برسی خودرو های الکتریکی بخش دوم

پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصیص صنعت و مدیریت -گروه فناوری اطلاعات

در مقاله قبل در مورد خودرو های الکتریکی و عملکرد موتور خودرو مفصل صحبت کردیم  و مقدمه ای باتری خودرو الکتریکی که پیچیده ترین و چالشی ترین فناوری حاضر در خودرو الکتریکی می باشد صحبت می کنیم 

اگر مقاله قبل را مطالعه نکردید می توانید از لینک مطالعه کنید.

انواع باتری در خودرو های الکتریکی

 

باتری های اسیدی : می توان گفت قدیمی ترین فناوری در بین باتری ها که هنوز در بسیاری از مدل‌های خودروی برقی نیز استفاده می‌شود. هزینه‌های اولیه کمتری نسبت به بقیه باتری‌ها دارد و افزایش توان خروجی با اضافه کردن تعداد باتری‌ها به سادگی قابل انجام است.

• 

عملکرد باتری های اسیدی

الکترود یا صفحات مثبت که به آن‌ها كاتد نیز گفته می‌شود. الکترون ها در حین دشارژ جذب این قطب(مثبت) می‌شوند.

در باتریهای سرب اسیدی ماده شیمیایی عمده تشکیل دهنده صفحات مثبت، اکسید سرب (PbO2) می‌باشد. الکترود یا صفحات منفی که به آن‌ها آند نیز گفته می‌شود،الکترونها در حین دشارژ از این قطب خارج می‌شوند. ماده شیمیایی عمده تشکیل دهنده الکترودهای منفی، سرب (Pb) است.

این نکته فراموش نشودکه سرب واکسید از لحاظ مکانیکی قابلیت فرم‌گیری مناسب ندارند و اغلب به کمک افزودن آلیاژهای مختلف و همچنین شبکه‌های نگهدارنده حالت دهی می‌شوند. ضمناً اصطلاحاً آن‌ها را مواد فعال یا Active Material نیز می‌گویند. در اصل واکنش شیمیایی داخل باتری به کمک سرب و اکسید آن صورت می‌گیرد.

مزایا و معایب باتری اسیدی

 

اما دو مشکل عمده برای این نوع باتری وجود دارد.

1. طول عمر کم: در طول حرکت خودرو بار ها تغییر جهت می دهد این تغییر جهت ایجاد تکان های شدید در خودرو می شود این تکان ها باعث گردش اسید یا همان الکترود در باتری خودرو شده و ممکن حتی سبب نشتی از باتری را نیز را فراهم نماید.

2. وزن بالای این باتری ها است به سادگی می توان متوجه شد این باتری ها در بخش آیرودینامیک خودرو نقش بسیار مهمی ایفا می کنند این باتری ها به واسطه وزن بالا کشش خوبی را بین زمین و خودرو ایجاد می کنند و تعادل خودرو را بیشتر می کنند اما در نوع اسیدی این باتری ها مشکل وجود دارد و اون این است که وزن زیاد مایع اسیدی و همچنین سیال بودن آن باعث می شود خودرو در پیچ ها و موقعیت های حساس به شدت از مسیر خود منحرف شود

البته میتوان گفت این باتری دو مزیت عمده بر دیگر باتری ها دارد

1. اگر به باتری اسیدی ماده شیمیایی مورد استفاده که به سادگی در دسترس است و قیمت کمی  هم دارد اضافه شود ظرفیت باتری به حالت عادی یا دست کم نزدیک به ایده آل برمی گردد یعنی باتری مدت زمان بیشتری را برای وارد نشدن به فرآیند بازیافت طی خواهد نمود. این یعنی آسیب کمتر به محیط زیست و همچنین توجیح اقتصادی بیشتر برای تولید این نوع باتری ها.

مورد دوم  در بحث هزینه و قیمت پایین این باتری ها به نسبت دیگر باتری می باشد که بسیار پارامتر مهمی می باشد.

