بررسی عملکرد سیستم هیبریدی تویوتا (HSD)

دوشنبه، 23 اسفند 1400 زمان مطالعه 16 دقیقه

سیستم رانندگی هیبرید سینرجی (Hybrid Synergy Drive) نام برند تکنولوژی هیبریدی کمپانی تویوتا است که به اختصار HSD نامیده می‌شود. این تکنولوژی در طیف وسیعی از خودروهای هیبریدی تویوتا و لکسوس بکار رفته‌اند. ما در این مطلب عملکرد این سیستم را بررسی می کنیم. همراه ما باشید.

از تولید اولین خودرو با تکنولوژی هیبرید تا به امروز حدود 20 سال می گذرد و بحران کاهش منابع سوخت فسیلی و هزینه بالای سوخت از یک طرف و از طرفی دیگر پررنگ شدن مسائل زیست محیطی و افزایش آلودگی هوا و خطرات حاصل از آن، سبب گشته تا شاهد گسترش و توسعه روزافزون تولیدات خودروهایی با این تکنولوژی باشیم.به طور کل می توان این خودرو ها را به عنوان خودرویی دوگانه با قدرت ترکیبی بین یک موتور بنزینی و یک موتور الکتریکی معرفی کرد که تنها با سوخت گیری موتور بنزینی، باطری موتور الکتریکی هم توسط انرژی حرکتی موتور شارژ شده و با حرکت هر دو با هم یا تنها موتور الکتریکی، باعث صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش گازهای آلاینده محیط زیست می شوند.

خودروهای هیبریدی تویوتا با دو موتور بنزینی و الکتریکی کار می کنند و برای شارژ باطری آن، نیازی به منبع خارجی از قبیل برق شهری و یا ایستگاه های مخصوص شارژ نیست و شارژ باطری از طریق موتور- ژنراتورهای به کار رفته در این سیستم صورت می پذیرد به صورتی که به غیر از موتور بنزینی، برداشتن پا از پدال گاز و یا ترمز کردن نیز باعث می شود که انرژی مکانیکی تبدیل به انرژی الکتریکی شده و بدون کوچکترین اتلاف، انرژی حاصل شده صرف شارژ مجدد باطری گردد. همچنین خودروهای هیبرید تویوتا مجهز به باتری های فوق پیشرفته هیدرید نیکل جهت تامین نیروی لازم برای موتور الکتریکی می باشند و در صورت استفاده مناسب، این باتری ها عمری بالای ۱۵ سال دارند.

این تکنولوژی برای اولین بار توسط کمپانی تویوتا به تولید انبوه رسیده و این کمپانی به عنوان مبدع سیستم هیبرید سینرژی درایو در دنیا که بر گرفته از سیستمهای هیبرید این شرکت یا THS (Toyota Hybrid System) بوده، شناخته می شود .سیستم هیبرید خودروهای تویوتا که به نام THS شناخته می شود با استفاده از تکنولوژی سری- موازی می توانند با حداقل بنزین مصرفی و به تبع آن با حداقل انتشار آلایندگی به علت هماهنگی مناسب بین دو موتور بنزینی و الکتریکی، به بیشترین و بهینه ترین توان خروجی موتور دست یابند.تفاوت خودروهای هیبرید تویوتا با سایر سیستم های هیبرید معمول در شرکتهای دیگر در عملکرد بهینه آنها می باشد که این سیستم باعث پایین آمدن چشمگیر مصرف سوخت و آلایندگی از یک طرف و بهبود قوای محرکه و بالا رفتن قدرت خروجی موتور از طرف دیگر شده است که این مهم از طریق هماهنگی و تعامل دائمی و بهینه موتور الکتریکی و موتور بنزینی موجود در این سیستم ایجاد می گردد.

