خودروهای برقی: مروری بر قطعات و فناوری آن‌ها

در سال­‌های اخیر تعداد خودورهای برقی در جاده‌­ها شامل خودروهای برقی باتری­‌دار (BEV)، خودروهای هیبریدی برقی (HEV)، خودروهای برقی پلاگین هیبرید (PHEVs) و خودروهای برقی با سوخت سلولی (FCEV) افزایش یافته است. با توجه به گرایش‌های کنونی، انتظار می­رود این سبْک حمل و نقل درنهایت با خودورهای با موتور احتراق داخلی (ICE) جایگزین شود. در هر قطعه اصلی EV چندین فناوری که یا در حال حاضر استفاده می­‌شوند یا به احتمال در آینده اهمیت پیدا می­‌کنند، با هم درآمیخته می­‌شوند. سیستم‌­های قدرتی، محیطی و دیگر صنایع ممکن است تحت تاثیر نامطلوب خودروهای برقی قرار بگیرند. با نفوذ کافی خودرورهای برقی، سیستم­‌های قدرت کنونی می‌­توانند در معرض بی‌­ثباتی‌­های شدیدی قرار بگیرند. با این وجود، با مدیریت و هماهنگی درست، خودروهای برقی می­‌توانند سهم قابل توجهی در موفقیت مفهوم شبکه هوشمند ایفا کنند. به­ علاوه، خودروهای برقی می‌­توانند به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانه­ای ناشی از حمل و نقل را کاهش دهند. اما، همچنان موانع مهمی بر سر راه خودروهای برقی وجود دارد که باید پیش از اینکه بتوانند به طور کامل خودروهای ICE را جایگزین کنند، بر آنها غلبه کنند. هدف از این مطالعه مرور تمام اطلاعات مرتبط موجود در زمینه معماری خودروهای برقی، منابع انرژی باتری، فرآیندهای شارژ شدن و روش­‌های کنترل است. هدف نهایی، ارائه مرور جامعی از فناوری کنونی خودروی برقی است. در این سر فصل از تیران آکادمی، درباره قطعات خودرو برقی می‌خوانید.

به­ تازگی تقاضا برای خودروهای برقی به دلایل مختلفی افزایش یافته است. عمده‌­ترین نقش آنها، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) است. در سال 2009 مشخص شد که حمل و نقل 25% کل انتشار گازهای گلخانه‌­ای از صنایع مربوط به انرژی را به خود اختصاص می‌­دهد. هرچه استفاده از خودروهای برقی در بخش حمل و نقل افزایش یابد، انتظار می­رود این رقم کمتر ­شود. اگرچه، این تنها دلیل برای احیای این ایده قدیمی و منسوخ به عنوان یک محصول اقتصادی و دردسترس نیست. اتوموبیل‌های قدیمی نیاز به هزینه زیادی برای بنزین دارند، اما یک خوردوری برقی بی­‌صدا که استفاده از آن آسان است اینگونه نیست. این خودروها برای حمل و نقل شهری کاملا مفید هستند، در وضعیت استراحت از انرژی ذخیره­ شده استفاده نمی‌­کنند یا آلودگی نشر نمی­‌دهند. به سرعت راه ­اندازی و متوقف می‌­شوند و در همان شروع حرکت گشتاور کامل ارائه می­‌دهند. همچنین در این خودروها نیاز به گشتن برای پمپ بنزین نیست و نقشی در آلوده‌­تر کردن هوای بسیار کثیف شهر ندارند. این حالت به دلیل وجود گشتاور فوری، برای ماشین­های اسپرت ایده‌­آل است. این خودروها به دلیل اثر اندک مادون قرمز و صدای کم در کابردهای نظامی نیز مفید هستند. بخش برقی این خودرو در دست تغییر و تحول قرار دارد و منابع انرژی تجدیدپذیر در حال افزایش هستند. همچنین شبکه برق نسل بعدی در حال پدید آمدن است که به آن "شبکه هوشمند" گفته می­‌شود. خودروهای برقی به عنوان بخش اصلی در این سیستم قدرت جدید شناخته می‌­شوند که شامل منابع انرژی تجدیدپذیر و سیستم­‌های شبکه ارتقایافته هستند. همه این‌ها باعث شده است تا توجه و توسعه این سبْک حمل و نقل دوباره شعله‌­ور شود. 

