هیبرید چیست

آشنایی با مفهوم هیبرید و کاربرد آن در خودرو

امروزه به سبب تردد انواع خودروهای هیبریدی در سطح شهرها، اکثر ما با این نام آشنا هستیم. اما فناوری هیبرید یا Hybrid Technology که هر روز جای پای خود را در صنایع مختلف محکم تر می نماید، چیست؟

هیبرید(هایبرید) در اصطلاح لغوی به معانی دوگانه، ترکیبی، دورگه و مخلوط است. این ترکیب معمولا به نوعی انجام می شود که محصول نهایی از مزایای هر کدام از روش ها استفاده کند و معایب روش های اولیه را کاهش دهد.

به همین دلیل جمع شدن مزایای چند روش در یک محصول، استفاده از مفهوم هیبرید بسرعت گسترش پیدا می کند.

تاریخچه مفهوم هایبرید

برای مثال در علم گیاه شناسی به نژادهایی که حاصل از ترکیب دو نژاد دیگر باشند، هایبرید می گویند. در واقع اصطلاح Hybrid ابتدا در علوم ژنتیک گسترش یافت و به کاربرد رسید. اما اکنون دیگر کمتر کسی با ریشه های این لغت آشنایی دارد، در حالی که کاربرد و مفهوم آن را به خوبی درک می کند. هایبرید(هیبرید) که به معنای دورگه است، در صنعت مفاهیم جدیدی را خلق کرده. مفاهیمی که بخصوص در حوزه خودرو با بهبود عملکرد، افزایش شتاب، کاهش مصرف سوخت، کم شدن آلایندگی و حتی لذت رانندگی در بالاترین حد ممکن با زندگی روزمره انسان ها اجین شده است.
هایبرید یا هیبرید در صنعت یعنی استفاده از چند منبع(برای تامین انرژی). در صنعت خودرو اما این لغت با استفاده ترکیبی از باتری و بنزین به عنوان منابع تأمین انرژی حرکتی در ذهن عموم جا افتاده است، در حالی که گستره بسیار بیشتری از این مفهوم را شامل می شود. مفهوم Hybrid گاهی در یک وسیله نه چندان مهیج مانند یک ماشین حساب بروز می کند! بله، یک ماشین حساب هم میتواند هیبریدی باشد. حتما شما هم ماشین حساب هایی را که از باطری و یک پنل نوری استفاده می کنند،دیده اید . این دستگاه ساده و ارزان نیز یک وسیله صنعتی هیبریدی است. چرا که از دو منبع انرژی استفاده می کند.

تکنولوژی هیبرید در ماشین(HEVs)

پس به صورت یک تعریف کلی هر دستگاه و وسیله ای که از چند منبع انرژی استفاده می کند، در واقع دارای تکنولوژی هیبرید است. در صنعت حمل و نقل هم میتوانیم به هر وسیله ای که از دو منبع سوختی استفاده می کند، لقب هیبریدی بدهیم. حتی خودروهایی که از بنزین و گاز طبیعی (CNG) استفاده می کنند. این خودروها که در داخل به آنها دوگانه سوز می گویند، در اصلاح دقیق علمی همان هیبریدی اند. اگرچه در هیچ کجای دنیا رسم نیست وسیله ای که چند نوع سوخت فسیلی می سوزاند را ملقب به این افتخار نمود!
در صنایع حمل و نقل، لقب هیبریدی را تنها برازنده وسیله ای می دانند که حداقل در یک حالت از منابع تجدید پذیر و در حالت دیگر ازسوخت های پاک استفاده کند که پر رونق ترین مثال آن برق و باتری است. البته بررسی های بسیاری برای استفاده از گازوییل و باتری به عمل آمده اما بیشتر سیستم های هیبریدی در صنعت خودرو شامل هیبریدهای باتری و بنزین بوده است. اما امروزه دیگر تنها کمپانی های محافظ کار و دوستدار محیط زیست نیستند که از این تکنولوژی بهره می برند. بلکه برندهایی مانند فراری، پورشه و مک لارن، که نام آنها قرین با اوج هیجان و لذت رانندگی است، در پیشرفته ترین و گران ترین و سریعترین مدل های خود(Porsche 918, Ferrari LA Ferrari, McLaren P1 ) به سمت تکنولوژی هیبریدی رفته اند. تکنولوژی هیبرید بدون شک در بین خودروهای تماما برقی و تماما بنزینی تا سالها جایگاه مناسبی خواهد داشت و هر روز بر تعداد کمپانی هایی که به این سمت حرکت می کنند بیشتر خواد شد. البته که بر تعداد مشترانی که به سمت این فناوری جذب می شوند نیز روز به روز افزوده خواهد شد.
تصویر شماره 3: سه خودرو مطرح بازار سوپر اسپرت که زیبایی، سرعت، دوستی با محیط زیست و صد البته قیمت را یکجا گرد آورده اند. قیمت این سه خودرو با هم حدود 3 میلیون یورو است. یعنی در حدود 90 میلیارد تومان(با یوروی 30 هزار تومانی در سال 1400) !!!

