افت نیروی ضد محرکه موتور در سرعت‌های پایین ترمز احیاکننده را متوقف می‌کند؛ برای توقف کامل به ترمز هیدرولیک یا تخلیه باتری نیاز است

در اکتبر ۲۰۱۷، معرفی نسل دوم نیسان لیف مجهز به سامانه «ای-پدال» (e-Pedal)، استاندارد و انتظار تازه‌ای را در دنیای خودروهای برقی پایه گذاشت. رانندگان متوجه شدند که می‌توان خودروی الکتریکی را تقریباً تنها با یک پا هدایت کرد؛ به‌طوری‌که با برداشتن پا از روی پدال گاز، خودرو به آرامی و به‌طور کامل متوقف شده و در همان حالت باقی می‌ماند.[3]

از آن زمان تاکنون، قابلیت «رانندگی با تک‌پدال» به یکی از مشخصه‌های اصلی و پر سر و صدای بازاریابی خودروهای برقی تبدیل شده است. خودروسازان پیشرو از تسلا گرفته تا هیوندای، نرم‌افزارهای خود را به‌گونه‌ای بهینه‌سازی کرده‌اند که درست از لحظه رها شدن پدال گاز، شتاب منفی محسوسی برای ترمزگیری ایجاد شود.[3]

با این حال، قوانین فیزیک حاکم بر موتورهای الکتریکی نشان می‌دهند که ترمز احیاکننده واقعی به تنهایی قادر نیست یک وسیله نقلیه در حال حرکت را به ایست کامل برساند. حس توقف نرم و پیوسته تا رسیدن به سرعت صفر، در واقع انتقال پیچیده وظایف مکانیکی و الکتریکی را که زیر پای راننده جریان دارد پنهان می‌کند.[3]

فیزیک نیروی ضد محرکه الکتریکی

این محدودیت از پدیده‌ای بنیادین در الکترومغناطیس به نام نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back-EMF) ناشی می‌شود. هنگامی که یک خودروی برقی سرعت خود را کم می‌کند، انرژی جنبشی چرخ‌ها موتور سنکرون آهنربای دائم را به گردش درمی‌آورد و عملاً آن را به یک ژنراتور تبدیل می‌سازد.[1]

با چرخش آهنرباهای دائمی روتور از مقابل سیم‌پیچ‌های مسی در استاتور، ولتاژی القا می‌شود. این ولتاژ تولیدشده ذاتاً با ولتاژ تأمین‌شده از سوی بسته باتری مخالفت می‌کند و نوعی مقاومت مغناطیسی پدید می‌آورد که باعث کاهش سرعت خودرو می‌شود.[1]

همان‌طور که در متون مرجع الکترومغناطیس قید شده است، نیروی ضد محرکه الکتریکی «حتی زمانی که جریان موتور تغییر نمی‌کند نیز به وجود می‌آید و از هندسه چرخش آرمیچر در یک میدان مغناطیسی ناشی می‌شود.» این پدیده پیامد گریزناپذیر حرکت است.[1]

آستانه ولتاژ بحرانی

برای آنکه انرژی بتواند از طریق اینورتر به سمت عقب بازگردد و باتری را شارژ کند، این نیروی ضد محرکه القایی باید از نظر فیزیکی بالاتر از ولتاژ حالت سکون باتری باشد. در یک معماری رایج ۴۰۰ ولتی، موتور باید بیش از ۴۰۰ ولت برق تولید کند تا بتواند الکترون‌ها را به داخل سلول‌های شیمیایی پس براند.[3]

میزان نیروی ضد محرکه الکتریکی با سرعت دورانی موتور نسبت مستقیم دارد. هنگامی که یک خودروی برقی ۲۱۰۰ کیلوگرمی با سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، موتور با سرعت بالایی می‌چرخد و جهش ولتاژ چشمگیری ایجاد می‌نماید که به آسانی بر مقاومت درونی باتری غلبه می‌کند.[1]