بیشتر بخوانید: تاریخچه‌ای مختصر از وسایل نقلیه برقی

تفکر استفاده از موتورهای برقی (EMs) در خودروها بلافاصله پس از اختراع موتور ایجاد شد. در اواخر دهه 1980، 28% کل خودروها شامل خودروهای برقی بودند و اغلب نسبت به خودروهای با موتور احتراق داخلی ICE در اولویت قرار داشتند. با این حال به دلیل هزینه کم بنزین، خودروهای ICE به­ زودی شتاب زیادی گرفتند و بازار را در دست گرفتند و پیشرفت زیادی کردند. اگرچه خودروهای برقی از یاد رفته بودند، اما فرصتی برای رواج دوباره یافتند. در سال 1996، شرکت جنرال موتورز مفهومی به نام EV1 را ارائه داد. چندی بعد، سایر برندهای خودرو مانند فورد، تویوتا و هوندا نیز EVهای خود را عرضه کردند. تویوتا پریوس اولین خودروی هیبریدی برقی بود که به لحاظ تجاری موفق بود. این خودرو در سال 1997 در ژاپن عرضه شد. امروزه، این خودورهای برقی به غیر از تویوتا پریوس که به شکل کاملا تکامل‌­یافته در حال رشد کردن است، تقریبا به طور کامل از بین رفته‌اند. در حال حاضر، شورولت ولت، نیسان لیف و تسلا مدل S پراستفاده­‌ترین خودروهای برقی موجود در بازار هستند. اتوموبیل BYD کنترل شدیدی بر بازار چین دارد.

خودروهای برقی را می­‌توان مجموعه‌­ای از زیرسیستم‌­های بهم پیوسته دانست که با فناوری‌­های مختلفی کار می‌­کنند. اگرچه کار ترکیبی این زیرسیستم‌­ها برای استفاده از خودروی برقی ضروری است، اما این بخش­‌ها اثرات متقابل متغیری دارند. خودروهای برقی را می­‌توان با پیکربندی و گزینه­‌های اندکی ساخت. در بخش 2 به بحث درباره طبقه­‌بندی کلی خودروهای برقی می‌­پردازیم و در بخش 3 انواع پیکربندی‌­ها را شرح می‌دهیم. خودروهای برقی، نیروی خود را به صورت انواع مختلف انرژی ذخیره می‌­کنند. از باتری­‌ها بیشترین استفاده می‌شود، با این وجود برخی از سیستم‌­های ذخیره انرژی (ESS) احتمالی در آینده شامل ابرخازن­، چرخ لنگر و سلول سوختی خواهند بود. بخش 4 به این منابع انرژی اختصاص دارد. این خودروها با ولتاژها و ترکیبات گوناگونی شارژ می‌­شوند که در بخش 5 به آن پرداخته می­‌شود. این الگوریتم‌­های کنترلی در خودروهای برقی نیز نقش حیاتی دارند و در بخش 6 در مورد آنها بحث می­شود. و درنهایت در بخش 7 نتایج این مقاله را ارائه می ­دهیم. عناوین بالا پیش از این در مقالات دیگر و از جنبه­های مختلفی بحث شده­اند. در این مطالعه تلاش شده است اطلاعات مرتبط به طور خلاصه بیان شود و سیستم­‌های روز دنیا نشان داده شوند و همچنین مزایا و معایب فناوری‌­های رقیب و پتانسیل آنها در خودروهای برقی آینده بررسی شود.