صرفه جویی مصرف سوخت ماشین هیبریدی به چه دلیل است؟

اتومبیل هیبریدی معمولا از دو روش در مصرف سوخت صرفه جویی می کند.
- حرکت در ترافیک بدون استفاده از موتور بنزینی
- شارژ باتری هنگام ترمز
ترافیک، شتاب ناگهانی و ترمز از مهمترین عوامل مصرف سوخت بالای خودروهاست. مطمئنا اگر شما در اتوبان حرکت کنید، مصرف بنزین کمتری در هر 100 کیلومتر خواهید داشت. اما در ترافیک بخاطر گاز و ترمز متوالی و روشن بودن موتور در هنگام توقف، مصرف سوخت بیشتر می شود. ماشینهای هیبریدی معمولا در ترافیک از سیستم برقی استفاده می کنند. در این شرایط خودرو Hybrid هنگام توقف مصرفی ندارد چون موتور بنزینی روشن نیست. همچنین زمانی که برای حفظ فاصله با ماشن جلویی ترمز می کنید، باتری ها شارژ می شود.
به همین خاطر است که اتومبیل برقی و هیبریدی، گزینه ای عالی برای سفرهای درون شهری است و باعث کاهش آلودگی هوا هم می گردد.

هیبرید فقط به معنای خودروی هیبریدی نیست

اگرچه امروزه واژه هیبرید بیشتر از هر چیز با خودروهای هیبریدی شناخته می‌شود، اما مفهوم Hybrid بسیار گسترده‌تر از صنعت خودرو است. در واقع هرگاه دو یا چند فناوری، روش، منبع انرژی یا سیستم متفاوت به شکلی با یکدیگر ترکیب شوند تا از مزایای هر کدام استفاده شود، می‌توان با یک مفهوم هیبریدی مواجه بود.

هدف از طراحی یک سیستم هیبریدی صرفاً کنار هم قرار دادن دو فناوری نیست. در یک سیستم هیبریدی مناسب، اجزای مختلف به گونه‌ای انتخاب و هماهنگ می‌شوند که محدودیت‌های یک روش با قابلیت‌های روش دیگر جبران شود.

برای مثال، ممکن است یک فناوری در شرایط خاص عملکرد بسیار خوبی داشته باشد اما در شرایط دیگر بازده آن کاهش پیدا کند. در این حالت می‌توان از فناوری دوم در شرایط مناسب استفاده کرد و در نتیجه عملکرد کلی سیستم را بهبود داد.

به همین دلیل مفهوم هیبرید در بسیاری از حوزه‌های مهندسی، انرژی، حمل‌ونقل و صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.

سیستم هیبریدی چگونه کار می‌کند؟

نحوه عملکرد یک سیستم هیبریدی به نوع فناوری‌هایی که در آن به کار رفته‌اند بستگی دارد. با این حال، در بسیاری از سیستم‌های هیبریدی یک اصل مشترک وجود دارد: استفاده از هر منبع یا فناوری در شرایطی که عملکرد مناسب‌تری دارد.

در ساده‌ترین حالت، یک سیستم هیبریدی می‌تواند از دو منبع انرژی تشکیل شود. سیستم می‌تواند در زمان‌های مختلف از یکی از منابع استفاده کند یا در شرایط مشخص، هر دو منبع را به صورت همزمان به کار گیرد.

در سیستم‌های پیشرفته‌تر، یک واحد کنترل یا مدیریت انرژی وظیفه تعیین نحوه استفاده از منابع مختلف را بر عهده دارد. این کنترل می‌تواند بر اساس عواملی مانند میزان بار، سرعت، دما، میزان انرژی ذخیره‌شده، شرایط محیطی و نیاز مصرف‌کننده انجام شود.

بنابراین در یک سیستم هیبریدی، هماهنگی میان اجزای مختلف به اندازه خود اجزای سیستم اهمیت دارد.

چرا از فناوری هیبرید استفاده می‌شود؟

فناوری هیبرید معمولاً زمانی مورد توجه قرار می‌گیرد که یک فناوری به تنهایی نتواند تمام نیازهای موردنظر را با بهترین عملکرد برآورده کند.

