فهرست مطالب

مقدمه

ترمز بازیاب انرژی (Regenerative Braking System یا RBS) راه حلی بسیار هوشمندانه جهت کاهش اتلاف انرژی در انواع خودروهای برقی شامل خودروهای تمام برقی و هیبریدی امروزیست. در خودروهای برقی، مسافت قابل پیمایش با یک بار شارژ کامل پارامتر بسیار مهمی است و رقابت تنگاتنگی بین شرکت‌های خودروسازی بر سر این پارامتر مهم وجود دارد. به همین دلیل ابتکارات گوناگونی برای افزایش این مسافت بکار می‌بندند. استفاده از مواد سبک‌وزن جهت کاهش کلی وزن خودرو  تا طراحی آیرودینامیک بدنه برای کاهش نیروی مقاومت باد و سیستم ترمز بازیافت انرژی. از مهم‌ترین روش‌های افزایش بازده خودروست که مسافت قابل طی با یک بار شارژ را افزایش می‌دهد

اصول عملکرد سیستم ترمز بازیاب انرژی

تبدیل انرژی جنبشی به گرما

در تمام سیستم‌های ترمز، راننده به محض احساس خطر یا دلایل دیگر برای کاهش سرعت روی پدال ترمز فشار می‌دهد. با این عمل نیروی وارد بر پدال ترمز توسط سیستم هیدرولیک با فشار روغن (در خودروهای سبک و متوسط) یا توسط سیستم پنوماتیک با هوای فشرده (در خودروهای سنگین) افزایش می‌یابد و لنت‌های ترمز را با نیروی زیادی به دیسک چرخ‌ها می‌فشرد. ساختمان لنت طوریست که نیروی اصطکاک زیادی با سطح دیسک ایجاد می‌کند. به این ترتیب انرژی جنبشی خودرو به انرژی گرمایی تبدیل می‌گردد و سرعت خودرو کاهش می‌یابد.

تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی

در بخش قبل چگونگی کاهش سرعت خودرو توسط اصطکاک لنت‌ها توضیح داده شد. تا اینجا هیچ تفاوتی بین سیستم‌های ترمز قدیمی و سیستم‌های جدید احیای انرژی وجود ندارد. اما در طراحی مکانیزم ترمز بازیافت انرژی، این ترفند هوشمندانه بکار رفته است که شروع عمل ترمزگیری با درگیری لنت‌ها با دیسک چرخ‌ها آغاز نمی‌شود. بلکه ابتدا کنترل‌کننده هوشمند سیستم ترمز حالت عملکرد موتور یا موتورهای الکتریکی متصل به چرخ‌ها را به ژنراتور تبدیل می‌کند. به این معنی که چرخ‌ها که تا قبل از ترمز دریافت‌کننده انرژی از موتور الکتریکی بودند، بعد از ترمز به منبع انرژی جنبشی برای گردش ژنراتور الکتریکی تبدیل می‌شوند.

موتور و ژنراتور الکتریکی

در موتورهای الکتریکی، جریان سیم‌پیچ استاتور میدان مغناطیسی دواری ایجاد می‌کند که موجب القای جریان در روتور و چرخش آن می‌گردد. به این ترتیب انرژی الکتریکی ورودی استاتور با گردش روتور به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. اما در ژنراتورهای الکتریکی، جریان انرژی برعکس موتور است. یعنی نیروی محرکه خارجی روتور را به گردش درمی‌آورد. سپس میدان مغناطیسی دوار روتور سبب القای ولتاژ در سیم‌پیچ استاتور می‌گردد.

در سیستم ترمز بازیاب انرژی خودروهای الکتریکی از این اصل فیزیکی که مد کارکرد یک ماشین الکتریکی از حالت موتور به ژنراتور و بالعکس به راحتی قابل تعویض است استفاده می‌شود.

از نقطه‌نظر گشتاور

از دید گشتاور (Torque) اگر علامت مثبت را برای گشتاور حالت موتور در وضعیت سرعت گرفتن خودرو درنظر بگیریم، این گشتاور شتاب مثبت ایجاد می‌نماید. طبیعتاً شتاب مثبت نیز با افزایش سرعت خودرو مترادف است. خودرو را افزایش می‌دهد. اما برعکس در حالت ژنراتور علامت گشتاور منفی می‌گردد. زیرا انرژی جنبشی چرخ‌هاست که روتور ژنراتور را می‌چرخاند و بر پایه قانون لنز (Lenz’s Law)، جهت جریان القایی در استاتور طوریست که موجب تضعیف میدان مغناطیسی روتور می‌گردد. توجیه نیروی ترمز در حالت ژنراتوری، همین شتاب منفی ناشی از گشتاور منفیست که از جریان القایی در استاتور ژنراتور ناشی می‌گردد.

ترمز بازیاب انرژی به عنوان ژنراتور

شکل 1 جریان انرژی را در حالت عادی (مسیر انرژی قرمزرنگ) و هنگام ترمزگرفتن (مسیر انرژی سبزرنگ) در خودروهای برقی نشان می‌دهد. با فشردن پدال ترمز توسط راننده، ابتدا عملکرد موتور یا موتورهای الکتریکی محرکه خودرو توسط سیستم کنترل ترمز به حالت ژنراتور در می‌آید. به این ترتیب مقداری از انرژی چنبشی چرخ‌ها که اکنون نقش عکس حالت عادی را دارند، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌گردد و مجموعه باتری‌ها را شارژ می‌نماید. پس از جذب این مقدار انرژی جنبشی، سرعت گردش چرخ‌های خودرو کم و در نتیجه از سرعت خودرو کاسته می‌گردد.