البته باتری ها امروزه در خودرو های الکتریکی استفاده نمی شوند

• 

باتری های لیتیومی

• 

امروزه باتری های از نوع لیتوم یون و پلیمر در صنایع مختلفی مثل صنایع الکترونیک،خودرو و… متداول شده 

دو نوع باتری لیتیوم داریم باتری لیتیوم یون و باتری لیتیوم  پلیمر، تفاوت این دو

باتری در بخش جداساز آنها و صرفاً در عایق جدا کننده آن ها می باشدکه در نوع پلیمر

ماده عایقی به شکل خمیری شکل است.

 جداکننده وظیفه داردالکترودهای  قطب مثبت و منفی را از یکدیگر جدا کنند و اتصال

کوتاه جلوگیری شود.

 اما از طرفی یون های قطب منفی باید بتواند به طرف قطب مثبت حرکت کند و این

لایه محافظتی باید اجازه این مورد را به یون ها بدهد. باتری های لیتیومی به صورت

ورقه های به هم چسبیده شده موجود هستند و مشابه باتری های دیگر شامل یک آند و

کاتد هستند بین این ورق های آندی و کاتدی جهت جلوگیری از اتصال کوتاه یک لایه

عایق وجود دارد و همچنین یک ورقه   جمع کننده جریان نیز وجود دارد بعلاوه یک لایه

الکترولیت پلیمری نیز در این نوع باتری وجود دارد.

 

جمع کننده جریان وظیفه انتقال انرژی به خارج از باتری را بر عهده دارد به این واسطه

و برای کنترل جریان  نیاز به بهره گیری از مدارات الکترونیکی همچون مدارات آی سی

شارژ و کنترلی داریم تا در صورت اضافه بار مسیر خروج  الکتریسیته رو ببند تا از

کشیدن بیشتر آمپر توسط مدار جلوگیری کند.

همانطور که گفته شد کنترل جریان خروجی بسیار حائز اهمیت است زیرا باتری

لیتیومی به شدت به حرارت حساس است لذا باید توجه کرد حرارت بیش از حد باعث

انفجار می‌شود که این انفجار در ابعاد یک خودروی الکتریکی بسیار حائز اهمیت است

زیرا اولاً خسارات مالی وارد بسیار بالا خواهد بود همچنین   جان افراد به خطر خواهد

افتاد.

پس اولا  در مرحله ساخت باتری ثانیاً در استفاده از باتری  دقت نمود. در مورد

نوع ساخت و دستگاه های مکانیزه مورد استفاده در ساخت باتری به توانمندی بسیار

بالایی نیاز هست یعنی لبه تکنولوژی به این دلیل باتری خودرو الکتریکی پیچیده ترین

فناوری ممکن در ساخت خودروی الکتریکی را دارد.

 و سخت ترین قسمت ساخت خودرو الکتریکی، انتخاب یک باتری خودرو الکتریکی است که در ایمنی و

عملکرد بهینه خودرو الکتریکی نقش بی بدیلی دارد.

• 

شارژ سریع-اینورتر(مبدل AC به DC)

• 

 

اما بخشی که از آن نباید غافل بشیم این است که موتورهای الکتریکی برای اینکه

بتوانند کار کنند باید بتوننانرژی خودشان را به صورت کاملاً بدون وقفه از طریق باتری

ها دریافت کنن که این مورد مهم  باتری‌ها را مستلزم داشتن دو نکته مهم می کند:

