایی جذب نوسانات وانتقال نیروهای دینامیکی را داشته باشد . با توضیحاتی که درباره SYTech داده شده می توانیم به عنوان مولد قدرت ازآنها در اتوموبیل های هیبریدی استفاده کنیم .

نتیجه :
با توجه به ویژگی های موتورهای SYTech یعنی کوچک بودن ، امنیت بالا ، نوسانات کم ، وزن زیاد ، وبا در نظر گرفتن اینکه هزینه ساخت وویژگی های موتورهای معمولی را نیز داراست بهترین گزینه برای خودروهای هیبریدی می باشد .

فصل چهارم
ترکیب بندی اجزا خودروهای هیبریدی

1- خودروهای برقی هیبریدی
اساس عملکرد هر خودرو برقی تبدیل انرژی الکتروشیمیایی ذخیره شده در مجموعه ای از باتریها به انرژی مکانیکی لازم برای حرکت خودرو است . یک مدار الکتریکی مشتمل برزیرسیستمهای مختلف امکان این تبدیل انرژی را فراهم می کند . خودروهای برقی شامل مجموعه ای از باتریها به عنوان منبع انرژی ، یک یا چند موتور الکتریکی به عنوان محرک مکانیکی ، سیستم کنترل که با توجه به فرمانهای راننده وشرایط جاده سیگنالی مناسب را جهت کنترل موتور ایجاد می کند ومبدل الکترونیک قدرت که با توجه به سیگنالهای ایجادشده توسط سیستم کنترل،ولتاژ ودرصورت لزوم فرکانس لازم برای موتور فراهم می کند ، می باشند . شکل (1) نمایی از یک خودروی برقی وارتباط بین اجزاء مختلف آن را نشان می دهد .

شکل1
راندمان مصرفی انرژی در خودروهای هیبرید پیشرفته هنگام عملکرد شهری تقریبا دو برابرراندمان خودروهای متداول می باشد.شکل(2) چگونگی مصرف انرژی درخودروهای هیبرید را به هنگام عملکرد شهری نشان می دهد .

شکل2

درادامه به مزایا ومعایب خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی اشاره کرده و آنگاه انواع ساختارهای هیبرید را بررسی می کنیم :

مزایای خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی :
قابلیت شارژباتریهادرحین حرکت ، نیاز به وزن وحجم کمتری از باتریها ، قابلیت اعتماد بیشتر بدلیل وجود دومنبع انرژی ، امکان استفاده از خودرو در مسافتهای طولانی تر .
2- معایب خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی

راندمان پایین تر و وزن بیشتر بدلیل افزایش تعداد مولفه های سیستم ، تولید آلودگی (البته درحدبسیارپایین تراز خودروهای معمولی)،کنترل پیچیده تر ، افزایش قسمت های مکانیکی .
البته خودروهای هیبرید مزایای دیگری نیز دارندکه به نوع سیستم هیبرید مربوط است و در بخش مربوطه به آنها اشاره می شود .
سیستم های هیبرید براساس طرز قرار گرفتن موتور احتراق داخلی ، موتور الکتریکی و نقش هریک درتامین انرژی حرکتی درتامین انرژی حرکتی خودرو به سه دسته هیبرید سری ، هیبرید موازی ، وهیبرید سری – موازی تقسیم بندی می شوند .
3- خودروهای هیبریدی سری

این دسته ساختارنزدیکی به خودروهای برقی دارند.به عبارت دیگربه ساختار خودروهای برقی یک سیستم موتور احتراق داخلی وژنراتور اضافه می شود . ولی موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی با یکدیگر هیچگونه ارتباط مکانیکی ندارند . در این خودروها موتور الکتریکی به چرخ هاوموتوراحتراق داخلی به ژنراتور کوپل می شود. به این ترتیب انرژی مکانیکی توسط موتور احتراق داخلی به ژنراتور منتقل شده ، پساز تبدیل به انرژی الکتریکی در باتریها ذخیره می گردد . نمای کلی یک خودروی هیبرید سری در شکل (3) نشان داده شده است.

شکل3
شکل (4) بلوک دیاگرام یک خودروی هیبرید سری را نشان می دهد . دراین طرح ابتدا سوخت ازطریق موتوراحتراق داخلی به انرژی مکانیکی برای به حرکت در آوردن ژنراتورتبدیل می شود وژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند واین انرژی الکتریکی از طریق مبدل الکترونیک قدرت در باتری ها ذخیره می گردد. از طرف دیگر موتور الکتریکی از طریق یک مبدل الکترونیک قدرت دیگر انرژی الکتریکی را از باتری ها دریافت می کند وبه انرژی مکانیکی تبدیل می نماید این انرژی مکانیکی از طریق سیستم انتقال قدرت ودیفرانسیل درصورت وجود به چرخ ها منتقل شده وخودرو رابه حرکت درمی آورد.یک کنترلرالکترونیکی،سیگنالهای مناسب برای مبدل الکترونیک قدرت را با توجه به فرمانهای راننده فراهم می کند .

شکل4
در خودروهای هیبرید سری نیز همانند خودروهای برقی با بکارگیری دوموتور الکتریکی و دو کنترلر جداگانه می توان سیستم دیفرانسیل را حذف نمود . همچنین امکان حذف سیستم کلاچ وجعبه دنده نیزوجود دارد. راندمان این طرح بدلیل تبدیل چند مرحله ای انرژی نسبتا پایین می باشد . این تبدیل ها عبارتند از : تبدیل انرژی فسیلی به انرژی مکانیکی ، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی ، ذخیره انرژی الکتریکی در باتریها و در نهایت تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی .

4- سیستم هیبرید سری ایده آل
دراین سیستم هدف افزایش برد خودرو تا حد یک خودروی احتراق داخلی می باشد در این حالت توان موتور احتراقی وژنراتور همان حداکثر توان مورد نیاز خودرو یا به عبارت دیگر حداکثر توان موتور الکتریکی در نظر گرفته می شود . به این ترتیب میزان شارژ باتریها کاملا ثابت می ماند وخودرو می تواند در موقع لزوم به صورت کاملا الکتریکی وبدون آلودگی مسافت قابل توجهی را طی نماید .
درعمل گرچه این سیستم از نظر افزایش برد وبهبود عملکرد خودرو ایده آل است ، ولی بدلیل حجم ووزن زیادسیستم ناشی از افزایش مجموع توان سیستمهای نصب شده این طرح قابل اجرا نیست .
5- سیستم هیبرید سری جبران ساز توان مصرفی
اگرتوان سیستم احتراقی در حدود متوسط توان مصرفی خودرو باشد ، تازمانیکه خودرو درشرایط کاری متعادل قرار دارد ، توان متوسط مصرف شده از باتری ها توسط سیستم احتراقی جبران می شود وفقط در صورت نیاز به حداکثر توان مابقی از ذخیره باتری ها تامین خواهد شد . به این ترتیب سطح شارژ باتری ها تقریبا ثابت می ماند و به هنگام عملکرد در مرکز شهر که عملکرد بدون آلودگی مورد نیاز است خودرو می تواند برد نسبتا مناسبی داشته باشد . نقطه ضعف این روش متغیر بودن نقطه کار موتور احتراقی است که متناسب با مصرف خودرو در جهت جبران انرژی مصرف شده باید آهنگ تولید انرژی را تغییر داد که موجب آلودگی ومصرف غیر بهینه می گردد.
وزن وحجم این سیستم نسبت به حالت قبل کمتر است ولی قابل اجرا در خودروهای سواری نیست و می تواند در اتوبوسها ، مینی بوسها ، وخودروهای ون (VAN) بکار گرفته شود.هرچند میزان برد خودرو به میزان خودروهای معولی مجهز به موتور احتراق داخلی نمی رسد ، نسبت به خودروهای الکتریکی بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد ولی در مقابل خودرو دارای آلودگی بیشتر می باشد .
6- سیستم هیبرید سری جبران ساز شارژ باتری
توان سیستم احتراقی می تواند کسر کوچکی از توان سیستم الکتریکی وبسیار کمتر از متوسط توان مصرفی باشد . بنابراین بدلیل محدود بودن توان ، سیستم احتراقی تنها می تواند به صورت کمکی عمل کند . دراین صورت وزن وحجم سیستم به اندازه کافی کوچک خواهد شد که امکان نصب آنرا در خودروهای سواری فراهم سازد . نقطه کار سیستم احتراقی ثابت بوده وطوری انتخاب می شود که حداقل آلودگی و مصرف سوخت را به همراه داشته باشد . این خودرو نمی تواند عملکرد کاملا الکتریکی داشته باشد ولی بدلیل کوچک بودن سیستم احتراقی سطح آلودگی پایین است . برد خودرو در این طرح نسبت به خودروهای برقی افزایش می یابد ولی نسبت به یک خودروی احتراق داخلی فاصله زیادی دارد و درعوض سطح آلودگی خودرو بسیار پایین تر از خودروهای معمولی می باشد .
7- ویژگی های مختلف هیبرید سری
علاوه بر ویژگیهای ذکر شده برای هر گزینه ، سیستمهای سری بطور کلی دارای ویژگی های مشترک زیر هستند . قابلیت کنترل بسیار ساده بدلیل مجزا بودن موتور الکتریکی وموتور احتراق داخلی از نظر مکانیکی ، تکنولوژی نسبتا ساده بویژه در قسمت کنترلی ومکانیکی ، عدم وجود وضعیت کارکرد درجا ودرنتیجه کاهش آلودگی ومصرف سوخت ،امکان حذف دیفرانسیل ، جعبه دنده وسیستم کلاچ ، راندمان پایین کل سیستم بدلیل تبدیل چند مرحله ای انرژی ، وزن وحجم نسبتا بالا ، سرعت وشتاب نسبتا پایین در حد خودروهای الکتریکی . درجدول (1) مقایسه ای بین سه طرح فوق الذکر انجام شده است . دراین جدول P توان کل نامی مورد نیاز خودرو می باشد .
جدول (1) مقایسه طرح های مختلف خودروهای هیبرید سری از نظر نسبت توان سیستم احتراقی به سیستم الکتریکی .

8- خودرو هیبرید موازی
درخودروهای هیبرید موازی دوسیستم الکتریکی واحتراق داخلی با هم بطور مکانیکی در ارتباط هستند و توان دو منبع توان حرکتی خودرو را تامین می نماید و دراین ساختار ژنراتور حذف شده وموتور الکتریکی وموتور احتراقی از طریق یک سیستم انتقال قدرت به طور مشترک با چرخ های محرک ارتباط دارند و سیستم الکتریکی توسط باتری ها و سیستم احتراق داخل توسط منبع سوخت فسیلی مستقیماً تغذیه می شود. در این خودروها بدلیل اینکه موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی هر دو گشتاور مورد نیاز بار را برای به حرکت درآوردن خودرو فراهم می کنند به خودروهای هیبرید موازی معروف می باشند. از آنجائیکه ژنراتور در این نوع سیستم هیبرید حذف شده است موتور الکتریکی می تواند به عنوان ژنراتور در هنگام ترمز، انرژی ترمزی را بازیابی نموده و برای شارژ باتریها به کار برد نمای کلی یک خودروی هیبرید موازی در شکل (5) نشان داده شده است.

شکل5
شکل (6) بلوک دیاگرام کلی یک خودروی هیبرید موازی را نشان می دهد. در این شکل برای ترکیب گشتاور تولیدی توسط موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی نیاز به یک کوپل کننده گشتاور می باشد که از نظر محل قرار گرفتن این کوپل کننده و طرز کوپل کردن روشهای متفاوتی وجود دارد که به آنها پرداخته می شود.
سیستمهای هیبرید موازی می توانند به دو صورت دسته بندی شوند. یکی از نظر نوع کوپل کردن دو سیستم الکتریکی و احتراقی و دیگری از نظر نسبت توان سیستم الکتریکی به توان سیستم احتراقی. از نقطه نظر نسبت توان سیستم الکتریکی به توان سیستم احتراقی طرحهای زیر برای سیستمهای موازی مطرح هستند.

شکل6
9- سیستم هیبرید موازی ایده آل
در این سیستم، توان سیستم الکتریکی و همچنین توان سیستم احتراقی، توان نامی مورد نیاز خودرو می باشد. در اینصورت خودرو در محیطهای شهری که عدم ایجاد آلودگی اهمیت دارد می تواند تنها با کمک سیستم الکتریکی و در محیطهای خارج از شهر به وسیله سیستم احتراقی به حداکثر عملکرد خود دست یابد. به این ترتیب برد خودرو تا حد یک سیستم احتراقی چه در شهر و در چه در جاده افزایش خواهد یافت.
اگرچه این سیستم دارای مزیت فوق است، چنین ساختاری با فن آوری موجود به دلیل حجم و وزن زیاد عملی نیست.

10-سیستم موازی احتراقی اصلی _ الکتریکی کمکی
در این سیستم وظیفه اصلی تامین توان خودرو بر عهده سیستم احتراقی است و توان آن نزدیک به توان نامی مورد نیاز خودرو است. سیستم الکتریکی به صورت کمکی با توان نسبتاً کم، در مواقعی که موتور احتراقی مجبور به عمل در دورهای بالا و با توان زیاد است. (ناحیه ای که میزان آلودگی زیاد باشد) به کمک سیستم احتراقی آمده و با تقبل بخشی از توان مورد نیاز تا حدی میزان آلودگی را کاهش می دهد. علاوه بر این سیستم الکتریکی می تواند به صورت بخشی از سیستم بازیابی ترمز نیز عمل کند. البته همانطوریکه قبلاً نیز ذکر شد در این نوع سیستم، سیستم الکتریکی طوری عمل می نماید که اکثراً سیستم احتراقی در نقطه کار بهینه قرار گیرد.
11-سیستم موازی احتراقی کمکی _ الکتریکی اصلی
در این نوع سیستم موازی سیستم الکتریکی نقش اصلی را در تامین توان بر عهده دارد و توان آن نزدیک به توان نامی مورد نیاز خودرو است و سیستم احتراقی به صورت کمکی و توان نسبتاً کم در مواقعی همچون سرعت بالا، بالا رفتن از شیب و شتابگیری سریع، به کمک سیستم الکتریکی می آید. به این ترتیب از عملکرد سیستم الکتریکی در این وضعیتها که به شدت میزان شارژ باتری را کاهش می دهد جلوگیری می شود. این سیستم مزایای سیستمهای برقی را دارا است، راندمان مصرف انرژی آن بالا و میزان آلودگی آن در حد بسیار پایین می باشد. سیستم استارت موتور احتراقی می تواند حذف گردد چون وقتی موتور احتراقی وارد عمل می شود که سیستم الکتریکی قبلاً شروع به کار کرده است. در عوض نقطه کارکرد موتور احتراق داخلی بهینه نیست و چون در مواقع محدودیت توان به عملکرد آن نیاز است موظف است با حداکثر توان که بطور نسبی که میزان آلودگی آن بالاست وارد عمل شود. این سیستم برخی محدودیتهای عملکردی خودروهای برقی (سرعت و شتاب) را ندارد و برد آن به طور نسبی بهبود یافته است ولی تا میزان برد خودروهای معمولی احتراقی فاصله زیادی دارد. در جدول (2) مقایسه ای بین سه طرح فوق الذکر انجام شده است در این جدول P توان کل نامی مورد نیاز خودرو می باشد.
تقسیم بندی دیگری از نظر چگونگی ارتباط مکانیکی دو سیستم الکتریکی و احتراق داخلی با چرخهای محرک صورت می گیرد. در برخی سیستمهای موازی گشتاور ایجاد شده توسط دو سیستم الکتریکی و احتراق داخلی با یکدیگر جمع شده و به چرخها منتقل می شود. در دسته دیگر دور منابع تامین کننده توان به وسیله یک دیفرانسیل جمع شده سپس به محور محرک منتقل می گردد و در دسته آخر سیستم الکتریکی روی یک محور سیستم احتراق داخلی روی محور دیگر نصب می شود. و به این ترتیب نیروی کششی ایجاد شده توسط دو منبع با یکدیگر جمع شده و خودرو را به حرکت در می آورد. جدول (2) مقایسه طرحهای مختلف خودروهای هیبرید سری از ظر نسبت توان سیستم احتراقی به سیستم الکتریکی.

جدول2
سیستمهای هیبرید موازی از نظر چگونگی ارتباط مکانیکی دو سیستم الکتریکی و سیستم احتراق داخلی به دو دسته کلی هم محور و غیر هم محور تقسیم بندی می شود. در سیستمهای هیبرید موازی هم محور شافت موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی روی یک محور مشترک قرار گرفته اند. در این سیستم موتور الکتریکی باید دو طرف شافت باشد بدین معنی که باید از هر دو طرف موتور شافت متصل به روتور خارج شده باشد. این سیستم تا کنون در خودروهای مختلفی به کار رفته است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
– خودرو هیبرید چیکو(Chico) ساخت شرکت فلوکس واگن آلمان (موتور احتراقیkw25 و موتور الکتریکی kw6)
– خودروی هیبرید فورد (ford) ساخت شرکت خودروسازی فورد (موتور احتراقی kw50 و موتور الکتریکی kw30)
– خودرو هیبرید اینسایت (Insight) ساخت شرکت هوندا (موتور احتراقی kw50 و موتور الکتریکی kw10)
– سیستم هیبرید موازی هم محور بسته به محل قرار گرفتن سیستم کلاچ به سه دسته تقسیم بندی می شود:
سیستم هیبرید موازی هم محور با یک کلاچ در یک موتور الکتریکی و جعبه دنده:
بلوک دیاگرام این سیستم در شکل (7) نشان داده شده است. برخی از مزایای این سیستم عبارت اند از: مستقل بودن چرخها در زمان درجا و در نتیجه امکان شارژ باتری ها با موتور احتراقی، قدرت نسبتاً بالای سیستم، شتاب نسبتاً خوب سیستم، قابلیت کار به صورت احتراقی تنها.

شکل (7)
از معایب این سیستم می توان به این موارد اشاره نمود: عدم امکان حذف جعبه دنده، قابلیت نسبتاً ضعیف در بازیابی انرژی ترمزی، راندمان نسبتاً پایین در مقایسه با انواع دیگر سیستم های هیبرید، عدم امکان کار به صورت الکتریکی تنها و در نتیجه عدم امکان آلودگی صفر، افزایش تلفات در هنگام ترافیک به دلیل عدم امکان کار به صورت الکتریکی تنها.
سیستم هیبرید موازی هم محور با یک کلاچ در بین موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی:
بلوک دیاگرام این سیستم درشکل (8) نشان داده شده است.

شکل (8)
سیستم موازی هم محور که با یک کلاچ در بین موتور الکتریکی و احتراقی این سیستم دارای مزایا و معایبی بشرح زیر می باشد:
مزایا: قابلیت حرکت با موتور الکتریکی به تنهایی و در نتیجه کاهش تعداد دفعات روشن و خاموش شدن موتور احتراقی به ویژه در زمانهای ترافیک، قابلیت کار به صورت احتراقی تنها، قابلیت بازیابی انرژی ترمزی به صورت کاملتر، افزایش قدرت سیستم، افزایش شتاب سیستم و قابلیت حذف جعبه دنده.
معایب: افزایش وزن و حجم به علت بزرگتر بودن موتور الکتریکی و حجم بیشتر باتری ها نیاز به سیستم کلاچ اتوماتیک.
سیستم هیبرید موازی هم محور با دو کلاچ در دو طرف موتور الکتریکی:
بلوک دیاگرام این سیستم در شکل (9) نشان داده شده است.

شکل (9)
سیستم موازی هم محور با دو کلاچ در دو طرف موتور الکتریکی
این سیستم دارای مزایا و معایبی است که برخی از آنها در زیر آمده اند:
مزایا: مستقل بودن چرخها در زمان درجا و در نتیجه قابلیت شارژ باتری ها توسط موتور احتراقی در این زمان، قابلیت حرکت با موتور الکتریکی به تنهایی و در نتیجه کاهش تعداد دفعات روشن و خاموش شدن موتور احتراقی، کاهش حجم موتور احتراقی و در نتیجه افزایش راندمان و کاهش آلودگی، قدرت و شتاب نسبتاً بالا، قابلیت بازیابی انرژی ترمزی، قابلیت حذف جعبه دنده و قابلیت کار به صورت فقط احتراقی.
معایب: افزایش مولفه های فعال مکانیکی و در نتیجه افزایش تعمیرات و نگهداری، افزایش وزن کل سیستم، پیچیدگی عملکرد سیستم و در نتیجه کنترل مشکل تر، افزایش قیمت و هزینه و نیاز به سیستم کلاچ اتوماتیک.
حال به بررسی سیستم موازی غیر هم محور پرداخته می شود. در این سیستم با استفاده از چرخ دنده ها یا هر سیستم ترکیب کننده دیگر دو سیستم تولید کننده نیرو یعنی سیستم الکتریکی و سیستم احتراق داخلی با هم کوپل می شوند. چند نمونه از این نوع اتصال در ادامه آورده شده است:
سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده قبل از جعبه دنده:
بلوک دیاگرام این طرح در شکل (10) نشان داده شده است. در این طرح دو موتور الکتریکی و احتراقی بوسیله یک سیستم چرخ دنده سیاره ای به هم کوپل می شوند و سپس برآیند نیرو وارد جعبه دنده می شود. اشکال عمده این طرح عدم هماهنگی و همزمان نبودن دو موتور الکتریکی و احتراقی می باشد، چون موتور احتراقی با دور بالا و موتور الکتریکی با دور پایین کار می کند.

