خودرو برقی و ویژگی های آن

بنزین به عنوان یک سوخت گران‌بها در جهان شناخته شده و اتومبیل بیشترین سهم را در مصرف آن به خود اختصاص داده است. پیشرفت در زمینه‌ ی اتومبیل‌ های بنزینی همچنان ادامه دارد اما در چند دهه ‌ی آینده بنزین به عنوان یک سوخت دست نیافتنی تبدیل خواهد شد. تنها دلیل آن هم استفاده‌ ی بیش از حد از آن است.
 
در این بین می‌توان از پتانسیل ‌های دیگر به عنوان یک سوخت جایگزین بهره برد. امروزه دانشمندان همواره به این موضوع می اندیشند که بهتر است از یک روش دیگر برای تامین سوخت ماشین‌ ها استفاده کرد. پیشرفت ‌های زیادی در این زمینه صورت گرفته است که از آن جمله می‌ توان به خودرو برقی اشاره کرد.
 

 

شکل 1. خودرو برقی

تاریخچه پیدایش خودرو برقی

 
خودرو برقی دارای ماهیت قدیمی تری نسبت به ماشین های بنزینی است. در قرن 19 سازندگان این نوع ماشین ها بر این باور بودند که این تکنولوژی در آینده ای نه چندان دور بر جهان حکمرانی خواهد کرد. اولین اتومبیل برقی در سال 1834 میلادی ساخته شد و تا سال 1900 نزدیک به 30 درصد از ماشین ها بصورت برقی کار می کردند ( طبق کتاب وسیله ی نقلیه ی الکتریکی خودت را بساز نوشته ی Seth Leitman، صفحه ی 38). اما در آن دوران بنزین سوختی بسیار ارزان به مقدار فراوانی در دسترس مردم بود. به همین دلیل اتومبیل های بنزینی به عنوان یک گزینه  مناسب برای داشتن سرعت بالا در مسافت های طولانی به حساب می آمدند.
 
هنری فورد موسس شرکت ماشین سازی فورد با اینکه یک قدرت بزرگ در ساخت اتومبیل های بنزینی محسوب می شود، به سمت اتومبیل های برقی رو آورده بود تا رویای برقی شدن ماشین ها را تحقق بخشد. خوشبختانه در اواخر قرن بیستم به دلیل مشکلات زیست محیطی و اقتصادی که در نهایت باعث شد مردم هوشیار شوند و در نهایت تکنولوژی به سمت اتومبیل هایی که انرژی خود را از طریق برق تامین می کنند، سوق پیدا کند.
 
اما سوالی که مطرح است این است که آیا اتومبیل ها واقعا به سمت برقی شدن پیش می روند؟ چقدر طول خواهد کشید که این اتفاق بیفتد؟ قبل از اینکه بتوان به این سوال ها پاسخ داد باید از خود چند سوال اساسی تر پرسید: اتومبیل برقی دقیقا چگونه کار می کند؟ چه مزایا و معایبی دارند؟ واقعا می توان با استفاده از تعدادی الکترون نیروی لازم برای به حرکت در آوردن این نوع اتومبیل ها را فراهم کرد؟
 

اساس کار خودرو برقی به چه صورتی است؟

 
اساس کار اتومبیل های برقی خیلی شبیه به همان ماشین های برقی کوچکی که در دوران کودکی مشغول ساخت و یا بازی با آنها بودیم، است. این اسباب بازی ها خیلی شبیه به اتومبیل های برقی ساخته شده توسط تسلا یا شورلت نیست اما اساس کار خودرو های برقی را به ما نشان می دهند.
 
در ساخت این اسباب بازی ها از یک باتری، موتور الکتریکی، چهار چرخ پلاستیکی و یک گیربکس ساده به عنوان انتقال دهنده استفاده می شود. اتومبیل های برقی واقعی چیزی بیشتر از این نیستند، مگر اینکه در ساخت دقیق آن درگیر یک سری چالش های فنی نسبت به مدل اسباب بازی باشیم.
 
