بیایید نگاهی به انواع مختلف خودروهای برقی xEV موجود در بازار و نقش باتری ۱۲ ولتی در همه آنها بیندازیم.
انواع مختلف ماشینهای برقی و وابستگی آنها به باتری ۱۲ ولتی
موفقیت خودرو به عنوان وسیله حمل و نقل انفرادی در سال ۱۹۱۳ و با معرفی خط تولید انقلابی آن زمان توسط هنری فورد آغاز شد. حتی یک قرن بعد، اکثر خودروهای موجود در جادههای ما هنوز بر اساس اصل موتور احتراق داخلی هستند که به طور مداوم توسط مهندسان بهبود یافته و امروزه عملکرد بالا، مصرف کم و دوام طولانی را با هم ترکیب میکنند.
فناوری موتور که به طور فزایندهای پیچیده شده و در عین حال، مقررات سختگیرانهتر در مورد انتشار گازهای گلخانهای، جهشی تکنولوژیکی را ایجاد کرده است که منجر به الکتریکی شدن سیستم انتقال قدرت امروزی شده است. اما همه خودروهای برقی موجود در بازار یکسان نیستند. بسته به الزامات و بخش خودرو، رویکردهای متفاوتی برای تحرک الکتریکی وجود دارد.
xEV چیست؟
با افزایش تنوع پیشرانههای الکتریکی در سالهای اخیر، یک سیستم اختصاری مدولار ایجاد شده است تا انواع مختلف را به صورت گزینشیتر پیگیری و توصیف کند. به طور کلی میتوان به هر نوع خودروی الکتریکی “xEV” گفت. پسوند “EV” مخفف وسیله نقلیه الکتریکی است و اساس همه اصطلاحات است. “x” یک جایگزین برای مفاهیم پیشرانه است.
- HEV – وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی
- PHEV – خودروی برقی هیبریدی قابل اتصال به برق
- BEV – وسیله نقلیه الکتریکی باتری دار
- FCEV – وسیله نقلیه الکتریکی پیل سوختی
خودروهای هیبریدی برقی. بهترینهای هر دو دنیا؟
اصطلاح هیبرید فقط به این معنی است که بیش از یک منبع انرژی برای عملکرد خودرو وجود دارد. در واقع، خودروهایی که دارای فناوری استارت-استاپ هستند، از قبل خودروهای “میکرو-هیبرید” محسوب میشوند، زیرا در اینجا باتری ۱۲ ولتی هنگام خاموش شدن موتور به عنوان منبع انرژی دوم عمل میکند.
تکامل «میکرو-هیبرید» به اصطلاح «هیبرید ملایم» بود که در آن یک باتری لیتیوم-یونی ۴۸ ولتی برای تأمین انرژی مصرفکنندگانِ بهخصوص پرمصرف نصب میشود. اگرچه این دو سیستم از قبل هیبریدی نامیده میشوند، اما فاقد یک ویژگی حیاتی هستند که مدتهاست با «خودروهای الکتریکی هیبریدی» مرتبط دانسته میشود: رانندگی کاملاً الکتریکی بدون کمک موتور احتراق داخلی.
تفاوت خودروهای هیبریدی کامل و هیبریدی پلاگین
اصطلاح «خودروی الکتریکی هیبریدی» در واقع دو مفهوم متفاوت را توصیف میکند. «خودروی الکتریکی هیبریدی کامل» (FHEV، که معمولاً به اختصار HEV نامیده میشود) و «خودروی هیبریدی پلاگین» (PHEV). هر دو رویکرد این واقعیت را به اشتراک میگذارند که خودروها دارای باتری لیتیوم-یونی ولتاژ بالا هستند و بنابراین میتوانند کاملاً الکتریکی رانده شوند.
تفاوت بین این دو سیستم در استراتژی شارژ باتری ولتاژ بالا نهفته است. در یک خودروی هیبریدی، باتری میتواند منحصراً توسط موتور احتراقی یا با بازیابی انرژی ترمز (recuperation) شارژ شود. در یک خودروی هیبریدی شارژی (PHEV)، باتری را میتوان مانند یک خودروی کاملاً برقی در یک ایستگاه شارژ نیز شارژ کرد، از این رو اصطلاح “Plug-in” به آن اطلاق میشود. به دلیل امکانات محدود شارژ، ظرفیت باتری محرک در یک خودروی هیبریدی شارژی عموماً کمتر از یک خودروی هیبریدی شارژی است. به دلیل ظرفیت کمتر باتری، مسافتهایی که میتوان صرفاً به صورت الکتریکی طی کرد نیز برای یک خودروی هیبریدی شارژی کوتاهتر از یک خودروی هیبریدی شارژی است.
پیکربندی یک خودروی هیبریدی با موتور احتراق داخلی و نیروی محرکه الکتریکی، مخزن سوخت و باتری ولتاژ بالای لیتیوم-یونی.