Toyota Hybrid Synergy Drive

HSD یک سامانهٔ تمام هیبرید است که در آن خودرو می تواند تنها با اتکا به موتور برقی نیز به حرکت خود ادامه دهد، چیزی که بسیاری از سامانه های هیبریدی از انجام آن ناتوان هستند. این سیستم شامل سامانهٔ رانش الکتریکی و مجموعه ای از دنده های خورشیدی استفاده می کند که عملکردی مشابه یک گیربکس ضریب متغیر (CVT) دارند. سامانه همچنین از رانندگی باسیم استفاده می کند که در آن هیچ اتصال مکانیکی مستقیمی وجود ندارد و ارتباط بین موتور با کنترل کننده هایی نظیر پدال گاز و اهرم تعویض دنده تنها از طریق سیگنال الکتریکی ارسالی به کامپیوتر مرکزی میسر است. [توضیح مترجم: سیستم رانندگی باسیم Drive By Wire چیزی مشابه همان سیستم Fly By Wire است که سالهاست در هواپیماها استفاده می شود. در این سیستم ها سعی بر حذف اتصالات و قطعات مکانیکی و جایگزینی آن ها با سیم و سیگنال های الکترونیکی است. از دلایل این امور یکی کاهش وزن، امکان کنترل بهتر و دقیق تر و اصلاح اشتباهات راننده یا خلبان و همچنین قابلیت اطمینان بالاتر سیستم های کامپیوتری نسبت به سیستم های هیدرولیکی و سخت افزاری می باشد.

سیستم HSD نسخهٔ پالایش شده و بهبودیافتهٔ سیستم هیبریدی تویوتا THS است که بین سال های 1997 تا 2003 در مدل پریوس استفاده می شد. نسل دوم سیستم هیبریدی تویوتا به HSD تغییر نام داده شد تا در برندهای غیر از تویوتا نیز قابل استفاده باشد. برای مثال از سال 2006 در برند لکسس تحت نام Lexus Hybrid Drive عرضه می شود. سیستم هیبریدی لکسس برای دستیابی به قدرت و بیشتر و عملکرد بهتر تیونینگ شده است و در مدل های چهار چرخ محرک و محرک عقب لکسس عرضه می شود. بد نیست نگاهی هم به آمار فروش خودروهای هیبریدی تویوتا داشته باشیم، این شرکت تا ماه می سال 2007 یک میلیون خودروی هیبریدی در جهان فروخته بود و تا آگوست 2009 این تعداد به دو میلیون خودرو افزایش یافت و تا سال 2012 تویوتا چهار میلیون خودروی هیبریدی فروخته بود. همچنین خودروهای هیبریدی ساخت تویوتا بیش از 75 درصد از بازار خودروهای هیبریدی ایالات متحده را در اختیار دارند.

قاعده کلی سیستم هیبریدی تویوتا

حال گذری خواهیم داشت بر قاعدهٔ کلی این سیستم؛ HSD تویوتا جعبه دنده های معمول را با یک سیستم الکترومکانیکی جایگزین کرده است. یک موتور احتراق داخلی (ICE) بیشترین راندمان خود را در بازهٔ محدودی از دور موتور خود دارد، در حالی که این بازه برای چرخ ها کافی نیست و آن ها به بازهٔ بیشتری از راندمان نیاز دارند. در یک اتومبیل دارای گیربکس دنده ای معمولی سرعت و گشتاورهای مختلف مورد نیاز به صورت مجزا و گسسته به چرخ ها انتقال پیدا می کنند. گیربکس ممکن است دستی مجهز به کلاچ باشد و یا اتوماتیک با مبدل گشتاور؛ اما هر دوی آن ها به موتور و چرخ ها سرعت های مختلفی می دهند. راننده این امکان را دارد تا با استفاده از پدال گاز و گیربکس مکانیکی سرعت و گشتاور موتور و چرخ ها را تنظیم نماید که این سرعت با توجه به ضریب دندهٔ انتخابی معمولاً کمتر از سرعت گردش موتور است.

