فلسفه اصلی این فناوری بر یک ایده مشخص بنا شده است: موتور بنزینی نباید در تمام شرایط رانندگی بهتنهایی مسئول تولید نیروی محرکه باشد؛ بلکه سیستم باید در هر لحظه مناسبترین ترکیب از موتور احتراقی، موتور الکتریکی، تولید برق و بازیابی انرژی را انتخاب کند. از آنجا که تکنولوژی هیبریدی تویوتا طی یک دهه اخیر پیشرفتهای چشمگیری داشته، در این مطلب نگاهی فنی به این ساختار مهندسی سامورایی خواهیم انداخت.
مروری کوتاه بر تکنولوژی هیبریدی تویوتا
تویوتا نخستین نسل Toyota Hybrid System یا THS را در سال ۱۹۹۷ و همراه با نسل نخست پریوس به تولید انبوه رساند. بعدها این معماری با نام THS II توسعه پیدا کرد و در نسلهای بعدی، فناوریهایی مانند موتورهای کارآمدتر، سامانههای کنترل ولتاژ، باتریهای جدید، موتورهای الکتریکی قدرتمندتر و ساختارهای چندمرحلهای به آن اضافه شدند. اما نکته مهم این است که هیبرید تویوتا صرفا یک «موتور بنزینی بهعلاوه موتور برقی» نیست؛ بلکه مجموعهای هماهنگ از موتور احتراقی، دو ماشین الکتریکی، مجموعه دنده سیارهای Power Split Device، باتری ولتاژبالا، اینورتر و سامانه مدیریت انرژی است که بهصورت لحظهای با یکدیگر کار میکنند.
قلب معماری هیبریدی تویوتا
یکی از مهمترین تفاوتهای معماری هیبریدی تویوتا با بسیاری از سیستمهای هیبریدی متعارف، استفاده از Power Split Device است. این مجموعه بر پایه یک چرخدنده سیارهای ساخته شده و وظیفه آن تقسیم و ترکیب توان میان موتور احتراقی، ژنراتور، موتور الکتریکی و چرخهاست. در این ساختار، موتور احتراقی به یکی از اعضای مجموعه سیارهای، ژنراتور یا MG1 به عضو دیگر و مسیر خروجی به موتور کشنده یا MG2 و چرخها متصل است. بنابراین، انتقال قدرت صرفا از طریق یک مسیر مکانیکی ثابت انجام نمیشود؛ بخشی از انرژی میتواند مستقیما به چرخها برسد و بخش دیگری از انرژی موتور بنزینی به برق تبدیل شود تا موتور الکتریکی از آن استفاده کند. به همین دلیل، THS از نظر عملکرد شبیه یک جعبهدنده پیوسته الکترونیکی است؛ اما برخلاف CVT های تسمهای متداول، نسبت انتقال آن با تغییر قطر دو پولی و حرکت تسمه تنظیم نمیشود. درواقع، سرعت و وضعیت عملکرد موتور بنزینی، MG1 و MG2 بهصورت الکترونیکی کنترل میشود تا نسبت مناسبی میان سرعت موتور احتراقی و سرعت چرخها ایجاد شود. این موضوع یکی از شاهکارهای مهندسی THS است؛ زیرا سیستم میتواند موتور بنزینی را تا حد زیادی از شرایط نامناسب کاری خارج کند و آن را در محدودهای قرار دهد که بازده حرارتی و مصرف سوخت مطلوبتر است.
