آشنایی با سیستمهای ترمز احیا شونده (Regenerative Braking)
سیستمهای ترمز احیا شونده به عنوان یکی از فناوریهای نوین در بهینهسازی مصرف انرژی خودروهای مدرن، نقشی حیاتی در بهبود بازدهی و کاهش آلایندگی دارند. با افزایش استفاده از خودروهای هیبریدی و الکتریکی، این سیستمها اهمیت بیشتری یافتهاند. در این مقاله با ساختار، عملکرد، انواع و مزایای سیستمهای ترمز احیا شونده آشنا میشویم و به بررسی جنبههای فنی آنها میپردازیم.
۱. مقدمهای بر ترمز احیا شونده
ترمز احیا شونده یا Regenerative Braking به سیستمی گفته میشود که هنگام استفاده از ترمز، انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در باتری ذخیره میکند، به جای آنکه این انرژی به صورت حرارت در ترمزهای سنتی از بین برود. این فناوری به ویژه در خودروهای الکتریکی (EV) و هیبریدی (HEV) استفاده میشود.
۱.۱ ضرورت استفاده از ترمزهای احیا شونده
- کاهش مصرف سوخت: با بازگرداندن انرژی ترمز به باتری، خودرو میتواند از انرژی ذخیره شده برای حرکت مجدد استفاده کند و این باعث کاهش مصرف سوخت میشود.
- کاهش آلودگی محیط زیست: با بهبود کارایی سیستم انرژی، انتشار گازهای گلخانهای کاهش مییابد.
- افزایش عمر ترمزهای مکانیکی: با استفاده کمتر از ترمزهای سنتی، اصطکاک و فرسودگی لنتها کمتر میشود.
۲. اصول عملکرد سیستم ترمز احیا شونده
در خودروهای مجهز به ترمز احیا شونده، موتور الکتریکی نقش دوگانهای دارد: در حالت حرکت، به عنوان موتور عمل میکند و خودرو را حرکت میدهد، و در حالت ترمز، به عنوان ژنراتور فعالیت میکند و انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
۲.۱ تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی
هنگام ترمزگیری، چرخها تحت فشار قرار گرفته و به موتور الکتریکی فرمان داده میشود تا به صورت معکوس بچرخد. این مقدار حرکت دورانی در ژنراتور تبدیل به جریان الکتریکی میشود که سپس به باتری ارسال و ذخیره میگردد.
۲.۲ مدیریت جریان انرژی
میکروکنترلرهای خودرو مدیریت جریان انرژی به باتری را بر عهده دارند. بسته به وضعیت شارژ باتری، مقدار ترمز احیا شونده تنظیم میشود تا از شارژ بیش از حد یا تخلیه ناگهانی جلوگیری شود.
۳. اجزا و ساختار سیستم ترمز احیا شونده
سیستمهای ترمز احیا شونده شامل چند بخش مهم هستند که عبارتند از:
۳.۱ موتور/ژنراتور الکتریکی
این قطعه اصلی سیستم است که قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بالعکس را دارد. معمولاً موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) یا موتورهای القایی در این سیستم به کار میروند.
۳.۲ باتری ذخیره انرژی
باتریها انرژی حاصل از ترمز احیا شونده را ذخیره میکنند. در خودروهای الکتریکی از باتریهای لیتیوم-یون با ظرفیت و نرخ شارژ بالا استفاده میشود تا عملکرد بهینه داشته باشند.
۳.۳ واحد کنترل الکترونیکی (ECU)
این واحد وظیفه مدیریت و کنترل جریان انرژی، تشخیص شرایط ترمزگیری و هماهنگی با سیستم ترمز مکانیکی را دارد.
۳.۴ سیستم ترمز مکانیکی تکمیلی
به دلیل محدودیتهای سیستم احیا شونده، ترمز مکانیکی همچنان برای توقف کامل یا ترمزهای شدید ضروری است.
۴. انواع سیستمهای ترمز احیا شونده
بسته به نوع خودرو و معماری سیستم، ترمز احیا شونده به دستههای مختلفی تقسیم میشود:
۴.۱ ترمز احیا شونده در محور عقب یا جلو
برخی خودروها این سیستم را تنها در محورهای محرک به کار میبرند. مثلاً در خودروی هیبریدی با محور محرک جلو، فقط ترمز احیا شونده روی چرخهای جلو فعال است.
۴.۲ ترمز احیا شونده همزمان با ترمز مکانیکی
در این روش، سیستم به گونهای طراحی شده که هنگام ترمز، بخشی از نیروی ترمز توسط ترمز احیا شونده و بخشی توسط ترمز مکانیکی تامین میشود. این ترکیب به افزایش کارایی و ایمنی کمک میکند.
۴.۳ ترمز احیا شونده ارتقا یافته (با سیستمهای بازیابی انرژی حرارتی)
برخی خودروهای پیشرفته علاوه بر بازیابی انرژی جنبشی، از بازیابی انرژی حرارتی نیز بهره میبرند تا بیشترین بازدهی را ایجاد کنند.
۵. مزایا و محدودیتهای ترمز احیا شونده
۵.۱ مزایا
- افزایش بهرهوری خودرو: بازیابی انرژی و استفاده مجدد آن باعث کاهش مصرف انرژی کلی میشود.
- کاهش استهلاک قطعات ترمز: ترمز احیا شونده شروع فرسودگی قطعات مکانیکی را به تعویق میاندازد.
- کاهش انتشار آلایندهها: خودروهایی با ترمز احیا شونده آلودگی کمتری نسبت به خودروهای سنتی دارند.
- بهبود عملکرد خودروهای هیبریدی و الکتریکی: بهرهبرداری بهتر از باتری و افزایش برد پیمایش خودرو.
۵.۲ محدودیتها
- وابستگی به وضعیت باتری: در صورت شارژ کامل باتری، ترمز احیا شونده غیر فعال شده و انرژی بازیابی نمیشود.
- کارایی کمتر در سرعتهای پایین: در سرعتهای بسیار پایین و توقف کامل، بازده بازیابی انرژی کاهش مییابد.
- پیچیدگی و هزینههای تولید: طراحی و نصب سیستمهای ترمز احیا شونده هزینه و پیچیدگی فنی بالایی دارد.
۶. مثالهای کاربردی و تحقیقاتی
۶.۱ ترمز احیا شونده در تویوتا پریوس (Toyota Prius)
خودروی هیبریدی تویوتا پریوس یکی از پیشگامان استفاده از سیستم ترمز احیا شونده است. این خودرو از موتور الکتریکی برای بازیابی انرژی در هنگام کاهش سرعت استفاده میکند و این انرژی را در باتری نیکل-فلز هیدریدی ذخیره میکند. نمونه کاربرد آن باعث افزایش بازدهی سوخت تا حدود 20% شده است.
۶.۲ استفاده در خودروهای الکتریکی تسلا
خودروهای تسلا به دلیل بهرهمندی از باتریهای لیتیوم-یون پیشرفته، ترمز احیا شونده بسیار کارآمدی دارند. هنگام ترمزگیری، موتورهای الکتریکی به ژنراتور تبدیل شده و انرژی الکتریکی تولید شده به سرعت به باتری بازگردانده میشود، که هم باعث افزایش برد و هم کاهش فرسودگی ترمزها میشود.
۶.۳ تحقیقات اخیر در بازیابی انرژی با ترمز احیا شونده
پژوهشها در زمینه افزایش بازدهی سیستمهای ترمز احیا شونده بر استفاده از کنترلهای هوشمند، بهینهسازی موتورهای الکتریکی و توسعه باتریهای با قابلیت شارژ سریع متمرکز است. مثلاً پروژههای مبتنی بر یادگیری ماشین برای بهبود نحوه توزیع نیروی ترمز بین سیستم احیا شونده و ترمز مکانیکی انجام میشود.
۷. نکات فنی در طراحی و بهکارگیری سیستم ترمز احیا شونده
۷.۱ انتخاب نوع موتور الکتریکی
موتورهای سنکرون مغناطیس دائم به دلیل گشتاور بالا و بازدهی مناسب در سرعتهای کم، گزینه بهتری برای ترمز احیا شونده هستند، در حالی که موتورهای القایی به دلیل ساختار سادهتر هزینه کمتری دارند اما بازده کمتری دارند.
۷.۲ مدیریت حرارتی سیستم
طراحی سیستم خنککننده موثر برای موتور و اینورتر الزامی است، زیرا در حالت ترمز احیا شونده، فشار حرارتی به دلیل عملکرد معکوس موتور افزایش مییابد.
۷.۳ هماهنگی با ترمز مکانیکی
سیستمهای کنترل باید به گونهای طراحی شوند که انتقال نرم و ایمن بین سیستم ترمز احیا شونده و ترمز مکانیکی صورت گیرد تا از وقوع ضربههای ناگهانی یا کاهش ناگهانی سرعت جلوگیری شود.
۷.۴ سنسورها و سیستمهای تشخیص
سنسورهای سرعت چرخ، شتاب، گشتاور موتور و وضعیت باتری به ECU اطلاعات لازم را برای تصمیمگیری بهینه فراهم میکنند.
۸. نتیجهگیری
ترمز احیا شونده یکی از فناوریهای حیاتی در خودروهای هیبریدی و الکتریکی است که به طور قابل توجهی به بهبود کارایی انرژی، کاهش آلایندگی و افزایش عمر قطعات مکانیکی کمک میکند. با پیشرفت فناوری باتریها و موتورهای الکتریکی، این سیستم به سمت بهبودهای بیشتر و یکپارچهتر شدن با سیستمهای مدیریتی خودرو حرکت میکند. توسعه سیستمهای هوشمند کنترل ترمز احیا شونده و هماهنگی با سایر اجزا زمینه نوآوریهای آینده در صنعت خودرو خواهد بود.