تفاوت‌های میان باطری خودروهای برقی و هیبریدی
باطری خودروهای برقی و هیبریدی از لحاظ عملکرد، نحوه شارژ شدن، طول عمر، مدت زمان ذخیره انرژی و توان خروجی با یکدیگر تفاوت دارند. در این مقاله پیش از بررسی تفاوت میان باطری خودروهای الکتریکی و هیبریدی، به معرفی انواع باطری در خودروهای برقی و هیبریدی می‌پردازیم. سپس مشخصات و عملکرد باطری در ماشین برقی و هیبریدی و نیز عوامل موثر بر عملکرد و قیمت این نوع باطری‌ها را مرور می‌کنیم.
انواع باطری‌ها و مشخصات آنها در خودروی الکتریکی
باطری را می‌توان قلب ماشین برقی در نظر گرفت که روشن نگه داشتن موتور و شارژدهی آن هنگام حرکت را بر عهده دارد. این باطری‌ها انواع مختلفی دارند که عبارتند از:
- باطری لیتیوم یونی: اکثر خودروهای برقی از این نوع باطری استفاده می‌کنند. این باطری‌ها که قابل شارژ هستند، از ظرفیت زیاد و چگالی انرژی مناسب برخوردار می‌باشند اما عمر مفید کمتری دارند.
- باطری اسیدی: هزینه‌های اولیه باطری‌های اسیدی نسبت به سایر باطری‌ها کمتر است بنابراین بیشتر مورد استقبال خودروسازان قرار می‌گیرد. این نوع باطری‌ها قابلیت شارژ دارند اما انرژی کمی در خود ذخیره می‌کنند.
- باطری نیکل- آهن: عمر مفید این باطری به بیش از ۲۰ سال می‌رسد و می‌توان آن را به صورت مداوم شارژ کرد. باطری نیکل- آهن با هزینه بالایی تولید می‌شود و گارانتی ضعیفی دارد.
- باطری نیکل- کادمیم: این نوع باطری که قابل شارژ است، در لوازم الکتریکی مانند گوشی همراه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- باطری نیکل- هیدرید فلز: از آنجا که ذخیره‌سازی انرژی در این باطری توسط هیدروژن، نیکل و تیتانیوم انجام می‌شود، هزینه ساخت آن نسبت به باطری لیتیوم یونی کمتر است.
مزایا و معایب باطری خودروهای الکتریکی
باطری ماشین الکتریکی از مواد شیمیایی مضر ساخته شده است که زمان دفع، باعث آلودگی محیط زیست می‌شود. با این حال کارشناسان معتقد هستند خودروهای برقی نسبت به خودروهای بنزینی آلودگی کمتری ایجاد می‌کنند. یکی از مزایای باطری خودروهای برقی، تولید مجدد برق توسط آنها است بنابراین با استفاده از این خودروها بازآفرینی انرژی امکان‌پذیر است. مزیت دیگر باطری خودروهای برقی این است که در خانه و با سلول خورشیدی نیز قابل شارژ می‌باشد. همچنین طول عمر مناسب این نوع باطری‌ها به عنوان یک مزیت مطرح می‌شود.اما در کنار این مزایا، خودروهای برقی یک عیب بزرگ دارند. چه عیبی؟ تعویض باطری لیتیومی که هزینه سرسام‌آوری را به صاحب خودرو تحمیل می‌کند و گاهی این هزینه به قیمت یک ماشین بنزینی هم می‌رسد.از دیگر معایب باطری خودروهای برقی می‌توان به ظرفیت محدود شارژ آنها اشاره کرد. همچنین خودروهای برقی برد مسافتی محدودی دارند و برای سفرهای طولانی چندان مناسب به نظر نمی‌رسند. محدوده حرکتی بیشتر خودروهای برقی بین 160 تا 200 کیلومتر است اما تسلا در مدل S خود برد مسافتی 540 کیلومتر را ارائه داده است.
عملکرد باطری خودروهای الکتریکی چگونه است؟
نحوه عملکرد باطری خودروی برقی به این صورت است که یون‌های لیتیوم بین الکترود مثبت یعنی کاتد و الکترود منفی یا آند مبادله می‌شوند. جنس کاتد از لیتیوم و جنس آند از گرافیت می‌باشد.
ساختار باطری خودروهای برقی به این صورت است که هر باطری بزرگ از چندین باطری کوچک‌تر ساخته می‌شود که به آنها سلول می‌گویند. صفحات کاتد و آند درون سلول بدون آب قرار دارند تا از اورشارژ و دشارژ باطری جلوگیری شود.
سلول‌های باطری ماشین برقی توسط سیستمی به نام سیستم مدیریت باطری مدیریت می‌شوند. این سیستم، گزارش‌های مربوط به خرابی باطری‌ها یا سلول‌ها، دمای هر سلول و میزان شارژ هر باطری را به ECU یا واحد کنترل موتور ارسال می‌کند. با این اتفاق سرعت شارژ خودرو سریع‌تر و متعادل‌تر انجام خواهد شد. به طور کلی در خودروهای برقی هیچ‌گاه از حداکثر ظرفیت باطری استفاده نمی‌شود یعنی باطری ماشین 100 درصد شارژ یا خالی نمی‌گردد.
چه عواملی روی عملکرد باطری خودروی برقی تاثیر دارد؟
عوامل مختلفی روی عملکرد باطری خودروهای برقی تاثیر می‌گذارند که از جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مدت زمان شتاب‌گیری: هر چه مدت زمان شتاب‌گیری بیشتر باشد، شارژ باطری سریع‌تر خالی می‌شود. بنابراین توصیه می‌شود از شتاب‌گیری اضافی پرهیز کنید.