- باتری ۱۲ ولت
- مبدل DC/DC
- باتری ولتاژ بالا
- مبدل AC/DC
- موتور کششی ولتاژ بالا
- باک بنزین یا گازوئیل
- موتور احتراق داخلی
بدنه PHEV، با مخزن سوخت کوچکتر اما باتری بزرگتر با پورت شارژ خارجی برای برد الکتریکی بیشتر.
- باتری ۱۲ ولت
- مبدل DC/DC
- باتری ولتاژ بالا
- مبدل AC/DC
- موتور کششی ولتاژ بالا
- باک بنزین یا گازوئیل
- موتور احتراق داخلی
- منبع تغذیه الکتریکی (ایستگاه شارژ/جعبه دیواری)
هر دو سیستم، رانندگی کاملاً الکتریکی و در نتیجه رانندگی بدون آلایندگی محلی را امکانپذیر میکنند. به لطف موتور احتراق داخلی اضافی، این وسیله نقلیه همچنین میتواند برای مسافتهای طولانی و بدون محدودیت استفاده شود. اگر از موتور احتراق داخلی استفاده نشود، یک وسیله نقلیه هیبریدی الکتریکی مانند یک ماشین تمام الکتریکی رفتار میکند.
مزایا و معایب خودروهای هیبریدی (HEV) و هیبریدی (PHEV)
مزایا:
- کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش هزینههای عملیاتی
- رانندگی بدون انتشار گازهای آلاینده محلی
- گشتاور بالا از طریق موتور الکتریکی هنگام شروع و شتاب گیری
- کاهش انتشار نویز در هنگام رانندگی کاملاً برقی
معایب:
- گرانتر از یک وسیله نقلیه مشابه که فقط موتور احتراقی دارد
- سیستم پیشرانه پیچیدهتر، بنابراین هزینههای نگهداری بالقوه بالاتر
- وزن بیشتر خودرو به دلیل باتری کششی و اجزای اضافی
- فضای صندوق عقب کوچکتر برای برخی از وسایل نقلیه، زیرا برای باتری ولتاژ بالا به فضا نیاز است.
آینده تمام الکتریکی: خودروهای الکتریکی باتریدار و خودروهای هیدروژنی
امروزه، همه نشانهها حاکی از آن است که سیستمهای محرکه الکتریکی، سیستم محرکه آینده خواهند بود. با این حال، هنوز مشخص نیست که کدام سیستم ذخیره انرژی غالب خواهد شد. توسعه فناوری باتری لیتیوم-یون و پیلهای سوختی در حال حاضر بسیار پویا است، به طوری که در حال حاضر پیشرفتهای عظیمی در هر دو حوزه در حال انجام است. علاوه بر نوآوریهای فنی، هر دو حوزه به مقیاسپذیری و کاهش هزینه در تولید نیز توجه دارند.
تمرکز پیشرفتهای فنی در باتریهای کششی همچنان بر افزایش چگالی انرژی است. هدف این است که باتریها کوچکتر و سبکتر شوند و در عین حال ظرفیت یکسانی، یعنی همان مسافت رانندگی وسیله نقلیه، حفظ شود. در عین حال، تلاشهایی برای بهینهسازی ترکیب شیمیایی سلولهای باتری انجام میشود تا درصد فلزات حیاتی مانند کبالت به حداقل برسد.
اگرچه در حال حاضر برخی از خودروهای هیدروژنی در بازار وجود دارند، اما تولید انبوه پیشرانههای پیل سوختی هنوز از تولید باتریهای لیتیوم-یونی فاصله زیادی دارد. توسعه فعلی بر کاهش نیاز به پلاتین در پیل سوختی برای کاهش قابل توجه هزینهها متمرکز است. پیشرفتهای بیشتری در زمینه ساخت غشای پیل سوختی مقاومتر و بادوامتر در حال انجام است.
جدا از سیستم ذخیره انرژی، معماری سیستم انتقال قدرت خودروهای الکتریکی باتریدار (BEV) و خودروهای الکتریکی پیل سوختی (FCEV) تا حد زیادی قابل مقایسه است.
طراحی BEV با موتور الکتریکی و باتری کششی ولتاژ بالا.
- باتری ۱۲ ولت
- مبدل DC/DC
- باتری لیتیوم-یونی بزرگ با ولتاژ بالا
- مبدل AC/DC
- موتور کششی ولتاژ بالا
- منبع تغذیه الکتریکی (ایستگاه شارژ/جعبه دیواری)
خودروی FCEV از یک مخزن هیدروژن، یک پیل سوختی و یک باتری لیتیوم-یونی کوچک به عنوان ذخیرهسازی میانی برای تأمین انرژی محرکه الکتریکی استفاده میکند.