شکل (10) سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده قبل از جعبه دنده
این طرح دارای مزایا و معایبی بشرح زیر است:
مزایا: شتاب و قدرت نسبتاً بالا به دلیل امکان کار همزمان دو سیستم الکتریکی و احتراقی، قابلیت شارژ باتریها توسط موتور احتراقی در زمان درجا، امکان کار به صورت فقط احتراقی امکان حرکت به صورت الکتریکی به تنهایی و امکان کنترل گشتاور روی محور به دلیل وجود جعبه دنده بعد از سیستم ترکیب کننده.
معایب: تفاوت دو موتور الکتریکی و موتور احتراقی و در نتیجه نیاز به سیستم الکتریکی پیچیده برای همزمان نمودن آنها، مشکل بودن بازیابی انرژی ترمزی.
سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده بعد از جعبه دنده:
بلوک دیاگرام این طرح در شکل (11) نشان داده شده است. در این طرح قدرت موتور احتراقی داخلی توسط سیستم جعبه دنده با موتور الکتریکی هماهنگی می باشد و دو موتور موازی با یک چرخ دنده سیاره ای به هم کوپل می شوند و جمع دو قدرت به چرخها انتقال می یابد که از مزایای این طرح می باشد اشکال این طرح قرار گرفتن جعبه دنده قبل از سیستم چرخ دنده سیاره ای می باشد بنابراین در حالت سکون موتور الکتریکی نمی تواند به صورت ژنراتور کار کند.
این طرح دارای مزایا و معایب به شرح زیر است:
مزایا: شتاب و قدرت نسبتاً بالا به دلیل امکان کار همزمان دو سیستم الکتریکی و احتراقی ساده تر بودن سیستم مکانیکی نسبت به طرح قبل به دلیل وجود جعبه دنده قبل از کوپل کننده به عبارت دیگر ساده تر بودن عمل همزمانی دو موتور، امکان کار به صورت فقط احتراقی، امکان کار به صورت الکتریکی به تنهایی و امکان بازیابی انرژی ترمزی.
معایب: عدم امکان شارژ باتریها توسط موتور احتراقی درزمان درجا و عدم امکان کنترل گشتاور روی محور بطور معمول.

شکل (11) سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده بعد از جعبه دنده
سیستم موازی مجزا:
بلوک دیاگرام این طرح در شکل (12) نشان داده شده است. در این طرح محور عقب توسط موتور الکتریکی و محور جلو توسط موتور احتراقی تامین نیرو می شوند بنابراین در این طرح خودرو به صورت چهار چرخ محرک در می آید. همچنین در این طرح امکان ارتباط مکانیکی بین موتور الکتریکی و احتراقی وجود دارد.

شکل (12) بلوک دیاگرام سیستم موازی مجزا

این سیستم مزایا و معایبی به شرح زیر دارد:
مزایا: جدا بودن سیستم الکتریکی و احتراقی و کنترل ساده، چهار چرخ محرک بودن خودرو و برخورداری از مزایای مربوطه، امکان بازیابی انرژی ترمزی، بازده بالاتر به علت کوپل مستقیم موتور الکتریکی و احتراقی با چرخها، تعمیر و نگهداری ساده و ساده تر بودن محرکه، میزان قابلیت اطمینان بالا بدلیل جدا بودن دو سیستم و میزان شتاب و توان بالا.
معایب: توان موتورها باید بالا باشد، بالا بودن وزن کل سیستم و عدم امکان شارژ باتری ها در زمان ترافیک.
خودروهای الکتریکی هیبرید سری- موازی (ترکیبی):
بلوک دیاگرام کلی این طرح در شکل (13) نشان داده شده است. این طرح به گونه ای است که می توان از آن در شرایط مختلف به صورت هیبرید سری یا موازی استفاده نمود. در این سیستم با بهره گیری از فن آوری پیشرفته امکان استفاده از سیستم احتراقی و سیستم الکتریکی بطور جداگانه یا همزمان وجود دارد. به این ترتیب خودرو در مواقع عملکرد شهری کاملا الکتریکی و بدون آلودگی است و در سرعتهای بالا و در محدوده برون شهری می تواند به طور مستقل احتراقی و یا ترکیبی از دو سیستم باشد. در مواقعی همچون شتاب گیری سریع هر دو سیستم با هم عمل می نمایند. چنین ایده ای فقط به کمک یک فن آوری مدرن در یک خودروی سواری قابل اجرا است. معمولاً چنین سیستمهایی از نوع ترکیبی هستند و با بهره گیری از یک استراتژی کنترلی مناسب عملاً همراه با فراهم آوردن عملکرد مناسب، سطح شارژ باتری ها را نیز در حد مناسب نگه دارند و به این ترتیب برد خودرو چه در شهر و چه در جاده می تواند تا حد یک خودروی متداول بالا برود.

شکل (13) بلوک دیاگرام یک خودروی هیبرید سری- موازی

شکل14
شرکت تویوتا خودرویی با این ویژگی را به نام پریوس تولید نموده است. این طرح یک سیستم تقسیم کننده توان مکانیکی دارد که این سیستم انتقال پیوسته متغیر (CVT) نامیده می شود و شامل یک سیستم چرخ دنده سیاره ای که در شکل (14) نشان داده شده می باشد. عدم وجود کلاچ در این سیستم قابل توجه می باشد. این سیستم می تواند در چهار حالت کار کند:
1- فقط احتراقی: در این حالت تنها قدرت موتور احتراقی روی چرخها اثر می گذارد که معمولاً در بیرون شهرها از این حالت استفاده می شود.
2- فقط الکتریکی: در این حالت موتور الکتریکی با استفاده از انرژی باتری ها به گردش در می آید و قدرت تولید شده به چرخها منتقل خواهد شد. استفاده از این حالت برای درون شهر مناسب تر می باشد چون آلودگی سیستم بسیار کم خواهد بود.
3- الکتریکی و احتراقی همزمان: در مواقع ضروری، هنگامی که نیاز به قدرت زیاد باشد از هر دو سیستم محرکه الکتریکی و احتراقی استفاده می شود. به عبارت دیگر هر دو سیستم الکتریکی و احتراقی همزمان در تولید گشتاور شرکت می نمایند.
4- الکتریکی و شارژ باتریها توسط احتراقی: در این حالت موتور احتراقی ژنراتور را به حرکت درآورده و ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی برای شارژ باتری ها تبدیل می نماید: از طرف دیگر خودرو گشتاور مورد نیاز خود را ازطریق موتور الکتریکی تامین می کند.

این طرح دارای مزایا و معایبی به شرح زیر می باشد:
مزایا: بالا بودن انعطاف پذیری سیستم، قابلیت شارژ باتری ها در حال حرکت، امکان بازیابی انرژی ترمزی، قابلیت ترکیب نمودن توان موتورهای احتراقی و الکتریکی، قدرت و شتاب بالا در صورت بکارگیری همزمان هر دو سیستم، امکان کار به صورت فقط الکتریکی و یا فقط احتراقی.
معایب: زیاد بودن تعداد اجزاء الکتریکی و مکانیکی و در نتیجه نیاز به نگهداری بیشتر، وزن و قیمت بالای سیستم، نیاز به کنترل پیچیده و سیستم مقسم توان مکانیکی.
در خودروهای هیبرید موازی دو سیستم الکتریکی و احتراق داخلی با هم بطور مکانیکی در ارتباط هستند و مجموع توان دو منبع، توان حرکتی خودرو را تامین می نماید.

نتیجه گیری:
انتخاب باتری:
با توجه به دانسیته انرژی و قدرت با سرعت دمای عمل و عمر باتری به قیمت به نظر می رسد. باتری نیکل- هیدرید فلزی و لیتیم- یون بهترین گزینه ها برای خودروی هیبریدی می باشد.
انتخاب محرکه الکتریکی:
موتور القایی به ویژه نوع قفس سنجابی به عنوان بهترین انتخاب برای موتور برقی. در میان سوئیچ های الکترونیک قدرت موجود در حال حاضر IGBT به خاطر داشتن ورودی بالا، مشخصه سرعت بالا و مشخصه هدایتی و از میان کنترلرهای الکترونیکی پردازشگرها سیگنال دیجیتال (DSP) بهترین انتخاب می باشند.
انتخاب موتور احتراق داخلی:
به خاطر کوچک بودن و امنیت بالا، نوسانات کم، وزن کم، موتورهای SYTECH بهترین گزینه می باشد.

انتخاب گیربکس:
CVT به خاطر داشتن نسبت دنده ای که متناسب با سرعت وسیله نقلیه تغییر می کند بهترین گزینه می باشد.
انتخاب نوع ترکیب بندی اجزاء خودروهای هیبریدی:
ترکیب بندی سری- موازی با توجه با بالا بودن انعطاف پذیری سیستم، قابلیت شارژ باتری ها در حال حرکت، امکان بازیابی ترمز، قابلیت ترکیب نمودن توان موتورهای احتراقی و الکتریکی، قدرت و شتاب بالا در صورت به کارگیری همزمان هر دو سیستم، امکان کار به صورت فقط الکتریکی و یا فقط احتراقی بهترین گزینه می باشد.

فصل پنجم
مروری بر عملکرد سیستم های خودروهای هیبریدی و بررسی عملکرد سیستم های هیبرید تویوتا

انواع سیستم های هیبریدی
با توجه به ساختار کنترلی و طریقه اتصال اجزاء به یکدیگر، خودروهای هیبریدی به سه نوع سری، موازی و سری-موازی تقسیم بندی می شوند :

1-سیستم های هیبریدی سری(series)
در این دسته از خودروها موتور احتراق داخلی یک ژنراتور را می چرخاند و این ژنراتور، هم باطری را شارژ می کند و هم یک موتور الکتریکی را به حرکت درمی آورد و بدین صورت انتقال قدرت صورت می گیرد. در این ساختار موتور احتراقی مستقیم به سیستم انتقال قدرت وصل نمی شود. این سیستم به خاطر این سری نامیده می شود که قدرت، به صورت سری به چرخ ها منتقل می گردد و از آن برای رانش موتورهای با قدرت کم و با رنج کارکرد بهینه استفاده می شود. نمونه این سیستم در هیبریدCASTER استفاده شده است.

مزایا: در این سیستم برای انتقال قدرت به چرخ ها از اتصالات مکانیکی استفاده نمی شود و قدرت موتور آن به طور الکتریکی تنظیم می شود و مانند یک سیستم انتقال قدرت متغییر پیوسته ی الکتریکی عمل می کند که باعث در جابجا نمودن قدرت از قسمت های مختلف سیستم انتقال قدرت می شود.

معایب : نقص این نوع در این است که به ماشین های الکتریکی مختلفی نیاز است و برای اینکه بتوان ماکزیمم قدرت مورد نیاز را تامیین نمود، موتور الکتریکی بزرگی مورد نیاز است. نوع سری برای خودرو های سنگین مانند اتوبوس های بین شهری یا کاکمیون های کوچک حمل بار مناسب است.
2- سیستم های هیبریدی موازی(parallel)
در این نوع سیستم، موتور احتراقی و موتور الکتریکی به صورت موازی چرخها را به حرکت درمی آورند. در این سیستم موتور الکتریکی توسط باطری و موتور احتراقی توسط منبع سوخت فسیلی مستقیما" تغذیه می گردند. در فرم موازی هر یک از دو موتور الکتریکی و احتراق داخلی می توانند مستقیما به شفت انتقال قدرت متصل شوند و ، پس در این صورت به ژنراتور نیازی نداریم چون موتور الکتریکی خود می تواند به صورت ژنراتور نیز عمل نماید. وقتی از موتور احتراقی برای قدرت دادن به خودرو استفاده شود و کلاچ آن درگیر باشد، روتور موتور الکتریکی نیز با آن می چرخدکه در این حالت می تواند مانند ژنراتور عمل کرده و باطری را شارژ کند. پس باطری با تغییر حالت موتور الکتریکی به ژنراتور شارژ می گردد. از آنجائیکه این سیستم فقط یک موتور دارد موتور الکتریکی نمی تواند همزمان هم باطری را شارژ کند و هم باعث رانش چرخها گردد .

