خودروی الکتریکی : معرفی اصطلاحات و پارامترها

مقدمه

همانند هر زمینه صنعتی دیگر، صنعت خودروی الکتریکی نیز دارای فرهنگ واژگان ویژه خود است. اما به جهت نوپا بودن این صنعت در ایران و به عنوان یک شرکت تخصصی در زمینه خودروهای برقی، وظیفه خود می‌دانیم که در یک مطلب کامل به معرفی اصطلاحات متداول خودروهای برقی بپردازیم.

اصطلاحات و پارامترهای باتری خودروی الکتریکی

ظرفیت باتری خودروی الکتریکی

متأسفانه آنچه از «ظرفیت باتری» بین عموم جا افتاده، اشاره به هر دو مفهوم «مقدار انرژی ذخیره باتری» و همچنین «مقدار بار الکتریکی ذخیره باتری» دارد. در حالی که این دو پارامتر تعریفی کاملاً جدا دارند که به آنها می‌پردازیم :

بار الکتریکی

ظرفیت با این مفهوم به مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در باتری اشاره دارد. واحد ظرفیت در سیستم استاندارد بین‌المللی واحدها (SI) کولن است. اما در کاربردهای روزمره برای باتری‌های کوچک مانند باتری گوشی موبایل از واحد میلی‌آمپر-ساعت (mAh) و برای باتری‌های متوسط و بزرگ مانند باتری خودروهای الکتریکی، خودروهای بنزینی و UPS از واحد آمپر-ساعت (Ah) استفاده می‌گردد. این واحد نشان می‌دهد که از نظر تئوری، باتری در مدت زمان یک ساعت قادر به تأمین چه مقدار جریان الکتریکی بر حسب میلی‌آمپر یا آمپر است. بنابراین هنگام بکاربردن ظرفیت با این مفهوم، تأکید روی میزان جریان‌دهی باتری است.

انرژی

در مورد خودروهای الکتریکی که از مجموعه باتری بزرگی برخوردارند، برای ظرفیت از واحد کیلووات-ساعت استفاده می‌شود که واحد انرژیست. به عنوان مثال از نظر تئوری، باتری خودرو با ظرفیت 100 کیلووات-ساعت قادر به تأمین توان 1 کیلووات به مدت 100 ساعت یا 100 کیلووات به مدت 1 ساعت است. گرچه در عمل محاسبه میزان انرژی قابل دریافت از یک باتری به این سادگی نیست و عوامل محدودکننده زیادی همانند وضعیت شارژ باتری، جریان خروجی باتری و دما بر ظرفیت واقعی باتری تأثیر گذاشته و از مقدار تئوری آن می‌کاهند.

لازم به ذکر است که واحد انرژی در سیستم SI ژول است و هر کیلووات-ساعت معادل 3600000 ژول یا 3/6 مگاژول می‌باشد.

چگالی انرژی

این پارامتر نشاندهنده میزان انرژی ذخیره شده به ازای واحد جرم یا حجم باتریست که به ترتیب با کیلووات-ساعت بر کیلوگرم (kWh/kg) یا کیلووات-ساعت بر لیتر (kWh/l) اندازه‌گیری می‌شود. هر چه چگالی جرمی انرژی باتری یک خودرو بیشتر باشد، در واحد جرم انرژی بیشتری را ذخیره می‌کند. این بدان مفهوم است که به ازای وزن مساوی باتری، خودروی دارای باتری با چگالی انرژی بالاتر با یکبار شارژ مسافت بیشتری را طی می‌کند.

گفتنی است که یکی از چالش‌های سازندگان باتری یا به عبارت بهتر لبه تکنولوژی طراحی و ساخت باتری، همین افزایش چگالی انرژی باتری و نزدیک نمودن آن به چگالی جرمی سوخت‌های فسیلی مانند بنزین و گازوییل می‌باشد.

در جدول 1 افزایش چگالی انرژی باتری خودروهای برقی را به مرور زمان و با پیشرفت تکنولوژی ساخت باتری می‌بینید :

جدول 1 – تکامل چگالی انرژی باتری لیتیوم-یون خودروهای برقی به مرور زمان

نرخ تخلیه باتری

یکی از مهمترین پارامترهای تأثیرگذار بر سلامت باتری، «نرخ تخلیه باتری» (C-Rate) است. این پارامتر نشاندهنده سرعت دشارژ باتری بر حسب ظرفیت باتریست.

به عنوان مثال، اگر ظرفیت باتری 100 آمپر-ساعت باشد و جریان 100 آمپر از آن بکشیم، نرخ تخلیه 1C خواهد بود. حال اگر میزان جریان‌گیری 50 آمپر باشد، نرخ تخلیه 0/5C خواهد بود.

وضعیت شارژ

میزان انرژی باقیمانده از باتری را نشان می‌دهد که اصطلاحاً به آن «شارژ باقیمانده باتری» یا «درصد شارژ باتری» (State of Charge یا SOC) نیز می‌گویند. اصلی‌ترین روش اندازه‌گیری وضعیت شارژ، انداژه‌گیری ولتاژ باتریست. زیرا در حین استفاده از باتری و تخلیه انرژی آن، ولتاژ باتری نیز به تدریج افت می‌کند.

در شکل 1 منحنی ولتاژ بر حسب وضعیت شارژ باتری لیتیوم-یون نوع NMC را مشاهده می‌کنید. در این نوع باتری، ولتاژ در وضعیت شارژ کامل (Fully Charged) یا همان شارژ %100 برابر 4/2 ولت و در وضعیت شارژ %60 برابر 3/5 ولت است.

شکل 1 – منحنی ولتاژ بر حسب وضعیت شارژ باتری لیتیوم-یون نوع NMC

وضعیت سلامت باتری خودروی الکتریکی

به درصد باقیمانده از ظرفیت بعد از استفاده طولانی از باتری، «وضعیت سلامت» (State of Health یا SOH) گفته می‌شود. به عنوان مثال، وضعیت سلامت یک باتری 50 کیلووات-ساعت در وضعیت استفاده نشده %100 است. اما اگر بعد از مدتی استفاده ظرفیت آن به 45 کیلووات ساعت برسد، SOH آن %90 خواهد بود.

بر خلاف تصور عموم، وضعیت سلامت باتری تابع زمان نیست. بلکه تابع میزان استفاده از باتریست. جهت روشن نمودن موضوع به تعریف پارامتر بسیار مهم دیگری از باتری یعنی «سیکل شارژ» می‌پردازیم.

سیکل شارژ باتری خودروی الکتریکی

تعریف

طبق تعریف، یک «سیکل شارژ» (Charge Cycle) باتری خودروی الکتریکی زمانی کامل می‌شود که جمع میزان دشارژ باتری به %100 برسد. به این مثال توجه کنید :

اگر درصد شارژ باتری یک خودرو در پایان روز نخست از %100 به %40 برسد و راننده از شب تا صبح دوباره آن را تا %100 شارژ کامل کند و سپس در روز دوم از %100 تا %50 از آن استفاده کند و در شب دوم تا %80 باتری را شارژ کند و در روز سوم استفاده باتری خودرو را %10 دشارژ کند و در انتهای روز سوم تا %75 باتری را شارژ کند، با وجود گذشت زمان 3 روز و 3 بار شارژ باتری، فقط 1 سیکل شارژ کامل طی شده است. زیرا جمع میزان دشارژ باتری در پایان روز سوم به %100 رسیده است :

100% = 10% + 50% + 40%

لازم به ذکر است که در محاسبه تعداد سیکل شارژ، فقط جمع میزان دشارژ مهم است و جمع مقادیر شارژ در این محاسبه بی‌تأثیر می‌باشد.