بیشتر بخوانید: تاریخچه صنعت خودرو ایران

1. انواع خودروهای برقی

نوع اولیه خودروی برقی تنها با پیش­رانش الکتریکی و با استفاده از باتری­‌ها به عنوان منبع انرژی می‌­توانند حرکت کنند. در این خودروها امکان همکاری با عامل ICE به تناوب وجود دارد. با این وجود می­‌توانند از منابع انرژی متناوب استفاده کنند. به این خودروها، خودروهای هیبریدی برقی (HEV) گفته می‌­شود. انجمن فنی 69 خودروهای برقی جاده­ای (ERV) کمیسیون بین‌­المللی الکتروتکنیک، HEV را به صورت خودرویی با انواع متعدد منابع انرژی، ذخیره یا مبدل­‌ها تعریف می­‌کند که دست کم یکی از آنها از نوع برقی است. با این تعریف می­‌توان ترکیبات زیادی برای خودروهای برقی در نظر گرفت. از این رو متخصصان و عموم مردم اسامی خاصی برای هر ترکیب گذاشته‌­اند. خودروهای شامل یک باتری و یک خازن، خودروی برقی کمک ابرخازنی نامیده می­شوند. خودروهای شامل یک باتری و یک سلول سوختی، FCEV نام دارند. خودروهای برقی براساس این تفاوت­‌ها به چهار گروه تقسیم می‌­شوند.

شکل1: ساختار یک BEV، معکوس­‌کننده، برق DC را به AC تبدیل می­‌کند

2. خودروی برقی باتری‌­دار

خودروهای برقی باتری­‌دار (BEV)، نیرو را منحصرا از طریق باتری­‌ها به پیشرانه منتقل می­‌کنند و کاملا متکی به انرژی ذخیره ­شده هستند. از این رو، برد آنها به ظرفیت خازن بستگی دارد. برد معمول در هر بار شارژ 100 الی 250 کیلومتر است. در حقیقت، متغیرهای زیادی از جمله نوع رانندگی، شرایط جاده­ای، آب و هوا، شکل کلی خودرو، نوع باتری و سن خودرو در طول تاریخ دخیل بوده­ اند. به محض اتمام انرژی، شارژ باتری می­تواند تا 36 ساعت به طول انجامد که بسیار بیشتر از سوخت­گیری یک ماشین ICE معمولی طول می‌­کشد. انواع مختلفی هستند که به زمان بسیار کمتری نیاز دارند، اما هیچکدام قابل مقایسه با زمان سوخت­گیری یک خودرو نیستند.

بیشتر بخوانید: نکات برجسته صنعت خودرو از 1884 تا 1970

این خودروها مزایای ویژه ­ای مانند ساخت ساده، کارکرد آسان و راحت بودن دارند، گاز گلخانه­ ای تولید نمی­‌کنند و بی­‌صدا هستند و برای محیط­ زیست مفید هستند. پیش‌­رانش الکتریکی می‌­تواند بلافاصله گشتاور زیادی حتی در سرعت­‌های کم تولید کند. BEVها با توجه به این مزایا و برد محدودی که دارند، برای حمل و نقل شهری بسیار مناسب هستند. در حال حاضر نیسان لیف و تسلا مدل S و بعضی از خودروهای چینی مانند BYD، پرفروش­ ترین خودروهای برقی باتری­دار هستند. شکل 1 پیکربندی BEVها را نشان می­‌دهد، باتری­‌ها، EMs را به کمک یک مدار مبدل توان تغذیه می‌­کنند و موتورها، چرخ‌­ها را به حرکت درمی‌آورند.