در هر حال همواره تعداد محدودی از ضرایب دنده در اختیار است که معمولاً عددی بین چهار تا شش است. این محدودیت ضرایب دنده ناگزیر موتور را مجبور به کار در سرعتی می کند که راندمان پایینی دارد، جایی که هر لیتر سوخت مقدار کمتری انرژی تولید می کند. حتی زمانی که دور موتور در سرعت بهینه نیز قرار دارد با توجه به کوپل شدن موتور به یکی از ضرایب دنده، کمپانی ها با محدودیت های بسیار در خصوص بهبود فاکتورهایی نظیر راندمان، طول عمر موتور و کاهش حجم یا وزن پیشرانه مواجه هستند. به همین دلیل تویوتا برای فائق آمدن بر این محدودیت ها از موتور ژنراتور استفاده کرده است که در کنار ابعاد و حجم کم خود مزایایی مانند راندمان بالاتر، قابلیت اطمینان بیشتر و طول عمر بیشتر نسبت به نمونه های معمول هستند.

اما وضعیت در گیربکس های ضریب متغیر متفاوت است. در این نوع سامانه های انتقال قدرت راننده و یا کامپیوتر خودرو این امکان را دارند تا به طور مؤثری بهترین ضریب دنده را برای سرعت دلخواه انتخاب کنند. این گیربکس ها به تعدادی چرخ دنده محدود نشده اند و ضرایب دندهٔ نامحدودی در دسترس است. نبود این محدودیت موتور را آزاد می گذارد تا همواره در بهینه ترین دور موتور کار کند. معمولاً سرعت مناسب برای به پیش راندن اتومبیل بین 1500 تا 2000 دور بر دقیقه است. در سیستم HSD هرگاه نیاز به موتور احتراقی باشد، این موتور در بهینه ترین دور خود وارد عمل می شود ضمن شتاب بخشیدن به خودرو به شارژ باتری ها نیز می پردازد و در صورت عدم نیاز خاموش می شود. عملکرد سیستم HSD نیز مشابه گیربکس های CVT است و سیستم به طور خودکار همواره بهترین ضریب انتقال نیرو را انتخاب می کند ضمن این که دور موتور همواره در دور بهینه نگه داشته می شود، به طوری که ضمن ثابت بودن دور موتور امکان افزایش دادن سرعت گردش چرخ ها وجود دارد. به همین دلیل تویوتا خودروهایی را که به HSD مجهزند، خودروهای دارای گیربکس e-CVT می نامد که شاره به انتقال قدرت الکترونیکی ضریب متغیر دارد.

جریان قدرت در سیستم HSD

در طرح یک خودروی استاندارد آلترناتور AC (همان دینام) و استارتر که یک موتور DC است، دو قطعه ای هستند که به موتور احتراقی متصل می باشند. موتور به تنهایی وظیفهٔ به پیش راندن خودرو را بر عهده دارد. باتری نیز تنها به منظور استارت موتور احتراق داخلی و بکار اندازی سایر مصرف کننده های الکتریکی هنگام خاموش بودن خودرو بکار می رود؛ و آلترناتور هنگام کار کردن موتور به شارژ کردن باتری می پردازد…
در سیستم HSD گیربکس دنده ای، آلترناتور و استارتر با دستگاه های زیر جایگزین شده اند:

MG1: یک موتور ژنراتور AC که از طراحی براشلس استفاده می کند؛ این موتور به عنوان استارتر موتور احتراق داخلی و نیز به عنوان یک ژنراتور در هنگام کارکرد موتور احتراق داخلی عمل می کند.
MG2: یک موتور ژنراتور AC که همانند قبلی براشلس است و برای تأمین نیروی حرکتی اولیه بکار می رود.
Power electronics: شامل سه اینورتر (تبدیل کنندهٔ جریان DC به AC) و دو عدد کانورتر DC به DC.
Computerized control system: شامل واحد کنترل کامپیوتری و سنسورها
HVB: یک باتری ولتاژ بالا است که هنگام شتاب گیری انرژی را تخلیه و هنگام ترمزگیری انرژی را ذخیره می نماید.