ارتباط سیکل شارژ با وضعیت سلامت باتری

شکل 2 منحنی وضعیت سلامت (SOH) یک باتری لیتیوم-یون نوع اکسید کبالت-لیتیوم (LiCoO2) با ظرفیت نامی 1/1 آمپر-ساعت را بر حسب تعداد سیکل شارژ نشان می‌دهد :

شکل 2 – منحنی وضعیت سلامت (SOH) یک باتری لیتیوم-یون نوع اکسید کبالت-لیتیوم بر حسب تعداد سیکل شارژ

این شکل چند نکته قابل ملاحظه را نشان می‌دهد :

1. تا 500 سیکل شارژ افت ظرفیت باتری ناچیز و در حدود %10 است.
2. از 500 تا 800 سیکل شارژ افت ظرفیت باتری شدت گرفته و در 800 سیکل به حدود %35 می‌رسد.
3. با افزایش تعداد سیکل شارژ و شیفت منحنی‌های دشارژ به سمت چپ، به ازای ولتاژ مساوی ظرفیت باقیمانده باتری (SOC) متفاوت خواهد بود. بنابراین برای اندازه‌گیری وضعیت شارژ، اندازه‌گیری ولتاژ به تنهایی کافی نیست و میزان استفاده از باتری نیز مهم است.
4. با افزایش تعداد سیکل شارژ و شیفت منحنی‌های شارژ به سمت راست، شارژ باتری در زمان کوتاهتری اتفاق می‌افتد. زیرا ظرفیت باتری کاهش یافته و شارژر ولتاژ باتری را در مدت کوتاهتری به ولتاژ نامی (4/2 ولت در این مثال) می‌رساند.

لازم به ذکر است که منحنی فوق مربوط به عمق تخلیه %80 است که در کاربردهای روزمره و عادی، مقدار بالایی محسوب می‌گردد. در شرایط عملی، متوسط عمق تخلیه پایین‌تر است و افت ظرفیت باتری لیتیوم-یون نوع اکسید کبالت-لیتیوم بعد از 800 سیکل شارژ حدود %20 است.

ارتباط بین ساختار شیمیایی باتری و افت ظرفیت

شکل 3 نیز منحنی‌های وضعیت سلامت (SOH) باتری خودروی الکتریکی با کاتدهای مختلف را بر حسب تعداد سیکل شارژ و عمق تخلیه (DOD) می‌بینید. لازم به ذکر است که منحنی‌های توپر مربوط به عمق تخلیه %100 و منحنی‌های خط‌چین مربوط به عمق تخلیه %20 است :

شکل 3 – منحنی‌های وضعیت سلامت باتری خودروی الکتریکی بر حسب تعداد سیکل شارژ و عمق تخلیه DOD (برای منحنی‌های خط‌چین، ضریب 5 برای محور افقی بکار برده شود)

شکل 3 نیز دارای چند نکته حایز اهمیت است :

1. مقیاس محور افقی برای هم‌وزن سازی شرایط دو عمق تخلیه %20 و %100 نیاز به ضریب 5 دارد.به عنوان مثال منحنی توپر قرمزرنگ را درنظر بگیرید که وضعیت سلامت (SOH) باتری خودروی الکتریکی با کاتد اکسید کبالت (LCO) را نشان می‌دهد. با عمق تخلیه %100 بعد از 450 سیکل، SOH این باتری از %100 به %80 می‌رسد که به مفهوم %20 افت ظرفیت در این شرایط است. اما با اعمال ضریب هموزن‌سازی 5 برای منحنی خط‌چین قرمزرنگ، SOH همین باتری بعد از 750 سیکل شارژ به %80 می‌رسد.
2. بین تمام انواع باتری خودروی الکتریکی، باتری لیتیوم-یون با کاتد فسفات آهن (LFP) کمترین میزان افت وضعیت سلامت و در نتیجه بیشترین عمر مفید را دارد.
3. شیب افت SOH بری باتری نوع اکسید منگنز (LMO) تا 200 سیکل شارژ بسیار ملایم‌تر از انواع دیگر باتری لیتیوم-بون می‌باشد.
4. روند افت ظرفیت برای باتری‌های نوع LFP و NMC بین سیکل 200 تا 400 معکوس می‌گردد. یعنی این دو نوع باتری در این فاصله نه تنها افت ظرفیت ندارند، بلکه به مقدار جزیی افزایش ظرفیت نیز دارند.

عمق دشارژ یا تخلیه (DOD)

این پارامتر میزان تخلیه باتری را نشان می‌دهد و مکمل وضعیت شارژ است. به این معنی که :

DOD = 1 – SOC

به عنوان مثال اگر SOC با وضعیت شارژ یک باتری %40 باشد، DOD یا عمق دشارژ یا عمق تخلیه این باتری %60 خواهد بود.

اهمیت عمق دشارژ به جهت تأثیر آن بر عمر مفید باتریست و توصیه می‌شود که اجازه ندهید عمق دشارژ باتری خودروی برقی بیش از %20 گردد. یعنی به جز موارد اضطراری که چاره‌ای جز استفاده از باتری بیش از مقدار مذکور نیست، به محض رسیدن شارژ باتری خودرو به %20 اقدام به آن شارژ آن نمایید. البته در بعضی منابع برای رعایت جانب احتیاط بیشتر، حداکثر DOD جهت افزایش عمر مفید یاتری خودرو %30 ذکر شده است.

ذخیره نهایی باتری (Buffer)

به دلایل زیر سازندگان باتری توسط سیستم مدیریت BMS دو حد بالا و پایین شارژ باتری را محدود می‌نمایند :

1. تخلیه بیش از حد (Over-Discharging) به ترکیبات شیمیایی باتری خودروی برقی آسیب دایمی وارد کرده و از ظرفیت نامی آن می‌کاهد.
2. شارژ بیش از حد (Overcharging) باتری احتمال بروز پدیده «فرار گرمایی» (Thermal Runaway) را در پی دارد که در آن، واکنش شیمیایی گرمازای درون باتری منجر به افزایش و گذر دما از آستانه‌ای می‌گردد که گرمای تولیدی خود به سرعت واکنش می‌افزاید و این اثر به صورت بازخورد (Feedback) مثبت واکنش را غیرقابل کنترل نموده و ممکن است به آتش‌سوزی یا انفجار منتهی شود.
3. منحنی عملکرد باتری به شدت غیرخطی است. به این معنی که بیشینه جریان‌گیری و در نتیجه عملکرد بهینه باتری در محدوه خاصی از وضعیت شارژ (SOC) اتفاق می‌افتد.

به دلایل فوق، همیشه ظرفیت واقعی باتری به مقداری کمتر از از ظرفیت نامی آن محدود می‌گردد که تعاریف زیر بیانگر این موضوع هستند :

ظرفیت نامی یا ناخالص باتری

از نظر تئوری به کل ظرفیت باتری که در محدوده وضعیت شارژ %0 تا %100 وجود دارد، «ظرفیت نامی» (Nominal Capacity) یا «ظرفیت ناخالص» (Gross Capacity) می‌گویند.