تمام اتومبیل های بنزینی، برقی، هیدروژنی و یا هر نوع ماشینی که از سوخت های دیگر استفاده می کنند، به عنوان یک تبدیل کننده ی انرژی محسوب می شوند. آنها از انرژی ذخیره شده در اتومبیل استفاده کرده و انرژی جنبشی تولید می کنند که باعث حرکت اتومبیل می شود.
 
در اتومبیل های مرسوم انرژی به صورت شیمیایی در سوختی که وارد مخزن آن می شود، ذخیره شده است. این انرژی از طریق یک نوع واکنش شیمیایی در داخل موتور آزاد می شود. در این واکنش شیمیایی مولکول های هیدروژن موجود در بنزین با اکسیژن موجود در هوا می سوزند و از خود گرما تولید کرده و در نهایت احتراق داخلی را بوجود می آورند. این گرما پیستون های موجود در موتور (سیلندر های موتور) را به حرکت در می آورد.
اتومبیل های برقی نیز از انرژی شیمیایی ذخیره شده استفاده می کنند اما تفاوت در آزاد شدن انرژی الکتروشیمیایی آن بدون نیاز به سوزاندن بنزین است. بدین صورت که وقتی الکترون ها در باتری جابجا شده باعث تولید انرژی حرکتی می شود. در این تکنولوژی هیچگونه احتراق سوختی و آلودگی هوا تولید نمی شود.
 

خودرو های هیبریدی

 
اتومبیل های برقی و بنزینی هر دو دارای یک سری مزایا و معایب هستند، بخاطر همین بیشتر ماشین های برقی که در جاده ها وجو دارند در حقیقت هیبریدی هستند یعنی از هر دو نوع تکنولوژی می توان در آن استفاده کرد. این نوع اتومبیل ها کوچکتر از نمونه های بنزینی موجود در بازار هستند. از آنها می توان برای رانندگی در بزرگراه ها از طریق موتور بنزینی و رانندگی داخل شهری توسط موتور برقی استفاده کرد.
اتومبیل های هیبریدی دارای انواع مختلفی هستند، هیبریدی های موازی انرژی حاصل از تبدیل سوخت به گرما و سپس گرما به حرکت را بصورت همزمان با هم به چرخ ها منتقل می کند. هیبریدی های سری فقط انرژی تولید شده توسط تبدیل سوخت به گرما را به چرخ ها را منتقل می کند و انرژی حاصل از تبدیل گرما به حرکت را مانند یک ژنراتور برای شارژ کردن باتری ها استفاده می کند.
 
اتومبیل های تمام هیبریدی انرژی کافی برای موتورهای الکتریکی و باتری ها را دارد و مستقل از انرژی گرما به حرکت باعث حرکت اتومبیل می شود. اتومبیل های هیبریدی شارژی می توانند توسط یک ایستگاه شارژ یا منبع تغذیه ی خانگی توان مورد نیاز خود را ذخیره کنند و همانند سوخت گیری عمل کنند. این نوع اتومبیل ها خیلی شبیه به اتومبیل های برقی مرسوم موجود در بازار عمل می کنند.

مزایا و معایب خودرو هیبریدی

 
یکی از مشکلات موجود در اتومبیل های هیبریدی ایجاد هماهنگی بین تبدیل انرژی سوخت به گرما و سپس گرما به حرکت است که امروزه به عنوان یک چالش اصلی برای رسیدن به یک سوخت مقرون به صرفه به حساب می آید.

یکی دیگر از معایب اتومبیل های هیبریدی را می توان به تقریبا 20 تا 30 درصد گران بودن آن نسبت به مدل های بنزینی آن اشاره کرد. همچنین 10 درصد سنگین تر و سرعت کم تری است. اما در کل اتومبیل های هیبریدی امن تر و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه تر از اتومبیل های بنزینی است.
 