MG2 موتور اصلی برای حرکت است
در توضیح ساده سیستم هیبریدی معمولا MG1 را ژنراتور و MG2 را موتور الکتریکی مینامند؛ اما نقش MG1 پیچیدهتر است. MG1 یک ماشین الکتریکی سنکرون با آهنربای دائم است که میتواند انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند و در شرایط خاص، نقش موتور را نیز ایفا کند. یکی از وظایف مهم آن، استارتکردن موتور احتراقی است. همچنین با کنترل سرعت MG1، سامانه میتواند شرایط چرخدنده سیارهای را تغییر دهد و بهصورت الکترونیکی سرعت موتور بنزینی را مدیریت کند. تویوتا در مستندات فنی خود صراحتا توضیح داده است که کنترل مقدار برق تولیدشده توسط ژنراتور، سرعت چرخش آن را تنظیم میکند و همین موضوع در کنترل سرعت متغیر مجموعه Power Split Device نقش دارد. بنابراین MG1 را میتوان یکی از اجزای کلیدی برای «مدیریت نسبت انتقال» در معماری THS دانست. اما در مقابل MG2 موتور اصلی برای حرکت است. MG2 همان موتور الکتریکی است که بیشترین نقش را در ایجاد نیروی کشش دارد. این موتور هنگام حرکت خودرو میتواند انرژی الکتریکی را از باتری یا برق تولیدشده توسط MG1 دریافت کند و گشتاور را به چرخها منتقل کند. مزیت بزرگ موتور الکتریکی این است که میتواند از دور صفر گشتاور قابلتوجهی تولید کند. بنابراین هنگام شروع حرکت، MG2 قادر است بدون نیاز به بالا رفتن دورموتور احتراقی، گشتاور مناسبی ایجاد کند. این ویژگی یکی از دلایل مهم پاسخ سریع خودروهای هیبریدی تویوتا در شروع حرکت است. در زمان شتابگیری شدید نیز باتری میتواند توان بیشتری در اختیار موتور الکتریکی قرار دهد. درنتیجه موتورهای بنزینی و الکتریکی بهصورت همزمان در تامین توان مورد نیاز خودرو مشارکت میکنند. تویوتا در نسلهای مختلف THS با افزایش توان موتور و ظرفیت انتقال انرژی، این ویژگی را توسعه داده است.
چرا هیبریدی تویوتا سیکل اتکینسون دارد؟
یکی از پایههای مهم بازده بالای هیبرید تویوتا، استفاده از موتورهای بنزینی با چرخه یا سیکل اتکینسون است. در موتورهای مورد استفاده در هیبرید، هدف صرفا تولید بیشترین توان ممکن نیست؛ بلکه افزایش بازده حرارتی اهمیت بسیار زیادی دارد. در چرخه اتکینسون، زمانبندی بسته شدن سوپاپ ورودی بهگونهای تنظیم میشود که نسبت تراکم موثر از نسبت انبساط موثر کمتر باشد. نتیجه این فرآیند، کاهش بخشی از تلفات پمپاژ و افزایش استفاده از انرژی حاصل از انبساط گازهای احتراق است. البته چنین رویکردی معمولا میتواند توان ویژه موتور را در مقایسه با یک موتور بنزینی اسپرت با چرخه متعارف کاهش دهد؛ اما در یک خودرو هیبریدی، موتور الکتریکی میتواند این کمبود را تا حد زیادی جبران کند. بهبیان ساده، تویوتا اجازه میدهد موتور بنزینی بیشتر برای بازده طراحی شود و موتور الکتریکی بخشی از مسئولیت پاسخ دینامیکی و گشتاور اولیه را برعهده بگیرد. در نسل Dynamic Force نیز تویوتا بهینهسازی احتراق، کاهش اصطکاک، کنترل متغیر و مدیریت سیستمهای ورودی و خروجی را دنبال کرده است. برای نمونه، تویوتا برای موتور ۲.۵ لیتری Dynamic Force خود بازده حرارتی ۴۱ درصد را در کاربرد هیبریدی اعلام کرده است؛ عددی که اهمیت بالای بهینهسازی موتور احتراقی در معماری هیبریدی را نشان میدهد.
PCU؛ مغز الکتریکی سیستم
یکی از اجزای کمتر دیدهشده اما بسیار مهم، Power Control Unit یا PCU است. این مجموعه وظیفه مدیریت جریان انرژی میان باتری، موتورهای الکتریکی و سایر بخشهای سیستم را برعهده دارد. باتری ولتاژبالا، برق DC تولید میکند؛ درحالی که موتورهای الکتریکی مورد استفاده در سیستم به برق AC نیاز دارند. بنابراین اینورتر باید جریان را میان DC و AC تبدیل کند و درعین حال شدت جریان و ولتاژ را مطابق فرمان کنترلر تنظیم کند. در نسلهای جدید، تویوتا برای کاهش تلفات و ابعاد PCU تلاش کرده است. برای مثال، در سیستم هیبریدی ۲ لیتری معرفیشده در نسل جدیدتر THS II، PCU نسبت به نمونه قبلی ۲۰ درصد کوچکتر و ۱۰ درصد سبکتر شد. همچنین طراحی ترانساکسل و موتور نیز با هدف کاهش تلفات اصلاح شد. در نسلهای جدیدتر نیز تویوتا از فناوریهای نیمههادی و ساختارهای جدید برای کاهش تلفات الکتریکی استفاده کرده است. در بررسی فنی نسل جدید پریوس، این شرکت اعلام کرده که استفاده از RC-IGBT و کاهش اندوکتانس مسیرهای داخلی، بهکاهش تلفات الکتریکی PCU کمک کرده است.