ظرفیت واقعی یا خالص باتری

در عمل به دلایل فوق، سیستم مدیریت باتری اجازه شارژ یا تخلیه بیش از حد باتری را نمی‌دهد و شارژ و دشارژ باتری را به بازه‌ای کمتر از %100 ظرفیت نامی محدود می‌کند. در شکل 4 ملاحظه می‌کنید که %4 از حد پایین ظرفیت به «بافر پایین» (Bottom Buffer که به Brick Buffer نیز معروف است) اختصاص دارد. همچنین، %2 از حد بالایی ظرفیت باتری خودروی الکتریکی به «بافر بالا» (Top Buffer) تعلق دارد. این بدان معناست که در عمل راننده با رسیدن شارژ باتری به نزدیک %4، هشدار اتمام کامل باتری را دریافت می‌کند. در طرف مقابل حین شارژ باتری توسط شارژر با رسیدن وضعیت شارژ به %98، سیستم BMS به شارژر سیگنال فرمان قطع شارژ را ارسال می‌کند و پروسه شارژ را خاتمه می‌دهد.

بنابراین %6 از ظرفیت نامی باتری به دو بافر بالا و پایین تعلق داشته و قابل استفاده نیست و ظرفیت خالص یا عملی باتری، %94 ظرفیت ناخالص یا نامی باتریست.

شکل 4 – محدوده بافر یا دخیره باتری لیتیوم-یون جهت حفاظت آن در برابر شارژ و تخلیه بیش از حد

راندمان کولنی

«راندمان کولنی» یا «بازده کولتی» (Coulombic Efficiency یا CE) که به «راندمان فارادی» (Faradaic Efficiency یا FE یا Faradaic Yield یا FY) نیز معروف است، به نسبت بین ظرفیت جریانی تحویلی به بار به ظرفیت جریانی دریافتی از شارژر در یک سیکل شارژ باتری می‌گویند.

به عنوان مثال اگر می‌گوییم راندمان کولنی باتری لیتیوم-یون %99 است، یعنی به ازای 100 آمپر-ساعت که باتری از شارژر تحویل می‌گیرد، 99 آمپر-ساعت به بار تحویل می‌دهد.

دلایل افت ظرفیت خروجی باتری نسبت به ظرفیت ورودی آن عبارتند از :

1. فرسایش ترکیبات شیمیایی درون باتری
2. مقاومت داخلی باتری
3. نرخ شارژ و دشارژ متفاوت
4. تفاوت دمای باتری هنگام شارژ و دشارژ

اصطلاحات و پارامترهای شارژ خودروی الکتریکی

شارژر

تمامی اصطلاحات و پارامترهای شارژر خودروی الکتریکی شامل موارد زیر را در این مطلب به تفصیل توضیح داده‌ایم :

• معرفی و تفاوت شارژرهای سطح 1 و 2 و 3
• شارژرهای AC و DC
• شارژرهای ثابت، پرتابل
• ایستگاه‌های شارژ سریع
• شارژرهای تک‌فاز و سه فاز
• شارژرهای خانگی

کانکتور شارژ

کلیه اصطلاحات کانکتور شارژ خودروی برقی شامل موارد زیر را در این مطلب کاملاً توضیح داده‌ایم :

• انواع کانکتور Type 1، Type 2، GB/T، CCS1، CCS2، CHAdeMO و NACS
• انواع آداپتور کانکتور خودروی الکتریکی
• استانداردها و پروتکلهای ارتباطی شارژر با سیستم مدیریت باتری (BMS)

اصطلاحات و پارامترهای موتور خودروی الکتریکی

در مقابل خودروهای رایج دارای موتور احتراق داخلی (Internal Combustion Engine یا ICE) مانند خودروهای بنزینی و گازوییلی یا گازسوز، خودروهای برقی دارای یک یا چند موتور الکتریکی هستند. موتور الکتریکی در حقیقت بخشی از زنجیره قوای محرکه خودروی برقیست که انرژی الکتریکی باتری را به انرژی حرکتی تبدیل می‌کند و از طریق چرخ‌ها، خودروی برقی را به حرکت در می‌آورد.

لازم به ذکر است که بر خلاف تصور عمومی، خودروهای الکتریکی به خاطر داشتن باتری از موتور جریان مستقیم (DC) استفاده نمی‌کنند. بلکه در تمامی خودروهای برقی امروزی از موتور سه فاز جریان متناوب استفاده می‌شود. علت این امر امکان کنترل دقیقتر روی سرعت و گشتاور و همچنین راندمان بالاتر موتور سه فاز AC نسبت به موتور DC می‌باشد.

در شکل 5 از چپ به راست چیدمان قوای محرکه خودروهای الکتریکی شامل اجزای زیر را می‌بینید :

• محفظه دربرگیرنده موتور الکتریکی و اینورتر
• روتور موتور الکتریکی
• استاتور موتور الکتریکی
• جذب‌کننده حرارت (Heat Sink)
• گیربکس
• محفظه گیربکس

شکل 5 – چیدمان اجزای قوای محرکه خودروی برقی

اینورتر

در یک خودروی الکتریکی، «اینورتر» مبدل ولتاژ و جریان مستقیم (DC) مجموعه باتری به ولتاژ و جریان متناوب (AC) با فرکانس مناسب برای موتورهای الکتریکی است. در حقیقت وظیفه اصلی اینورتر، کنترل سرعت دوران موتور یا موتورهای الکتریکی خودروی برقی است که به کنترل سرعت خودرو می‌انجامد. به این معنی که وقتی شما پدال گاز را در یک خودروی برقی می‌فشارید، فرمان افزایش فرکانس را به اینورتر می‌دهید تا سرعت چرخش موتورهای الکتریکی را افزایش دهد.

موتور سنکرون

واژه «سنکرون» به معنی همزمانی است. در موتورهای الکتریکی نوع سنکرون، سرعت چرخش روتور با سرعت چرخش میدان دوار ناشی از عبور جریان سه‌فاز متناوب از استاتور در حالت پایدار برابر است.

موتور سنکرون با آهن‌ربای دایم

در این نوع موتور که به موتور PMSM (مخفف Permanent Magnet Synchronous Motor) نیز معروف است، از آهن‌رباهای دایم بسیار قوی از جنس آلیاژ نئودیمیوم، آهن و بور (NdFeB) یا ساماریوم و کبالت (SmCo) جهت تولید میدان مغناطیسی روتور استفاده می‌شود. میدان گردان استاتور نیز برآیند 3 بردار میدان مغناطیسی ناشی از سیم‌پیچ‌های 3 فاز است که هر یک از این بردارها از نظر راستا ثابت، ولی از نظر مقدار به صورت سینوسی تابع زمان هستند.

گشتاور موتور سنکرون نیز همانند تمام انواع موتورهای الکتریکی دیگر در نتیجه برهم‌کنش بردارهای میدان‌گردان استانور و روتور ایجاد می‌گردد.