اتومبیل های هیدروژنی

 
این نوع اتومبیل از سلول های سوختی برای تامین انرژی مورد نیاز خود استفاده می کنند که از نوع اتومبیل های برقی محسوب می شوند. سلول های سوختی بدین صورت هستند که یک مخزن پر از هیدروژن برق را تولید و توان مورد نیاز از موتور برقی بجای باتری ها تامین می شود.
 

نحوه ی عملکرد اتومبیل هیبریدی شارژی

یک اتومبیل هیبریدی مانند دو عدد اتومبیل عمل می کند. یک قسمت موتور بنزینی برای کاربردهای خارج شهری با سرعت بالا و یک موتور برقی برای مسافرت های پاک و اقتصادی یا داخل شهری استفاده می شود. در طراحی های مختلف چرخ ها توسط انرژی سوخت به گرما، گرما به حرکت یا هر دو آنها به حرکت در می آید.
 
مراحل عملکرد آن به صورت زیر است (در شکل 2 نشان داده شده است):
 
• بنزین به عنوان سوخت اولیه برای تولید انرژی استفاده می شود. (شماره 1)
• مخزن سوخت (شماره 2)
• موتور احتراق داخلی معمولی (شماره 3)
• موتور توسط چرخ دنده ها و گیربکس به چرخ ها انرژی حرکت را می دهد. (شماره 4)
• منبع برق توسط یک منبع تغذیه شارژی معمولی به باتری های خودرو متصل می شود. (شماره5)
• باتری ها زمانی که اتومبیل پارک است، شارژ می شوند. باتری ها معمولا در پشت صندلی های عقب قرار دارند. (شماره 6)
• موتور برقی از باتری ها برای به حرکت در آوردن دو یا چهار چرخ استفاده می کند. (شماره 7)
• ترمزهای احیا کننده: این ترمز ها باعث کاهش سرعت چرخ ها می شود، در غیر این صورت انرژی تلف شده دوباره به باتری ها باز گردانده می شود. (شماره 8)

شکل 2. اتومبیل هیبریدی شارژی

 
اجزای تشکیل دهنده یک خودرو برقی

 
اتومبیل های برقی و بنزینی در بیشتر قسمت ها شبیه هم هستند و فقط تفاوت آنها در نحوه ی ذخیره ی انرژی آنها است (یعنی بنزین و برق). مکانیزمی که هر دو آنها استفاده می کنند برای تبدیل انرژی به حرکت است. در این قسمت به دو اجزای مهم و کلیدی موتور و باتری در اتومبیل های برقی و مقایسه ی آنها با اتومبیل های مرسوم خواهیم پرداخت.

موتور برقی

موتور های موجود در اتومبیل برقی با موتور های بنزینی کمی متفاوت هستند. تفاوت آنها فقط در نوع سوختی که استفاده می کنند نیست. موتور های بنزینی برای اینکه بازده خوبی داشته باشند نیاز به چرخش نسبتا سریع دارد ( حدود هزار بار در دقیقه)، در حالیکه ممکن است چرخ ها لازم نباشند بچرخند. توانی که یک موتور تولید می کند ممکن است متفاوت از نیاز راننده باشد.

برای مثال حرکت در زمانیکه موتور هنوز سرد است یا در پشت چراغ قرمز، موتور باید با سرعت کمی نیرو (گشتاور) تولید کند، در حالیکه اگر در حال سبقت گرفتن از یک اتومبیل در بزرگراه باشیم نیاز داریم موتور سرعت بیشتر و گشتاور کمتری تولید کند.

در موتور های بنزینی نمی توانیم خروجی آن را کنترل کنیم به دلیل اینکه یک فرآیند شیمیایی در آن رخ می دهد و برای به حرکت در آمدن اتومبیل باید سوخت و اکسیژن با هم واکنش داده تا توان مکانیکی قابل قبولی تولید کند. اگر به توان بیشتری نیاز داشته باشیم باید موتور سوخت بیشتری بسوزاند.

