رفتن به محتوای اصلی
توضیح کوهستانمهندسی خودروهای برقیتوضیح و تحلیل۱۰ شهریور ۱۴۰۵، ۱۱:۲۵· 5 دقیقه مطالعه· در حمل‌ونقل

سازوکار ترمز احیاکننده: بازیابی انرژی جنبشی در خودروهای برقی

خودروهای برقی مدرن با تبدیل موقت موتورهای الکتریکی به ژنراتور، انرژی جنبشی‌ای را که ترمزهای اصطکاکی سنتی به صورت گرما هدر می‌دهند، بازیابی می‌کنند. درک این سازوکار نشان می‌دهد که چرا خودروهای برقی در کارایی شهری برتری دارند، اما در سرعت‌های بزرگراهی بازدهی کمتری ارائه می‌دهند.

به قلم سامان جعفری

مهندسان پیشرانه 40%شیمی‌دانان باتری 30%تیم‌های دینامیک خودرو 30%
مهندسان پیشرانه
تمرکز بر به حداکثر رساندن بازدهی الکتریکی رفت و برگشت موتور و مبدل برای استخراج حداکثر برد ممکن.
شیمی‌دانان باتری
اولویت‌دهی به طول عمر سلول، حمایت از محدودیت‌های نرم‌افزاری بر بازیابی انرژی هنگامی که باتری سرد است یا نزدیک به ظرفیت کامل است.
تیم‌های دینامیک خودرو
تمرکز بر حس فیزیکی سیستم، اطمینان از اینکه انتقال بین مقاومت مغناطیسی و لنت‌های ترمز فیزیکی برای راننده نامحسوس باشد.

نکات کلیدی

  1. ترمز احیاکننده موتور خودروی برقی را به ژنراتور تبدیل می‌کند و انرژی جنبشی را هنگام کاهش سرعت جذب می‌کند.
  2. این سیستم می‌تواند تقریباً ۶۰ تا ۷۰ درصد انرژی‌ای را که در غیر این صورت توسط ترمزهای اصطکاکی هدر می‌رفت، بازیابی و دوباره استفاده کند.
  3. بازیابی انرژی در ترافیک‌های شهری توقف و حرکت بسیار مؤثر است، اما در سرعت‌های بزرگراهی که نیروی پسا (درگ) آیرودینامیکی غالب است، مزیت ناچیزی دارد.
  4. سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) در صورتی که باتری کاملاً شارژ باشد یا برای پذیرش ایمن جریان‌های بالا بیش از حد سرد باشد، بازیابی انرژی را محدود می‌کنند.
  5. سیستم‌های ترمز ترکیبی (Blended Braking) این مقاومت مغناطیسی را به طور یکپارچه با ترمزهای اصطکاکی سنتی ترکیب می‌کنند تا کاهش سرعت نرمی حاصل شود.

چرا مهم است

ترمز احیاکننده دلیل اصلی دستیابی خودروهای برقی به افزایش چشمگیر کارایی در ترافیک‌های توقف و حرکت است. درک این سیستم برای رانندگان و برنامه‌ریزان شبکه برق روشن می‌کند که چرا برد خودروهای برقی اساساً رفتاری متفاوت از مسافت پیموده‌شده خودروهای احتراق داخلی دارد.

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]

در طول کاهش سرعت، موتور به عنوان ژنراتور عمل می‌کند و انرژی جنبشی را به جریان متناوب تبدیل می‌کند، قبل از اینکه مبدل آن را برای ذخیره‌سازی به جریان مستقیم تبدیل کند.

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]

در مقابل، در سرعت‌های بزرگراهی، فیزیک اتلاف انرژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند.

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]

در سرعت‌های بزرگراهی، نیروی پسا (درگ) آیرودینامیکی از ترمزگیری به عنوان منبع اصلی اتلاف انرژی پیشی می‌گیرد و تأثیر بازیابی انرژی را محدود می‌کند.

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.

بسیاری از خودروهای برقی مدرن، تله‌متری بلادرنگ ارائه می‌دهند که دقیقاً نشان می‌دهد چه مقدار انرژی در طول کاهش سرعت بازیابی می‌شود.

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]

بررسی عمیق دیدگاه‌ها

مهندسان پیشرانه

تمرکز بر به حداکثر رساندن بازدهی الکتریکی رفت و برگشت موتور و مبدل.

برای مهندسان پیشرانه، ترمز احیاکننده تمرینی برای به حداقل رساندن تلفات تبدیل است. هر بار که انرژی از چرخش مکانیکی به جریان متناوب و سپس از طریق مبدل به جریان مستقیم حرکت می‌کند، گرما تولید می‌شود. مهندسان بر بهینه‌سازی مبدل‌های کاربید سیلیکون و طراحی سیم‌پیچ‌های موتور تمرکز می‌کنند تا بازدهی رفت و برگشت را به ۸۰ درصد نزدیک کنند و اطمینان حاصل کنند که حداکثر مقدار ممکن از انرژی جنبشی به بسته باتری باز می‌گردد.

شیمی‌دانان باتری

اولویت‌دهی به طول عمر سلول و ایمنی بر حداکثر بازیابی انرژی.

شیمی‌دانان باتری، ترمز احیاکننده را به عنوان یک خطر بالقوه برای سلامت سلول‌ها می‌بینند. پالس‌های ناگهانی و پرجریان انرژی—به ویژه زمانی که باتری سرد است یا نزدیک به وضعیت شارژ بالا قرار دارد—می‌تواند باعث آبکاری لیتیوم شود و ظرفیت باتری را به طور دائمی کاهش دهد. در نتیجه، این گروه از محدودیت‌های نرم‌افزاری سختگیرانه بر بازیابی انرژی حمایت می‌کنند و سلامت بلندمدت بسته باتری را بر مزایای کارایی کوتاه‌مدت اولویت می‌دهند.

تیم‌های دینامیک خودرو

تمرکز بر حس فیزیکی سیستم و قابلیت پیش‌بینی کاهش سرعت.

برای تیم‌های دینامیک خودرو، چالش ترمز احیاکننده کاملاً حسی است. رانندگان انتظار دارند که پدال ترمز خطی و قابل پیش‌بینی باشد. از آنجایی که بازیابی انرژی بر اساس دمای باتری و سطح شارژ نوسان می‌کند، مهندسان دینامیک باید الگوریتم‌های پیچیده ترمز ترکیبی را طراحی کنند. این سیستم‌ها به طور مداوم فشار هیدرولیک ترمزهای اصطکاکی فیزیکی را تنظیم می‌کنند تا هرگونه تغییر در مقاومت مغناطیسی موتور را پنهان کنند و اطمینان حاصل شود که راننده صرف نظر از وضعیت باتری، نرخ کاهش سرعت ثابتی را احساس می‌کند.

منابع

پوشش منابع

3 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

مهندسان پیشرانه 40%شیمی‌دانان باتری 30%تیم‌های دینامیک خودرو 30%
  1. [1]تیم سردبیری کوهستان

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان
  2. [2]SAE Internationalشیمی‌دانان باتری

    Energy Recovery Potential and Thermal Management of Regenerative Braking in Electric Vehicles

    مطالعه در SAE International
  3. [3]IEEE Xploreمهندسان پیشرانه

    Analysis of Regenerative Braking Efficiency and Inverter Conversion Losses in Urban Driving Cycles

    مطالعه در IEEE Xplore

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت حمل‌ونقل اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.