1-باتری های باید قابلیت شارژ سریع یا فست شارژ داشته باشند.  به دلیل   اینکه حجم

زیاد باتری های خودروهای الکتریکی که واحد باتری خودرو الکتریکی را در حد کیلو

وات می رساند نمی تواند صرفا  به شکل تک فاز باتری ها شارژ نمود و باید شارژ سریع

ربر مبنای برق سه فاز استفاده کند پس سیستم شارژ خودرو و باتری ها باید علاوه بر

تک فاز از سه فاز  هم پشتیبانی کند خوشبختانه شارژ سریع بر مبنای برق سه فاز این

امتیاز را به کاربر می دهد که در مدت کوتاه تری نسبت شارژ عادی باتری خودرو خود را

شارژ کند که این مدت از زمان ۲۰ دقیقه تا ۴۰ دقیقه متغیر است در صورتی که در شارژ

عادی این رقم ممکن است تا ۳ ساعت هم طول میکشد البته باید توجه نمود شارژ سریع

میتواند در دراز مدت باعث آسیب دیدن  باتری شود. عامل اصلی آسیب رساندن باتری

ها  حرارتی است که به باتری می رسد و این حرارت باعث می‌شود که آمپر بالاتری از

رقم پیشنهادی شرکت سازنده از دستگاه مستقر در جایگاه درخواست شود شود این

اضافه بار بیش از معمول باعث آسیب دیدن باتری ها  می شود

2-از آنجایی که جایگاه شارژ باتری از ولتاژ DC و یا AC برای شارژ کردن باتری ها

استفاده می کند و این ولتاژ نیز به شکل DC در باتری ها ذخیره میشود البته به طور

کلی استاندارد های باتری الکتریکی DC است DC بیانگر فناوری باتری برمبنای شارژ

مستقیممی باشد که به تازگی استاندارد AC نیز به جایگاه های سوخت خودروهای

الکتریکی وهیبریدی افزوده شده است ولتاژ ac معمولاً کمتر از ولتاژ دی سی در نظر

گرفته میشود همچنین کانکتورهای مورد نیاز برای شارژ کردن خودرو با ولتاژ AC and

DC متفاوت از یکدیگر است برای جایگاههای ولتاژ DC پورت CCS Combo2 و

CHAdeMOاستفاده می شود و برای جایگاه های ولتاژ ac و جریان متناوب   کانکتور

type 2 استفاده می شود البته پورت مختلفی مثل   cumbo2 ، cumbo1 و

CHAdeMO  برایولتاژ مستقیم وجود دارد. مزیت استفاده از جایگاه های شارژ

متناوب در این است کهانتقال نیرو از سمت نیروگاه به این جایگاه ها بسیار ساده تر

است می‌توان با یکسری  مدارات بسیار ساده این ولتاژ را تضعیف و برای استفاده در

خودرو مورد استفاده قرار داد در صورتی که در  جریان مستقیم باید این منبع را به

 شکل مستقیم  از طریق خود نیروگاه یا پست های برق دریافت کند این مورد به

خصوص در کشورهای که زیر ساخت کافی برای انتقال همزمان با ولتاژ DC و AC را

ندارند به سادگی قابلیتاستفاده دارد همچنین ولتاژ AC معمولاً از ولتاژ DC کمتر در

نظر گرفته می شود.

 از آن جایی که ولتاژ به شکل مستقیم در باتری ذخیره می شود باید قبل از استفاده از

این ولتاژ آن را به جریان  متناوب تغییر دهیم . زیرا جریان مورد استفاده در موتور

الکتریکی به شکل AC در نظر گرفته می شود . به طور کلی جایگاه های شارژ عمدتاً 

جریان مستقیم را جهت شارژ ساده‌تر باتری ها در جایگاه ها فراهم می کنند ،  تقریباً

تمام باتری‌های مورد استفاده  هم از جریان مستقیم استفاده می کنند و موتور خودرو

الکتریکی هم از ولتاژ متناوب استفاده می کنند پس گر جایگاه سوخت ولتاژ متناوب

ارائه کند قبل از ذخیره در باتری باید این ولتاژ در اینورتر  تبدیل به ولتاژ مستقیم شود

از طرفی جریان ذخیره شده در هنگام استفاده از قدرت موتور توسط اینورتر باید از

جریان مستقیم به جریان متناوب تغییر کند پس اینورتر ما دو وظیفه مهم دارد و باید

بتواند دو کار مهم را انجام دهد و این دو مورد مبدل ولتاژ مستقیم به متناوب و

متناوب به مستقیم است.

مورد دیگری که نکته قابل توجهی محسوب شود این است که خودروهای الکتریکی هم

به صورت کاملا الکتریکی و هم به صورت هیبریدی عرضه می شود خودروهای

الکتریکی که به نام EV مطرح هستند  فقط از سوخت الکتریسته یا همان برق به عنوان

سوخت اصلی خود استفاده می کنند ولی خودروی هیبری HEV از انرژی های فسیلی

همچون بنزین و انرژی پاک مثل الکتیریسته به شکل همزمان استفاده می کنند.

