راز بازدهی ۹۰ درصدی: چرا نمودار راندمان موتورهای برقی برخلاف ماشین‌های بنزینی، پهن و یکنواخت است؟

اگر از یک مربی رانندگی قدیمی یا یک مکانیک ماشین‌های بنزینی بپرسید که چطور می‌توان مصرف سوخت را به حداقل رساند، همه یک جواب به شما می‌دهند: ماشین را در سبک‌ترین دنده بگذارید و با سرعت ثابت ۹۰ کیلومتر بر ساعت برانید. این حرف برای یک موتور احتراق داخلی کاملاً درست است؛ موتوری که برای استخراج بیشترین نیرو از یک قطره بنزین، به ترکیب بسیار دقیقی از دور موتور و فشار نیاز دارد. اما فیزیک خودروهای برقی این قانون را کاملاً زیر سؤال می‌برد. بر اساس داده‌های منتشر شده در سپتامبر ۲۰۲۴ توسط وزارت انرژی آمریکا، یک خودروی برقی معمولی بین ۸۷ تا ۹۱ درصد از انرژی الکتریکی خود را به نیروی محرکه چرخ‌ها تبدیل می‌کند، در حالی که این رقم برای یک ماشین بنزینی معمولی تنها ۳۰ درصد است. تفاوت فقط در این عددِ اوج نیست؛ بلکه در خودِ شکل نمودار راندمان است.[1][3]

برای درک اینکه این موضوع چه تاثیری روی تصمیم خریدار بین یک شاسی‌بلند بنزینی و معادل برقی آن دارد، باید به «نقشه راندمان» نگاه کنید. نقشه راندمان یک موتور، نموداری است که دور موتور (RPM) را در برابر گشتاور (نیروی چرخشی) نشان می‌دهد. برای یک ماشین بنزینی، این نقشه شبیه به یک کوه پرشیب است. «نقطه طلایی» راندمان، قله کوچکی است که در یک دور موتور و وضعیت دریچه گاز بسیار خاص قرار دارد. تاتیانا سانتوس آندراده، پژوهشگر ارشد دانشگاه فناوری چالمرز، در تحلیل پیشرانه‌های سال ۲۰۲۴ می‌نویسد: «در موتورهای احتراقی، راندمان هرگز از ۳۴ درصد فراتر نمی‌رود و میانگین بازدهی آن‌ها حدود ۲۰ درصد است.» اگر در ترافیک توقف و حرکت گیر بیفتید یا در یک سربالایی به شدت گاز بدهید، موتور از آن قله طلایی پایین می‌افتد و راندمان به شدت افت می‌کند.[4]

این قله باریک، دقیقاً همان دلیلی است که گیربکس‌های چندسرعته اختراع شدند. یک گیربکس اتوماتیک هشت یا ده‌سرعته مدرن، در واقع یک راهکار مکانیکی است تا دور موتور را به صورت مصنوعی روی همان قله کوچک راندمان نگه دارد؛ فارغ از اینکه چرخ‌ها واقعاً با چه سرعتی می‌چرخند. هر بار که گیربکس دنده عوض می‌کند، در حال تقلا است تا جلوی افتادن موتور در منطقه ناکارآمد را بگیرد. برای مالک خودرو، این یعنی پرداخت هزینه خرید، نگهداری و در نهایت تعمیر هزاران قطعه متحرک، فقط برای جبران انعطاف‌ناپذیری ذاتی موتور بنزینی.[3]

در مقابل، نقشه راندمان یک موتور برقی اصلاً شبیه به کوه نیست؛ بلکه شبیه به یک دشت وسیع و مسطح است. موتورهای الکتریکی جریان متناوب (AC)، به‌ویژه آن‌هایی که از آهنرباهای دائمی استفاده می‌کنند، در تقریباً تمام دامنه عملکرد خود بازدهی ۸۵ تا ۹۰ درصدی را حفظ می‌کنند. چه موتور با سرعت ۱۰۰۰ دور در دقیقه در یک پارکینگ بچرخد و چه با سرعت ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه در حال ورود به آزادراه باشد، همچنان بسیار کارآمد باقی می‌ماند. نقشه‌های eMotor ALPHA آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA) تایید می‌کنند که این نوار پهن راندمان در بارها و سرعت‌های مختلف ثابت می‌ماند و عملاً سرعت خودرو را از راندمان پیشرانه آن مستقل می‌کند.[2][3]

