آشنایی با سیستم هیبرید اختصاصی تویوتا

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 لکسس بکار رفته‌اند. همچنین کمپانی نیسان نیز تحت لیسانس تویوتا مبادرت به استفاده از این سیستم در مدل آلتیمای هیبریدی می‌نماید. تأمین‌کنندهٔ قطعات این سیستم شرکت آیسین سیکو است که برای کمپانی‌های دیگر نیز سیستم‌های هیبریدی و گیربکس تولید می‌کند.

HSD یک سامانهٔ تمام هیبرید است که در آن خودرو می‌تواند تنها با اتکا به موتور برقی نیز به حرکت خود ادامه دهد، چیزی که بسیاری از سامانه‌های هیبریدی از انجام آن ناتوان هستند. این سیستم شامل سامانهٔ رانش الکتریکی و مجموعه‌ای از دنده‌های خورشیدی استفاده می‌کند که عملکردی مشابه یک گیربکس ضریب متغیر (CVT) دارند. سامانه همچنین از رانندگی باسیم استفاده می‌کند که در آن هیچ اتصال مکانیکی مستقیمی وجود ندارد و ارتباط بین موتور با کنترل‌کننده‌هایی 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 می‌شود. در این سیستم‌ها سعی بر حذف اتصالات و قطعات مکانیکی و جایگزینی آن‌ها با سیم و سیگنال‌های الکترونیکی است. از دلایل این امور یکی کاهش وزن، امکان کنترل بهتر و دقیق‌تر و اصلاح اشتباهات راننده یا خلبان و همچنین قابلیت اطمینان بالاتر سیستم‌های کامپیوتری نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی و سخت‌افزاری می‌باشد.]

سیستم HSD نسخهٔ پالایش‌شده و بهبودیافتهٔ سیستم هیبریدی تویوتا THS است که بین سال‌های ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۳ در مدل پریوس استفاده می‌شد. 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 ۲۰۰۶ در برند لکسس تحت نام Lexus Hybrid Drive عرضه می‌شود. سیستم هیبریدی لکسس برای دستیابی به قدرت و بیشتر و عملکرد بهتر تیونینگ شده است و در مدل‌های چهار چرخ محرک و محرک عقب لکسس عرضه می‌شود. بد نیست نگاهی هم به آمار فروش خودروهای هیبریدی تویوتا داشته باشیم، این شرکت تا ماه می سال ۲۰۰۷ یک میلیون خودروی هیبریدی در جهان فروخته بود و تا آگوست ۲۰۰۹ این تعداد به دو میلیون خودرو افزایش یافت و تا سال ۲۰۱۲ تویوتا چهار میلیون خودروی هیبریدی فروخته بود. همچنین خودروهای هیبریدی ساخت تویوتا بیش از ۷۵ درصد از بازار خودروهای هیبریدی ایالات‌متحده را در اختیار دارند.

حال گذری خواهیم داشت بر قاعدهٔ کلی این سیستم؛ HSD تویوتا جعبه‌دنده‌های 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 چرخ‌ها کافی نیست و آن‌ها به بازهٔ بیشتری از راندمان نیاز دارند. در یک اتومبیل دارای گیربکس دنده‌ای معمولی سرعت و گشتاورهای مختلف مورد نیاز به‌صورت مجزا و گسسته به چرخ‌ها انتقال پیدا می‌کنند. گیربکس ممکن است دستی مجهز به کلاچ باشد و یا اتوماتیک با مبدل گشتاور؛ اما هر دوی آن‌ها به موتور و چرخ‌ها سرعت‌های مختلفی می‌دهند. راننده این امکان را دارد تا با استفاده از پدال گاز و گیربکس مکانیکی سرعت و گشتاور موتور و چرخ‌ها 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 می‌کند که راندمان پایینی دارد، جایی که هر لیتر سوخت مقدار کمتری انرژی تولید می‌کند. حتی زمانی که دور موتور در سرعت بهینه نیز قرار دارد با توجه به کوپل شدن موتور به یکی از ضرایب دنده، کمپانی‌ها با محدودیت‌های 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 محدودیت‌ها 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 نمونه‌های معمول هستند.

