آشنایی با موتورهای کمکی در خودروهای برقی
امروزه خودروهای برقی به عنوان یکی از راهکارهای اصلی برای کاهش آلودگی هوا و وابستگی به سوختهای فسیلی مطرح شدهاند. در این میان موتورهای کمکی (Auxiliary Motors) نقش مهمی در بهبود عملکرد، افزایش بازدهی و ارتقای تجربه رانندگی در خودروهای برقی ایفا میکنند. در این مقاله، به صورت جامع و تخصصی با ساختار، عملکرد، انواع و کاربردهای موتورهای کمکی در خودروهای برقی آشنا خواهیم شد.
مفهوم موتور کمکی در خودروهای برقی
موتورهای کمکی در خودروهای برقی تجهیزاتی هستند که در کنار موتور اصلی قرار میگیرند تا وظایف خاصی مانند تأمین نیروی محرکه جانبی، بهبود پرفورمنس، افزایش راندمان یا حمایت از سیستمهای مختلف خودرو را انجام دهند. این موتورها معمولاً ابعاد کوچکتر، توان پایینتر و طراحی متفاوتی نسبت به موتور اصلی دارند.
برای مثال، در خودروهای هیبریدی، موتورهای کمکی میتوانند نقش موتور الکتریکی ثانویه را داشته باشند که به سیستم رانندگی کمک میکند؛ یا در خودروهای تمام الکتریکی، موتورهای کمکی ساختارهایی نظیر پیشرانه محور عقب را به عهده دارند تا توزیع نیرو بهینه شود.
انواع موتورهای کمکی در خودروهای برقی
1. موتورهای کمک رانش (Torque Assist Motors)
این نوع موتورها معمولاً برای افزایش گشتاور و بهبود شتاب خودرو استفاده میشوند. در خودروهای هیبریدی پلاگین و برقی با سیستم محرکه دو موتوره، یکی از این موتورهای کمکی میتواند در محور عقب نصب شود تا علاوه بر توزیع بهتر نیرو، عملکرد دینامیکی بهتری ارائه دهد.
نمونه فنی: در خودروی Tesla Model S Dual Motor، موتور کمکی محور عقب به صورت دقیق کنترل میشود تا در حالتهایی مثل شتابگیری ناگهانی یا فرماندهی پیچ، گشتاور مکمل موتور جلو فراهم شود.
2. موتورهای پمپ و سیستمهای جانبی
موتورهای کمکی دیگری هم وجود دارند که نه برای رانش خودرو بلکه برای تغذیه سیستمهای جانبی مثل پمپهای هیدرولیک، کمپرسورهای سیستم تهویه مطبوع (AC)، سیستم فرمان الکتریکی (EPS) و پمپ روانکاری استفاده میشوند. این موتورها انرژی کمتری مصرف کرده و به صورت مستقل از موتور اصلی عمل میکنند.
3. موتورهای بوستر حرارتی
در برخی خودروهای برقی که سیستم گرمایش هیبریدی دارند، موتورهای کمکی حرارتی با هدف تولید گرمای اضافی برای کابین، به ویژه در فصول سرد استفاده میشوند. این موتورها به بهبود راحتی حرارتی کمک کرده و در زمانهایی که باتری در دمای پایین کارایی کاهش یافته است، مفید واقع میشوند.
ساختار و اصول عملکرد موتورهای کمکی
موتورهای کمکی در خودروهای برقی معمولاً از نوع موتورهای الکتریکی براشلس DC (BLDC) یا موتورهای سنکرون آهنربای دائمی (PMSM) هستند. این موتورها به دلیل بازدهی بالا، اندازه کوچک و قابلیت کنترل دقیق، گزینههای مناسبی برای سیستمهای کمکی به شمار میروند.
موتور BLDC (Brushless DC Motor)
این موتور بدون جاروبک و با استفاده از آرایش سیمپیچی در استاتور و آهنرباهای دائمی در روتور عمل میکند. کنترل سرعت توسط اینورتر و سیستمهای الکترونیکی میسر است. مزایای آن شامل عمر طولانی، نویز کم، و بازده بالا است.
موتور PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor)
موتور PMSM نیز از آهنرباهای دائمی روی روتور بهره میبرد اما به صورت سنکرون کار میکند. این موتور در موتورهای کمکی خودروهای برقی به دلیل پاسخدهی سریع، کنترل دقیق و بازده بالا مورد استفاده است.
مدیریت حرارتی
موتورهای کمکی، هرچند توان پایینتری نسبت به موتور اصلی دارند، اما به دلیل تراکم توان بالا، نیازمند سیستم مدیریت حرارتی موثر هستند. استفاده از خنککنندههای مایع (Water Cooling) یا هوا (Air Cooling) در طراحی این موتورها رایج است.