باتری؛ کوچک اما حیاتی
باتری هیبریدی تویوتا با باتری خودروهای تمامبرقی تفاوت اساسی دارد. در هیبریدیهای معمولی، باتری برای طی مسافتهای طولانی با نیروی برق طراحی نشده است؛ بلکه هدف آن تامین و دریافت توان در چرخههای متعدد شارژ و دشارژ است. در شتابگیری، باتری انرژی را در اختیار موتور الکتریکی قرار میدهد و هنگام کاهش سرعت، انرژی بازیابیشده دوباره به باتری بازمیگردد. تویوتا طی سالها از نیکل آهن و لیتیوم-یون در خودروهای هیبریدی استفاده کرده است. در این معماری، طراحی الکترودها اجازه میدهد مسیر جریان سادهتر شود و مقاومت داخلی کاهش پیدا کند؛ تویوتا اینداستریز اعلام کرده است که چنین ساختاری در مقایسه با نسل قبلی نیکل آهن میتواند توان خروجی بیشتری را در ابعاد فشردهتر فراهم کند. بنابراین، باتری در خودرو هیبریدی صرفا یک مخزن انرژی نیست؛ بلکه بخشی از سیستم مدیریت توان است که باید بتواند در مدت کوتاه، بارها انرژی دریافت و آزاد کند.
E-Four؛ موتور الکتریکی در محور عقب
در برخی محصولات هیبریدی تویوتا، امکان ایجاد چهارچرخ محرک بدون استفاده از میلگاردان مکانیکی طولانی وجود دارد. در سیستم E-Four، موتور الکتریکی مجزایی میتواند محور عقب را به حرکت درآورد. بنابراین نیروی محور عقب از طریق موتور الکتریکی تامین میشود و الزاما به اتصال مکانیکی دائمی میان محور جلو و عقب نیاز نیست. نسلهای جدید این سیستم نیز به سمت کنترل دقیقتر توزیع گشتاور حرکت کردهاند. برای نمونه، تویوتا در نسل جدید راوفور هیبریدی اعلام کرده که E-Four قادر است توزیع نیروی محرکه جلو و عقب را از 100 به صفر تا 80 به 20 تغییر دهد. این معماری علاوهبر کاهش پیچیدگی مکانیکی در برخی بخشها، امکان کنترل بسیار سریع نیروی محور عقب را نیز فراهم میکند.
از THS تا نسلهای جدید
تکنولوژی هیبریدی تویوتا طی نزدیک به سه دهه تغییرات زیادی داشته است. نسل نخست THS در پریوس ۱۹۹۷ آغاز شد و THS II در سالهای بعد با افزایش توان موتورهای الکتریکی، ولتاژ بالاتر، باتریهای بهتر و کنترل الکترونیکی پیشرفتهتر توسعه پیدا کرد. در نسلهای جدید، هدف تنها کاهش مصرف سوخت نیست. تویوتا همزمان روی افزایش توان، کاهش وزن، کوچکسازی قطعات، کاهش تلفات الکتریکی و مکانیکی و بهبود پاسخ پدال گاز تمرکز کرده است. در پریوس جدید، معماری هیبرید سری-موازی با موتورهای قدرتمندتر و باتری لیتیوم-یون به کار گرفته شد. نسخه ۲ لیتری این سیستم حداکثر توان ترکیبی ۱۹۶ اسببخار را ارائه میکند و در نسخ پلاگین-هیبریدی، توان سیستم به ۲۲۳ اسببخار میرسد. از سوی دیگر، تویوتا برای برخی خودروهای دیفرانسیلعقب، معماری «هیبریدی چندگانه» را نیز توسعه داده است. در این ساختار، یک مجموعه چندمرحلهای به THS اضافه میشود تا محدودیتهای مرتبط با نسبت انتقال و سرعت موتورهای الکتریکی کاهش پیدا کند و امکان دستیابی به کشش بهتر و رفتار نزدیکتر به گیربکسهای چندسرعته فراهم شود.