بیشتر بخوانید: شارژر بی‌سیم خودرو برقی: چالش‌ها و پیشرفت‌ها

2. خودروی هیبریدی برقی

HEVها با ترکیبی از یک ICE و یک سیستم انتقال قدرت الکتریکی (PT) حرکت می­کنند. این ترکیب می­‌تواند صورت­های مختلفی داشته باشد که در ادامه در مورد آنها بحث خواهد شد. HEVها در صورتی­‌که به قدرت کمی نیاز داشته باشند، از سیستم پیش­رانش الکتریکی استفاده می‌­کنند. این یک مزیت بزرگ در شرایطی مانند حمل و نقل شهری، کاهش مصرف سوخت در حالت استراحت (هنگام گیر کردن در ترافیک) و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌­ای محسوب می‌­شود. این خودرو درصورت نیاز به سرعت بالاتر، وارد ICE می­شود. این دو پیش‌رانه می‌­توانند برای عملکرد بهتر با یکدیگر نیز همکاری کنند. ماشین­‌های توربوشارژ مانند NSX به طور گسترده از سیستم‌­های قدرت هیبرید برای کاهش تاخیر توربو استفاده می­‌کنند. این حالت فاصله بین تعویض دنده‌­ها را پر می‌­کند و به شتاب ماشین می ­افزاید و منجر به بهبود عملکرد آن می‌­شود. باتری‌­ها را می­‌توان یا به کمک ICE یا ترمز احیاکننده شارژ کرد. درنتیجه، HEVها، اتوموبیل­‌های با موتور احتراق داخلی دارای سیستم پیش­رانش الکتریکی برای بهبود مصرف سوخت هستند. سازندگان اتوموبیل­‌ها به دلیل همین مزایا، طرح­های HEV را به طور گسترده تصویب کرده­‌اند. شکل 2 شار انرژی یک HEV اصلی را نشان می‌­دهد. شکل­‌های (a)2 و (b)2 نشان می­‌دهند که در هنگام راه ­اندازی خودرو، ICE ممکن است از موتور به عنوان یک ژنراتور که برق را در باتری تولید و ذخیره می­‌کند، استفاده کند. از آنجایی­که ICE و موتور الکتریکی (EM) هردو، PT را در حین حرکت به ­کار می‌­اندازند، لذا باید سرعت خودرو را افزایش داد. برای شارژ دوباره باتری با استفاده از ترمز احیاکننده،PT از موتور به عنوان ژنراتور در حال حرکت استفاده می­‌کند. ICEهنگام حرکت با سرعت ثابت، به عنوان یک ژنراتور عمل می‌­کند و برق را برای تغذیه موتور و شارژ کردن باتری­‌ها تولید می­‌کند. با توقف کامل، سیستم برقی خودرو نیز به طور کامل متوقف می­‌شود. مکانیزم­‌های مدیریت انرژی این خودروها در شکل 3 نشان داده شده ­اند. براساس ورودی­‌های راننده، سرعت خودرو، حالت شارژ باتری (SOC) و مصرف سوخت، توان را بین ICE و EM توزیع می­‌کند.

بیشتر بخوانید: با انواع شارژر خودرو برقی آشنا شوید!

شکل 2: جریان برق در HEVها. (a) جریان برق هنگام راه­اندازی و توقف. (b) انتقال توان حین افزایش شتاب، ترمز و حرکت با سرعت ثابت

شکل 3: سیستم مدیریت انرژی HEV

بیشتر بخوانید: با اجزای داخلی باتری خودرو برقی آشنا شوید!

2.3  خودروی برقی پلاگین هیبرید

مفهوم PHEV برای گسترش برد HEV تمام برقی شکل گرفت ]16[-]11[. مجدد از ICE و PT الکتریکی استفاده می­‌شود، اما در PHEVها، موتور الکتریکی محرک اصلی است که نیاز به باتری بزرگ­تری دارد. PHEV ها با برق کار می کنند و زمانی­که شارژ باتری­ها کم باشد از ICE استفاده می­کنند. ICE باتری را شارژ یا تقویت می­کند و برد خودرو را گسترش می­دهد. PHEVها برخلاف HEVها، می­توانند به طور مستقیم از شبکه شارژ شوند و از ترمز احیاکننده بهره ­ببرند. PHEVها به دلیل اینکه اغلب می‌­توانند با برق حرکت ­کنند، اثر کربن کمتری دارند. این خودروها همچنین سوخت کمتری مصرف می‌­کنند که باعث کاهش هزینه­‌ها می‌­شود. در حال حاضر، شورولت ولت و تویوتا پریوس دو نمونه از خودروهای هیبریدی هستند که در بازار موجود هستند.