کاربرد موتورهای کمکی در بهبود عملکرد خودروهای برقی
بهبود شتاب و پرفورمنس
با استفاده از موتورهای کمکی در محور دوم، به عنوان مثال محور عقب در یک سیستم دو موتوره، میتوان شتاب خودرو را بدون افزایش حجم یا وزن موتور اصلی بهبود داد. این نوع معماری به نام "All-Wheel Drive الکتریکی" شناخته میشود و امکان کنترل گشتاور چرخها به صورت مستقل را فراهم میکند.
کاهش مصرف انرژی و افزایش برد خودرو
موتورهای کمکی میتوانند در شرایطی که موتور اصلی نیاز به عملکرد کامل ندارد، وارد مدار شده و به کاهش بار موتور اصلی کمک کنند. همچنین، این موتورها امکان استفاده از بهینهسازیهای لحظهای در مصرف انرژی و بازیابی انرژی ترمز (Regenerative Braking) را افزایش میدهند.
پشتیبانی از سیستمهای جانبی
موتورهای کمکی وظیفه تأمین انرژی سیستمهای جانبی را نیز بر عهده دارند، که باعث کاهش بار اضافی روی موتور اصلی و بالتبع افزایش عمر مفید اجزای موتور و باتری میشود.
مثالهای کاربردی موتورهای کمکی در خودروهای مشهور
مرسدس بنز EQS
در مرسدس EQS که یک خودرو تمام برقی لوکس است، از موتور کمکی بر روی محور عقب استفاده شده که به صورت هوشمند همراه با موتور جلو ترکیب شده و امکان عملکرد چهارچرخ محرک با کنترل گشتاور دقیق را فراهم میکند. این سیستم باعث انتقال بهتر نیرو و افزایش ایمنی در پیچها میشود.
تسلا مدل سه (Tesla Model 3)
نسخه دو موتوره تسلا مدل ۳ دارای یک موتور کمکی در محور عقب است که با موتور اصلی محور جلو همکاری کرده و شتاب بسیار سریع را رقم میزند. کنترل الکترونیکی پیشرفته موجب مدیریت دقیق نوسانات گشتاور و افزایش پایداری خودرو میگردد.
چالشها و راهکارهای طراحی موتورهای کمکی
محدودیتهای اندازه و وزن
در خودروهای برقی، فضا محدود و وزن کلی خودرو باید حداقل باقی بماند. طراحی موتور کمکی باید کامپکت و سبک باشد تا اضافه بار وزنی ایجاد نکند. استفاده از مواد سبک مانند آلومینیوم، فلزات با چگالی پایین و طراحی بهینه مغناطیسی از راهکارهای متداول هستند.
مدیریت حرارتی
حرارت تولید شده در موتورهای کمکی باید به خوبی مدیریت شود تا از آسیب به سیمپیچها و مگنتها جلوگیری گردد. به کارگیری سیستمهای خنککننده مایع، استفاده از سنسورهای دما و الگوریتمهای محافظت حرارتی از موارد کلیدی است.
کنترل الکترونیکی پیچیده
موتورهای کمکی به دلیل کار در کنار موتور اصلی نیازمند الگوریتمهای پیچیده کنترل هماهنگ هستند. این مسئله مستلزم استفاده از کنترلرهای DSP قدرتمند، الگوریتمهای پیشرفته MPC (Model Predictive Control) و ارتباطات سریع شبکهای (مانند CAN و FlexRay) است.
آینده موتورهای کمکی در خودروهای برقی
با پیشرفت فناوری باتریها و سیستمهای الکترونیکی، انتظار میرود موتورهای کمکی نقش کلیدیتری در خودروهای برقی ایفا کنند. توسعه موتورهای پرتوانتر ولی کوچکتر، استفاده گستردهتر در انواع سیستمهای چهارچرخ محرک و بهبود الگوریتمهای کنترل، از چشماندازهای مهم پیش رو هستند.
به علاوه، فناوریهای نوینی مانند موتورهای با آهنربای نئودیمیوم با خاصیت مغناطیسی بالا، استفاده از مواد سوپرکانداکتور در سیستمهای موتور و بهبود روشهای خنککاری، به افزایش کارایی موتورهای کمکی کمک خواهد کرد.
نتیجهگیری
موتورهای کمکی در خودروهای برقی یک عضو حیاتی برای بهبود عملکرد، مصرف انرژی و ارائه تجربه رانندگی پیشرفته هستند. شناخت دقیق انواع این موتورها، ساختار و کنترل آنها برای مهندسین خودرو و علاقهمندان به تکنولوژی برقی بسیار ضروری است. با گسترش بازار خودروهای برقی، نقش این موتورها بیش از پیش پررنگ شده و نوآوریهای فراوانی را به دنبال خواهد داشت.