اما وضعیت در گیربکس‌های ضریب متغیر متفاوت است. در این نوع سامانه‌های انتقال قدرت راننده و یا کامپیوتر خودرو این امکان را دارند تا به‌طور مؤثری بهترین ضریب دنده را برای سرعت دلخواه انتخاب کنند. این گیربکس‌ها به تعدادی چرخ‌دنده محدود نشده‌اند و ضرایب دندهٔ نامحدودی در دسترس است. نبود این محدودیت موتور را آزاد می‌گذارد تا همواره در بهینه‌ترین دور موتور کار کند. معمولاً سرعت مناسب برای به‌پیش راندن اتومبیل بین ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ دور بر دقیقه است. در سیستم HSD هرگاه نیاز به موتور احتراقی باشد، این موتور در بهینه‌ترین دور خود وارد عمل می‌شود ضمن شتاب بخشیدن به خودرو به شارژ باتری‌ها نیز می‌پردازد و در صورت عدم نیاز خاموش می‌شود. عملکرد سیستم HSD نیز مشابه گیربکس‌های CVT است و سیستم به‌طور خودکار همواره بهترین ضریب انتقال نیرو را انتخاب می‌کند ضمن این‌که دور موتور همواره در دور بهینه نگه داشته می‌شود، به‌طوری که ضمن ثابت بودن دور موتور امکان افزایش دادن سرعت گردش چرخ‌ها وجود دارد. به همین دلیل تویوتا خودروهایی را که به HSD مجهزند، خودروهای دارای گیربکس e-CVT می‌نامد که شاره به انتقال قدرت الکترونیکی ضریب متغیر دارد.

جریان قدرت در HSD
در طرح یک خودروی استاندارد آلترناتور AC (همان دینام) و استارتر که یک موتور DC است، دو قطعه‌ای هستند که به موتور احتراقی متصل می‌باشند. موتور به‌تنهایی وظیفهٔ به پیش راندن خودرو را بر عهده دارد. باتری نیز تنها به‌منظور استارت موتور احتراق داخلی و بکار اندازی سایر مصرف‌کننده‌های الکتریکی هنگام خاموش بودن خودرو بکار می‌رود؛ و آلترناتور هنگام کار کردن موتور به شارژ کردن باتری می‌پردازد…
در سیستم HSD گیربکس دنده‌ای، آلترناتور و استارتر با دستگاه‌های زیر جایگزین شده‌اند:

• MG1: یک موتور ژنراتور AC که از طراحی براشلس استفاده می‌کند؛ این موتور به‌عنوان استارتر موتور احتراق داخلی و نیز به‌عنوان یک ژنراتور در هنگام کارکرد موتور احتراق داخلی عمل می‌کند.
• MG2: یک موتور ژنراتور AC که همانند قبلی براشلس است و برای تأمین نیروی حرکتی اولیه بکار می‌رود.
• Power electronics: شامل سه اینورتر (تبدیل‌کنندهٔ 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 شتاب‌گیری انرژی را تخلیه و هنگام ترمزگیری انرژی را ذخیره می‌نماید.