مزیا: لازم نیست هیچ کدام از دو منبع قدرت به تنهایی حداکثر قدرت موتور را تامیین کند، در نتیجه وزن خودرو نسبت به نوع سری کمتر است .

معایب: یک دستگاه مکانیکی جدا کننده ی قدرت با حداقل یک کلاچ عمل کننده اتوماتیک نیاز است. HEV موازی برای خودروهای معمولی مناسب است .

مقایسه بین هیبرید سری و موازی
در نوع موازی یک موتور کوچکتر برای بدست آوردن قدرتی معادل نوع سری آن نیاز است. زیرا موتور الکتریکی و احتراقی می توانند با هم کار کنند. در نوع سری موتور می تواند در هر جای اتومبیل قرار گیرد، در حالی که در نوع موازی موتور باید مستقما به شفت انتقال قدرت متصل گردد و این محدودیت هایی را در جابجا کردن موتور به وجود می آورد. همچنین در نوع موازی ژنراتو به طور مجزا وجود ندارد، اگر محور انتقال قدرت فقط از طریق قدرت الکتریکی حرکت کند، باطری به طور هم زمان نمی تواند شارژ شود . در اینجا باید اذعان داشت که ساختار موازی کمتردر خودروهای سنگین استفاده شده است . علت این امر را می توان قیمت تمام شده بیشتر این ساختار نسبت به ساختار سری و سنخیت بیشتر ساختار سری با اینگونه خودروها (در ساختار سری از آنجاکه موتور الکتریکی بتنهایی نیروی پیشرانه خودرو را تامین می کند، دارای حجم بالایی است) قلمداد کرد .

3-سیستم هیبرید سری- موازی
این طرح بگونه ای است که می توان از آن در شرایط مختلف به صورت هیبرید سری یا موازی استفاده نمود.این سیستم به منظور به حداکثر رساندن مزایای دو سیستم سری و موازی، آنها را با یکدیگر ترکیب می نماید. در این سیستم با بهره گیری از فن آوری پیشرفته امکان استفاده از سیستم احتراقی و سیستم الکتریکی بطور جداگانه و همزمان وجود دارد تا از این طریق به بالا ترین سطح کارایی دست یابد. به این ترتیب در مواقع شهری کاملا الکتریکی و بدون آلودگی و در سرعتهای بالا و در محدوده برون شهری می تواند بطور مستقل احتراقی و یا ترکیبی از دو سیستم باشد. در مواقعی چون شتابگیری سریع، هر دو سیستم با هم عمل می کنند. چنین ایده ای فقط بکمک یک فن آوری مدرن در یک خودرو سواری قابل اجراست . معمولا" چنین سیستمهایی از نوع ترکیبی هستند و با بهره گیری از یک استراتژی کنترلی مناسب عملا" همراه با فراهم آوردن عملکرد مناسب، سطح شارژ باطریها نیز در حد خوبی نگهداری می شود بدین ترتیب این خودرو می تواند چه در شهر و چه در جاده به یک خودروی متداول تبدیل گردد . در این سیستم دو موتور الکتریکی وجود دارد که بسته به شرایط می تواند ترکیبی از آنها به کار آیند و قابلیت تبدیل به ژنراتور را نیز دارند . این سیستم در خودرو Estima وPrius شرکت TOYOTA استفاده شده است.

عملکرد موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی در هر سیستم
جدول زیرنسبت های متفاوت استفاده ازموتوراحتراق داخلی وموتورالکتریکی رادرهریک ازسیستم های هیبریدی نشان می دهد، از انجا که درسیستم سری ،ازموتوربرای تولیدالکترسیته وازموتورالکتریکی برای به حرکت در اوردن چرخها استفاده می شود،تقریبا کارکرد این دو برابر هم می باشند. یک سیستم موازی ازنیروی موتور احتراق به عنوان منبع اصلی استفاده کرده وازموتور الکتریکی به هنگام شتاب گرفتن وبه عنوان کمکی استفاده میکند. بنابراین ،ازموتور احتراق خیلی بیشتر ازموتور الکتریکی استفاده می شود . در یک سیستم سری/موازی (همچون THS در پریوس) ، یک وسیله انشعاب نیرو ، نیروی حاصله ازموتور احتراق را تقسیم می کند ولذا نسبت نیرویی که به طور مستقیم به چرخها ویا دینام می رود، به طور پیوسته درحال تغییر است. ازآنجا که دریک سیستم سری/موازی ،موتور الکتریکی می تواند نیروی الکتریکی تولید شده رابه طور همزمان مورد استفاده قرار دهد ، لذا دراین سیستم ،موتور الکتریکی نسبت به سیستم موازی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد .

ویژگی های سیستم های هیبریدی
1) کاهش اتلاف انرژی : این سیستم به طورخودکار، درجاکار کردن موتورها را متوقف می کند و بنابراین ، انرژیی را که معمولا اتلاف می شود را کاهش می دهد.

2) بازیافت انرژی واستفاده مجدد ازآن : انرژی را که هنگام شتاب منفی وترمزکردن معمولا تلف می شود دراین سیستم به صورت انرژی الکتریکی بازیافت شده وسپس برای موتور الکتریکی و استارت موتور ICE مورد استفاده قرارمی گیرد.

3) کمک موتور الکتریکی به موتور احتراقی : موتور الکتریکی درزمان شتاب گرفتن به عنوان کمک موتورICE عمل می نماید.

4) عملکرد کنترلی با کارایی بالا : سیستم کارایی کل خودرو را با استفاده ازموتور الکتریکی برای به حرکت درآوردن خودرو در شرایطی که قدرت موتور احتراقی کافی نیست و با تولید الکتریسیته درشرایطی که کارایی موتور بالاست، حداکثر می نماید. سیستم هیبریدی سری/موازی دارای کلیه این ویژگیها ست ولذا هم عملکرد سوخت گیری کاراتر و هم عملکرد حرکتی کارایی را فراهم می آورد.

سیستم THS II چگونه کار می کند ؟
تمامی اجزاء وقطعات مهم سیستم THS II تحت مالکیت تویوتا توسعه یافته اند. مدار قدرت ولتاژ بالا ، موتور،ژنراتور و باطری ،همگی مجددا طراحی شده اند وتکامل تدریجی بیشتر سیستم هیبریدی راباعث شده اند. سیستم شامل دو نوع منبع قدرت محرک می باشد که عبارتند از: یک موتور بنزینی باکارایی بالا که از چرخه آتکینسون (Atkinson) استفاده می کند، به علاوه یک موتور مگنت AC همزمان باخروجی 1.5 برابر بیشتر ، یک ژنراتور، باطری هیبریدی (فلز- نیکل) (Ni-MH) و واحد کنترل قدرت . واحد کنترل قدرت شامل یک مدار قدرت ولتاژ بالا برای افزایش ولتاز سیستم تامین قدرت برای موتور الکتریکی ویک ژنراتور با ولتاژ بالای 500 v می باشد، علاوه بر این شامل یک تبدیل AC-DC برای تبدیل جریانAC موتور الکتریکی و ژنراتور وجریان DC از باطری هیبریدی می باشد. دیگراجزاء مهم شامل یک وسیله تقسیم قدرت که نیروی مکانیکی محرک را ازموتور احتراق انتقال می دهد، یک موتور الکتریکی ویک ژنراتور به صورت بخش به بخش ویا ترکیبی . واحد کنترل قدرت به دقت و با سرعت بالا این اجزاء را کنترل می نماید تا آنها بتوانند در کنار یکدیگر با کارایی بالایی کار کنند . همچنین در این تیپ از سیستم تویوتا ازنیروی موتورالکتریکی برای استارت وسیله نقلیه استفاده می شود. در یک عملکرد عادی ، موتور احتراق وموتور الکتریکی به شکل بهینه مورد کنترل قرار می گیرندتا بهینه شدن مصرف افزایش یاب ،مانند زمانی که شتاب پرقدرت نیاز باشد، موتور الکتریکی نیز فعال شده و به همراه موتور احتراق با خروجی بالا نیروی بهینه را ایجاد می نمایند. در اینجا حالت های مختلف عملکرد سیستم را بررسی می کنیم :

عملکرد سیستم THS II
1-شروع حرکت و سرعت های پایین تا متوسط: اصولا در سیستم های هیبرید موتور احتراق عمده فعالیت را انجام میدهد، و الکتروموتور در مواقع نیاز کمکی موتور احتراقی است، اما در THS II (در مرحله شروع و سرعت های پایین تامتوسط و زیر بار کم- مثلا در ترافیک-) موتور احتراقی دریک محدوده ناکارا خاموش می ماند و جریان فقط از طریق باطری،پس از عبور از واحد کنترل و افزایش ولتاژ وارد موتور الکتریکی (GM) مشودو خودرو بااستفاده ازموتور الکتریکی حرکت می نماید(A)

2. حرکت در شرایط نرمال : قدرت موتور احتراقی بااستفاده ازجعبه تقسیم نیرو ، به دو سمت می رود. مقداری از نیرو، ژنراتور رابه حرکت درمی آورد، تا از این طریق موتورالکتریکی رابه حرکت درآید(B). بخش عمده نیرو نیز به طور مستقیم چرخها رابه حرکت درمی آورد(C).گفتنی است که مقادیر تخصیص قدرت به این دو بخش همواره مورد کنترل قرار می گیرد تا حداکثر بازده فراهم شود. قابل ذکر است که در مدل های قبلی (THS) در حین این عمل باطری نیز توسط ژنراتور شارژ میشود .

3. شتاب ناگهانی : در این حالت نیز مانند حالت قبل موتور احتراقی و الکتروموتور هر دو فعال هستند، اما علاوه بر جریان ژنراتور ،جریان باطری نیز به عنوان مولد الکتروموتور در مدار قرار می گیرد (A).و این شرایطی را فراهم می کند که موتور احتراق و موتورالکتریکی باخروجی بالا حرکت متقابل (B+C) رابرای بهبود ویژگیهای شتاب فراهم می آورند. در مدل های قبلی در این حالت باطری به تنهایی مولد الکتروموتور مباشد.

4. حالت ترمز – شتاب منفی : در این مرحله موتور الکتریکی خروجی بالا به عنوان یک ژنراتور خروجی بالا عمل می نماید، که باچرخهای خودرو به حرکت درمی آید. این سیستم ترمز احیا کننده (بارتولیدی) ، انرژی جنبشی رابه شکل انرژی الکتریسیته ذخیره می کند، که در باطری با عملکرد بالا ذخیره می شود(D). استفاده از انرژی چرخ ها برای گرداندن الکتروموتور سرعت اتومبیل را کاهش می دهد .اگر نیروی ترمزی بیشتری نیاز باشد ترمز اصطکاکی(ترمز دیسکی) نیز به طور اتوماتیک مورد استفاده قرار می گیرد.

5. شارژ مجدد باطری : سطح انرژی باطری همواره باید مورد کنترل قرار گرفته تا ذخیره کافی وجود داشته باشد. در THS II در صورتی که نیاز به شارژ باطری باشد، موتوراحتراقی ، ژنراتور رابه کارمی اندازد تا باطری را شارژ مجدد نماید(E)

6. حالت درجا : در THS II، هنگامی که خودرو متوقف میشود(مانند پشت چراغ قرمز) موتور بنزینی و الکتروموتور به طور اتوماتیک خاموش می شوند و باتری انرژی سیستم های جانبی را تامین می کند. بنابراین از اتلاف انرژی جلوگیری می شود و مجددا با فشار پدال گاز روشن می شوند.