مزایا

• امکان کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتور الکتریکی
• بازدهی بالا

معایب

• هزینه بالا به دلیل نیاز به عناصر شیمیایی کمیاب (Rare-Earth Elements)
• نیاز به کلاچ جداکننده موتور الکتریکی از چرخ‌ها (چون به عنوان مثال وقتی راننده در یک جاده مسطح نیازی به افزایش سرعت ندارد و پایش را از روی پدال گاز برمی‌دارد که منجر به قطع جریان استاتور می‌گردد، در صورت اتصال مستقیم روتور به چرخ‌ها، روتور به دوران خود ادامه می‌دهد. اما با تغییر مد کارکرد موتور به ژنراتور الکتریکی، ژنراتور شروع به شارژ باتری‌ها می‌کند که البته پدیده خوبیست، اما این امر از سرعت خودرو می‌کاهد که شاید مطلوب راننده نباشد. زیرا تبدیل حالت کاری یک ماشین الکتریکی از موتور به ژنراتور به دلیل نیروی ضدمحرکه مغناطیسی ناشی از جریان القایی در استاتور، یک گشتاور منفی ایجاد می‌کند که شروع به کاهش سرعت روتور می‌نماید. برای پیشگیری از این پدیده در حالتی که کاهش سرعت مطلوب راننده نیست، یک کلاچ جداکننده محور روتور را از مجموعه فوای محرکه جدا می‌کند.)

در بالای شکل 6 روتور موتور الکتریکی با آهن‌ربای دایم مربوط به خودروی پورشه مدل تایکان و در پایین استاتور آن را مشاهده می‌کنید :

شکل 6 – روتور با آهن‌ربای دایم و استاتور موتور الکتریکی خودروی پورشه مدل تایکان

موتور سنکرون با روتور سیم‌پیچی شده

این نوع موتور سنکرون به WRSM (مخفف Wound-Rotor Synchronous Motor) معروف است و گاه «موتور سنکرون با رینگ لغرشی» (Slip-Ring Synchronous Motor) نیز نامیده می‌شود. روتور این نوع موتور الکتریکی سنکرون به جای آهن‌ربای دایم، دارای سیم‌پیچ است که از طریق جاروبک (Brush) و رینگ لغزشی با جریان مستقیم تغذیه می‌گردد و میدان مغناطیسی گردان روتور را ایجاد می‌کند. به جریان مستقیم تغذیه‌کننده روتور «جریان تحریک» (Excitation Current) می‌گویند. سایر اصول عملکرد موتور سنکرون با روتور سیم‌پیچی شده همانند موتور سنکرون با آهن‌ربای دایم است.

مزایا

• امکان کنترل بسیار دقیق سرعت و گشتاور به دلیل قابلیت تنظیم فرکانس جریان سه‌فاز استاتور و همچنین مقدار جریان مستقیم تحریک روتور
• راندمان بالا
• هزینه تولید پایین‌تر نسبت به روتور با آهن‌ربای دایم به دلیل عدم نیاز به عناصر کمیاب

معایب

• پیچیدگی بیشتر و قیمت بالاتر نسبت به روتور با آهن‌ربای دایم به دلیل وجود جاروبک‌ها و رینگ‌های لغزشی
• نیاز به بازدیدهای دوره‌ای و تعمیرات به دلیل وجود جاروبک‌ها و رینگ‌های لغزشی

شکل 7 یک موتور سنکرون با روتور سیم‌پیچی شده را نشان می‌دهد :

شکل 7 – موتور سنکرون با روتور سیم‌پیچی شده

موتور القایی

در «موتور القایی» (Induction Motor) که به «موتور آسنکرون» (Asynchronous Motor) نیز معروف است، روتور به تنهایی دارای میدان مغناطیسی مستقل همانند موتور سنکرون نیست. بلکه میدان گردان استاتور سبب القای جریان در سیم‌پیچ روتور و ایجاد میدان گردان روتور می‌گردد. به دلیل وجود تفاوت سرعت بین میدان گردان استاتور و روتور، به آن موتور آسنکرون می‌گویند. در خودروهای برقی، دو نوع موتور القایی مورد استفاده قرار می‌گیرد :

موتور القایی نوع قفس سنجابی

در این نوع موتور القایی، یک سری هادی مسی یا آلومینیومی به شکل  شمش داخل شیارهای روتور قرار گرفته‌اند که از طرفین توسط رینگ‌های انتهایی اتصال کوتاه شده‌اند. به سبب شباهت این ساختار به قفس سنجاب، به آن «موتور القایی قفس سنجابی» (Squirrel Cage Induction Motor) می‌گویند. وقتی میدان مغناطیسی گردان استاتور هادی‌های روتور را قطع می‌کند، ولتاژی را در آنها القاء می‌کند که به سبب اتصال کوتاه بودن، جریان در هادی‌های روتور جاری می‌گردد. این جریان به نوبه خود، میدان گردان روتور را ایجاد می‌کند. همانند موتورهای سنکرون، گشتاور موتور از برهم‌کنش میدان‌های گردان استاتور و روتور بوجود می‌آید.

موتور القایی با روتور سیم‌پیچی شده

روتور این نوع موتور آسنکرون نیز همانند استاتور آن دارای سیم‌پیچ سه فاز با آرایش ستاره یا مثلث می‌باشد که مدار این سیم‌پیچ از طریق جاروبک و رینگ‌های لغزشی و مقاومت متغیر در خارج از روتور بسته می‌شود. وجود مقاومت متغیر نسبت به نوع قفس سنجابی، کنترل سرعت و گشتاور موتور را مقدور می‌سازد.

مزایای موتور القایی نسبت به موتور سنکرون

• هزینه تولید پایین‌تر
• عدم نیاز به سیستم تحریک مستقل

معایب موتور القایی نسبت به موتور سنکرون

• راندمان و ضریب قدرت (Power Factor) پایین‌تر
• عدم امکان کنترل دقیق سرعت و گشتاور در سطح موتور سنکرون
• نیاز به بازدیدهای دوره‌ای و تعویض جاروبک‌ها و رینگ‌های لغزشی (فقط در نوع روتور سیم‌پیچی شده)

در شکل 8 چیدمان قوای محرکه خودروی آئودی مدل Q8 e-tron دارای موتور القایی قفس سنجابی را می‌بینید :

شکل 8 – قوای محرکه خودروی آئودی مدل Q8 E-tron دارای موتور القایی نوع قفس سنجابی

توان موتور

واحد توان در سیستم SI وات است که معادل انجام کار یا صرف انرژی 1 ژول در مدت 1 ثانیه می‌باشد. توان موتور الکتریکی خودروهای برقی را با واحد کیلووات می‌سنجند. جهت مقایسه با توان خودروهای بنزینی و گازوییلی که با واحد اسب‌بخار سنجیده می‌شود، ضریب تبدیل 0/746 را بکار ببرید. به عنوان مثال یک موتور بنزینی 200 اسب‌بخاری معادل یک موتور برقی 149/2 کیلوواتی توان دارد.

لازم به ذکر است که منحنی گشتاور-سرعت و توان-سرعت موتورهای درون‌سوز (مانند بنزینی، گازوییلی یا گازسوز) با موتورهای الکتریکی خودروهای برقی بسیار متفاوت هستند. بنابراین مقایسه این دو حتی در صورت برابری توان‌ها، مقایسه درستی نیست.

تعداد موتورها

امروزه خودروهای برقی به صورت تک موتور (Single-Motor Setup)، دو موتور (Dual-Motor Setup) ، سه موتور (Tri-Motor Setup) و حتی چهار موتور (Quad-Motor Setup) ساخته می‌شوند.