بسته به شرایط رانندگی و مسیر و برنامه‌ریزی‌ای 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 می‌پردازد. وضعیت تبدیل انرژی به‌صورت 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 -> چرخ‌ها
• Engine and motor drive: در این وضعیت که هنگام افزایش سرعت‌های معمولی فعال می‌شود موتور بنزینی ضمن انتقال نیرو به چرخ‌ها ژنراتور شمارهٔ یک را نیز به حرکت در میاورد و با برق تولیدی، ژنراتور شمارهٔ دو نیز نیرویی به چرخ‌ها منتقل می‌کند.
• Engine drive with charge: در این وضعیت که بیشتر در هنگام حرکت در اتوبان‌ها بدرد می‌خورد، موتور بنزینی ضمن انتقال نیرو به چرخ‌ها با شارژ کردن باتری‌ها از طریق ژنراتور شمارهٔ یک نیز اقدام می‌کند.
• 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 چرخ‌ها انتقال می‌دهد باتری‌ها را هم شارژ می‌کند؛ هم‌زمان موتور برقی نیز نیروی خود را به چرخ‌ها انتقال می‌دهد.
• Full power: این وضعیت هنگامی است که راننده حداکثر توان خودرو را طلب کند. در این حالت موتور بنزینی ضمن انتقال توان خود به چرخ‌ها، از طریق ژنراتور یک برای ژنراتور دو نیز برق تولید می‌کند. ژنراتور دو نیز نیروی خود را به چرخ‌ها انتقال می‌دهد در حالی که بخشی از برق مورد نیاز خود را نیز از باتری‌ها تأمین می‌کند.
• B-mode breaking: در حالت ترمزگیری مد بی، چرخ‌ها با چرخاندن ژنراتور شمارهٔ دو سبب تولید برق برای شارژ باتری می‌شوند. در همین حال چرخ‌ها با گرداندن موتور بنزینی از حالت ترمز موتوری آن برای کاهش سرعت استفاده می‌کنند؛ از طرفی به دلیل اتصال داشتم موتور با ژنراتور دوم گردش موتور سبب تولید برق بیشتر توسط ژنراتور دو می‌شود.
• Regenerative breaking: در این حالت که در پارسی می‌توانیم آن را ترمز احیاکننده و یا بازیابی انرژی ترمز ترجمه کنیم نیروی چرخ‌ها به ژنراتور دوم انتقال پیدا کرده و سبب تولید انرژی برای باتری‌ها می‌شود.
• Hard breaking: در این وضعیت نیز که همان ترمزگیری شدید است دیگر بازیابی انرژی وجود ندارد و خودرو توسط دیسک‌های ترمز متوقف می‌شود.

ژنراتورها
در سیستم ابداعی تویوتا دو ژنراتور به نام‌های MG1 و MG2 وجود دارند.

1. MG1: به‌عنوان استارتر موتور بنزینی استفاده می‌شود. همچنین نقش تولیدکنندهٔ انرژی برای باتری‌ها و ژنراتور MG2 را نیز بازی می‌کند. انتقال نیروی ضریب متغیر نیز توسط این ژنراتور کنترل می‌شود.
2. MG2: این موتور برای رانش استفاده می‌شود و نیروی خود را از باتری‌ها و ژنراتور MG1 دریافت می‌کند. این موتور شتاب‌گیری نرم و یکنواختی به خودرو اعطا می‌کند و هنگام ترمزگیری نیز انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در باتری‌ها ذخیره می‌کند.

انتقال قدرت
در سیستم انتقال قدرت، مجموعه‌ای از دنده‌ها نیروی موتور احتراق داخلی را به سه طریق تقسیم و مورد استفاده قرار می‌دهند: اول برای انتقال گشتاور و دوم برای انتقال دور موتور به چرخ‌ها در مواقع نیاز و سوم برای تأمین نیروی الکتریسیته. یک کامپیوتر دائماً مناسب‌ترین وضعیت انتقال نیروها بین موتورها را انتخاب می‌کند. این مجموعهٔ دنده‌ها تمامی مزایای گیربکس‌های ضریب متغیر را دارا می‌باشند، با این تفاوت که بجای اتصال به مبدل گشتاور از اتصال به موتور الکتریکی استفاده شده است. سیستم HSD نمی‌تواند بدون دخالت کامپیوترها، باتری‌ها و ژنراتورها کار کند ولی بدون موتور بنزینی توانایی حرکت وجود دارد.
تقسیم‌کنندهٔ نیرو در HSD شامل مجموعه‌ای بسیار پیچیده و پیشرفته از چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای 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 چرخ‌ها منتقل می‌کند. ژنراتور نصب‌شده 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 چرخ‌ها را با سرعت موتور MG1 هماهنگ می‌کند که در این پروسه MG1 وظیفهٔ جذب اختلاف سرعت بین موتور و چرخ‌ها را دارد. این دیفرانسیل یک دیفرانسیل معمولی نیست بلکه مجموعه‌ای از دنده‌های سیاره‌ای درون آن تعبیه شده است. با تدابیر ویژه‌ای که مهندسین تویوتا تدارک دیده‌اند هر دو موتور ژنراتور و این دیفرانسیل و دنده‌ها در یک هوزینگ جمع‌وجور قرار داده شده‌اند که به موتور احتراق داخلی وصل است. تعداد زیادی سنسور برای اندازه‌گیری گشتاور و سرعت شفت‌ها در این مجموعه قرار دارند؛ این سنسورها با دادن اطلاعات به کامپیوتر مرکزی خودرو زمینهٔ نشان دادن عکس‌العمل مناسب را در هر شرایطی از سوی خودرو فراهم می‌کنند.

