ماشین‌های برقی چگونه کار می‌کنند؟

4 دقیقه مطالعه

ماشین‌های برقی که به عنوان خودروهای برقی باتری‌دار (BEVs) نیز شناخته می‌شوند، به جای سوزاندن بنزین، توسط الکتریسیته ذخیره شده در یک بسته باتری بزرگ داخلی تغذیه می‌شوند. آن‌ها به جای موتور احتراق داخلی، از یک موتور تراکشن الکتریکی برای به حرکت درآوردن چرخ‌ها استفاده می‌کنند. خودرو باید برای شارژ مجدد باتری به شبکه برق متصل شود. در این خودروها لوله اگزوز، باک بنزین یا سیستم تخلیه متعارف وجود ندارد [1].

بخش‌های اصلی یک ماشین برقی و عملکرد آن‌ها

چندین جزء کلیدی برای به حرکت درآوردن یک ماشین برقی با یکدیگر همکاری می‌کنند:

• بسته باتری (Battery pack): انرژی الکتریکی را به شکل انرژی شیمیایی در داخل سلول‌های لیتیوم-یون ذخیره می‌کند. این بسته، توان جریان مستقیم (DC) را به بقیه سیستم می‌رساند و در واقع «باک بنزین» خودرو است [1][2].

• موتور تراکشن الکتریکی (Electric traction motor): انرژی الکتریکی باتری را به حرکت مکانیکی برای چرخاندن چرخ‌ها تبدیل می‌کند. بسیاری از سیستم‌ها همچنین از موتور به عنوان ژنراتور در هنگام ترمزگیری استفاده می‌کنند [1][2].

• اینورتر (الکترونیک قدرت): برق DC باتری را به جریان متناوب (AC) که اکثر موتورها به آن نیاز دارند، تبدیل می‌کند. این قطعه همچنین سرعت و گشتاور موتور را برای شتاب‌گیری نرم کنترل می‌کند [3, 4].

• شارژر داخلی (Onboard charger): جریان متناوب (AC) را از پریز دیوار یا ایستگاه شارژ به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند تا باتری را مجدداً شارژ کند. همچنین دما، ولتاژ، جریان و وضعیت شارژ باتری را برای شارژ ایمن نظارت می‌کند [1].

• سیستم ترمز بازیاب (Regenerative braking system): هنگامی که راننده سرعت را کاهش می‌دهد، موتور به حالت ژنراتور تغییر وضعیت می‌دهد. این سیستم باعث کند شدن ماشین می‌شود و در عین حال انرژی جنبشی خودرو را دوباره به الکتریسیته تبدیل می‌کند که باتری را شارژ می‌نماید. این فرآیند انرژی‌ای را بازیابی می‌کند که در ترمزهای سنتی به صورت گرما هدر می‌رفت [2, 5].

تمام این فرآیند توسط یک سیستم کنترل پیشرفته مدیریت می‌شود که تحویل بهینه توان را تضمین کرده و از باتری محافظت می‌کند [3].

باتری‌های لیتیوم-یون چگونه انرژی را ذخیره می‌کنند و چرا تخریب می‌شوند

باتری‌های لیتیوم-یون انرژی را از طریق واکنش‌های شیمیایی برگشت‌پذیر ذخیره می‌کنند. در هنگام شارژ، یون‌های لیتیوم از طریق یک الکترولیت از الکترود مثبت (کاتد) به الکترود منفی (آند) حرکت می‌کنند. هنگامی که ماشین حرکت می‌کند، یون‌ها در جهت معکوس جریان می‌یابند و الکترون‌هایی را آزاد می‌کنند که جریان الکتریکی لازم برای تغذیه موتور را ایجاد می‌کند [2].

با گذشت زمان، باتری‌ها تخریب می‌شوند زیرا شارژ و دشارژ مکرر باعث ایجاد تغییرات فیزیکی و شیمیایی کوچک در داخل سلول‌ها می‌شود. این تغییرات شامل رشد لایه واسط الکترولیت جامد، از دست رفتن لیتیوم فعال و استرس مکانیکی روی الکترودها است. گرما، شارژ سریع و وضعیت‌های شارژ بسیار بالا یا پایین می‌تواند این فرسایش را تسریع کرده و به تدریج ظرفیت و برد باتری را کاهش دهد [2].

سطوح و زمان‌های شارژ

سرعت شارژ به سطح تجهیزات مورد استفاده بستگی دارد:

• سطح ۱ (Level 1) (پریز استاندارد خانگی): کندترین گزینه است که معمولاً در هر ساعت ۳ تا ۵ مایل به برد خودرو اضافه می‌کند. یک شارژ کامل بسته به اندازه باتری می‌تواند ۲۰ تا ۴۰ ساعت طول بکشد.

• سطح ۲ (Level 2) (شارژر ۲۴۰ ولت خانگی یا عمومی): برای شارژ شبانه رایج است. در هر ساعت ۱۰ تا ۶۰ مایل به برد خودرو اضافه می‌کند. اکثر خودروها در ۴ تا ۱۰ ساعت به شارژ کامل می‌رسند.

• شارژ سریع DC (سطح ۳): ایستگاه‌های عمومی با بالاترین توان. می‌توانند در ۲۰ تا ۴۰ دقیقه، ۱۰۰ تا ۲۰۰ مایل شارژ اضافه کنند. برای محافظت از باتری، با نزدیک شدن به شارژ کامل، سرعت شارژ به‌طور خودکار کاهش می‌یابد.

زمان‌های واقعی بسته به اندازه باتری خودرو، دما و توان شارژر متفاوت است. شارژر داخلی و سیستم مدیریت باتری، نرخ ایمن را در هر جلسه شارژ کنترل می‌کنند [1][5].

آیا خودروهای برقی برای محیط زیست بهتر هستند؟

زمانی که کل چرخه عمر — از جمله تولید باتری — در نظر گرفته شود، مطالعات به‌طور کلی نشان می‌دهند که خودروهای برقی در طول عمر خود، گازهای گلخانه‌ای کمتری نسبت به خودروهای بنزینی تولید می‌کنند. تولید باتری نیازمند انرژی و مواد خام است، اما نبودِ آلاینده‌های خروجی از اگزوز و بهبود پاکیزگی شبکه برق، معمولاً منجر به یک سود خالص واضح می‌شود. مزیت دقیق به منبع برق مورد استفاده برای شارژ و نحوه استخراج و بازیافت مواد باتری بستگی دارد [1][5].

خودروهای برقی از طریق باتری‌های بهتر، موتورهای کارآمدتر و افزایش بازیافت به بهبود خود ادامه می‌دهند و آن‌ها را به انتخابی به‌طور فزاینده پایدار برای حمل‌ونقل تبدیل می‌کنند.