در چنین سرعت‌هایی در بزرگراه، این سامانه می‌تواند انرژی جنبشی را با نرخی فراتر از ۱۵۰ کیلووات بازیابی کند و توان معتنابهی را دوباره به بسته باتری هدایت نماید. این بازیابی پرسرعت بازدهی بسیار بالایی دارد و معمولاً ۶۰ تا ۷۰ درصد انرژی را که در غیر این صورت به صورت گرما تلف می‌شد، نجات می‌دهد.[2]

افت توان بازیابی در سرعت‌های پایین

اما هم‌زمان با کاهش سرعت خودرو، دور چرخش روتور افت می‌کند و ولتاژ ضد محرکه تولیدی نیز درست همگام با آن پایین می‌آید. با کم شدن اختلاف ولتاژ، مقاومت مغناطیسی که حس ترمزگیری را پدید می‌آورد شروع به ضعیف شدن می‌کند.[1]

به محض اینکه سرعت خودرو از یک آستانه بحرانی—که معمولاً بین ۵ تا ۸ کیلومتر بر ساعت است—کمتر شود، موتور با دوری بسیار پایین می‌چرخد و قادر به تولید ولتاژ کافی نیست. در نتیجه نیروی ضد محرکه از ولتاژ بسته باتری پایین‌تر می‌افتد و جریان انتقال برق به‌کلی قطع می‌شود.[3]

در این نقطه تلاقی، ترمز احیاکننده واقعی خودبه‌خود محو شده و به صفر می‌رسد. موتور دیگر قادر نیست جریانی را وارد باتری کند؛ این یعنی دیگر نمی‌تواند انرژی جنبشی را از سامانه انتقال قدرت بگیرد تا خودرو را متوقف سازد.[2]

اگر خودرو صرفاً بر بازیابی الکترومغناطیسی متکی بود، نیروی ترمز در سرعت حرکت پیاده کاملاً از بین می‌رفت. خودرو با استفاده از تکانه باقی‌مانده خود روی زمین غلت می‌خورد و تا زمانی که راننده دخالت نکند، به خزش ادامه می‌داد.[2]

حل خلأ عملکردی با هیدرولیک

برای ایجاد توقف کامل تنها با یک پدال، مهندسان خودرو ناچارند به روش‌های مکانیکی یا الکتریکی متوسل شوند. بر اساس گزارش فنی وزارت انرژی ایالات متحده درباره خودروهای الکتریکی، یک «کنترل‌کننده الکترونیک قدرت اختصاصی، وظیفه مدیریت جریان انرژی ارائه‌شده توسط باتری کششی را بر عهده دارد و سرعت موتور الکتریکی و گشتاور تولیدی آن را کنترل می‌کند.»

اکنون این کنترل‌کننده باید انتقال وظیفه ترمزگیری را مدیریت نماید. رایج‌ترین راه‌حل، ترمز ترکیبی یا تلفیقی (Blended Braking) است که در آن، واحد کنترل الکترونیکی خودرو به‌طور خودکار به ترمزهای اصطکاکی هیدرولیکی سنتی دستور می‌دهد تا کار متوقف کردن را تمام کنند.[3]

در سامانه‌های ترمزی تلفیقی، این جابه‌جایی با دقتی وسواس‌گونه تنظیم شده تا راننده متوجه آن نشود. هم‌زمان با تضعیف گشتاور بازدارنده موتور در سرعت ۸ کیلومتر بر ساعت، یک عملگر الکتریکی روغن ترمز را فشرده کرده و لنت‌ها را روی دیسک‌های ترمز می‌فشارد.[3]

این انتقال وظیفه هیدرولیکی، توقف را کامل کرده و مانع حرکت خودرو در شیب‌ها می‌شود. این روش با اتکا به اصطکاک مکانیکی در مصرف انرژی باتری صرفه‌جویی می‌کند، اما نشان می‌دهد که در پایان هر بار ترمزگیری تک‌پداله، لنت‌های اصطکاکی با شدتی ملایم همچنان درگیر می‌شوند.[3]

