یک خودروی برقی چگونه کار می‌کند؟

5 دقیقه مطالعه

یک خودروی برقی توسط یک یا چند موتور الکتریکی رانده می‌شود که انرژی الکتریکی باتری‌ها را به حرکت تبدیل می‌کنند. در مقایسه با موتورهای احتراقی، این موتورها با بازدهی بالا، استهلاک کم و تا حد زیادی بدون صدا کار می‌کنند [1]. انرژی پیشرانه از باتری‌های قابل شارژ، عمدتاً سلول‌های لیتیوم-یونی تأمین می‌شود. یک اینورتر (Inverter)، جریان مستقیم (DC) باتری را به جریان متناوب (AC) برای موتور تبدیل می‌کند. هنگام ترمز گرفتن یا حرکت در سراشیبی، می‌توان انرژی را از طریق بازیابی انرژی (Rekuperation) بازیافت کرد. معمولاً یک گیربکس تک‌سرعته کفایت می‌کند که اغلب با سیستم پیشرانه جلو است [1].

اجزای اصلی یک خودروی برقی

قطعات مرکزی عبارتند از باتری به عنوان ذخیره‌ساز انرژی، موتور الکتریکی، الکترونیک قدرت و سیستم شارژ. باتری که عمدتاً یک باتری لیتیوم-یونی در کف خودرو است، انرژی الکتریکی را بر حسب کیلووات ساعت (kWh) ذخیره می‌کند. موتور الکتریکی این انرژی را به حرکت مکانیکی تبدیل کرده و بلافاصله گشتاور کامل را با بازدهی بالا فراهم می‌کند [1].

اینورتر یا الکترونیک قدرت، جریان مستقیم (DC) باتری را به جریان متناوب (AC) تبدیل کرده و دور موتور و توان را کنترل می‌کند. درگاه شارژ و شارژر داخلی خودرو، شارژ کردن را ممکن می‌سازند، به این صورت که جریان متناوب شبکه برق به جریان مستقیم برای باتری تبدیل می‌شود [4].

تفاوت‌ها با موتور احتراقی

برخلاف موتور احتراقی که انرژی شیمیایی را از طریق احتراق به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند، موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را مستقیماً تبدیل می‌نماید. موتور الکتریکی تنها چند قطعه متحرک مانند روتور و استاتور دارد، در حالی که موتورهای احتراقی به پیستون، میل‌لنگ و بسیاری از اجزای دیگر نیاز دارند [1]. استاتور یک میدان مغناطیسی یکنواخت ایجاد می‌کند و روتور از طریق جریان متناوب، یک میدان مغناطیسی متغیر می‌سازد [3].

موتورهای الکتریکی به بازدهی بالای بیش از ۹۰ درصد دست می‌یابند و حداکثر گشتاور را از اولین دور چرخش ارائه می‌دهند، که این امر نیاز به گیربکس چندسرعته را از بین می‌برد. همچنین، بازیابی انرژی اجازه بازپس‌گیری انرژی را می‌دهد، چیزی که در موتورهای احتراقی امکان‌پذیر نیست [1].

فرآیندهای باتری هنگام شارژ و رانندگی

هنگام شارژ، جریان برق به باتری می‌رود و در این حالت، یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت از کاتد به سمت آنود (عمدتاً گرافیت) حرکت کرده و در آنجا جای می‌گیرند – فرآیندی که اینترکالاسیون (Interkalation) نامیده می‌شود. هنگام رانندگی، این روند معکوس می‌شود: یون‌ها بازمی‌گردند و جریانی از الکترون‌ها ایجاد می‌کنند که موتور را به حرکت در می‌آورد. سلول‌های لیتیوم-یونی ولتاژهای بالای حدود ۳.۶ تا ۳.۷ ولت برای هر سلول و چگالی انرژی بالا بدون اثر حافظه (Memory-Effekt) را فراهم می‌کنند [2].

بازیابی انرژی و نقش آن در برد خودرو

بازیابی انرژی (Rekuperation) به معنای بازپس‌گیری انرژی جنبشی هنگام ترمز گرفتن یا کاهش سرعت است. در این حالت، موتور به عنوان یک ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند که باتری را شارژ می‌نماید. در ترافیک شهری، این قابلیت می‌تواند بازدهی را به طور قابل توجهی افزایش دهد، زیرا ترمزهای مکرر، انرژی‌ای را بازمی‌گرداند که در غیر این صورت به صورت گرما تلف می‌شد [1]. شدت این فرآیند اغلب قابل تنظیم است و حتی می‌تواند به رانندگی تک‌پدالی (One-Pedal-Driving) منجر شود.

