تکنولوژی باتری استارت-استاپ در خودروهای مدرن

با پیشرفت روزافزون فناوری‌های خودرویی و الزام‌های زیست‌محیطی، کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای آلاینده از اولویت‌های صنعت خودرو به حساب می‌آید. یکی از راهکارهای مؤثر در این زمینه، استفاده از سیستم استارت-استاپ و به تبع آن، تکنولوژی باتری استارت-استاپ می‌باشد. در این مقاله به بررسی جامع این تکنولوژی، ساختار فنی، عملکرد، مزایا و معایب آن خواهیم پرداخت.

مقدمه‌ای بر سیستم استارت-استاپ

سیستم استارت-استاپ (Start-Stop) به سیستمی گفته می‌شود که موتور خودرو را به طور اتوماتیک هنگام توقف‌های موقت (مانند چراغ قرمز یا ترافیک) خاموش کرده و به محض نیاز، مجدداً روشن می‌کند. این اقدام موجب کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی می‌گردد.

ضرورت استفاده از سیستم استارت-استاپ

در حالت عادی، خاموش ماندن موتورها هنگام توقف باعث صرفه‌جویی در سوخت می‌شود. با این وجود، استارت مکرر موتور نیازمند سیستم‌های الکترونیکی و باتری‌های پیشرفته است که توان تامین جریان قوی و عمر طولانی داشته باشند. این موضوع باعث توسعه باتری استارت-استاپ شده است.

باتری استارت-استاپ چیست؟

باتری استارت-استاپ نوع ویژه‌ای از باتری‌های خودرویی است که برای پشتیبانی از عملکردهای استارت-استاپ طراحی شده‌اند. در مقایسه با باتری‌های معمولی، این باتری‌ها باید قابلیت تحمل تعداد زیادی استارت در طول روز، قابلیت شارژ سریع و جریان‌های جریان بلند (High Cranking Power) بیشتری داشته باشند.

انواع باتری استارت-استاپ

• باتری‌های AGM (Absorbent Glass Mat): این باتری‌ها از الکترولیت جذب شده در بین لایه‌های شیشه‌ای ساخته شده‌اند و مقاومت داخلی پایین، طول عمر بالا و جریان دمایی قوی دارند.
• باتری‌های EFB (Enhanced Flooded Battery): باتری‌های سرب اسیدی بهینه‌شده با ویژگی‌هایی بهتر نسبت به باتری‌های معمولی که هزینه کمتری نسبت به AGM دارند.
• باتری‌های لیتیوم-یون: در خودروهای هیبرید و برقی به دلیل وزن کم، ظرفیت بالا و شارژ سریع کاربرد دارند؛ اما هزینه آن بیشتر است.

ویژگی‌های مورد نیاز باتری استارت-استاپ

باتری استفاده شده در سیستم استارت-استاپ باید:

• توانایی تحمل سیکل‌های زیاد استارت و شارژ را داشته باشد (بیش از 30 هزار سیکل در AGM).
• شارژ سریع و به موقع انجام دهد تا در کمترین زمان انرژی لازم را ذخیره کند.
• توان تولید جریان بسیار بالا را در لحظه استارت داشته باشد.
• در دماهای مختلف عملکرد پایدار داشته باشد.
• طول عمر بالایی نسبت به باتری‌های سربی معمولی داشته باشد.

عملکرد فنی باتری استارت-استاپ

سیستم استارت-استاپ نیازمند دو عملکرد اصلی از باتری است:

1. خصوصیت جریان لحظه‌ای بالا: برای روشن کردن موتور باید جریان بالایی در کسری از ثانیه تامین شود.
2. ظرفیت ذخیره انرژی قابل توجه: باتری باید توانایی تامین انرژی سیستم‌های الکترونیکی خودرو در هنگام خاموش بودن موتور را داشته باشد.

نقش مدیریت باتری (Battery Management System - BMS)

یک جزء حیاتی در این تکنولوژی، سامانه مدیریت باتری است که وظایف زیر را برعهده دارد:

• کنترل سطح شارژ و جلوگیری از تخلیه بیش از حد باتری.
• مدیریت شارژ توسط دینام در زمان روشن بودن موتور.
• تشخیص دما و وضعیت باتری جهت حفظ عمر مفید آن.
• ارتباط با سیستم کنترل موتور جهت هماهنگی عملیات استارت-استاپ.

مراحل عملکرد سیستم استارت-استاپ

1. تشخیص توقف موقت توسط سنسورهای خودرو مانند ترمز، دنده و سرعت.
2. خاموش کردن موتور و تغییر وضعیت باتری به حالت تامین انرژی تجهیزات الکترونیکی.
3. از سرگیری مجدد موتور بلافاصله پس از برداشتن پا از روی ترمز یا قرار گرفتن در حالت حرکت.