رویکرد جایگزین: مصرف مستقیم توان موتور

رویکرد دوم که مورد علاقه خودروسازانی است که قصد حذف کامل تلفیق هیدرولیکی را دارند، هدایت فعال موتور تا ایست کامل است. در این شیوه، اینورتر تغییر حالت می‌دهد و به جای تولید برق، شروع به کشیدن انرژی از باتری می‌کند.[3]

با مصرف انرژی، کنترل‌کننده موتور گشتاوری معکوس را در خلاف جهت حرکت خودرو وارد می‌سازد. سامانه با استفاده از ذخایر باتری با انرژی جنبشی باقی‌مانده مقابله می‌کند تا روتور را بدون دخالت لنت‌های ترمز متوقف کند.[3]

هنگامی که سرعت خودرو به صفر رسید، موتور به دریافت جریانی اندک اما پیوسته ادامه می‌دهد تا روتور را در جای خود ثابت نگه دارد. میدان مغناطیسی، پیشرانه را قفل می‌کند و در زمان ایستادن پشت چراغ قرمز عملکردی شبیه به ترمز پارک الکترونیکی ارائه می‌دهد.[3]

بهای انرژی برای ثابت نگه‌داشتن خودرو

این سازوکار نگه‌داری فعال نیازمند صرف مداوم انرژی است. بسته به شیب جاده و وزن خودرو، موتور ممکن است تنها برای جلوگیری از عقب رفتن خودرو در یک سربالایی تند، بین ۱ تا ۳ کیلووات توان برق مصرف کند.[3]

در نتیجه، آخرین مترهای یک توقف کامل با حالت تک‌پدالِ فعال، به جای بازیابی انرژی منجر به تخلیه خالص شارژ باتری می‌شود. خودرو برای شبیه‌سازی حس یک ترمز مکانیکی برق مصرف می‌کند و تجربه رانندگی یکنواخت را بر حداکثر بازدهی ترجیح می‌دهد.[3]

رانندگان عموماً تصور می‌کنند برنداشتن پا از روی ترمز ضامن بازیابی همیشگی انرژی است. اما قوانین الکترومغناطیس نشان می‌دهند که لحظات پایانی هر توقف، یا مستلزم مصرف انرژی باتری است یا به همان ترمزهای اصطکاکی نیاز دارد که راننده در پی پرهیز از آنهاست.[3]

پیامدها بر پیمایش و استهلاک قطعات

تفاوت میان ترمزگیری تلفیقی هیدرولیک و مصرف مستقیم توان موتور، نشان‌دهنده بده‌بستان‌های مهندسی در طراحی خودروهای الکتریکی است. سامانه‌های تلفیقی بازدهی مصرف انرژی الکتریکی را در اولویت می‌گذارند تا باتری بیهوده برای ثابت نگه‌داشتن خودرو تخلیه نشود.[3]

با این همه، سامانه‌های تلفیقی نیازمند محرک‌های الکترونیکی پیچیده (Brake-by-wire) هستند تا به‌شکلی نامحسوس افت منحنی نیروی ضد محرکه را پوشش دهند. اگر کالیبراسیون حتی اندکی نادقیق باشد، راننده با تماس لنت با دیسک دچار تکان ناگهانی یا تغییر ناخواسته در شتاب ترمز می‌شود.[3]

کشیدن بار فعال از موتور، صرف‌نظر از دمای لنت‌ها یا وضعیت دیسک ترمز، توقفی کاملاً یکنواخت و مبتنی بر نرم‌افزار ارائه می‌دهد. بهای این مزیت، کاهش جزئی دامنه پیمایش در شهر است، چرا که باتری پشت هر تابلوی ایست و خط عابر پیاده مقداری انرژی تلف می‌کند.[3]

در پایان، سازوکار واقعی از دید راننده مخفی می‌ماند و پشت رابط کاربری نمایشگر پنهان است. اما در زیر بدنه، خودرو پیوسته با مرزهای قاطع نیروی ضد محرکه دست‌وپنجه نرم می‌کند و در حال سنجش قوانین فیزیک بازیابی انرژی در برابر انتظارات مدرن از خودروهای تک‌پداله است.[3]