بسته به شرایط رانندگی و مسیر و برنامه ریزی ای که در سیستم سری _ موازی HSD صورت گرفته چندین نوع وضعیت در این سیستم وجود داند که به شرح زیر هستند:

Engine charge: موتور بنزینی در این وضعیت ضمن شارژ کردن باتری ولتاژ بالا به تأمین گرما و انرژی برای سیستم تهویهٔ مطبوع نیز می پردازد. وضعیت تبدیل انرژی به صورت زیر است:
موتور بنزینی -> موتور ژنراتور شمارهٔ یک -> باتری ولتاژ بالا
Battery or EV drive: این وضعیت رانندگی تنها با موتور الکتریکی است
باتری ولتاژ بالا -> موتور ژنراتور شمارهٔ دو -> چرخ ها
Engine and motor drive: در این وضعیت که هنگام افزایش سرعت های معمولی فعال می شود موتور بنزینی ضمن انتقال نیرو به چرخ ها ژنراتور شمارهٔ یک را نیز به حرکت در میاورد و با برق تولیدی، ژنراتور شمارهٔ دو نیز نیرویی به چرخ ها منتقل می کند.
Engine drive with charge: در این وضعیت که بیشتر در هنگام حرکت در اتوبان ها بدرد می خورد، موتور بنزینی ضمن انتقال نیرو به چرخ ها با شارژ کردن باتری ها از طریق ژنراتور شمارهٔ یک نیز اقدام می کند.
Engine & motor drive with charge: این وضعیت برای هنگامی است که خودرو زیر بار قرار دارد در این حالت موتور بنزینی ضمن اینکه نیروی خود را به چرخ ها انتقال می دهد باتری ها را هم شارژ می کند؛ هم زمان موتور برقی نیز نیروی خود را به چرخ ها انتقال می دهد.
Full power: این وضعیت هنگامی است که راننده حداکثر توان خودرو را طلب کند. در این حالت موتور بنزینی ضمن انتقال توان خود به چرخ ها، از طریق ژنراتور یک برای ژنراتور دو نیز برق تولید می کند. ژنراتور دو نیز نیروی خود را به چرخ ها انتقال می دهد در حالی که بخشی از برق مورد نیاز خود را نیز از باتری ها تأمین می کند.
B-mode breaking: در حالت ترمزگیری مد بی، چرخ ها با چرخاندن ژنراتور شمارهٔ دو سبب تولید برق برای شارژ باتری می شوند. در همین حال چرخ ها با گرداندن موتور بنزینی از حالت ترمز موتوری آن برای کاهش سرعت استفاده می کنند؛ از طرفی به دلیل اتصال داشتم موتور با ژنراتور دوم گردش موتور سبب تولید برق بیشتر توسط ژنراتور دو می شود.
Regenerative breaking: در این حالت که در پارسی می توانیم آن را ترمز احیاکننده و یا بازیابی انرژی ترمز ترجمه کنیم نیروی چرخ ها به ژنراتور دوم انتقال پیدا کرده و سبب تولید انرژی برای باتری ها می شود.
Hard breaking: در این وضعیت نیز که همان ترمزگیری شدید است دیگر بازیابی انرژی وجود ندارد و خودرو توسط دیسک های ترمز متوقف می شود.

ژنراتورها در سیستم HSD

در سیستم ابداعی تویوتا دو ژنراتور به نام های MG1 و MG2 وجود دارند.

MG1: به عنوان استارتر موتور بنزینی استفاده می شود. همچنین نقش تولیدکنندهٔ انرژی برای باتری ها و ژنراتور MG2 را نیز بازی می کند. انتقال نیروی ضریب متغیر نیز توسط این ژنراتور کنترل می شود.
MG2: این موتور برای رانش استفاده می شود و نیروی خود را از باتری ها و ژنراتور MG1 دریافت می کند. این موتور شتاب گیری نرم و یکنواختی به خودرو اعطا می کند و هنگام ترمزگیری نیز انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در باتری ها ذخیره می کند.