مزایای استفاده از باتری استارت-استاپ

پیاده‌سازی این تکنولوژی در خودروهای مدرن باعث ایجاد مزایای متعددی شده است که عبارت‌اند از:

کاهش مصرف سوخت

خاموش شدن موتور در توقف‌های مکرر سبب کاهش مصرف سوخت تا حدود 5-15 درصد می‌شود، که بسته به شرایط رانندگی و شهر متفاوت است.

کاهش آلایندگی

کاهش زمان روشن بودن موتور، کاهش انتشار CO₂، NO_x و ذرات معلق را در پی دارد که از اهداف محیط زیستی است.

افزایش طول عمر موتور و قطعات وابسته

با کمتر روشن و خاموش کردن دستی موتور توسط راننده، استارت‌ها به صورت کنترل‌شده و بهینه انجام شده و فرسایش کمتر اتفاق می‌افتد.

ارتقاء کارایی سیستم‌های الکترونیکی خودرو

باتری‌های پیشرفته‌تر توان تامین برق سیستم‌های پیشرفته مانند تهویه، سیستم‌های کمکی رانندگی و ناوبری را حتی در حالت خاموشی موتور فراهم می‌کنند.

معایب و چالش‌های باتری استارت-استاپ

با وجود مزایا، این تکنولوژی محدودیت‌هایی نیز دارد که باید مد نظر قرار گیرد:

هزینه بالاتر باتری‌های استارت-استاپ

باتری‌های AGM و لیتیوم-یون بسیار گران‌تر از باتری‌های سربی معمولی هستند که می‌تواند هزینه نگهداری خودرو را افزایش دهد.

نیاز به تعویض زودهنگام

باتری‌های استارت-استاپ پس از حدود 4-6 سال ممکن است نیاز به تعویض داشته باشند که کمتر از عمر باتری‌های معمولی است.

پیچیدگی تعمیرات و نگهداری

سیستم‌های مدیریت باتری پیچیدگی‌هایی ایجاد کرده‌اند که مستلزم تخصص بیشتر خدمات پس از فروش است.

مشکلات عملکرد در شرایط آب و هوایی سخت

دمای بسیار پایین یا بسیار بالا می‌تواند عملکرد باتری‌های استارت-استاپ را کاهش دهد و نیاز به سیستم‌های حفاظتی بیشتری دارد.

نقش تکنولوژی باتری استارت-استاپ در آینده خودروها

با افزایش استفاده از خودروهای هیبرید و الکتریکی، تکنولوژی باتری استارت-استاپ در حال تکامل است. در آینده نزدیک شاهد ترکیب این تکنولوژی با سامانه‌های بازیابی انرژی ترمز و باتری‌های با ظرفیت بیشتر خواهیم بود.

استفاده در خودروهای هیبرید ملایم (Mild Hybrid)

در این خودروها، باتری استارت-استاپ نقش کلیدی در کاهش مصرف سوخت و افزایش عملکرد بهینه دارد، مانند سیستم‌های 48 ولتی که توانایی استارت سریع، شارژ انرژی بازگشتی و تأمین برق اضافی را دارند.

نگاه به باتری‌های لیتیوم-یونی و فناوری‌های نوین

باتری‌های لیتیوم-یونی با وزن کم، عمر بیشتر و شارژ سریع‌تر جایگزین مناسبی برای فناوری‌های فعلی خواهند بود اما همچنان هزینه بالای تولید چالش اصلی است.

نتیجه‌گیری

تکنولوژی باتری استارت-استاپ یکی از پیشرفت‌های مهم صنعت خودروسازی است که همزمان با سیستم استارت-استاپ باعث کاهش محسوس مصرف سوخت و آلایندگی خودروها می‌شود. این تکنولوژی با بهره‌گیری از باتری‌های پیشرفته و سیستم‌های مدیریت هوشمند، زمینه‌ای برای خودروهای اقتصادی‌تر و دوستدار محیط زیست فراهم کرده است. با وجود برخی محدودیت‌ها مانند هزینه بالاتر و نیاز به نگهداری تخصصی، روند پیشرفت این فناوری نویدبخش آینده‌ای پاک‌تر و بهینه‌تر در حمل و نقل شهری محسوب می‌شود.

منابع و مراجع

• Battery University - Start-Stop Batteries
• Exide Technologies - Start Stop Technology
• Autovolution - What Is Start-Stop System In Cars
• کتاب مهندسی الکترونیک خودرو، دکتر حسین حسینی، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف