سازوکار ترمز احیاکننده: بازیابی انرژی جنبشی در خودروهای برقی

ترمز احیاکننده فرآیندی است که در آن موتور الکتریکی به صورت معکوس کار می‌کند تا سرعت خودرو را کاهش دهد، انرژی جنبشی را جذب کرده و به جای هدر دادن آن به صورت گرما، در باتری ذخیره می‌کند. در یک خودروی سنتی با موتور احتراق داخلی، کاهش سرعت یک فرآیند صرفاً کاهشی است. ترمزهای اصطکاکی روی دیسک‌های فولادی فشار می‌آورند و حرکت رو به جلوی خودرو را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند که به طور بی‌فایده در هوای اطراف پراکنده می‌شود.[1]

خودروهای برقی با بهره‌گیری از ماهیت دوطرفه موتورهای الکتریکی، این معادله را به طور اساسی تغییر می‌دهند. هنگامی که راننده پای خود را از روی پدال گاز برمی‌دارد، انرژی جنبشی خودرو موتور را به حرکت در می‌آورد و آن را به ژنراتور تبدیل می‌کند. این سازوکار متکی بر القای الکترومغناطیسی است. با چرخاندن روتور موتور توسط چرخ‌ها در داخل استاتور، میدان مغناطیسی متغیر یک جریان متناوب (AC) در سیم‌پیچ‌های استاتور القا می‌کند.[2]

سپس مبدل (اینورتر) خودرو وارد عمل می‌شود و این جریان متناوب را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند تا بتواند به بسته باتری ولتاژ بالا تزریق شود. مقاومتی که توسط این فرآیند الکترومغناطیسی ایجاد می‌شود، همان چیزی است که عملاً سرعت خودرو را کاهش می‌دهد و کاهش سرعت را از اصطکاک فیزیکی جدا می‌کند.[3]

با این حال، این سیستم کاملاً کارآمد نیست. انرژی در مراحل مختلف معماری پیشرانه تلف می‌شود: تلفات مکانیکی در چرخ‌دنده‌های سیستم انتقال قدرت، مقاومت الکتریکی در سیم‌پیچ‌های موتور، تلفات تبدیل در مبدل و مقاومت شیمیایی در خود سلول‌های باتری.[2][3]

اجماع مهندسی کنونی، بازدهی رفت و برگشت این فرآیند—از چرخ به باتری و دوباره به چرخ—را در شرایط بهینه تقریباً ۶۰ تا ۷۰ درصد تعیین می‌کند. این بدان معناست که از هر واحد انرژی جنبشی بازیابی شده در هنگام ترمزگیری، تقریباً دو سوم آن می‌تواند با موفقیت برای شتاب‌گیری مجدد خودرو در آینده به کار گرفته شود.[2][3]

اثربخشی این بازیابی به شدت به محیط رانندگی وابسته است. در ترافیک‌های شهری توقف و حرکت، که سرعت‌ها پایین و دفعات ترمزگیری زیاد است، سیستم‌های احیاکننده درصد عظیمی از انرژی‌ای را که در غیر این صورت به دلیل اصطکاک از دست می‌رفت، جذب می‌کنند.[1][3]

این کارایی شهری دلیلی است که بسیاری از خودروهای برقی، برد شهری بالاتری نسبت به برد بزرگراهی خود دارند—یک وارونگی مستقیم نسبت به الگوی سنتی احتراق داخلی، که در آن رانندگی در بزرگراه از نظر تاریخی کارآمدترین حالت سفر محسوب می‌شد.

در مقابل، در سرعت‌های بزرگراهی، فیزیک اتلاف انرژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند. نیروی اصلی که در برابر خودرو مقاومت می‌کند دیگر اینرسی نیست، بلکه نیروی پسا (درگ) آیرودینامیکی است. نیروی پسا آیرودینامیکی با مجذور سرعت افزایش می‌یابد، به این معنی که خودرویی که با سرعت ۱۱۲ کیلومتر در ساعت (۷۰ مایل در ساعت) حرکت می‌کند، به طور تصاعدی با مقاومت هوای بیشتری نسبت به خودرویی که با سرعت ۵۶ کیلومتر در ساعت (۳۵ مایل در ساعت) حرکت می‌کند، مواجه است.[1][2]

انرژی مصرف شده برای کنار زدن هوا از مسیر خودرو به طور دائمی در محیط از دست می‌رود و توسط سیستم پیشرانه قابل بازیابی نیست. از آنجایی که رانندگی در بزرگراه شامل سرعت‌های بالا و پایدار با ترمزگیری‌های بسیار کم است، سیستم احیاکننده تقریباً هیچ فرصتی برای بازیابی انرژی ندارد و کارایی آیرودینامیکی را به عامل غالب در برد بزرگراهی تبدیل می‌کند.[1][2]

علاوه بر این، وضعیت شارژ باتری (State-of-Charge) یک محدودیت فیزیکی سخت بر بازیابی انرژی تحمیل می‌کند. اگر باتری در ظرفیت ۱۰۰ درصد باشد، الکترون‌های بازیابی شده جایی برای رفتن ندارند. در این سناریو، خودرو باید کاملاً به ترمزهای اصطکاکی فیزیکی خود متکی باشد تا زمانی که انرژی کافی مصرف شود و فضای خالی در بسته باتری ایجاد گردد.[2]

دما نیز نقشی حیاتی در عملکرد سیستم ایفا می‌کند. سلول‌های باتری سرد نمی‌توانند جریان‌های شارژ بالا را بدون خطر آبکاری لیتیوم (lithium plating) بپذیرند—وضعیتی که به طور دائمی به باتری آسیب می‌زند. برای جلوگیری از این امر، سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) در شرایط زمستانی، ترمز احیاکننده را به شدت محدود یا کاملاً غیرفعال می‌کنند تا زمانی که بسته باتری گرم شود.[2]

برای مدیریت انتقال پیچیده بین ترمز احیاکننده و ترمز اصطکاکی، خودروسازان از سیستم‌های «ترمز ترکیبی» (Blended Braking) استفاده می‌کنند. این شبکه‌های هیدرولیکی و الکترونیکی ورودی پدال ترمز راننده را نظارت می‌کنند و ترمزهای اصطکاکی فیزیکی را تنها زمانی به طور یکپارچه درگیر می‌کنند که بازیابی انرژی به تنهایی نتواند کاهش سرعت مورد نیاز را فراهم کند.[3]

به عنوان یک جایگزین، بسیاری از تولیدکنندگان «رانندگی تک‌پداله» (One-Pedal Driving) را ارائه می‌دهند که در آن بازیابی شدید انرژی مستقیماً به برداشتن پا از روی پدال گاز مرتبط می‌شود. این امر به راننده اجازه می‌دهد تا در بیشتر سناریوهای ترافیکی بدون نیاز به لمس پدال ترمز، رانندگی کند و با نگه داشتن خودرو کاملاً در محدوده احیاکننده، بازیابی انرژی را به حداکثر برساند.

در نهایت، ترمز احیاکننده خودرو را از یک مصرف‌کننده ساده انرژی به یک سیستم مدیریت انرژی پویا تبدیل می‌کند. با تلقی کردن تکانه (مومنتوم) به عنوان یک باتری موقت به جای یک محصول زائد، این معماری اساساً قوانین کارایی خودرو را بازنویسی می‌کند.[1][3]