انتقال قدرت در سیستم HSD

در سیستم انتقال قدرت، مجموعه ای از دنده ها نیروی موتور احتراق داخلی را به سه طریق تقسیم و مورد استفاده قرار می دهند: اول برای انتقال گشتاور و دوم برای انتقال دور موتور به چرخ ها در مواقع نیاز و سوم برای تأمین نیروی الکتریسیته. یک کامپیوتر دائماً مناسب ترین وضعیت انتقال نیروها بین موتورها را انتخاب می کند. این مجموعهٔ دنده ها تمامی مزایای گیربکس های ضریب متغیر را دارا می باشند، با این تفاوت که بجای اتصال به مبدل گشتاور از اتصال به موتور الکتریکی استفاده شده است. سیستم HSD نمی تواند بدون دخالت کامپیوترها، باتری ها و ژنراتورها کار کند ولی بدون موتور بنزینی توانایی حرکت وجود دارد.
تقسیم کنندهٔ نیرو در HSD شامل مجموعه ای بسیار پیچیده و پیشرفته از چرخ دنده های سیاره ای و ژنراتورهاست که وظیفهٔ تنظیم و ترکیب نیروهای ورودی از موتور احتراقی و برقی را دارند. یکی از ژنراتورها روی شفت خروجی موتور بنزینی قرار دارد (MG1) و وظیفهٔ تأمین انرژی برای MG2 را دارد که MG2 گشتاور تولیدی خود را مستقیماً به چرخ ها منتقل می کند. ژنراتور نصب شده در شفت خروجی
موتور احتراقی به یک دیفرانسیل دوم مجهز است که یک سمت آن موتور احتراق داخلی و سمت دیگر آن ژنراتور MG1 متصل است. این دیفرانسیل سرعت چرخ ها را با سرعت موتور MG1 هماهنگ می کند که در این پروسه MG1 وظیفهٔ جذب اختلاف سرعت بین موتور و چرخ ها را دارد. این دیفرانسیل یک دیفرانسیل معمولی نیست بلکه مجموعه ای از دنده های سیاره ای درون آن تعبیه شده است. با تدابیر ویژه ای که مهندسین تویوتا تدارک دیده اند هر دو موتور ژنراتور و این دیفرانسیل و دنده ها در یک هوزینگ جمع وجور قرار داده شده اند که به موتور احتراق داخلی وصل است. تعداد زیادی سنسور برای اندازه گیری گشتاور و سرعت شفت ها در این مجموعه قرار دارند؛ این سنسورها با دادن اطلاعات به کامپیوتر مرکزی خودرو زمینهٔ نشان دادن عکس العمل مناسب را در هر شرایطی از سوی خودرو فراهم می کنند.

عملکرد سیستم HSD

HSD با کنترل بر موتورها در زمان مناسب هر یک از آن ها و یا هر دوی آن ها را بکار می گیرد. از آنجایی که موتورهای برقی بسیار پرقدرت هستند و حداکثر گشتاور تولیدی خود را از ابتدای حرکت در اختیار دارند به همین دلیل نیاز چندانی به موتور بنزینی پرحجم و قدرتمندی احساس نمی شود. همین مسئله سبب شده تا تویوتا از موتورهای کوچک و کم حجم در خودروهای هیبریدی استفاده کند. هنگامی که شما سایز موتور را کوچک می کنید آزادی عمل بسیاری برای تولید موتوری کم مصرف و کم آلاینده خواهید داشت. هم چنین سیستم استاپ – استارت نیز موجود است که در هنگام توقف در ترافیک موتور بنزینی را خاموش می کند. مجموعهٔ این طرح ها و دیگر عواملی نظیر قابلیت بازیابی انرژی سبب شده تا خودروهای مجهز به HSD از لحاظ راندمان و کارایی در وضعیت بسیار مطلوبی قرار داشته باشند.