اما در صورت احساس نیاز راننده به کاهش سرعت بیشتر یا توقف کامل، پدال ترمز را بیشتر می‌فشرد. در این هنگام سیستم کنترل ترمز، فرمان شروع فرآیند ترمز عادی از طریق درگیری لنت‌ها با دیسک چرخ‌ها را صادر می‌کند. به این ترتیب باقیمانده انرژی جنبشی خودرو تا رسیدن به سرعت مطلوب راننده یا توقف کامل، در فرآیند ترمزگیری مانند خودروهای غیربرقی به انرژی گرمایی بدل می‌گردد و دمای دیسک‌ها و لنت‌ها را بالا می‌برد.

تبدیل انرژی جنبشی چرخ‌های خودروی برقی به انرژی الکتریکی برای شارژ باتری هنگام فعال شدن ترمز بازیاب انرژی (مسیر انرژی سبزرنگ) و برعکس هنگام حرکت عادی بدون ترمز (مسیر انرژی قرمزرنگ)

شکل 1 – تبدیل انرژی جنبشی چرخ‌های خودروی برقی به انرژی الکتریکی برای شارژ باتری هنگام فعال شدن ترمز بازیاب انرژی (مسیر انرژی سبزرنگ) و برعکس هنگام حرکت عادی بدون ترمز (مسیر انرژی قرمزرنگ)

استراتژی اقتصادی ترمز بازیاب انرژی

شکل 2 نمودار نیروی ترمز بر حسب موقعیت پدال ترمز را در استراتژی اقتصادی ترمز بازیاب انرژی نشلن می‌دهد. همانظور که در این شکل می‌بینید، در ترمزهای ملایم مانند ترافیک روزمره شهری که نیازی به فشردن پدال ترمز با نیروی زیاد نیست، تمام نیروی لازم توسط ترمز بازیافت انرژی تأمین می‌شود. اما در ادامه نمودار نشان می‌دهد که با فشردن بیشتر پدال ترمز، هر دو ترمز مکانیکی چرخ‌های جلو و عقب نیز درگیر می‌شوند تا کاهش سرعت یا توقف کامل خودرو در مسافتی ایمن انجام گردد. همچنین از این نمودار مشخص است که جهت جلوگیری از لغزش خودرو هنگام ترمزهای شدید، توزیع نیروی ترمز بین چرخ‌های جلو و عقب مساویست.

استراتژی اقتصادی ترمز بازیاب انرژی در خودروهای برقی

شکل 2 – نمودار نیروی ترمز بر حسب موقعیت پدال ترمز در استراتژی اقتصادی ترمز بازیاب انرژی

استراتژی سریالی ترمز بازیاب انرژی

می‌دانیم که انرژی جنبشی با مجذور سرعت نسبت مستقیم دارد. یعنی مثلاً با 2 برابر شدن سرعت، انرژی جنبشی 4 برابر می‌شود. پس در مواردی مانند رانندگی در اتوبان یا خودروهای مسابقه‌ای که نیاز به کاهش سرعت یا توقف‌های ناگهانی از سرعت‌های بالاتر از ترافیک شهریست، استراتژی سریالی ترمز بکار می‌رود. در شکل 3 نمودار نیروی ترمز بر حسب موقعیت پدال گاز را در این استراتژی می‌بینید. همانطور که از شکل مشخص است، از همان ابتدای فشردن پدال گاز توسط راننده علاوه بر ترمز بازیافت انرژی، ترمز مکانیکی چرخ‌های عقب نیز درگیر می‌شود. در ادامه با فشردن بیشتر پدال ترمز، ترمز مکانیکی چرخ‌های جلو نیز درگیر می‌گردد.

استراتژی سریال ترمز بازیاب انرژی در خودروهای برقی

شکل 3 – نمودار نیروی ترمز بر حسب موقعیت پدال ترمز در استراتژی سریالی ترمز بازیاب انرژی

جمع‌بندی

در یک خودروی برقی بازده (یا راندمان) به صورت نسبت بین مسافت قابل پیمایش با یک بار شارژ کامل مجموعه ‌باتری‌ها به ظرفیت باتری‌ها تعریف می‌شود. با این تعریف، واحد بازده کیلومتر بر کیلووات ساعت خواهد بود. یکی از روش‌های افزایش راندمان، کاهش اتلاف انرژی در فرآیند ترمزگیری است. ترمز بازیاب انرژی مقداری از انرژی جنبشی خودرو را هنگام ترمزگیری به انرژی الکتریکی تبدیل و به شارژ باتری‌ها  کمک می‌کند.

این نوع سیستم ترمز یکی از دلایل بالاتر بودن راندمان خودروهای الکتریکی نسبت به خودروهای بنزینی و گازوییلی است که فقط سیستم ترمز مکانیکی بر پایه اصطکاک دارند.

مطالعه بیشتر

جهت مطالعه مطالب بیشتر در مورد خودروهای الکتریکی به منابع زیر مراجعه بفرمایید :