[دانلود ویدئو]

عملکرد
HSD با کنترل بر موتورها در زمان مناسب هر یک از آن‌ها و یا هر دوی آن‌ها را بکار می‌گیرد. 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 نمی‌شود. همین مسئله سبب شده تا تویوتا از موتورهای کوچک و کم‌حجم در خودروهای هیبریدی استفاده کند. هنگامی‌که شما سایز موتور را کوچک می‌کنید آزادی عمل بسیاری برای تولید موتوری کم‌مصرف و کم آلاینده خواهید داشت. هم‌چنین سیستم استاپ – استارت نیز موجود است که در هنگام توقف در ترافیک موتور بنزینی را خاموش می‌کند. مجموعهٔ این طرح‌ها 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.

حال به چندین فاز از عملکردهای سیستم HSD می‌پردازیم:
از قابلیت‌های این سامانه قابلیت شارژ باتری حتی بدون نیاز به حرکت است که این امر از طریق راه‌اندازی اتوماتیک موتور احتراقی حاصل می‌شود.
دیگر نکتهٔ جالب این خودروها نحوهٔ استارت خوردن آن‌هاست 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 آن‌چنانی در هنگام استارت خوردن بگوش نخواهد رسید.
مورد بعدی وضعیت دندهٔ عقب در HSD است؛ برخلاف خودروهای عادی اثری از چرخ‌دندهٔ معکوس کنندهٔ دور در گیربکس وجود ندارد و حرکت به عقب تنها از طریق معکوس شدن ولتاژ در الکتروموتور MG2 صورت می‌گیرد.
حالت Stealth mode نیز موجود است که می‌توان آن را حرکت بی‌صدا نامید. در این وضعیت که هنگام حرکت در سرعت‌های پایین می‌توان از آن استفاده کرد، خودرو تنها با اتکا به موتور برقی و نیروی باتری حرکت می‌کند 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 می‌کند 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 آن‌ها جلوگیری شود. بنابراین حرارت آن‌ها 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 شتاب‌گیری 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 دیسک‌ها امکان بازیابی نیروی ترمز وجود نخواهد داشت.

مقایسه با سایر طرح‌های 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 مدل‌های آلتیما هیبرید نموده است. اما مدل اینفینیتی M35h از تکنولوژی متفاوتی با یک موتور برقی و گیربکس دوبل کلاچ استفاده می‌کند.
همچنین در سال ۲۰۱۰ تویوتا تکنولوژی مورد استفاده در مدل پریوس را به کمپانی مزدا انتقال داد.
کمپانی‌های دایملر کرایسلر، ب‌ام‌و و جنرال‌موتورز هم طرح یک موتور بنزینی و دو موتور برقی را معرفی کرده‌اند که به‌نوعی می‌توان آن را الهام گیری از طرح تویوتا نامید.
در مقابل هوندا خودروهای هیبریدی خود را مجهز به موتور بنزینی ساده و گیربکس‌های معمول عرضه می‌کند و در آن‌ها فلایویل با یک الکتروموتور جایگزین شده است.

مدل‌هایی که سیستم هیبرید HDS در آن‌ها بکار رفته است:

• Toyota Prius
• Toyota Alphard Hybrid
• Toyota Estima Hybrid
• Lexus RX400h-GS450h-LS600h-RX450h-HS250h-CT200h-IS300h-ES300h-GS300h
• Toyota Highlander Hybrid
• Nissan Altima Hybrid
• Toyota Yaris
• Toyota Camry Hybrid
• Toyota Auris

[دانلود ویدئو]

کلمات کلیدی:
ICE: Internal Combustion Engine
MG: Motor Generator
HSD: Hybrid Synergy Drive
e-CVT: Electronic Continuously Variable Transmission
HVB: High Voltage Battery