• 

کولینگ

 

برخلاف باورها خودروهای الکتریکی نیز بسیار گرما تولید می کنند  که  این گرمای 

تولیدی به خودی خود برای محیط زیست مضر است همچنین دشمن اصلی قطعات

الکترونیکی و همچنین باتری های لیتیومی و موتورهای الکتریکی نیز حرارت است .

وباید این این حرارت را از موتورهای الکتریکی قطعات و باتری به سمت بیرون هدایت

کرد کولینگ بسیار برای ما مهم است است و تقریبا میشود گفت جزو بخش های بسیار

مهم خودرو های  الکتریکی کولینگ یا خنک کننده آن  است زیرا به عملکرد خودرو و

 ایمنی آن بسیار مربوط می شود. به این خاطر که عملکرد موتور که مستقیماً به تجربه

رانندگی مربوط می شود به حرارت موتور نیز بستگی دارد موتور های الکتریکی با گرم

شدن بیش از حد ممکن است اتصال کوتاه کند و سبب ذوب شدن لاک عایقی سیم پیچ

ها شوند از طرفی باتری ها لیتیوم یونی و پلیمر مستعد انفجار هستند زیرا به حرارت

بسیار حساس می باشند و چون داخل مایع اسیدی نیستند ممکن است این داغ شدن

باعث شود ورقه باتری شامل عایق ها،کاتد و آند و… شروع به جمع شدن و انبساط

 کنند و حاصل آن  اتصال کوتاه و باد کردن باتری و انفجار است. پس باید هم موتور و

هم باتری ها را خنک نگه داشت همچنین اینورتر که مبدل مستقیم به متناوب است نیز

به حرارت بسیار حساس است  یکی از بزگترین مشکلات اینورترها داغ کردن بیش از

حد آنها است ساختار اینورتر به شکل یک سیم پیچ اولیه و ثانویه به علاوه تعداد

زیادی از مدارات الکترونیکی سیم پیچ ها ،کاهنده های ولتاژ خازن ها و مقاومت ها و…

است  که همه اینها شامل نقاط کاری هستند که حرارت مستقیم روی آنها تاثیر 

 می گذارد و از سمتی به دلیل محدود بودن فضای اینورتر احتمالاً این قطعات از

خود گرما تولید میکند پس برای اینورتر یک سیستم خنک کننده بسیار خوب و کارآمد

 اهمیت بالایی دارد همچنین آسیب دیدن اینورتر از حرارت ممکن است  به باتری و

موتور نیز آسیب های زیادی بزند.

• 

• برای مطالعه بیشتر می توانید به این لینک ها مراجعه کنید
• مطالعه بیشتر در مورد باتری لیتیوم یونی
• مطالعه بیشتری در مورد باتری اسیدی
• مطالعه بیشتر در مورد باتری خودرو الکتریکی

برسی خودرو های الکتریکی بخش اول

پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصیص صنعت و مدیریت -گروه فناوری اطلاعات

مقدمه

خودروهای الکتریکی ( Electric vehicles) ) به خودرویی گفته می‌شود که از باتری های قابل شارژ به عنوان منبع انرژی، و از موتور الکتریکی  به عنوان نیروی محرکه استفاده می‌کند.

برخلاف تصور عموم افراد  بهره برداری از خودروی های الکتریکی از اواخر قرن 19 میلادی در دنیا به

خصوص در شهر لندن  و به دنبال بحران آلودگی هوا در این شهر به کار گرفته شد. توماس پارکر که یک مهندس

بریتانایی بود با کمک گرفتن از یک اختراع بزرگ توانست خودروهای الکتریکی را به شکل ابتدایی از اواخر

قرن 19 تا اوایل قرن 20 به محبوب ترین وسایل نقلیه تبدیل کند و آن اختراع چیزی نبود جز یک باتری قابل

شارژ  که توسط آقای گاستون پلانته فیزیکدان فرانسوی در سال 1895 ساخته شده بود.آقای پلانته این باتری ها را

از جنس سربی – ا سیدی تولید کرد، که این باتری های تفاوت زیادی با باتری های امروزی مورد استفاده در

خودروهای الکتریکی دارند.