مزایای افزایش تعداد موتورهای خودروی الکتریکی

• امکان کنترل بهتر گشتاور روی اکسل (Axle یا محور) جلو و عقب و حتی کنترل مستقل هر چرخ
• افزایش شتاب و فرمان‌پذیری خودروی برقی و پیشگیری از پدیده‌های بیش‌فرمانی (Over-Steering) و کم‌فرمانی (Under-Steering)
• تسهیل حرکت خودروی برقی در برف و یخ و زمین‌های ناهموار
• امکان دور زدن درجا (مانند تانک) در خودروهای برقی دارای 4 موتور (یک موتور مستقل برای هر چرخ مانند خودروی Rivian مدل R1T)

معایب افزایش تعداد موتورهای خودروی الکتریکی

• افزایش قیمت و وزن خودروی الکتریکی
• افزایش هزینه‌های سرویس دوره‌ای و احتمال خرابی

شکل 9 قوای محرکه خودروی آئودی مدل SQ8 e-tron را نشان می‌دهد که دارای سه موتور به صورت دو موتور برای محور عقب و یک موتور برای محور جلو می‌باشد :

شکل 9 – خودروی آئودی مدل SQ8 e-tron دارای دو موتور برای محور عقب و یک موتور برای محور جلو

سایر اصطلاحات خودروی الکتریکی

برد خودروی الکتریکی

تعریف

طبق تعریف «برد خودروی الکتریکی» (EV Range) به مسافت قابل پیمایش بر حسب کیلومتر با یک بار شارژ کامل باتری می‌گویند. به عنوان مثال اگر باتری خودروی شما %100 پر باشد و بتوانید بدون شارژ مجدد 600 کیلومتر مسافت را تا خالی شدن کامل باتری طی کنید، برد خودروی شما 600 کیلومتر است.

دلایل اهمیت

به دلایل زیر، برد یا رنج یکی از پرکاربردترین، پرچالش‌ترین و بحث‌برانگیزترین مفاهیم در فرهنگ اصطلاحات خودروهای الکتریکی می‌باشد :

1. مالکان فعلی خودروهای بنزینی، گازوییلی و گازسوز کنجکاوند که در صورت تعویض خودروی خود با یک خودروی الکتریکی، با یک بار شارژ چه مقدار مسافت می‌توانند طی کنند و آن را با مسافت قابل پیمایش خودروی فعلی خود با یک بار پرکردن باک سوخت مقایسه می‌کنند.
2. هنوز زیر ساخت‌های لازم برای شارژ خودروهای برقی شامل ایستگاه‌های شارژ عمومی و شارژرهای خانگی به فراوانی جایگاه‌های سوخت‌گیری بنزین، گاز طبیعی و گازوییل نیست. به همین خاطر، مسافت قابل پیمایش از یک شارژر در دسترس تا شارژر بعدی قابل دسترس پارامتر بسیار مهمی است. گرچه این موضوع با سرعت زیادی در حال تغییر است و در آینده نزدیک، شارژ خودروی برقی چه در بیرون از منزل و چه در منزل امری کاملاً عادی و روزمره خواهد شد.
3. معمولاً مقدار اعلامی برای برد یا رنج خودروهای برقی از سوی شرکت‌های سازنده در شرایط عملی قابل دستیابی نیست. دلیل این امر این است که برد اعلامی خودروسازان در شرایط آزمایشگاهی کنترل شده و با باتری کاملاً نو بدست آمده است. ولی در عمل، شرایط محیطی مانند دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین و همچنین سن باتری بر برد استاندارد اعلامی از سوی خودروساز تأثیر منفی می‌گذارند. گرچه این حقیقت در مورد خودروهای بنزینی و گازوییلی نیز صدق می‌کند. یعنی مصرف سوخت خودرو در شرایط روزمره و عملی بر حسب لیتر بر 100 کیلومتر از مقدار اعلامی توسط خودروساز بیشتر است. زیرا شرایط محیطی مانند دما، رطوبت، ارتفاع از سطح دریا و همچنین فرسودگی قطعات خودرو مصرف سوخت را افزایش می‌دهند.

عوامل تأثیرگذار بر برد خودروی الکتریکی

به طور کلی هر عاملی که سبب اتلاف انرژی ذخیره شده در باتری خودروی الکتریکی گردد، برد آن را کاهش خواهد داد. عوامل کاهنده برد خودروهای برقی به شرح زیر هستند :

وزن

هرچه جمع وزن خودرو، سرنشینان و بار بیشتر باشد، نیروی اصطکاک چرخ‌ها با جاده بیشتر و اتلاف انرژی به صورت تولید گرما روی سطح لاستیک‌ها بیشتر می‌شود.

ضریب مقاومت آیرودینامیکی

میزان آیرودینامیک بودن طراحی بدنه با ضریب پسا (Drag Coefficient) شناخته می‌شود. هر چه این ضریب بیشتر باشد، بدنه خودرو هنگام حرکت با نیروی مقاومت بیشتری از طرف هوا روبرو می‌گردد و اتلاف انرژی بیشتری برای غلبه بر مقاومت هوا صورت می‌پذیرد. به علاوه، با کاهش دما چگالی هوا افزایش و نیروی مقاومت هوا نیز افزایش می‌یابد.

اصطکاک غلتشی

ویژگی‌های ساختاری لاستیک چرخ‌ها شامل موارد زیر بر نیروی اصطکاک غلتشی آنها هنگام حرکت روی سطح آسفالت یا سایر سطوج جاده تأثیرگذارند :

• شکل سطح (شکل آج لاستیک)
• فشار باد
• پهنا (عرض)
• جنس

بازده قوای محرکه

تلفات انرژی به صورت گرما یا اصطکاک در مجموعه قوای محرکه شامل باتری، اینورتر، موتور، گیربکس و دیفرانسیل سبب کاهش بازده مجموعه قوای محرکه و در نتیجه کاهش برد خودرو می‌گردد.

شرایط جاده

مسیرهای ناصاف مانند جاده‌های خاکی یا آسفالت با ساختار غیر استاندارد تلفات انرژی به فرم اصطکاک را افزایش می‌دهند. همچنین حرکت در سربالایی نیاز به توان بیشتری نسبت به جاده صاف دارد که مصرف باتری را افزایش و برد خودروی الکتریکی را کاهش می‌دهد. (گرچه مقداری از انرژی اضافی مصرفی برای حرکت در سربالایی، در مسیر برگشت خودرو در سرازیری به صورت شارژ مجدد باتری از طریق «سیستم ترمز بازیاب انرژی» جبران خواهد شد که همین امر، یکی از برتری‌های مطلق و بدون بحث خودروی الکتریکی نسبت به خودروی بنزینی است. زیرا هنگام حرکت در سرازیری، باتری خودروی برقی مقداری شارژ می‌گردد، در حالی که در مورد خودروی بنزینی حتی یک قطره از بنزین اضافی مصرفی در سربالایی، هنگام حرکت در مسیر برگشت در سرپایینی به باک بنزین برنمی‌گردد!)

سرعت

نیروی مقاومت هوا با توان سوم سرعت خودرو رابطه مستقیم دارد. به عنوان مثال نیروی مقاومت هوا در مقابل خودرویی که با سرعت 120 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، 8 برابر خودرویی‌ست که با سرعت 60 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌نماید. پس یکی از راهکارهای افزایش برد خودروی الکتریکی این است که تا حد امکان با سرعت پایین حرکت کنید.

دما

دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین بر واکنش‌های شیمیایی باتری خودروی برقی تأثیر منقی می‌گذارند. به همین دلیل، خودروسازان برای مجموعه باتری هم سیستم خنک‌کننده شامل مایع خنک‌کننده به همراه پمپ گردشی و هم سیستم گرم‌کننده به صورت هیتر برقی نصب می‌کنند تا در صورت نیاز، توسط سیستم مدیریت باتری بکار افتند. اما انرژی مورد نیاز برای کارکرد خود این سیستم‌ها نیز توسط باتری تأمین می‌گردد که از مقدار انرژی مفید باتری برای حرکت و برد خودرو می‌کاهد.