بیشتر بخوانید: آشنایی با انواع باتری خودروهای برقی

2.4 خودروی برقی با سلول سوختی

FCEV را می‌­توان خودروی با سلول سوختی نیز نامید. این خودروهای برقی به وسیله سلول­‌های سوختی که برق را از طریق واکنش‌های شیمیایی تولید می‌­کنند، حرکت می­‌کنند. FCEVها خودروهای سلول سوختی هیدروژنی هستند، زیرا هیدروژن پرمصرف­‌ترین سوخت در این صنعت به شمار می‌­رود. هیدروژن در مخازن مخصوص با فشار بالا حمل می­‌شود. برای تولید برق، اکسیژن نیز لازم است که از هوای محیط به دست می‌­آید. انرژی به دست آمده از سلول‌­های سوختی به EM منتقل می­‌شود تا چرخ‌­ها را به حرکت درآورد. انرژی مازاد در یک باتری یا ابرخازن ذخیره می‌­شود. از باتری‌­ها در چند نوع FCEV تجاری مانند تویوتا میرای و هوندا کلاریتی استفاده می‌­شود. FCEVها حین تولید برق، آب نیز تولید می­کنند و این آب از طریق لوله­های اگزوز از ماشین خارج می‌­شود. شکل 4 پیکربندی یک FCEV را نشان می­دهد. مزیت این خودروها در مقایسه با هر نوع خودروی برقی دیگر این است که می­توانند بدون انتشار کربن برق تولید کنند. به علاوه، فرآیند پر کردن خودروی FCEV در مقایسه با یک خودروی معمولی در پمپ بنزین زمان بیشتری نمی­ برد. بنابراین، استفاده بسیار گسترده از این خودروها ممکن است به­زودی توصیه شود. با این وجود، کمبود ایستگاه­‌های سوخت هیدروژن، مانع مهمی در استفاده سراسری از این فناوری محسوب می‌­شود. اگرچه حتی در چند سال گذشته، ایستگاه­ های شارژ برای خودروهای برقی یا خودروهای هیبریدی پلاگین رایج نبود. وزارت انرژی ایالت متحده (DOE) مانع دیگری را خاطرنشان می­‌کند. هزینه سلول­های سوختی بیش از 200 دلار در هر کیلووات است که بسیار بیشتر از هزینه ICE که کمتر از 50 دلار در هر کیلووات است، می­‌باشد. نگرانی دیگری که در رابطه با این خودروها وجود دارد، ایمنی درخصوص هیدروژن قابل اشتعال است که احتمال دارد از مخازن به بیرون نشت کند. اگر تمام این موانع برطرف شوند، FCEVها حمل و نقل خودرویی در آینده خواهند بود. زیرا با توجه به مزیت­‌هایی که دارند، از جنبه­‌های مختلفی بهتر از BEVها هستند. در شکل 5 این مقایسه نشان داده شده است. 

بیشتر بخوانید: موقعیت‌یابی در خودروهای خودران؛ رانندگی با دقت بی‌نهایت!

درنتیجه، این شکل دو محدوده را با هم مقایسه می­‌کند (320 کیلومتر برحسب 480 کیلومتر) و معیارهای گوناگونی از جمله وزن، شروع انتشار گازهای گلخانه­‌ای و حجم ذخیره لازم به­ علاوه دیگر پارامترها را در نظر می­‌گیرد. محور افقی نشان­دهنده نسبت ویژگی BEV به FCEV است. تمام این ویژگی­‌ها نشان داده شده­ اند و بنابراین نسبت­‌های بالاتر بیان­گر یک عیب و مشکل هستند. براساس این شکل، BEVها تنها از نظر هزینه سوخت در هر کیلومتر بهتر هستند و به انرژی بادی نیاز دارند. مورد اول همچنان یک عیب عمده در FCEVها قلمداد می‌­شود، زیرا هنوز راهی برای تولید هیدروژن به روشی سازگار با محیط­ زیست، ارزان و پایدار وجود ندارد. همچنین به نظر می­‌رسد زیرساخت‌­های سوخت­رسانی عقب مانده­اند. با این حال تمام این مشکلات به زودی حل خواهند شد. جدول 1 مقایسه بین انواع مختلف خودروهای برای اجزای محرکه، منابع انرژی و محدودیت­‌های آنها را نشان می‌­دهد.

شکل 5: نسبت ویژگی­‌های پیشرفته بین BEV و FCEV در 320کیلومتر (آبی) برحسب 480کیومتر(سبز). با فرض یک ترکیب شبکه استاندارد در فرم US از سال 2010 تا 2020 و اینکه تمام هیدورژن از گاز طبیعی تامین شده است (مقادیر بالای 1 برای FCEV در مقایسه با BEV  نشان­دهنده یک اشکال است)

بیشتر بخوانید: کاربرد یادگیری عمیق در خودروهای متصل

شکل 4: پیکربندی FCEV

جدول 1: تحلیل مقایسه­ای انواع مختلف خودرو

بیشتر بخوانید: آشنایی با خودروهای خودران، از رویا تا واقعیت!