• 

ساختار خودرو های الکتریکی

خودرو های الکتریکی ساختاری مشابه  با خودروهای احتراق داخلی در بخش های مختلف دارند.

می توان گفت هر خودروی الکتریکی از لحاظ اهمیت به تر تیب تشکیل شده است از:

• باتری ها: به طور کل یک وظیفه دارند دخیره نیرو و در اختیار گذاشتن نیرو در هنگام نیاز یه مرور و به شکل مدیریت شده.

چیزی که باعث تفاوت باتری ها با هم می شود وظیفه آن ها نیست بلکه نحوه کار آن ها می باشد.

باتری ها به این شکل کار می کنند که الکترون ها درحالت دشارژ از قطب منفی خارج شده و جذب  قطب

مثبت  می شوند. به قطب مثبت کاتد یا الکترود مثبت و به قطب منفی آند یا الکترود منفی میگوئیم.

در بخش دوم مقاله توضیحات جامع ای در مورد باتری خواهیم داد.

ما در این مقاله بیشتر به عملکرد موتور می پردازیم و در مقاله بعدی به عملکرد باتری و شارژ ها.

موتور

 

ساختار موتور های  الکتریکی بسیار ساده و در عین حال کاربردی است و از  یک استاتور که سطح ثابت

است و یک روتور که سطح جهنده یا چرخنده می باشد تشکیل می شود.

موتورهای الکتریکی به طور کلی به صورت اعمال یک ولتاژ تکفاز یا سه فاز کار می کنند  زمانی که این ولتاژ

به موتور الکتریکی اعمال می شود باعث ایجاد میدان  مغناطیسی در استاتور می شود و روتور و شفت آن

شروع به چرخش و حرکت می کند.

در تمام موتورهای الکتریکی این ساختار تقریباً یکسان است خودرو الکتریکی به این صورت کار می‌کند که با

اعمال ولتاژ به دو سر موتور سیم های موتور  الکتریکی در تک فاز و در سه فاز  به سه سر سیم  جریان برق در

سیم های سیم پیچ ها حرکت می کند و الکترومغناطیس در استاتور شکل می گیرد.

این الکترومغناطیس روتور ما که در واقع یک آهنربای محسوب می شود وآن  هم شامل یک سیم پیچ است

را به حرکت در می آورد هرچقدر این تعداد سیم پیچ ها بیشتر باشه و تعداد خشاب های استاتور بیشتر باشد

میدان مغناطیس قوی تر می شود و همچنین ابعاد استاتور و رتور روی  گشتاوری که از موتور گرفته می

شودتاثیر مستقیم می گذارد.

 

 به طور کلی به دلیل این که حد نصاب رسیدن منبع انرژی در خودرو های برقی بسیار کوتاه تر از خودروهای

احتراق داخلی با سوخت های فسیلی هست شتاب این خودروها  به نسبت به خودروهای  احترق داخلی بالاتر است

همچنین گشتاور تولیدی خودروهای الکتریکی بسیار بیشتر از خودروهای احتراق داخلی هست

.یکی دیگر از دلایل  شتاب بالاتر در موتورهای الکتریکی به نسبت موتورهای احتراق داخلی این است که المان

هایی همچون لوله های روغن یا لوله های هیدرولیک و… غیر حذف شده است و  خودرو الکتریکی بیشتر سعی

می شود که ساختار بسیار ساده تری داشته باشیم و یک موتور الکتریکی به همراه یک باتری بسیار حجیم و یک

سیستم خنک کننده  جهت کولینگ سیستم را استفاده کنیم کولینگ سیستم بسیار موضوع مهمی است  که به این

جداگانه می پردازیم‌. در خودروهای الکتریکی اینورتر ما وظیفه تبدیل ولتاژ دی سی به ولتاژ ac را دارا می باشد.

• 

انواع خودرو های الکتریکی

 

فناوری های مختلفی در موتورهای خودرو الکتریکی وجود دارد.خودرو تمام الکتریکی و خودرو هیبریدی.