عملکرد سیستم هیبریدی خودروهای تویوتا + فیلم

چندین فاز از عملکردهای سیستم HSD

از قابلیت های این سامانه قابلیت شارژ باتری حتی بدون نیاز به حرکت است که این امر از طریق راه اندازی اتوماتیک موتور احتراقی حاصل می شود.
دیگر نکتهٔ جالب این خودروها نحوهٔ استارت خوردن آن هاست چراکه به دلیل جایگزین شدن موتور استارتر با ژنراتور MG1 و همچنین محل جایگیری متفاوت آن با استارترهای معمول چند نکتهٔ مثبت حاصل شده است. یکی اینکه قابلیت استارت زدن حین حرکت و جود دارد، دیگری این که به دلیل سایز کوچک موتور و از طرف دیگر قدرت بالای موتور MG1 به انرژی کمی برای استارت پیشرانه نیاز است، نکتهٔ دیگر نیز اینکه به دلیل طراحی متفاوت با روش متداول صدای آن چنانی در هنگام استارت خوردن بگوش نخواهد رسید.
مورد بعدی وضعیت دندهٔ عقب در HSD است؛ برخلاف خودروهای عادی اثری از چرخ دندهٔ معکوس کنندهٔ دور در گیربکس وجود ندارد و حرکت به عقب تنها از طریق معکوس شدن ولتاژ در الکتروموتور MG2 صورت می گیرد.
حالت Stealth mode نیز موجود است که می توان آن را حرکت بی صدا نامید. در این وضعیت که هنگام حرکت در سرعت های پایین می توان از آن استفاده کرد، خودرو تنها با اتکا به موتور برقی و نیروی باتری حرکت می کند و نیازی به روشن شدن موتور بنزینی وجود ندارد.
چند نکتهٔ منفی نیز در این خودروهای هیبریدی وجود دارد؛ یکی این که در زمستان و در هنگام روشن کردن بخاری مصرف سوخت افزایش خواهد یافت. در خودروهای عادی موتور بنزینی همواره روشن، حرارت زیادی نیز تولید می کند و این حرارت اضافه در صورت روشن کردن بخاری صرف گرم کردن کابین خواهد شد. در خودروهای هیبریدی در طراحی موتورهای برقی سعی حداکثری شده تا از تولید حرارت توسط آن ها جلوگیری شود. بنابراین حرارت آن ها کفاف گرم کردن کابین را نخواهد داد. به همین جهت در خودروهای هیبریدی در هنگام نیاز به بخاری موتور احتراقی روشن و به مصرف اضافهٔ سوخت خواهد پرداخت.
مورد منفی دیگر شتاب گیری ناگهانی است که تأثیر بسیار منفی روی مصرف سوخت این خودروها خواهد گذاشت. همچنین به دلیل وجود قابلیت بازیابی انرژی هنگام توقف، در صورت اقدام به ترمزگیری شدید، به خاطر درگیر کردن دیسک ها امکان بازیابی نیروی ترمز وجود نخواهد داشت.

مقایسه سیستم HSD با سایر طرح های هیبریدی

کمپانی آیسن سیکو تکنولوژی eCVT مورد استفادهٔ تویوتا را در اختیار فورد قرار داده است تا در مدل اسکیپ هیبریدی و فیوژن هیبرید استفاده شود.کمپانی نیسان تحت لیسانس تویوتا اقدام به استفاده از HSD در مدل های آلتیما هیبرید نموده است. اما مدل اینفینیتی M35h از تکنولوژی متفاوتی با یک موتور برقی و گیربکس دوبل کلاچ استفاده می کند.همچنین در سال 2010 تویوتا تکنولوژی مورد استفاده در مدل پریوس را به کمپانی مزدا انتقال داد.کمپانی های دایملر کرایسلر، ب ام و و جنرال موتورز هم طرح یک موتور بنزینی و دو موتور برقی را معرفی کرده اند که به نوعی می توان آن را الهام گیری از طرح تویوتا نامید.در مقابل هوندا خودروهای هیبریدی خود را مجهز به موتور بنزینی ساده و گیربکس های معمول عرضه می کند و در آن ها فلایویل با یک الکتروموتور جایگزین شده است.