ترکیب چند فناوری می‌تواند مزایایی مانند موارد زیر ایجاد کند:

• افزایش بهره‌وری و راندمان سیستم

• کاهش مصرف انرژی یا سوخت

• کاهش آلایندگی در برخی کاربردها

• استفاده بهتر از منابع انرژی مختلف

• افزایش انعطاف‌پذیری سیستم

• بهبود عملکرد در شرایط کاری متغیر

• کاهش برخی محدودیت‌های یک فناوری به کمک فناوری دیگر

• امکان استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در کنار منابع متعارف

برای مثال، در یک سیستم ممکن است یک منبع انرژی در زمان اوج مصرف عملکرد مناسبی داشته باشد، در حالی که منبع دیگر برای بارهای سبک یا شرایط خاص اقتصادی‌تر باشد. ترکیب این دو منبع می‌تواند عملکرد کلی سیستم را بهبود دهد.

آیا هر سیستمی با دو منبع انرژی، هیبریدی است؟

از نظر مفهوم لغوی، Hybrid به معنای ترکیبی یا دورگه است و می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از ترکیب‌ها به کار رود. اما در مهندسی و به‌خصوص در صنعت خودرو، تعریف و کاربرد این واژه تخصصی‌تر می‌شود.

برای مثال، خودرویی که بتواند از دو نوع سوخت استفاده کند، مانند بنزین و CNG، از نظر کلی دارای دو منبع انرژی است؛ اما در ادبیات رایج صنعت خودرو معمولاً به آن خودروی دوگانه‌سوز گفته می‌شود، نه خودروی هیبریدی.

خودروی هیبریدی در معنای رایج صنعت خودرو معمولاً به وسیله‌ای گفته می‌شود که از ترکیب دو سیستم محرکه متفاوت، مانند موتور احتراق داخلی و سیستم محرکه الکتریکی، استفاده می‌کند.

بنابراین بهتر است بین مفهوم عمومی «ترکیب چند منبع یا فناوری» و تعریف تخصصی Hybrid در هر صنعت تفاوت قائل شویم.

انواع سیستم‌های هیبریدی

سیستم‌های هیبریدی را می‌توان بر اساس نوع فناوری‌ها و نحوه ارتباط اجزای آنها با یکدیگر دسته‌بندی کرد. برای مثال در حوزه خودرو، معماری‌های مختلفی مانند هیبرید سری، هیبرید موازی و هیبرید ترکیبی وجود دارد.

هیبرید سری

در سیستم هیبرید سری، موتور احتراق داخلی معمولاً مستقیماً وظیفه انتقال توان به چرخ‌ها را بر عهده ندارد. موتور احتراق داخلی می‌تواند یک ژنراتور را به حرکت درآورد و انرژی تولیدشده از طریق سیستم الکتریکی به موتور محرک منتقل شود.

در این ساختار، موتور الکتریکی نقش اصلی را در حرکت خودرو دارد و موتور احتراق داخلی بیشتر برای تولید انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هیبرید موازی

در سیستم هیبرید موازی، موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی می‌توانند هر دو در تأمین توان موردنیاز خودرو نقش داشته باشند.

بسته به شرایط رانندگی، ممکن است خودرو تنها با موتور احتراق داخلی، تنها با موتور الکتریکی یا با استفاده همزمان از هر دو سیستم حرکت کند.

هیبرید ترکیبی

در سیستم‌های هیبرید ترکیبی، ویژگی‌های معماری سری و موازی می‌توانند در یک سیستم واحد مورد استفاده قرار گیرند. این ساختار انعطاف‌پذیری بیشتری ایجاد می‌کند، اما طراحی و کنترل آن نیز پیچیده‌تر است.

انتخاب نوع معماری به عواملی مانند توان موردنیاز، شرایط کاری، هزینه، وزن، فضای موجود و هدف طراحی بستگی دارد.

تفاوت خودروی هیبریدی و خودروی تمام برقی

یکی از اشتباهات رایج، یکسان دانستن خودروهای هیبریدی و خودروهای تمام برقی است.

خودروی تمام برقی برای حرکت از موتور الکتریکی استفاده می‌کند و انرژی موردنیاز آن از باتری تأمین می‌شود. در مقابل، خودروی هیبریدی معمولاً از ترکیب موتور احتراق داخلی و سیستم الکتریکی استفاده می‌کند.

به همین دلیل خودروهای هیبریدی می‌توانند در شرایط مختلف از یک یا هر دو سیستم محرکه استفاده کنند.

در نتیجه، هیبرید را می‌توان در یک طیف میان خودروهای متعارف و خودروهای تمام برقی در نظر گرفت؛ هرچند انواع مختلف خودروهای هیبریدی از نظر ساختار و میزان وابستگی به موتور احتراق داخلی تفاوت زیادی با یکدیگر دارند.