سیستم سرمایش/گرمایش خودرو

سرمایش کابین سرنشینان خودروهای الکتریکی توسط سیستم سرمایش با کمپرسور مبرد انجام که انرژی مورد نیاز آن از باتری تأمین می‌گردد.

بخشی از گرمایش کابین نیز بر عهده سیستم خنک‌کننده مجموعه باترییست. به این صورت که دمای مایع خنک‌کننده باتری ضمن حرکت در مسیر کانال‌های بین مازول‌های باتری با جذب گرمای باتری افزایش می‌یابد. سپس این مایع گرم وارد رادیاتور سیستم خنک‌کننده باتری می‌گردد و در صورتی که سرنشنینان فن بخاری را در داخل کابین روشن کنند، این گرما وارد کابین خودروی الکریکی خواهد شد. در صورتی که مقدار گرمایش ناشی از این طریق قادر به تأمین دمای مطلوب سرنشینان داخل کابین نباشد، هیتر اضافی برقی وارد مدار خواهد شد که باز بر مصرف باتری خواهد افزود.

سبک و عادات رانندگی

رانندگی طولانی‌مدت با سرعت بالا یا شتاب‌گرفتن و ترمزهای شدید نسبت به رانندگی با سرعت متوسط و یکنواخت، انرژی بسیار بیشتری از باتری تلف و به شدت برد خودروی الکتریکی راکاهش می‌دهد.

چراغ‌ها و سایر بارهای الکتریکی

چراغ‌های بیرونی و داخل کابین، برف پاک‌کن و شیشه‌شور، سستم صوتی، پنل‌های نمایشگر، شارژرهای موبایل و به طور کلی هر بار الکتریکی که انرژی خود را از باتری می‌گیرد، بر برد خودروی برقی تأثیر منفی متناسب با توان مصرفی می‌گذارد.

استانداردهای اندازه‌گیری

اندازه‌گیری برد یا رنج خودروهای برقی تحت استانداردهای متفاوتی صورت می‌پذیرد که در ادامه به توضیح آنها می‌پردازیم :

WLTP

نام این استاندارد مخفف Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure به معنی «دستورالعمل هماهنگ جهانی تست وسایط نقلیه سبک» است. این استاندارد توسط «کمیسیون اقتصادی اروپای سازمان ملل متحد» (United Nations Economic Commission for Europe یا UNECE) تدوین شده و در حال حاضر معیار مورد پذیرش برای اندازه‌گیری برد خودرو توسط بسیاری از خودروسازان مطرح دنیا می‌باشد.

همانگونه که در جدول 2 مشاهده می‌کنید، بر پایه استاندارد WLTP اندازه‌گیری برد خودروی الکتریکی در چهار سیکل (چرخه) شهری، حومه شهری، روستایی و بزرگراهی طی زمان 1800 ثانیه (30 دقیقه) و مسافت 23/266 کیلومتر صورت می‌پذیرد :

جدول 2 – مشخصات چرخه‌های مختلف اندازه‌گیری برد خودروهای الکتریکی بر پایه استاندارد WLTP

در طراحی این تست، سعی شده تا سیکل‌های مختلف و شتاب‌گیری و ترمز پی‌در‌پی و مسافت بین دو توقف به شرایط واقعی رانندگی روزمره نزدیک باشد.

لازم به ذکر است که آزمایش توسط دینامومتر (دستگاهی که شرایط متنوع رانندگی را در حالی که خودرو در اتاق تست ساکن است، از طریق غلتک‌ها و سایر تجهیزات مرتبط شبیه‌سازی می‌نماید) در دمای 23 درجه سانتیگراد انجام می‌گیرد و در طول آن، کلیه بارهای الکتریکی اضافی مانند چراغ‌ها، سیستم تهویه و غیره خاموش هستند.

البته همین امر یعنی تثبیت دمای آزمایش در یک مقدار بسیار مناسب برای باتری و همچنین خاموش بودن تمامی تجهیزات الکتریکی خودرو، سبب فاصله گرفتن برد بدست آمده از آزمایش WLTP با شرایط واقعی رانندگی در دماهای مختلف ضمن روشن بودن تجهیزات برقی خودروی الکتریکی می‌گردد.

EPA

رویه این تست را «آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا» (Environmental Protection Agency یا EPA) تدوین نموده است. خودروسازان حق انتخاب بین انجام تست 2 سیکلی یا 5 سیکلی به شرح زیر را دارند :

تست دو سیکلی

این تست شامل دو سیکل زیر است :

1. سیکل «برنامه رانندگی دینامومتر شهری» (Urban Dynamometer Driving Schedule یا UDDS) که شامل توقف و حرکت‎‌های پیاپی با ترمزگیری زیاد است.
2. «تست مصرف سوخت بزرگراهی» (Highway Fuel Economy Test یا HWFET) که شامل حرکت بدون توقف با سرعت ثابت است.

جدول 3 روند اجرای تست 2 سیکلی EPA را نشان می‌دهد :

جدول 3 – روند تست 2 سیکلی EPA برای محاسبه برد خودروهای برقی

این تست با شارژ کامل باتری خودرو شروع می‌شود. سپس یک شب باتری در حالت بدون استفاده مانده (شبیه شرایط شارژ در خانه) و روز بعد با ترکیب %55 برای سیکل HWFET و %45 برای سیکل UDDS تا تخلیه کامل باتری ادامه می‌یابد. در پایان، مسافت در ضریب تصحیح 0/7 جهت لحاظ نمودن شرایط واقعی رانندگی شامل تغییرات دما، شرایط جاده و سبک رانندگی ضرب می‌شود. به عنوان مثال اگر برد روی دینامومتر 800 کیلومتر باشد، مقدار برد نهایی با لحاظ ضریب تصحیح 560 کیلومتر اعلام می‌گردد.

بعد از پایان تست فوق باتری مجدداً به صورت کامل شارژ می‌شود. سپس از روی میزان انرژی دریافتی باتری از شارژر و همچنین مسافت‌های طی شده در سیکل شهری و بزرگراه، مصرف انرژی خودروی الکتریکی بر حسب کیلووات-ساعت بر 100 کیلومتر (kWh/100km) محاسبه و به عنوان میزان مصرف انرژی در کنار سایر مشخصات فنی خودرو اعلام می‌گردد.

تست پنج سیکلی

در این رویه آزمایش علاوه بر دو تست فوق، سه تست زیر نیز انجام می‌پذیرد :

1. سیکل US06 که شرایط رانندگی در بزرگراه و جاده‌های روستایی با سرعت بالا و تعداد توقف‌های زیاد را شبیه‌سازی می‌کند.
2. سیکل SC03 که شرایط رانندگی در هوای گرم ضمن روشن بودن کولر خودرو را شبیه‌سازی می‌نماید.
3. سیکل رانندگی در سرما که به جای دمای نرمال 24 درجه سانتیگراد، در دمای 7- درجه سانتیگراد انجام می‌پذیرد.

نتایج سه تست فوق ضرایب تصحیح‌کننده‌ای بدست می‌دهند که نتایج تست دو سیکلی را به شرایط واقعی رانندگی روزمره نزدیک‌تر می‌کنند.