در خودروهای هیبریدی، برق و بنزین  به شکل ترکیب استفاده می شود البته این موتور بنزینی در خودروهای

الکتریکی به دو صورت استفاده می شود یکی به صورت مستقیم که به آن خودروهای هیبریدی می گیریم

و دومی به شکل غیرمستقیم وظیفه این موتور تولید انرژی الکتریکی در خودرو الکتریکی می باشد.

• 

در واقع موتور بنزینی نقش یک ژنراتور را بر عهده دارد به خودرو هایی که دارای موتور بنزینی هستند و 

حجم موتور بنزینی کمتر از موتور الکتریکی را دارا می باشند و همچنین موتور بنزینی وظیفه تولید نیرو را

برعهده دارد خودروی پلاگین هیبریدی میگویم.

در خودروهای الکتریکی هیبرید معمولاً موتور اصلی از نوع الکتریکی است اما ظرفیت موتور بنزینی بیشتر از

موتور برقی در نظر گرفته می شود.

و این موتور بنزینی بیشتر در مواقعی که مثلاً یک رمپ شیب در مسیر خودرو قرار می گیرد یا فشار مضاعف به موتور برقی وارد می شود  موتور احتراق داخلی  جهت جلوگیری از آسیب رسیدن به موتور الکتریکی را ازمدار خارج می کند از سمتی برای راه اندازی سریع تر خودرو و در رانندگی داخل شهر موتور الکتریکی وارد عمل می شود .

در خودرو های پلاگین هیبرید بنزین برای تولید الکتریسته استفاده می شود تفاوت خودروهای پلاگین هیبرید

و  هیبرید در این است که قدرت موتور الکتریکی در نوع پلاگین قدرت بیشتری به نسبت  موتور بنزینی است.

یعنی این نوع خودرواز موتور بنزینی برای تولید نیرو استفاده می کند که حجم کمتری هم دارد ولی در نوع

هیبرید موتور بنزینی  همزمان با موتور الکتریکی درگیر است

تنها مزیت آن مصرف کمتر انرژی فسیلی  هست که در نهایت آسیب کمتری به محیط زیست می زند.

• 

اما همچنان تعمیر موتور پلاگین هیبرید به واسطه قطعات مکانیکی کمتر در بخش انتقال نیرو ساده تر از موتور هیبرید است هزینه نگهداری نوع پلاگین بسیار کمتر است اما از طرفی مسافت بیشتری می توان با نوع هیبرید به نسبت پلاگین  طی کرد.

اما در طرف مقابل موتور کاملا برقی داریم که در آن تنها منبع تولید الکتریسیته یکی شارژ مستقیم باتری ها

و یکی هم ارتشعات ناشی از حرکات خود را می باشد که توسط سنسورهای حرکتی این ارتشعات به

الکتریسیته تبدیل می شود که در بیشتر خودرو های الکتریکی از این نوع شارژ به که شارژ معکوس معروف

است نیز استفاده می شود.

به طور کلی خودرو های الکتریکی کاملا مفید کارآمد هستند اما در حال حاضر با پیشرفت تکنولوژی همچنان باتری مورد استفاده در آنها پیشرفت چندانی نکرده است به این خاطر خودروهای هیبرید  از تمام خودروهای الکتریکی دیگر محبوبیت بیشتری دارند .

اما در طرف مقابل موتور کاملا برقی داریم که در آن تنها منبع تولید الکتریسیته یکی شارژ مستقیم باتری ها

و یکی هم ارتشعات ناشی از حرکات خود را می باشد که توسط سنسورهای حرکتی این ارتشعات به

الکتریسیته تبدیل می شود که در بیشتر خودرو های الکتریکی از این نوع شارژ به که شارژ معکوس معروف

است نیز استفاده می شود.

به طور کلی خودرو های الکتریکی کاملا مفید کارآمد هستند اما در حال حاضر با پیشرفت تکنولوژی همچنان باتری مورد استفاده در آنها پیشرفت چندانی نکرده است به این خاطر خودروهای هیبرید  از تمام خودروهای الکتریکی دیگر محبوبیت بیشتری دارند .