سیستم های ولتاژ بالا – موتور الکتریکی و ژنراتور

مدار قدرت ولتاژ بالا
مدار قدرت ولتاژ بالا ، تکنولوژی جدیدی است که سیستم II THS را برتری می دهد. با استفاده از یک مدار قدرت ولتاژ بالا جدید وتوسعه یافته درداخل واحد کنترل قدرت ، ولتاژ موتور الکتریکی و ژنراتور از 274 Volt درTHS به حداکثر Volt 500در II THS می رسد . در نتیجه ، همان توان الکتریکی رامی توان بااستفاده ازیک جریان کوچکتر برای موتور فراهم کرد، که رابطه { توان P = ولتاژ (V)  جریان ( I )} این را اثبات می کند و لذا کارایی سیستم افزایش می یابد .

موتور الکتریکی
موتور الکتریکی یکی از دو منبع تامین نیروی حرکتی می باشد. یکی از دقدقه های اساسی در خودروهای هیبریدی مربوط به طراحی موتور الکتریکی ایده ال است ، به طوری که قادر به تامین قدرت لازم برای حرکت خودرو در شرایط مختلف کاری باشد. محدودیت های حجمی و وزنی طراحی آن را با مشکل مواجه می کند . موتور الکتریکی در Prius بر اساس تکنولوژی هایی که تویوتا به وجود آورده توسعه یافته است واین درحالی است که از ان در خودروهای الکتریکی خالص نیز استفاده می شود. THS II از یک موتور AC (sycchronous-type)بهره می برد ، که این موتور یک موتور با کارایی بالا است که ازجریان AC استفاده می کند. مغناطیس های دائم نئودیمیم (استاتورها) ویک رتور که از صفحه های فولادی الکترومغناطیسی روی هم قرار گرفته ساخته شده یک الکتروموتور باعملکرد بالا را تشکیل می دهند ، علاوه براین ، باقرار دادن مغناطیس های دائم دریک حالت V شکل بهینه ، گشتاور حرکتی بهبود یافته وخروجی افزایش می یابد. بکار بردن این ترکیب در سیستم تویوتاو افزایش در ولتاژ خروجی ژنراتور (افزایش دور ژنراتور) منجربه افزایش توان خروجی الکتروموتور تا 1/5برابر سیستم قبلی (THS) می شود. یعنی50 KW در برابر 33 KW که حتی این امر بدون تغییر در سایز الکتروموتور امکان پذیر شده است، واین بیشترین خروجی رابرای هرواحد وزن وحجم در جهان تولید می نماید. برای کنترل موتور ، یک سیستم تعدیل کننده کنترلی پیشرفته جدید به محدوده سرعت های متوسط اضافه شده است ، علاوه بر روشهای کنترل که برای سرعت های کم وخیلی زیاد مورد استفاده قرار می گیرند . با بهبود روش اصلاحی اندازه ضربه ، دامنه سرعت متوسط خروجی به صورت تقریبی حداکثر 30% افزایش یافته است .

ژنراتور
مهمترین نقش ژنراتور در خودروهای هیبریدی شارژ باطری و استفاده از آن به عنوان استارت خودرو میباشد (در نوع سری/موازی)، که در این صورت سروصدای ناشی از در گیری دنده های استارت و فلایویل حذف می شود. ژنراتور نیز مانند موتور الکتریکی از نوع AC همزمان است . به منظور تامین قدرت کافی برای الکترو موتور ، ژنراتور باید باسرعت بالا بچرخد تا خروجی آن افزایش یابد . افزایش اندازه و نیروی رتور، محدوده دور ( rpm) رانسبت به حداکثر خروجی ممکن 6500 ( مربوط به مدل رایج ) تا 10000افزایش داده است. این rpm بالا به شکل خاصی تامین قدرت را نسبت به دامنه سرعت متوسط افزایش داده و لذا باعث بهبود عملکرد شتاب درمحدوده سرعت های پایین ومتوسط شده است.درنتیجه ترکیب بهینه ای ازموتور الکتریکی خروجی بالاو موتور احتراق حاصل شده است.

واحد کنترل قدرت ،باطری وسیستم ترمزاحیا کننده
واحد کنترل قدرت
این سیستم در تویوتا درون اتاق موتور قرار می گیرد و سه انشعاب اصلی با این سیستم در ارتباط می باشد. کابل های ورودی/خروجی باطری ، ژنراتور و الکتروموتور این سه انشعاب را تشکیل می دهند .
واحد کنترل قدرت شامل یک مبدلهایی است که جریان DC باطری رابرای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی به جریان AC تبدیل می کنند و همچنین شامل یک مبدل DC/DC است که برای تبدیل به V 12به کار می رود که برای مصارفی مانند رادیو، سیستم تهویه و … استفاده می شود. در سیستم THS II ، یک مدار قدرت ولتاژ بالا که می تواند ولتاژ را تا V 500 افزایش دهد، به آن افزوده شده است . براساس رابطه { جریان × ولتاژ = توان} افزایش ولتاژ این امکان رافراهم می آورد که برای حفظ همان توان قبلی بتوان جریان را کاهش داد که در عوض آن می توان ، سایز مبدل را کاهش داد. همچنین ، به این دلیل که مدارهای کنترل به صورت یکجا قرار گرفته اند ، اندازه واحد کنترل قدرت تقریبا نسبت به قبل ، کوچکتر باقی خواهد ماند .

( IGBT )
این نیمه هادی تبدیل (ترانریستور دوقطبی تجزیه کننده ) ولتاژ باطری راافزایش داده وتوانDC افزایش یافته رابرای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی ، تبدیل به توان AC می نماید. ازآنجا که جریانی که باید تعویض شود بزرگ است ، کم کردن گرمای تولیدی بسیار حائز اهمیت است. بنابراین، تویوتا به دقت و به شکلی عالی ، یک ترانزیستور را از جنس کریستال خاصی تولید کرده است. این وسیله حدود 20% کوچکتر ازوسیله ای است که در THS مورد استفاده قرار گرفته و درنتیجه گرمای کمتری تولید کرده وکارایی بالاتری دارد.

باطری هیبریدی
یکی از اجزای اصلی و مهم در خودروهای هیبریدی منبع تامین برق آن است که باید بتواند توان لازم برای شتاب دادن به خودرو را فراهم آورد . باطری های قابل شارژ، بدلیل ارزان و تجاری بودن و نداشتن قسمتهای متحرک اولین وسیله ذخیره انرژی در خودروهامی باشندکه بزرگترین عیبشان عمر کوتاه آنها می باشد. مشکل اصلی استفاده از این باتری در خودروهای هیبریدی، وزن بالای باطری جهت فراهم ساختن انرژی لازم برای حرکت می باشد . مساله دیگر ، زمان لازم برای شارژ آنهاست . برای کاهش وزن باتری، باید از مواد فعال با چگالی انرژی بالا استفاده شود. یکی از تکنولوژیهای روز دنیا برای کاهش وزن باطریها، استفاده از ساختار دو قطبی در باطریها می باشد. در یک باطری دو قطبی، یک الکترود دوقطبی هم نقش کاتد وهم نقش آند باطری را بازی می کند به این صورت که یک سطح آن آند و سطح دیگر آن کاتد باطری خواهد بود . باطریهای دوقطبی سرب-اسید و نیکل-نیکل هیدرید نیز در هیبریدها کاربرد دارند. باطریهای دوقطبی نیکل-نیکل هیدرید کارآیی و چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتریهای دوقطبی سرب-اسید دارند اما قیمت بالاتر و فناوری پیچیده تری را دارا هستند. فراخازنها نیز به عنوان ذخیره کننده در هیبریدها استفاده می شوند. در Prius ، پیشرفت دیگری نیز وجود دارد و آن باطری هیبریدی نیکل – فلز با عملکرد بالا و بهبود یافته است . با کاهش مقاومت درونی باطری ازطریق بهبود جنس الکترودها وبااستفاده از یک ساختار ارتباطی کاملا جدید بین سلول ها ،چگالی ورودی /خروجی باطری جدید 35% بهتر از باطری مورد استفاده در سایر سیستمها می باشد، که این مقدار فعلا بیشترین چگالی خروجی ( خروجی برحسب هرواحد وزن) درجهان می باشد. Prius در THSII از یک باطری اصلی ولتاژ بالا و یک باطری معمولی استفاده می کند.باطری معمولی همان باطری V 12 است، باطری اصلی NIMH است، که توسط یک قفسه فلزی محافظت و به کف بدنه در پشت صندلی عقب به صورت عایق نگهداشته می شود. این باطری دارای 38 خانه است که ولتاژ هر خانه آن V 7.2 می باشد،که به صورت آرایش سری درون باطری قرار گرفته و این باطری به طور کل تقریبا V 274 تولید می نماید. کل خانه های باطری درون قفسه پلاستیکی فشرده قرار می گیرند. الکترولیت مورد استفاده در باطری NIMH ماده قلیایی پتاسیم و سدیم هیدروکسید می باشد. این الکترولیت در صفحه های پیل باطری جذب شده و تبدیل به یک ماده ژله مانند خواهد شد و معمولا نشت نخواهد کرد، حتی در تصادفات . در موارد غیر محتمل( که باطری بیش از حد شارژ می شود ) ، گاز های تولید شده درخانه های باطری از طریق لوله های خرطومی که به هر خانه باطری متصل است ، به طور مستقیم به خارج از خودرو هدایت می شود. برای ثابت ماندن شارژ ، باطری انرژی شارژ را از ژنراتور و موتور الکتریکی می گیرد.

مبدل اینورتر وکانورتر
مبدل وسیله ای است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) ، یا برعکس تبدیل می کند . ازآنجایی که باطری تحت جریان DC و ژنراتور مولد جریان AC و الکتروموتور نیز با جریان AC کار می کنند، نیاز به یک مبدل جریان در سیستم می باشد . مبدلی که جریان مستقیم (DC)حاصل از باطری را به جریان متناوب (AC) تبدیل می نماید ، IVVERTER نامیده می شود . زمانی که DCبه ACتبدیل می شود ، می توان ازآن برای به کارانداختن الکتروموتور ACاستفاده کرد ، و همچنین مبدلی که برای شارژ باطری جریان AC ژنراتور را به DC تبدیل میکند ، CONVERTER نامیده می شود. درTHS II ، یک مدار قدرت ولتاژ بالای DC/DC در جلوی مداراینورتر اضافه شده است ، تا برق مصرف کننده ها تامین شود . به دلیل اینکه کانورتر می تواند ولتاژ را افزایش دهد، حتی درجریان های کم نیز نیروی الکتریکی افزایش می یابد و درنتیجه خروجی وگشتاور بالاتری برای حرکت موتور الکتریکی حاصل می شود .

سیستم ترمز احیاکننده
در این جا یک سیستم ترمز احیا کننده مورد استفاده قرار می گیرد که دراین سیستم زمانی که ترمز گرفته می شود ، موتور الکتریکی همانند یک ژنراتور (دینام) عمل می کرد. وانرژی جنبشی چرخها رابه انرژی الکتریسیته تبدیل می نماید ، که ازاین انرژی برای شارژ باطری استفاده می شود. سیستم ترمز ها احیاء کننده شامل سه جزء مختلف زیر است : دستگاه ذخیره کننده انرژی – یک واسطه ی انتقال دهنده قدرت برای انتقال انرژی چرخ ها به دستگاه ذخیره کننده – یک کنترل کننده ی شدت ترمز .
این سیستم ، به ویژه درزمان جابجایی های درون شهری که الگوهای پرشتاب وکم شتاب به طور مرتب تکرار می شوند در باز یافت انرژی موثر می باشد . زمانی که پدال ترمز مورد استفاده قرار می گیرد ، سیستم هماهنگی بین ترمز هیدرولیکی ECB وترمز احیا کننده راکنترل می کند و ابتدا" با توجه به میزان کورس پدال ترمز که توسط سنسور اندازه گیری می شود ترمز احیاکننده رامورد استفاده قرار می دهد وبه این صورت انرژی حتی در سرعت های پایین نیز بازیافت می شود. یعنی میتوان گفت که در سرعت های خیلی پایین لنت ها در گیر نمی شوند، علاوه بر این ، بابهبود عملکرد ورودی باطری، انرژی بیشتری بازیافت می شود. مضاف
براین که ، کاهش میزان خسارات ناشی از اصطکاک ،درسیستم حرکتی ، به طور مثال درانتقال انرژی که باید در زمان شتاب منفی سیستم به هدر می رفت راحالا بازیافت می کند و به این ترتیب به شکل معنی داری کل انرژی بازیافت شده را افزایش می دهد .

سیستم انتقال قدرت هیبرید Hybrid Transmission
ترنسمیشن هیبرید نوع CVT شامل جعبه تقسیم قدرت ، ژنراتور ،موتور الکتریکی ودنده های تبدیل وغیره می باشد. در ترنسمیشن تویوتا قدرت موتور احتراق توسط جعبه تقسیم قدرت به دو بخش تقسیم می شود. یکی از این دو بخش به موتور الکتریکی وچرخها ودیگری به ژنراتور وصل می شود. بدین وسیله انرژی حرکتی موتور احتراق از دو طریق انتقال می یابد ، انرژی مکانیکی و الکتریکی . همچنین ، یک سیستم انتقال الکترونیکی کنترلی که به طور پیوسته درحال تکامل است نیز فراهم می باشد ، بطوریکه که این سیستم می تواند به طور پیوسته دور موتور احتراق وهمچنین دور ژنراتور وموتور الکتریکی را نسبت به تغییر سرعت خودرو ، بار ، میزان مصرف ، حالات مختلف شارژ باطری ، انتشار گازهای خروجی و … ، کنترل نموده و تغییر دهد . THS II همچنین میزان خسارات اصطکاک را به میزان 30% با استفاده از بلبرینگ های مخصوص در سیستم انتقال کاهش می دهد .

عملکرد جعبه تقسیم قدرت Power Split Device :
سیستم تقسیم قدرت در هیبرید THS II از یک مجموعه دنده سیاره ای استفاده می کند. قفسه در این مکانیزم به طور مستقیم به موتور احتراق متصل است ونیروی حرکتی را ازطریق چرخ دنده های هرز گرد به دنده رینگی(بیرونی) ودنده خورشیدی داخلی انتقال می دهد. دنده رینگی به طور مستقیم به موتور الکتریکی وصل است ونیروی حرکت دهنده را به چرخها انتقال می دهد، درحالی که دنده خورشیدی به طور مستقیم به ژنراتور وصل می باشد . از مزایای این سیستم می توان به این موارد اشاره کرد : سر و صدای استارت معمولی حذف شده است – خودرو هیچ نوع جهشی ندارد – گذر قدرت از موتور به ژنراتور کاملا نامحسوس است.

حالات عملکردی موتور احتراقی ، موتور الکتریکی و ژنراتور در Power Split Device
در یک مجموعه دنده خورشیدی برای اینکه انتقال قدرت صورت گیرد ، باید یکی از سه عضو ثابت شود تا انتقال قدرت از دنده محرک به متحرک صورت پزیرد . حال به بررسی عملکرد سیستم در هر یک از حالات ، می پردازیم :

1. حالت درجا : در این حالت موتور احتراقی،ژنراتور و موتورالکتریکی متوقف هستند ، لذا هر سه عضو مجموعه سیاره ای نیز ساکن باقی می مانند و نیرویی به چرخها نمی رود.

2. شروع حرکت : خودرو فقط توسط موتور الکتریکی کار می کند . پس قفسه حامل سیاره ای (Carrier) توسط موتور ثابت شده، و انتقال قدرت از دنده خورشیدی(Sun gear) به دنده رینگی(Ring gear) انجام می شود .

3 . در طی شتاب گیری از حالت شروع حرکت : ژنراتور که وظیفه استارت موتور احتراق را نیز بر عهده دارد دنده خورشیدی را به حرکت دراورده و موتور احتراق را به کار می اندازد. به محض روشن شدن موتور ، ژنراتور تولید الکتریسیته نموده و همراه جریان باطری ، نیروی الکتروموتور را تامین می کنند .

4 . در طی حرکت نرمال : اغلب ، ازموتور احتراق برای حرکت استفاده می شود ، ولی در ساختار THS II از الکترو موتور نیز برای رسیدن کارایی بیشتر(کاهش مصرف و آلودگی) در این شرایط استفاده می شود. . تولید الکتریسیته نیز اساسا مورد نیاز نمی باشد.

5 . درطی زمان شتاب گیری : درطی زمان شتاب گیری ازحالت حرکت عادی (نرمال) ، دور موتور احتراق افزایش می یابد ودر همان زمان ، ژنراتور شروع به تولید الکتریسیته می نماید. بااستفاده ازاین نیروی الکتریسیته وهمچنین الکتریسیته باطری ، موتورالکتریکی نیروی حرکتی راافزایش داده ودرنتیجه شتاب افزایش می یابد. در این حالت هر سه عضو حالت چرخشی پیدا می کنند.

افزایش خروجی برپایه گردشی سریعتر ژنراتور (همانطور که در شکل مشخص است) به دلیل اینکه دور ژنراتور به حداکثر افزایش یافته است، الکتریسیته تولیدی توسط ژنراتور افزایش یافته واین امر موتورالکتریکی رابیشتر تغذیه می کند ، بنابراین نیرو وقدرت حرکتی نیز افزایش می یابد.

موتور احتراق داخلی (ICE)
ICE منبع اصلی تولید قدرت در خودروی هیبریدی میباشد. یک موتور احتراق که به طور سینرژیک ( هم نیروزا ) با خروجی موتور الکتریکی کار می کند و از طریق این اثر سینرژیک خروجی موتور الکتریکی ، عملکرد کاراتر وچرخش ساده تر را حاصل می نماید. تو یوتا در محصولات هیبریدی خود از یک موتور 1.5 لیتری4 سیلندر 4 زمانه با ماکزیمم توان KW 43 ، و گشتاور KW 102 در rpm 4000 ، استفاده می نماید. این موتور با اندکی تغییر در THS II مورد استفاده قرار می گیردکه بالاترین نرخ تغییر آن درموتور احتراق مربوط به تغییر دور rpm 4500 درموتورهای هیبرید THS به 5000 rpm درموتورهای هیبرید THS II می باشد، که بدین شکل خروجی بهبود یافته است. اجزاء حرکتی سبک ترشده اند، رینگ های پیستون دارای کشش کمتری هستند ونیروی فنر سوپاپ کوچکتر شده است ودرنتیجه خسارات ناشی ازاصطکاک نیزکاهش می یابد . علاوه براین ، افزایش 500 واحدی rpm باعث چرخش سریعتر ژنراتور شده ونیروی حرکتی درطی زمان شتاب گیری افزایش می یابد و استفاده از VVT-I و محفظه احتراق مورب و کاهش وزن موتور از طریق بکار بردن بلوک سیلندر آلومینیومی و مانیفولد های فشرده کارایی صرفه سوخت را شامل می شوند.

موتورهای الکتریکی هیبریدی در توپی چرخ های خودرو
Designing In-Hub Brushless Motors
Electric motors formatted to fit inside the wheel of a vehicle have their own special constraints that impact the design of propulsion systems.
In-hub motors are traction motors in that they change rotary motion to linear motion. They are actually a special case because they are part of the wheel itself instead of being attached to the wheel through gearing. This limits these direct-drive motors to a size that will fit inside the wheel.
RELATED:
Hub Motors For All-Electric Vehicles Still Have Some Technological Challenges to Overcome
The Motor's in the Wheel
Your First E-Vehicle Could Be an E-Bike

In-hub motors have been widely used in bicycles and scooters and are now expanding into small electric transport carts and small recreational vehicles. Some early in-hub motors for bicycles and scooters had a gearbox as part of the In-hub assembly. The in-hub motors discussed here are direct-drive motors with no gearbox. The direct-drive motor will be a low-speed motor. Without the mechanical advantage of gearing, the motor size is limited by the tire ID. This size limit will also limit the torque that con be produced.

In-hub motors today can be configured as inner rotation, outer rotation, or axial-flux devices. But axial-flux motors tend to be impractical for use in wheel hubs because they must be physically large to generate the kind of torques necessary for moving a vehicle.
Nevertheless, it looks as though in-hub motors will have a bright future where there is a need for smaller traction motors. They probably will not replace traction motors in locomotives or trucks, but smaller applications will be fair game. The absence of a gearbox and the accompanying potential for oil leakage will make them attractive for use in autonomous or guided carts used to move supplies in hospitals and factories. These applications also will be required to operate on batteries and as battery technology improves, the range of applications for in-hub motors will also increase.
Selection process
As with most electric motors, the required load and speed dictate the size of an in-hub motor necessary to handle a given application. The first task in the selection process will be to convert the maximum linear load and speed into rotational speed and torque needed at the wheel. If more than one wheel will drive the load, the total load can be divided by the number of driving wheels.
The in-hub motor is a direct-drive motor, so the effective gear ratio is the diameter of the tire. Tire diameter will define the motor output needed. With the output determined, the next step is to determine whether a motor can be designed to fit inside the wheel in question. The length of an in-hub motor should not be much longer than the width of the wheel. Thus, the wheel size without the tire generally dictates the dimensions available for the motor.
Unfortunately, several complications pertaining to motor characteristics can make it hard to predict the motor output given the allowable size. For example, the type of magnets used and the geometry of components in the magnetic circuit affect the motor design. So today, the design process for an in-hub motor still relies on simplifying some design criteria from experience.
The in-hub motor can take many forms but the most common is that of a brushless permanent-magnet (BLPM) configuration. One benefit of BLPM devices is that they need no field winding to generate flux as for induction or dc-brush motors. The permanent magnet produces a constant field that interacts with the field produced in the stator windings. Consequently, the electrical input to the stator windings solely controls the motor speed.
Specifically, the input voltage is directly proportional to a constant multiplied by the motor speed measured in rpm. The torque output of the motor is directly proportional to a constant multiplied by the motor current.
For use as a hub motor, PMBL motors can be built in three different configurations. The first, and least practical, is as an axial-flux motor, where the stator windings are typically sandwiched between sets of magnets. The problem is that axial-flux motors must be physically large to get performance comparable to that of conventional radial designs (or they must use expensive rare-earth magnets rather than inexpensive ferrites). The larger physical size eliminates this design from consideration in most in-hub applications, which typically need a relatively small motor with a large output torque.

Torques for climbing specific grades and running on flat ground as a function of the wheel diameter. As we would expect, the torque required will rise as the wheel diameter increases.
The other two configurations are both radial designs with the motor magnets bonded to the rotor; in one, the inner rotation motor, the rotor sits inside the stator, as in a conventional motor. In the other, the outer-rotation motor, the rotor sits outside the stator and rotates around it. The application of hub motors in vehicular uses is still evolving, and neither configuration has become standard. So it is worth comparing these two styles.
The outer-rotation motor will have the rotor formed as the tire rim and the tire will directly mount to the motor rotor. In most applications, the outer-rotor style would be preferred because the rotating part could mount directly to the wheel and tire. However, this would only be advantageous when working with loads small enough that the length of the motor would not exceed the width of the wheel. A motor longer than the width of the wheel would protrude from the wheel and could diminish the vehicle's turning radius and other handling qualities. Also, the motor only clears the running surface by a distance slightly larger than the tire profile height. Thus, a motor that protrudes beyond the wheel is potentially subject to damage from road debris or other such factors.
In contrast, an inner-rotation motor has the stator winding on its outer shell. The rotor sits inside the stator and connects to a shaft. Spokes typically connect the wheel to the rotor shaft. The advantage of this design is that there is typically appreciable clearance between the running surface and the motor housing.
One major issue affecting the design of in-hub motors is cost. Most of the motor cost will be in the magnets and the copper. Recall that for an outer-rotation motor, the rotor diameter exceeds that of the stator. Thus, the rotor magnets will be large compared to those on an inner-rotation motor where the rotor fits within the stator. But the volume of copper in the windings of an outer-rotation motor would be less than that of an inner-rotation device.

The motor constant and resistance of inner and outer-rotation motors as a function of the motor stack length.
Also, the magnets on an outer-rotation motor lie near the motor's outer diameter. This allows a larger radius for the development of torque and reduces the amount of force needed at the air gap. Because there is a larger volume of magnetic material the magnets need not be high energy and may, thus, be made from less-expensive bonded rare earth material. Bonded rare-earth magnets cost about half that of sintered versions.
Conversely, the inner-rotation motor has a small magnet volume but a larger volume of copper stator windings relative to an outer-rotation motor. Because there is less magnet material, the motor typically requires high-energy (and high cost) sintered rare-earth magnets.
An example helps give a feel for how design decisions come about in an in-hub motor project. Consider a particular case where the design parameters are listed in the accompanying table. Assume these are parameters for one wheel. (Thus, the total vehicle weight is 1,000 lb.) A design can handle higher loads by installing in-hub motors in additional wheels.
The vehicle of interest reaches a maximum climb speed when accelerating up the 15° incline and reaches its maximum speed on a flat surface. The vehicle would monitor power delivered to the motor to keep power from exceeding a maximum value. As the acceleration torque drops or the slope of the hill declines, the speed can rise toward the maximum without exceeding the maximum power.
Assume these in-hub motors will operate on 48-Vdc and have a peak current of 100 A line-to-line in a trapezoidal drive mode, where feedback from Hall-effect sensors report the location of the rotor to the motor drive. The motors could also be driven with a sine-type drive and still provide essentially the same performance.
We know speeds needed and the voltage available, so we can determine the motor voltage constant as a function of the wheel diameter. Suppose we allow 20% of the voltage to go into the motor IR drop. We can then calculate the maximum motor resistance allowed using the motor equation
V = I × R + Ke × S

where S = motor velocity, rad/sec; Ke = motor voltage constant, V/rad/sec; V = motor voltage, V; I = motor current, A; and R = motor resistance, Ω. In this case, we calculate a maximum winding resistance of 0.18 Ω by considering the case where S = 0. We calculate Ke by knowing the desired speed, S, and considering the no-load case where I = 0. The motor voltage constant will also change as the wheel diameter changes because of changes in wheel circumference.

Vehicle parameters used for an example of specifying an in-hub motor.
We'll consider three conditions. The first consists of acceleration to 75% of the maximum speed up the maximum incline. The second is while the cart accelerates on a 2° incline to maximum speed. The third is while running at the maximum speed on the 2° slope with no acceleration. We use the 2° incline for the maximum speed case simply because most flat surfaces are not entirely flat. The power needed will be a function of the forces necessary using the parameters of the cart accelerating and running on a surface.
Recall that the power needed to move up an incline can be expressed as the necessary speed multiplied by the torque from the motor speed-torque curve. In this particularly case, the power to accelerate up the 15° slope calculates to 3 kW, the power to accelerate up the 2° slope calculates to 1.8 kW, and the power to run at a constant speed on the 2° slope calculates to 400 W. Thus, dissipated power changes by over a factor of seven in these different slope scenarios, with only a small amount of power needed on a flat surface. Thus, it is hard to come up with an average power because of the drastic changes in operating conditions.
The best way to find an average power is to set up a test that will yield a consistent value. If required power stays constant (implying load is constant), the torque necessary will diminish as wheel diameter rises. The accompanying figure of Torque as a function of wheel diameter shows the torques for the three conditions as a function of the wheel diameter, assuming a given constant load. For the sake of an example, we pick a wheel diameter of 12 in. and a motor OD of 10 in.
Given a wheel and motor diameter, we next determine a minimum motor length to get the power needed. Specifically, we compare outer rotation and inner-rotation motors necessary as a function of the winding stack length. An accompanying figure of Motor constant, resistance versus motor stack length shows the motor constant and resistance of both styles of motor as a function of the motor stack length. We determined earlier that the maximum stator resistance was 0.18 Ω. For an outer-rotation-style motor, we can meet this value with a stack length of 1.5 in. using bonded neodymium magnets. The outer-rotation motor will need a 2-in.-deep stack though it employs stronger sintered neodymium-magnet material.
Another factor is the motor constant which is a measure of the motors thermal capacity. The units of the motor constant are torque divided by the square root of dissipated power. The accompanying figure also shows that the outer-rotation motor will have a higher thermal capacity than the inner-rotation motor. This is not a big advantage because the inner-rotation motor will have the winding attached to the motor OD and will have a better thermal path to get heat out of the winding.
All in all, this analysis shows that the outer-rotation motor gives a simpler design in that the wheel/tire is part of the motor and the motor can have a shorter stack than the inner rotation case. The shorter magnet and stator in the outer-rotation motor would also cost less.
This analysis assumes an air-gap flux density of 5.5 kG for the outer-rotation motor using bonded neodymium magnets and an air-gap flux density of 8 kG in the inner-rotation motor using sintered neodymium magnets. These results would change depending on the grade of magnet but the results still would be similar to this example.
Also note the motor constant rose with stack length in both of these motors. This implies motors with longer stack lengths would be more efficient but the motor cost would also rise.
Resources:
TruTech Specialty Motors

طراحی موتورهائی که بدون ذغال توپی در چرخ قرار میگیرند – In Hub Brhless Motors
موتورهای الکتریکی که طراحی شده اند تا در داخل چرخ وسیله نقلیه قرار بگیرند اینگونه موتورها اغلب با مشکلاتی که اثر مستقیم برروی طراحی سیستم محرکه دارد میشوند.
موتور In Hub نوعی موتور Traction (موتور لوکوموتیو) میباشند که حرکت دورانی را تبدیل به حرکت مستقیم مینمایند. اینگونه موتورها که مخصوص هستند معمولا بخشی از خود چرخها میباشند بجای اینکه از طریق دنده به چرخ متصل باشند. بنابراین محدودیت ابعادی جهت نصب در چرخها را دارند.

ارتباط
موتورهای Hub برای خودروهای برقی هنوز دارای چالشهای تکنیکی هستند که بایستی برطرف گردند.

موتور در چرخ
اولین اینگونه موتور میتواند در چرخه الکتریکی باشد. موتورهای In Hub در ابتدا روی دوچرخه و موتور که گسترش یافته به استفاده برروی وسائل نقلیه باری و تفریحی برخی از انواع موتورهای In Hub برای دوچرخه و موتورسیکلت با جعبه دنده نصب میشوند ولیکن موتورهای مورد بحث در این مقاله بدون جعبه دنده و از نوع محرک مستقیم میباشند که دارای سرعت پائین هستند بدون در نظر گرفتن مزایای مکانیکی نوع دنده ای سایر موتورها بستگی به قطر داخلی لاستیک دارد و محدودیت ابعادی باعث محدودیت گشتاور تولیدی میباشد.
موتورهای In Hub امروزی میتوانند مجهز به حرکت دورانی داخلی و خارجی و یا تجهیزات کمکی محوری شوند ولیکن موتورهای محوری بنظر قابل استفاده در چرخ وسیله نقلیه نمیباشند، زیرا آنها بایستی ابعاد بزرگی داشته باشند تا بتوانند گشتاور مورد نیاز را تولید نمایند تا خودرو به حرکت درآید.

به نظر میرسد موتورهای In Hub آینده روشنی را دارند زمانیکه به موتورهای Traction (موتور لوکوموتیو) کوچکتری نیاز باشد. مطمئنا نمیتوانند جای Traction (موتور لوکوموتیو) یا کامیونهای غول پیکر را بگیرند، اما در عمل جایگاه خوبی خواهند داشت. دارا نبودن جعبه دنده و نهایتا نشتی روغن باعث میگردد اینگونه موتور در وسائل نقلیه بیمارستانی در داخل کارخانجات و وسائل بسیار خوبی هستند. اینگونه وسائل نیاز به باطری دارند، بنابراین فناوری باطری هم عملا توسعه خواهد یافت و نهایتا زمینه استفاده های بیشتری برای این نوع موتورها فراهم خواهد شد.
نحوه انتخاب
همانگونه که در کلیه موتورها سرعت و بار موتور سایز موتور را تعیین میکند، در موتورهای In Hub نیز براساس مورد استفاده سرعت و بار تعیین کننده میباشد. بنابراین اولین قدم این است که حداکثر بار خطی و سرعت را بایستی تبدیل به سرعت دورانی و گشتاور موردنیاز در چرخها نمود و اگر تعداد چرخها بیش از یکی باشد مجموعه بار مورد نیاز به تعداد چرخها تقسیم میشود.
موتور In Hub یک موتور با روند مستقیم میباشد، بنابراین تناسب دنده مناست است با قطر تایر، لذا قطر تایر معرف قدرت موردنیاز موتور میباشد. با تعیین قدرت قدم بعدی این است که آیا میشود موتوری را طراحی نمود که داخل چرخ جا بگیرد؟ طول موتور In Hub نباید بیشتر از عرض چرخ باشد، بنابراین ابعاد چرخ بدون تایر معمولا ابعاد موتور را تعیین میکند. متاسفانه بغرنج بودن عوامل زیاد باعث پیچیدگی طراحی موتور میشود. مثلا نوع مگنت ها و مشکل آنها در طرح موتور موثر است. بنابراین امروزه در روند طراحی موتورهای In Hub از تجربیات و ساده نمودن بایستی استفاده کرد.
موتورهای In Hub میتوانند دارای شکلهای مختلفی باشند ولی نوع متعارف آن بدون ذغال و مگنت دائمی BLPM (Bushless Permanent Magnet) میباشد. یکی از منافع BLPM ها این است که نیاز به میدان مغناطیسی که مولد میدان (Flux) برای موتورهای القائی و یا DC موتورهای ذغالی نمیباشد. مغناطیس دائمی مولد میدان ثابتی است که با میزان میدان تولید در سیم پیچ استاتور اثر متقابل دارد. بنابراین ورودی الکتریسیته در سیم پیچ استاتور کاملا کنترل کننده سرعت موتور است. خصوصا ولتاژ ورودی رابطه مستقیم با حاصل ضرب عدد ثابت در سرعت موتور به دور در دقیقه (RPM) میباشد. گشتاور خروجی موتور متناسب است با حاصل ضرب عدد ثابت در جریان موتور برای استفاده بعنوان Hub موتور، موتورهای BLPM را میتوان به سه گونه ساخت، اولین و کمترین نوع قابل استفاده موتور میدان تک محوری (Axial Flux Motor) میباشد که در آن سیم پیچی استاتور در بین مگنت ها ساندویچ میشود. اینگونه موتورها بسیار بزرگ هستند تا عملکرد آنها در مقایسه با موتورهای معمولی دوار خود را نشان دهد. لذا ابعاد بزرگ باعث حذف چنین طراحی در استفاده از موتورهای In Hub میشود، چون در موتورهای In Hub کوچکترین ابعاد با گشتاور بالا موردنیاز است.