مزایا و معایب سیستم‌های هیبریدی

فناوری هیبرید مانند هر فناوری مهندسی دیگری در کنار مزایا، محدودیت‌هایی نیز دارد.

مهم‌ترین مزایای سیستم‌های هیبریدی

مهم‌ترین مزیت فناوری هیبرید این است که امکان استفاده همزمان یا انتخابی از قابلیت‌های چند فناوری را فراهم می‌کند.

از جمله مزایای احتمالی آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• افزایش بهره‌وری انرژی

• کاهش مصرف سوخت در برخی شرایط

• کاهش آلایندگی

• افزایش انعطاف‌پذیری سیستم

• امکان بازیابی انرژی در برخی سیستم‌ها

• استفاده مناسب‌تر از منابع مختلف انرژی

• عملکرد بهتر در محدوده وسیع‌تری از شرایط کاری

مهم‌ترین معایب سیستم‌های هیبریدی

در مقابل، ترکیب چند فناوری معمولاً باعث افزایش پیچیدگی سیستم می‌شود.

از جمله چالش‌های سیستم‌های هیبریدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• افزایش پیچیدگی طراحی

• نیاز به سیستم کنترل پیشرفته‌تر

• افزایش تعداد قطعات و اجزای سیستم

• هزینه اولیه بالاتر در برخی کاربردها

• نیاز به دانش تخصصی برای تعمیر و نگهداری

• افزایش وزن یا حجم تجهیزات در بعضی طراحی‌ها

بنابراین هیبریدی بودن یک سیستم به خودی خود به معنی بهتر بودن آن نیست. طراحی هیبریدی زمانی ارزشمند است که ترکیب فناوری‌ها بتواند نسبت به استفاده از هر یک از آنها به صورت مستقل، مزیت فنی یا اقتصادی قابل‌قبولی ایجاد کند.

کاربرد فناوری هیبرید در صنایع مختلف

مفهوم هیبرید تنها به خودرو محدود نمی‌شود و در بسیاری از حوزه‌های مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است.

در صنعت انرژی، ترکیب منابع مختلف مانند انرژی خورشیدی، باتری و شبکه برق می‌تواند یک سیستم هیبریدی ایجاد کند. چنین سیستمی می‌تواند با توجه به میزان تولید انرژی، مصرف و وضعیت ذخیره‌سازی، از منابع مختلف استفاده کند.

در حمل‌ونقل نیز فناوری هیبرید علاوه بر خودروهای سواری در برخی وسایل نقلیه سنگین، سیستم‌های ریلی و سایر تجهیزات حمل‌ونقل مورد استفاده قرار گرفته است.

در صنعت نیز می‌توان سیستم‌هایی را مشاهده کرد که از ترکیب دو روش مختلف برای دستیابی به عملکرد بهتر استفاده می‌کنند. در این کاربردها، هدف از هیبرید کردن سیستم می‌تواند افزایش راندمان، کاهش مصرف انرژی، افزایش قابلیت اطمینان یا دستیابی به عملکردی باشد که با یک فناوری واحد امکان‌پذیر نیست. یکی از استفاده های دیگر این روش، در سیستم های سرمایش صنعتی و برج خنک کن هیبرید است.

به همین دلیل، مفهوم هیبرید را باید یک رویکرد مهندسی برای ترکیب هوشمندانه فناوری‌ها دانست، نه صرفاً نامی برای خودروهایی که از موتور بنزینی و الکتریکی استفاده می‌کنند.

آینده فناوری هیبرید

گسترش فناوری‌های جدید و افزایش اهمیت بهره‌وری انرژی باعث شده است مفهوم هیبرید همچنان جایگاه مهمی در مهندسی داشته باشد.

در بسیاری از سیستم‌ها، استفاده از یک فناوری واحد ممکن است به دلیل محدودیت‌های فنی، اقتصادی یا محیط‌زیستی بهترین گزینه نباشد. در چنین شرایطی، ترکیب چند فناوری می‌تواند راهکاری برای ایجاد تعادل میان عملکرد، هزینه، مصرف انرژی و قابلیت اطمینان باشد.

به همین دلیل انتظار می‌رود فناوری‌های هیبریدی در کنار توسعه فناوری‌های تمام برقی و انرژی‌های تجدیدپذیر، همچنان در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گیرند.

در نهایت، فلسفه اصلی فناوری هیبرید را می‌توان در یک جمله خلاصه کرد:

ترکیب چند فناوری برای استفاده از نقاط قوت آنها و کاهش محدودیت‌های هر یک از آنها.

لینک های مرتبط

آشنایی با سیستم هیبرید موازی

معرفی روش هیبرید سری

سیستم هیبرید شبکه ای