لازم به ذکر است که مقدار برد بدست آمده از تست 5 سیکلی EPA به خاطر لحاظ نمودن شرایط واقعی‌تر رانندگی روزمره، معیاری دقیقتر از مقدار برد خودروی الکتریکی بر پایه استاندارد WLTP بدست می‌دهد.

شکل 10 خودروی برقی بی‌ام‌و مدل i7 را در آزمایشگاه روی دستگاه دینامومتر در حال تست برد بر پایه استاندارد EPA نشان می‌دهد :

شکل 10 – تست برد خودروی الکتریکی بی‌ام‌و مدل i7 بر پایه استاندارد EPA روی دینامومتر در آزمایشگاه

CLTC

«مرکز تحقیقات و فناوری خودروی چین» (China Automotive Technology & Research Center یا CATARC) استاندارد «چرخه آزمایش وسایط نقلیه سبک چین» یا  CLTC (مخفف China Light-Duty Vehicle Test Cycle) را مدون و آن را جایگزین استاندارد قدیمی NEDC نموده است. جهت تدوین این استاندارد، داده‌های بیش از 5000 خودروی برقی در مدت بیش از 3 سال ثبت شد تا به سبک و عادات رانندگی مردم چین تا حد امکان نزدیک و شرایط واقعی رانندگی در این کشور را شبیه‌سازی کند.

چرخه این تست شامل 11 سفر کوتاه (7 سفر با سرعت کم، 3 سفر با سرعت متوسط و 1 سفر با سرعت زیاد) و 12 توقف میانی در زمان کلی 30 دقیقه است. در جدول 4 جزییات این تست را مشاهده می‌کنید :

جدول 4 – چرخه‌های استاندارد CLTC برای اندازه‌گیری برد خودروهای برقی

این تست را نیز مانند تست‌های قبل در آزمایشگاه در شرایط دما، رطوبت و جریان هوای تحت کنترل  روی دستگاه دینامومتر انجام می‌دهند. به این صورت که ابتدا باتری خودروی برقی را کاملاً شارژ می‌کنند و اجازه می‌دهند که در طول شب، باتری بدون استفاده بماند تا تداعی‌گر شرایط شارژ در خانه باشد. سپس روز بعد چرخه‌های تست را به ترتیب فوق تا زمانی ادامه می‌دهند که باتری کاملاً خالی شود یا باتری نتواند سرعت خودرو را به 40 کیلومتر بر ساعت برساند. در این وضعیت، جمع مسافت در سیکل‌های مختلف این شبیه‌سازی، برد اولیه و خام خودروی برقی تحت تست را بدست می‌دهد. در پایان با اعمال ضرایب تصحیح‌کننده برای تأثیر دما و شرایط جاده، برد خودروی الکتریکی محاسبه و در مشخصات فنی آن اعلام می‌گردد.

NEDC

استاندارد «چرخه رانندگی اروپایی جدید» (New European Driving Cycle یا NEDC) به دلیل قدیمی‌بودن و فاصله داشتن با شرایط خودروهای برقی امروزی منسوخ می‌باشد.

تفکیک جغرافیایی استانداردهای انداز‌ه‌گیری برد خودروی الکتریکی

خودروسازان اروپایی معمولاً برد خودروی الکتریکی را بر پایه استاندارد WLTP و خودروسازان آمریکایی بر پایه استاندارد EPA اعلام می‌نمایند. اما خودروسازان چینی برد خودروهای برقی تولیدی خود را بر پایه استاندارد CLTC اعلام می‌کنند.

مقایسه استانداردهای اندازه‌گیری برد خودروی الکتریکی

جدول 5 نشان می‌دهد که استانداردهای مختلف، مقادیر بسیار متفاوتی برای مسافت قابل پیمایش با یک بار شارژ یا همان برد خودروی الکتریکی بدست می‌دهند که دلیل این امر، دستورالعمل‌های بسیار متفاوت برای انجام سیکل‌های آزمایش این سه استاندارد مختلف است :

جدول 5 – مقایسه برد خودروهای برقی بر پایه استانداردهای مختلف

به عنوان مثال، برد خودروی الکتریکی ولوو مدل EX30 Performance بر پایه استاندارد EPA برابر 425 کیلومتر، بر پایه استاندارد WLTP برابر 460 کیلومتر و بر پایه استاندارد CLTC برابر 540 کیلومتر است! (هر مایل زمینی برابر 1/609 کیلومتر و بالعکس، هر کیلومتر برابر 0/6214 مایل می‌باشد.)

به طور کلی به دلیل معیارهای بسیار سختگیرانه‌تر استاندارد EPA، مقدار برد بدست آمده از این استاندارد به شرایط واقعی بسیار نزدیک‌تر است.

علت تفاوت برد طبق مشخصات فنی خودروی برقی با شرایط واقعی رانندگی

فرض کنید در فصل تابستان مسافرتی طولانی در پیش دارید که مقصد شما منطقه‌ای کوهستانی و مرتفع است و خودرو از لحاظ تعداد سرنشین و بار همراه بسیار سنگین‌تر از حالت عادیست. شما مجبورید که در تمام طول این سفر از کولر خودرو استفاده نمایید و انرژی بیشتری از باتری نسبت به جاده مسطح برای طی مسیرهای سربالایی  مصرف نمایید. پس اگر برد خودروی برقی شما در مشخصات فنی و دفترچه راهنما 600 کیلومتر است، اما شما پس از طی مثلاً 400 کیلومتر نیاز به شارژ باتری پیدا کردید، به هیچ‌وجه نباید تعجب کنید!

زیرا همانطور که به تفصیل در مورد استانداردهای 3 گانه اندازه‌گیری برد خودرو توضیح دادیم، مقدار برد از سیکل‌های مختلف شهری و بزرگراهی با بار وزنی کم بدست آمده و در هیچ استانداردی، کل انرژی باتری یا به اصطلاح %100 شارژ باتری در شرایط سربالایی کامل، کولر روشن تمام وقت و 5 نفر سرنشین به همراه بار سنگین مصرف نشده است. البته این امر کاملاً منطقی است. چون این شرایط غالب برای رانندگی شما نیست و ممکن است در طول عمر مفید باتری خودرو، یک یا دو بار چنین فشار سنگینی بر آن وارد آورید.

بنابراین خودروسازان هرگز شرایط مرزی حداکثر بار الکتریکی روی باتری و بار وزنی روی بدنه خودرو را برای کل انرژی باتری به عنوان معیار اندازه‌گیری برد در نظر نمی‌گیرند. چون این شرایط همیشگی و پایدار نیستند و ندرتاً اتفاق می‌افتند.

مصرف خودروی برقی

«مصرف خودروی برقی» یا «مصرف خودروی الکتریکی» به مقدار انرژی الکتریکی می‌گویند که خودروی برقی نیاز دارد تا مسافت معینی را طی کند.

همانگونه که مصرف خودروی بنزینی را با واحد «لیتر بر 100 کیلومتر» (lit/100km) می‌سنجند، واحد مصرف خودروی برقی «کیلووات-ساعت بر 100 کیلیومتر» (kWh/100km) است. البته در بعضی کشورها مانند آمریکا و کانادا، از واحد «کیلووات-ساعت بر 100 مایل» (kWh/100miles) استفاده می‌شود. گفتنی‌ست که هر مایل برابر 1/609 کیلومتر است. پس برای بدست‌آوردن مصرف بر حسب «کیلووات-ساعت بر 100 کیلومتر»، باید مقدار مصرف بر حسب «کیلووات-ساعت بر 100 مایل» را بر عدد 1/609 تقسیم کنید.