رابطه گشتاور برای بالا رفتن از شیب های خاص و عبور از سطوح صاف با قطر چرخ همانگونه که توقع داریم با ازدیاد قطر چرخ گشتاور موردنیاز بالا میرود.
دو نوع دیگر موتور هر دو از طرح دوار با مگنت هائی که به روتور چسبیده اند میباشند. در یک نوع که موتور با دور دورانی داخلی میباشد روتور طبق موتورهای معمولی در داخل استاتور می نشیند و در نوع دیگر موتور با دور خارجی روتور در خارج استاتور بوده و به دور استاتور میچرخد.
در موتورهای Hub که قابل استفاده در خودروها هستند هنوز این رشد ادامه دارد و هیچیک از موارد فوق بصورت استاندارد نشده است. بنابراین بد نیست که این دو را با هم مقایسه نمائیم. در نوع دوران خارجی روتور بصورت دیواره تایر بوده وتایر مستقیما به روتور موتور نصب میگردد. در اکثر موارد این نوع ترجیح داده میشود بخاطر اینکه قطعه دورانی بطور مستقیم روی چرخ وتایر نصب میگردد، ولی این در زمانی قابل اجرا است که بار تا حدی کم باشد که طول موتور از عرض چرخ بیشتر نباشد. موتوری که بلندتر از عرض چرخ باشد از چرخ جلو زده و باعث تقلیل در شعاع دور زدن و سایر موارد مانوری ماشین میگردد. همچنین در اینگونه موارد موتور فقط سطحی را میپیماید به مساحت کمی بیشتر از ارتفاع تایر، بنابراین خودروئی که موتورش جلوتر برود از چرخش مطمئنا با خسارت جاده ای مواجه خواهد شد.
در مقابل موتور با دوران داخلی بشکلی است که سیم پیچی استاتور در روی پوسته خارجی آن است و در اینصورت روتور داخل استاتور می نشیند و به شافت وصل میشود. پره های چرخ باعث اتصال چرخ به شافت روتور میشود. در این نوع طرح مزیت در این است که فاصله بین سطح تماس و دسته روتور قابل تحلیل میباشد.
یکی از موارد مهم In Hub موتور هزینه آن است. بیشترین بخش هزینه در مگنت و مس مصرفی است. یادآور میشویم که در نوع موتور با دور خارجی قطر روتور از قطر استاتور بیشتر است. بنابراین مگنت های روتور بزرگتر از نوع موتور با دور داخلی که روتور در داخل استاتور است میباشد. ولی حجم مس موردنیاز سیم پیچی در موتور با دور خارج کمتر از موتور با دور داخلی خواهد بود.
همچنین مگنت ها در موتورهای دور خارجی در نزدیکی قطر خارجی موتور قرار میگیرند. لذا این موضوع باعث میگردد تا گشتاور گسترش یافته و نیروی لازم در شکاف هوا کمتر گردد، چون حجم مواد مغناطیسی زیاد است نیاز به مگنت با انرژی بالا نیست. بنابراین از نوع ارزانتر اکسید خاکهای کمیاب میتوان استفاده نمود.
نوع مگنت هائی که از اکسید خاکهای کمیاب تولید میشوند حدود نصف قیمت مگنت هائی است که از نوع سنیتر شده میباشند. از طرف دیگر موتورهای دور داخل حجم کمتری از مگنت را دارند، ولی حجم مس در سیم پیچی استاتور بیشتر است و چون میزان مواد مغناطیسی کمتر میباشد، لذا به انرژی بیشتری نیاز دارد (و قیمت بالاتر). یک مثال کمک میکند تا تصمیم گیری طراحی In Hub موتور را بهتر جلوه دهد و با درنظر گرفتن پارامترهای طراحی که در جدول داده شده و بفرض اینکه این پارامترها برای یک چرخ میباشند و وزن اتومبیل یک هزار پوند است طرح میتواند بار بیشتری را تحمل کند توسط موتورهای In Hub در چرخهای اضافی.
اتومبیل موردنظر به حداکثر سرعت خود میرسد زمانیکه در 15 درجه سراشیبی قرار گرفته و حداکثر سرعت در سطحی که اتومبیل در آن قرار بگیرد برسد وسیله قدرت موتور را طور تنظیم میکند که از حداکثر سرعت تجاور نکند. وقتی شتاب گشتاور پائین نیافته یا شیب کم میگردد سرعت بدون اینکه قدرت بسمت حداکثر برود زیاد میشود.
فرض کنیم که In Hub موتور موردنظر با ولتاژ 48 DC کار کند و جریان حداکثر 100 آمپر در شرایط line-in-line و حالت حرکت ذوزنقه ای باشد که اطلاعات سنسورها گزارش موقعیت رتور در موتور را بدهند و موتور نیز بتواند با تیپ سینوسی حرکت کند و همان عملکرد را نشان میدهد ما سرعت موردنیاز و ولتاژ موجود را دانسته و میتوانیم ضریب ثابت موتور را با نسبت قطر چرخ محاسبه کنیم. فرض کنیم 20 درصد ولتاژ به موتور دور داخل افت داشت باشیم، بنابراین میتوانیم حداکثر مقاومت مجاز موتور را از فرمول ذیل محاسبه کنیم:
V = I x R x KC x S
KC = ضریب ثابت موتور
S = rad/sec سرعت موتور
I = جریان موتور آمپر
R = مقاومت موتور اهم
در اینجا محاسبه میشود حداکثر مقاومت سیم پیچی 0.18 اهم وقتیکه

ساخت موتور الکتریکی
هیبریدی در توپی چرخ های خودرو، فضای بیش تری را در مجموع برای سرنشینان خودرو و به ویژه جاسازی باتری ها فراهم می سازد. اما با وجود این، سازندگان خودرو تمایل زیادی به این ایده نوین ندارند، زیرا تصور می کنند که با پذیرفتن این ایده، وزن سیستم تعلیق متشکل از قطعات، اجزا، و قسمت هایی که به طور مستقیم به هم متصل هستند، افزایش می یابد و این موضوع به عملکرد خودرو طی حرکت در مسیرهای ناهموار آسیب خواهد زد. با این که این ایده به چالش کشیده شده است، شرکت های Protean Electric و Lotus Engineering با یکدیگر قراردادی را منعقد کرده اند که طی آن قصد دارند آزمایشات گسترده ای را به منظور مقایسه دو نمونه خودروی آزمایشی سدان معمولی و خودروی مجهز به موتور الکتریکی جاسازی شده در توپی چرخ ها انجام دهند. براساس نتیجه گیری بسیار جالب شرکت Lotus Engineering، رانندگان متوسط نمی توانند افت کارایی ناشی از افزایش وزن سیستم تعلیق را حس کنند.

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانا، طبق پیش بینی، تا سال 2050 از 9.3 میلیارد نفری که بر روی زمین خواهند بود، 6.4 میلیارد در شهرها زندگی می کنند. همچنین نسبت به زمان حال، تعداد اتومبیل ها در جاده ها چهار برابر خواهد شد، این امر منجر به ازدحام شهری و ترافیک باور نکردنی خواهد شد. این پیش بینی، انگیزه انجام این پروژه است که در آن، موتور اتومبیل به رینگ چرخ منتقل شده است. در واقع از این طریق موتوری الکتریکی در پشت چرخ های خودرو قرار می گیرد.
فناوری ای ویل درایو (eWeelDrive) برای اولین بار در بلژیک نشان داده شد. این فناوری تحت توسعه فورد و تولید کننده آلمانی قطعات خودرو، شرکت اسکیفلر است. هدف از این پروژه بررسی پتانسیل خودروهای چالاک تر و کوچکتر است که برای محیط های شلوغ شهری مناسب تر هستند.
در واقع به کمک این فناوری خودروها در ابعاد کوچکتر می توانند قابلیت های بیشتری در هدایت و رانندگی داشته باشند و از این طریق با حذف موتور در زیر کاپوت و انتقال آن به چرخ ها، و هم چنین انتقال باتری به زیر کاپوت، حجم دیگری برای قرار گرفتن باتری های حجیم خودروهای الکتریکی اشغال نمی شود.
به نظر نمی رسد ای ویل درایو انقلابی در صنعت خودروهای الکتریکی باشد. ای ویل درایو بر پایه معمولی ترین اتومبیل ها، یعنی فورد فیستا است، اما زیر کاپوت آن چیزی جز باتری وجود ندارد. در عوض، موتور جای خود را به دو موتور الکتریکی نصب شده در رینگ های چرخ های عقب به همراه سیستم های ترمز و خنک کننده داده است.

ای ویل درایو به جای ساخت یک ماشین اسپرت تر یا دوستدار محیط زیست، در نظر دارد به ارایه راه حلی جدید برای توسعه فن آوری های ماشین های مناسب برای خیابان های شلوغ شهری بپردازد که این خود یک هدف متفاوت در طراحی خودروهای امروزی است. این طرح موجب ایجاد فضای اضافه زیر کاپوت می گردد که به طور معمول توسط یک موتور معمولی و یا یک موتور الکتریکی مرکزی اشغال می شود، با این کار راه برای خودروهای کوچکتر و چالاک تر برای شهرهای پر ازدحام باز می شود.
به گفته مدیر طرح، چنین آرایشی به خودروسازان اجازه ساخت یک خودرو چهار نفره در فضای یک ماشین دو نفره و یا ایجاد تنظیمات جدید فرمان را می دهد که امکان رانندگی آسانتر و مانور در خیابان های فرعی و از همه مهتر امکان پارک کردن در فضاهای کوچک را فراهم می آورد. گام بعدی فورد در این طرح، پروژه MEHREN خودرو برقی چند موتوره با
بالاترین فضا و بازده انرژی برای توسعه دو وسیله نقلیه جدید تا سال 2015 خواهد بود .

منابع:

1. Michel H.westbrook the Electric car
2. History of the electric Autmobile : Hybrid electric veicle
3. Combustion Engine and hybrid veicles ( I.MeehE ) April 1998
4. Continuously Variable transmission for passenger vehicles 1987
5. www.howsttafworks.com
6. www.asam.com
7. Toyota Hybrid Corporation
8. TruTech تخصص موتورز
9. اطلاعات عمومی

2