عوامل مؤثر بر برد واقعی

برد خودرو به دما، پروفایل رانندگی، سرعت و میزان بار وابسته است. در زمستان یا در سرعت‌های بالای اتوبان، به دلیل مصرف بیشتر برای گرمایش، سرمایش یا مقاومت هوا، برد خودرو به‌طور محسوسی کاهش می‌یابد. مطالعات نشان می‌دهند که بازیابی انرژی (Rekuperation) به‌ویژه در ترافیک شهری کمک‌کننده است، در حالی که سرعت‌های بالای ثابت، این اثر را به حداقل می‌رساند [5].

شارژ با جریان متناوب و جریان مستقیم

در هنگام شارژ با جریان متناوب (AC) از طریق پریز برق یا Wallbox، شارژر داخلی خودرو AC را به DC تبدیل می‌کند – معمولاً با توان ۱۱ یا ۲۲ کیلووات برای زمان‌های شارژ چند ساعته. در شارژ سریع با جریان مستقیم (DC)، تبدیل در ایستگاه شارژ صورت می‌گیرد، به‌طوری‌که توان‌های بالای تا ۳۵۰ کیلووات مستقیماً وارد باتری شده و شارژ را در عرض چند دقیقه انجام می‌دهد. AC برای استفاده روزمره مناسب و ملایم است، در حالی که DC برای سفرهای طولانی سریع‌تر است اما فشار بیشتری به باتری وارد می‌کند [6].

تراز اکولوژیکی با در نظر گرفتن تولید باتری و ترکیب انرژی الکتریکی

تولید باتری به دلیل استخراج مواد خام و تولید انرژی‌بر، باعث ایجاد یک «بار CO₂» (CO₂-Rucksack) می‌شود. با این حال، با ترکیب برق در آلمان، این مقدار پس از چند ده هزار کیلومتر جبران می‌شود، زیرا بهره‌برداری از خودرو نسبت به موتورهای احتراقی، آلایندگی کمتری دارد. این مزیت با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر بیشتر می‌شود. بازیافت و استفاده در چرخه دوم (Second-Life) تراز اکولوژیکی را بیش از پیش بهبود می‌بخشد [5].

طول عمر باتری و بازیافت

باتری‌های لیتیوم-یون در عمل اغلب بسیار بیشتر از ۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر دوام می‌آورند تا اینکه ظرفیت آن‌ها به زیر ۷۰ تا ۸۰ درصد کاهش یابد. تولیدکنندگان معمولاً هشت سال یا ۱۶۰,۰۰۰ کیلومتر ضمانت می‌دهند. پس از آن، بسیاری از باتری‌ها برای چرخه دوم به عنوان ذخیره‌سازهای ثابت مناسب هستند. در پایان، بازیافت صورت می‌گیرد که در آن بیش از ۹۰ درصد فلزاتی مانند کبالت، نیکل و لیتیوم قابل بازیابی هستند. روش‌های مدرن مانند هیدرومتالورژی بازدهی را افزایش می‌دهند و سهمیه‌های قانونی، استفاده از مواد بازیافتی را ترویج می‌کنند [1].

معایب باقی‌مانده و پرسش‌های بی‌پاسخ

با وجود پیشرفت‌ها، چالش‌هایی مانند زیرساخت‌های شارژ، اضطراب مربوط به برد در سرما یا سرعت‌های بالا، هزینه‌های خرید بالاتر و وابستگی به مواد خام باقی مانده است. شبکه برق باید توسعه یابد و جنبه‌های اجتماعی مانند دسترسی برای مستاجرانی که امکان شارژ ندارند، همچنان بی‌پاسخ است. از نظر فنی، هنوز باتری‌های حالت جامد (Solid-state) برای تراکم‌های بالاتر و زمان‌های شارژ سریع‌تر در سطح تولید انبوه موجود نیستند. با این حال، این فناوری مزایای آشکاری در بهره‌وری و کاهش آلایندگی ارائه می‌دهد [1].

به طور خلاصه، تبدیل مستقیم و بهینه انرژی در یک خودروی برقی متقاعدکننده است. با توسعه روزافزون باتری‌ها، زیرساخت‌ها و بازیافت، این فناوری به یک راهکار جابجایی به‌طور فزاینده پایدار تبدیل خواهد شد.