- باتری ۱۲ ولت
- مبدل DC/DC
- باتری لیتیوم-یونی بزرگ با ولتاژ بالا
- مبدل AC/DC
- موتور کششی ولتاژ بالا
- پیل سوختی
- مخزن هیدروژن
مزایا و معایب خودروهای برقی (BEV) و خودروهای برقی (FCEV)
مزایا:
- سیستم انتقال قدرت با پیچیدگی کمتر نسبت به خودروهای هیبریدی، در نتیجه هزینههای نگهداری بالقوه پایینتر
- گشتاور بالا و دینامیک رانندگی خوب از طریق درایو الکتریکی خالص
- رانندگی بدون انتشار گازهای آلاینده محلی
- با BEV: هزینههای عملیاتی پایین در ارتباط با یک سیستم فتوولتائیک خصوصی
معایب:
- شبکه گستردهتر ایستگاههای سوختگیری و شارژ هیدروژن در مقایسه با پمپ بنزینهای معمولی
- سوختگیری طولانی برای خودروهای برقی
- بسیاری از مدلها فقط تا حدی برای استفاده در مسافتهای طولانی مناسب هستند
- بدون یارانه، گرانتر از خودروهای معمولی مشابه با موتورهای احتراقی
سیستم ولتاژ پایین در هر وسیله نقلیه الکتریکی
از نظر تاریخی، باتری ۱۲ ولت اغلب به عنوان باتری استارتر شناخته میشود. در یک وسیله نقلیه معمولی با موتور احتراق داخلی، ما به روشن شدن موتور توسط یک استارتر الکتریکی عادت داریم. اما حتی خودروهای کاملاً برقی نیز برای کار به باتری ۱۲ ولت نیاز دارند. و از نظر فنی، هنوز هم میتوان آن را باتری استارتر برای “خودروهای برقی” نامید. هنگامی که وسیله نقلیه پارک شده است، باتری ولتاژ بالا به دلایل ایمنی از سیستم الکتریکی جدا میشود. اگر قرار است سفر ادامه یابد، ابتدا باید باتری ولتاژ بالا روشن شود – و دقیقاً همین فرآیند روشن شدن توسط باتری ۱۲ ولت آغاز میشود.
شبکه ۱۲ ولتی خودرو، عملکردهای رفاهی، واحدهای کنترل، حسگرها و عملگرها را تأمین میکند.
اینکه هنوز هم در خودروهای مدرن، صرف نظر از اینکه موتور احتراق داخلی دارند یا “کاملاً برقی” هستند، آن را باتری استارت بنامیم، حق مطلب را در مورد وظایف باتری ۱۲ ولتی ادا نمیکند. در این مقاله، ما علاوه بر روشن کردن خودرو، وظایفی را که باتری انجام میدهد، به تفصیل شرح دادهایم.
نتیجهگیری
آینده خودرو از آنِ خودروهای برقی است. در حال حاضر، طرحهای مفهومی مختلفی به طور همزمان در دسترس هستند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. بنابراین، مشتری هنگام انتخاب مناسبترین طرح مفهومی برای نیازهای فردی خود، با گزینههای زیادی روبرو است. طرحهای مفهومی هیبریدی بهترینهای هر دو جهان را با هم ترکیب میکنند. از یک سو، به لطف موتورهای احتراق داخلی بسیار کارآمد، امکان رانندگی بدون آلایندگی محلی و گشتاور بالا از همان ابتدا به دلیل وجود پیشرانه الکتریکی اضافی، برد طولانی را ارائه میدهند. از سوی دیگر، سیستم پیشرانه و تصفیه اگزوز که از قبل پیچیده است، به دلیل وجود اجزای الکتریکی، پیچیدهتر نیز میشود.
امروزه اکثر خودروهای برقی برای ذخیره انرژی به یک باتری بزرگ لیتیوم-یونی با ولتاژ بالا متکی هستند. بردهای طولانی هنوز محدود به خودروهای ممتاز با باتریهای کششی بزرگ است. با این حال، تحقیقات فعلی با هدف بهبود بیشتر برد و حذف فلزات حیاتی انجام میشود. پیشرفتهای فنی و تولید کارآمدتر در مقیاس بزرگ نیز میتواند هزینه باتری را بیشتر کاهش دهد، به طوری که “خودروهای برقی” در سایر بخشهای خودرو رقابتی شوند. استفاده از هیدروژن به عنوان واسطه ذخیره انرژی، رویکرد امیدوارکننده دیگری برای آینده خودرو است و میتواند به غلبه بر دو عیب اصلی خودروهای برقی باتریدار امروزی کمک کند: باتری کششی سنگین و زمان شارژ طولانی.
اینکه کدام مفهوم در آینده غالب خواهد شد، در حال حاضر با قطعیت قابل پیشبینی نیست. با این حال، واضح است که جدا از مفهوم واقعی رانندگی، هیچ تفاوت دیگری بین خودروها وجود ندارد. وجه مشترک همه آنها، قطعات الکترونیکی نصب شده در خودرو برای سیستمهای راحتی و ایمنی است که همچنان بر اساس سیستم الکتریکی ۱۲ ولتی موجود عمل میکنند و توسط یک باتری ۱۲ ولتی پشتیبانی میشوند.