موتور اتومبیل های برقی نسبت به موتور های بنزینی خیلی متفاوت هستند. دیگر لازم نیست که چرخش های سریع یا آهسته داشته باشیم و موتور می تواند گشتاور و سرعت مشابهی به صورت همزمان بدهد. به عنوان مثال در قطار های شهری که با برق کار می کنند به راحتی با فشردن دکمه ی سریع، سرعت آن را افزایش دهیم و برعکس با فشردن دکمه ی آهسته قطار با سرعت کمتری حرکت کند. برای داشتن سرعت بالا در اتومبیل های برقی فقط به جریان زیاد نیاز داریم تا موتور بتواند به ما سرعت مورد نیاز را بدهد.

باتری خودرو برقی

به اتومبیل هایی خودرو برقی می گویند که از باتری برای ایجاد چرخش در موتور استفاده می کنند. از لحاظ تاریخی اتومبیل ها از باتری های قابل شارژ استفاده می کردند. خیلی قبل تر از لپ تاپ ها و تلفن های هوشمند که با تمام شدن باتری باید باتری ها را دور می انداختیم، اتومبیل ها می توانستند از باتری برای روشن کردن موتور استفاده کنند و دوباره آنها را شارژ کنند.

تنها مشکل آنها این بود که از باتری ها سنگین، بزرگ و پر شده از اسید سرب بودند و به اندازه ی کافی برای تامین نیروی وسایل نقلیه در سرعت های بالا برای مسافت های طولانی مناسب نبودند.

اتومبیل های برقی امروزی بیشتر از باتری های لیتیوم-یونی استفاده می کنند که دقیقا شبیه به باتری های موجود روی لپ تاپ ها هستند. این نوع باتری ها نسبتا سبک هستند، نسبت به وزن خود انرژی قابل قبولی تولید می کنند، از آنها برای چندین سال می توان استفاده کرد و قابل شارژ هستند و در محدوده های مختلف دما متناسب با شرایط رانندگان عملکرد خوبی از خود نشان می دهد.

یک مشکل اساسی که این نوع باتری ها دارند این است که انرژی زیادی نزدیک به موتور های بنزینی نمی توانند داشته باشند یعنی دارای چگالی انرژی کمتری هستند. اما در مقابل ارزان تر و امن تر هستند.

مزایا و معایب اتومبیل های برقی

در نگاه اول، اتومبیل های برقی کاملا جزو وسایل نقلیه ی سبز محصوب می شوند، یعنی به محیط زیست آسیب نمی زنند. در بعضی مواقع به آنها وسایل نقلیه ZES – Zero-Emission-Vehicles یا بدون هیچ آلاینده نیز می گویند. بیشتر اتومیل های برقی تقریبا صفر گرم دی اکسید کربن از خود تولید می کنند و حتی تعدادی از آنها می توانند آب تولید کنند.

بازده اتومبیل های برقی بیشتر از حالت بنزینی است و مقدار آن نزدیک به 80 درصد است چراکه در موتور های بنزینی بیشتر سوختی که می سوزد استفاده نمی شود و به عنوان گرمای بدون استفاده هدر می رود.
یکی دیگر از مزایای آنها عملکرد بالا در مقابل موتور های بنزینی است چراکه می تواند حتی در سرعت های پایین نیز گشتاور بالایی تولید کند. همچنین خیلی نرم تر و بی صداتر از موتور های بنزینی هستند.
 
باتری اتومبیل های برقی با اینکه قابل شارژ هستند اما بعد از چند سال قابلیت خود را از دست داده و باید تعویض شوند. بنابراین برای داشتن انرژی زیاد باید از چندین باتری استفاده کرد در حالیکه در موتورهای بنزینی با هر بار پر کردن مخزن می توان از این امکان استفاده کرد. سرعت اتومبیل های بنزینی بیشتر است بنابراین با اینکه آلودگی تولید می کنند اما همچنان اتومبیل های بنزینی طرفداران خود را دارند.