به عنوان مثال اگر مصرف خودروی برقی 24 کیلووات-ساعت در هر 100 مایل باشد، مصرف آن نزدیک 15 کیلووات-ساعت در هر 100 کیلومتر خواهد بود.

گیربکس کاهنده خودروی الکتریکی

مقایسه منحنی گشتاور بر حسب دور موتور مربوط به موتورهای برقی با موتورهای درون‌سوز در شکل 11 تفاوت‌های قابل ملاحظه زیادی را نشان می‌دهد. موتورهای درون‌سوز در حداقل دور موتور (یا به اصطلاح کارکرد درجا) گشتاور بسیار کمی دارند. به همین دلیل راننده برای شروع حرکت خودرو باید از دنده سنگین استفاده نماید تا دور موتور برای تأمین گشتاور بالای مورد نیاز برای شروع حرکت به حد کافی بالا برود. اما با افزایش سرعت خودرو، از میزان گشتاور مورد نیاز کاسته می‌شود و به همین خاطر، باید از دنده‌های سبک‌تر استفاده کند. اما گشتاور موتور الکتریکی برای شروع حرکت به حد کافی بالاست و با افزایش سرعت، از میزان گشتاور به خودی خود کاسته می‌گردد.

به همین دلیل است گه معمولاً خودروهای برقی دارای گیربکس چند مرحله‌ای پیچیده و دارای تعداد دنده‌های زیاد مانند خودروهای دارای موتور احترافی نیستند. بلکه یک گیربکس ساده تک دنده از نوع کاهنده (Reducer) دارند. چرا که دور موتور الکتریکی برای اتصال مستقیم به چرخ‌ها بسیار بالاست و گیربکس باید نسبت کاهشی (به عنوان مثال 15 به 1) داشته باشد.

لازم به ذکر است که برای حرکت به سمت عقب یا اصطلاحاً دنده عقب، اینورتر خودروی الکتریکی به صورت الکترونیکی دو فاز از سه فاز استاتور موتور برقی را با یکدیگر جابجا می‌کند که سبب تغییر جهت دوران موتور الکتریکی می‌گردد و نیازی به چرخ‌دنده مکانیکی اضافه مانند گیربکس خودروهای بنزینی و گازوییلی برای دنده عقب نیست.

البته تعداد بسیار محدودی از خودروهای برقی که برای داشتن شتاب و حداکثر سرعت بسیار بالا طراحی شده‌اند، (مانند پورشه تایکان و آئودی e-Tron GT) جهت دستیابی به حداکثر گشتاور اولیه و همچنین افزایش حداکثر سرعت قابل دستیابی به گیربکس چند مرحله‌ای مجهزند. ولی اکثر خودروهای رایج در بازار گیربکس تک‌دنده کاهنده دارند.

شکل 11 – مقایسه منحنی گشتاور بر حسب دور موتور بین موتورهای برقی و درون‌سوز

ترمز بازیاب انرژی

در خودروهای الکتریکی مکانیسم ترمز به گونه‌ایست که با هر بار فشردن پدال ترمز، مقداری از انرژی جنبشی خودرو به انرژی الکتریکی تبدیل می‌گردد و باتری خودرو را در حد جزیی شارژ می‌نماید.

به این سیستم ترمز که علاوه بر سیستم رایج و قدیمی کاهش سرعت با اصطکاک لنت‌ها، از طریق تغییر مد کارکرد موتور الکتریکی به ژنراتور الکتریکی نیز برای کاهش سرعت استفاده می‌کند، «ترمز بازیاب انرژی» می‌گویند.

جهت مطالعه جزییات سیستم ترمز بازیافت انرژی به این مقاله مراجعه کنید.

سیستم تهویه خودروی برقی

یک خودروی الکتریکی نیز مانند خودروهای رایج فعلی دارای سیستم‌های سرمایش و گرمایش جهت تأمین رفاه سرنشینان خودرو در فصول سرد و گرم است که به توضیح آنها می‌پردازیم.

سیستم سرمایش

ساختار سیستم سرمایش یا کولر خودروی الکتریکی بر پایه سیکل بسته تبرید از طریق چگالش گاز با کمپرسور است که باتری، کمپرسور سرمایش را تغدیه می‌نماید. بنابراین، روشن کردن کولر تأثیر قابل ملاحظه‌ای روی برد خودروی برقی دارد. بسته به شرایط شامل اختلاف دمای بیرون و دمای تنظیمی مورد نظر برای داخل، شرایط رانندگی و شرایط جاده، روشن کردن کولر بین %10 تا %15 بر مصرف باتری می‌افزاید و از برد خودروی الکتریکی می‌کاهد.

سیستم گرمایش

پمپ حرارتی

گرمایش کابین سرنشینان خودروهای برقی از طریق «پمپ حرارتی» (Heat Pump) صورت می‌پذیرد. به این معنی که انرژی گرمایی جذب‌شده توسط سیستم خنک‌‌کننده مجموعه باتری و موتور، از طریق یک رادیاتور «تبادل‌کننده حرارت» (Heat Exchanger) و فن‌های دمشی، کابین سرنشنیان را گرم می‌نماید. شکل 12 سیستم گرمایش با پمپ حرارتی خودروی بنز مدل EQE SUV را نشان می‌دهد :

شکل 12 – سیستم گرمایش با پمپ حرارتی خودروی بنز مدل EQE SUV

اشعه مادون قرمز

برخی از خودروسازان مانند بی‌ام‌و و لکسوس از پنل‌های تابشی اشعه مادون قرمز (Infrared) جهت گرمایش متمرکز و هدفمند روی بدن سرنشینان استفاده می‌کنند. چنین راهکاری نیاز به گرم کردن کل فضای کابین جهت گرمایش سرنشینان را از بین می‌برد و مصرف باتری خودروی الکتریکی را کاهش می‌دهد.

گرمایش سطوح

مانند راهکار قبلی، تمرکز این راهکار نیز بر گرمایش هدفمند به جای گرم‌کردن کل فضای کابین است که به این منظور، سطوح خاصی که با بدن سرنشینان تماس دایمی دارند (مانند صندلی‌ها، فرمان و کمربندهای ایمنی) به سیستم گرمایش مجهزند.

جمع‌بندی

با ورود خودروهای برقی به بازار ایران، اصطلاحات تخصصی این بخش نیز به فرهنگ اصطلاحات قبلی صنعت خودرو افزوده شده است. در این مقاله به معرفی این اصطلاحات پرداختیم و برای اصطلاحات یا پارامترهایی که مقاله اختصاصی برایشان تدوین نموده‌ایم، به آن مقاله ارجاع داده‌ایم.

مطالعه بیشتر

جهت مطالعه مطالب بیشتر در مورد خودروهای برقی، به منابع زیر مرجعه فرمایید :

• معرفی انواع خودروهای برقی
• شارژر خودروهای برقی
• سیستم ترمز بازیاب انرژی
• تفاوت بین  شارژرهای سطح 1 و 2 و 3
• ساختار داخلی شارژر خودروهای برقی
• کانکتور خودروهای الکتریکی
• آشنایی با ساختار و انواع باتری خودروهای الکتریکی
• هزینه شارژ خودرو برقی و مقایسه آن با هزینه سوخت خودرو بنزینی
• معرفی اپ شارژ خودرو برقی EVSEMaster
• فرهنگ اصطلاحات تخصصی خودروهای الکتریکی