این نمودار مسطح توضیح می‌دهد که چرا اکثریت قریب به اتفاق خودروهای برقی موجود در بازار امروز، از گیربکس تک‌سرعته استفاده می‌کنند. از آنجا که نیازی نیست موتور به صورت مصنوعی در یک نقطه طلایی باریک نگه داشته شود، نیازی هم به تعویض دنده نیست. با شتاب گرفتن ماشین، موتور به سادگی سریع‌تر می‌چرخد و در حالی که روی همان دشت ۹۰ درصدی باقی مانده، گشتاوری یکپارچه ارائه می‌دهد. برای خریدار، این یعنی حذف گیربکس به عنوان یکی از عوامل اصلی خرابی ماشین و رهایی از تکان‌ها و تاخیرهای آزاردهنده هنگام تعویض دنده.

فیزیکِ پشت این دشت مسطح، به نحوه تولید نیرو در این دو سیستم برمی‌گردد. یک موتور احتراق داخلی به هزاران انفجار کنترل‌شده در دقیقه متکی است. این موتور حجم عظیمی از انرژی را به شکل گرما، گازهای خروجی اگزوز و اصطکاک مکانیکی ناشی از کشیده شدن پیستون‌ها به دیواره سیلندر از دست می‌دهد. اما یک موتور برقی نیروی چرخشی را از طریق الکترومغناطیس تولید می‌کند. یک استاتور ثابت، میدان مغناطیسی چرخنده‌ای ایجاد می‌کند که روتور را با خود می‌کشد. از آنجا که هیچ تماس فیزیکی بین استاتور و روتور وجود ندارد و ارتباط آن‌ها تنها یک «دست دادن مغناطیسی» است، اصطکاک مکانیکی عملاً از بین می‌رود.[1]

تنها اتلاف انرژی قابل توجه در یک موتور برقی، ناشی از مقاومت الکتریکی در سیم‌پیچ‌های مسی (که کمی گرما تولید می‌کند) و تلفات هسته مغناطیسی است. با این حال، این تلفات به شکلی قابل پیش‌بینی افزایش می‌یابند و در مقایسه با کل توان تولیدی، نسبتاً کوچک باقی می‌مانند. در یک تحلیل جامع از «چرخه تست هماهنگ جهانی خودروهای سبک» (WLTP)، محققان دریافتند که راندمان یک ماشین الکتریکی حتی در بدترین شرایط هم به ندرت به زیر ۷۰ درصد می‌رسد؛ در حالی که میانگین راندمان یک موتور بنزینی در همان ترکیب رانندگی شهری و بزرگراهی، حدود ۲۰ درصد است.[2][4]

برای کسی که هر شب ماشین خود را به شارژر دیواری گاراژ وصل می‌کند، این نمودار پهن راندمان مستقیماً به معنای پیمایش قابل پیش‌بینی و قبض برق کمتر است. این یعنی رانندگی تهاجمی یا حرکت لاک‌پشتی در ترافیک، برخلاف ماشین‌های بنزینی، راندمان پیشرانه را جریمه نمی‌کند. اگرچه مقاومت هوا (آیرودینامیک) همچنان در سرعت‌های بزرگراهی باعث کاهش برد کلی خودروی برقی می‌شود، اما خود موتور برای چرخاندن چرخ‌ها با افت راندمان مواجه نمی‌شود. این دشت ۹۰ درصدی تضمین می‌کند که تقریباً هر ریالی که برای برق می‌پردازید، مستقیماً صرف حرکت خودرو به جلو می‌شود.[1][4]