- سرعت رانندگی: این عامل برای باطری‌های لیتیوم یونی حیاتی است. چرا؟ چون سرعت بالا، شتاب زیاد به همراه دارد و شتاب بیش از حد استاندارد باعث از بین رفتن شارژ باطری می‌شود. رانندگی با سرعت استاندارد از باطری در برابر آسیب و تخلیه کامل محافظت می‌کند.
- وزن باری که به ماشین وارد می‌گردد: منظور از بار، آدم‌ها و وسائل اضافی هستند که در صورت سنگینی بیش از اندازه، انرژی بیشتری برای رسیدن به سرعت موردنظر نیاز است. با توجه به اینکه انرژی از طریق باطری تامین می‌شود در نتیجه با مصرف بیشتر، باطری به سرعت تخلیه خواهد شد.
- سرما و گرمای زیاد: در دمای بسیار پایین یا گرمای زیاد، باطری عملکرد مناسب خود را از دست می‌دهد. اگر در چنین شرایطی بخاری یا کولر هم روشن باشد، نیروی الکتریکی باطری سریع‌تر تخلیه می‌شود.
برخی از عواملی که در بالا ذکر شد مانند رانندگی با سرعت بالا و آب و هوای سرد باعث کاهش محدوده حرکتی خودروهای برقی می‌شوند. توجه داشته باشید این عوامل بر عملکرد باطری خودروهای هیبریدی نیز تاثیر دارند. در ادامه با این نوع باطری‌ها بیشتر آشنا خواهید شد.
مشخصات ماشین‌های هیبریدی
پیش از بررسی مشخصات ماشین هیبریدی، باید بدانید این ماشین‌ها دارای یک سیستم ترکیبی موتور بنزینی، موتور الکتریکی و باطری هستند. از آنجا که کلمه هیبرید به معنای ترکیب دو عنصر متفاوت است، به این ماشین‌ها هیبریدی می‌گویند. خودروی هیبریدی که ماشین سبز نیز نامیده می‌شود، انرژی الکتریکی تولید شده توسط موتور را در باطری ذخیره کرده و با ترکیب انرژی احتراقی بنزین یا گازوئیل کار می‌کند.
ویژگی‌های زیر را می‌توان برای ماشین هیبریدی برشمارد:
- موتور بنزینی در ماشین هیبریدی سوخت کمتری مصرف می‌کند، سبک‌تر است و در حالت بالا رفتن از سربالایی و شتاب گرفتن به کمک موتور برقی می‌آید.
- خودروهای هیبریدی آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌کنند.
- این خودروها صدای کمی تولید می‌کنند. حتی زمانی که ماشین روشن و در حال حرکت است، به سختی متوجه صدای خودرو می‌شوید.
- باطری خودروهای هیبریدی، در هوای سرد راندمان کمتری دارند.
- ظرفیت اصلی باطری خودروی هیبریدی در ۵ سال اول به اندازه ۷۰ درصد کمتر می‌شود. بنابراین بین ۸ تا ۱۰ سال پس از خرید ماشین هیبریدی، باطری قابل استفاده است.
- تمامی خودروهای هیبریدی از ترمز احیاکننده استفاده می‌کنند. این روش راهی برای بازگرداندن بخشی از انرژی جنبشی می‌باشد که خودرو در زمان حرکت از دست داده است.
- در خودروهای هیبریدی امکان رانندگی با یک پدال فراهم می‌شود. به عنوان مثال وقتی تصمیم می‌گیرید توقف کنید به جای فشار روی پدال ترمز می‌توانید پای خود را از روی پدال گاز بردارید.
- قیمت باطری خودروی هیبریدی به عواملی مانند کشور و شرکت سازنده باطری، نوع اتمی یا اسیدی بودن باطری، ظرفیت آمپراژ، تاریخ اعتبار گارانتی و تاریخ سال ساخت بستگی دارد.
خودروهایی مانند تویوتا پریوس، فورد فیوژن هیبرید، کیا اپتیما هیبرید، تویوتا کمری هیبرید، هیوندای سوناتا هیبرید، تویوتا کمری SE و XlE، لکسوسNXH300H و CT200H نمونه‌ای از خودروهای هیبریدی هستند.
نقش باطری در انواع خودروی هیبریدی
باطری در خودروی هیبریدی به عنوان وسیله ذخیره انرژی برای موتور الکتریکی ایفای نقش می‌کند. در این قسمت، ضمن آشنایی با انواع خودروهای هیبریدی، نقش باطری در هر یک از این انواع را بررسی می‌کنیم:
- هیبرید موازی: در هیبرید موازی، کار کردن همزمان دو موتور بنزینی و الکتریکی باعث حرکت خودرو می‌شود. زمانی که خودروی هیبریدی به موتور الکتریکی نیازی ندارد، این موتور به یک مولد برق تبدیل می‌شود و نیرو را به باطری‌ها برمی‌گرداند.
- هیبرید سری: در این نوع خودروی هیبریدی، انجام تمامی کارها بر عهده موتور الکتریکی است. موتور بنزینی در هیبرید سری نقش شارژ کردن باطری را بازی می‌کند بنابراین به طور مستقیم به سیستم انتقال قدرت متصل نمی‌شود. هیبرید سری نسبت به دیگر انواع خودروهای هیبریدی آلایندگی کمتری دارد.
- هیبرید سری موازی: در چنین سیستمی، رایانه خودرو دستور هماهنگی بین دو موتور بنزینی و الکتریکی را صادر می‌کند. در این هماهنگی گاهی فقط از موتور بنزینی یا موتور الکتریکی استفاده می‌شود و گاهی به منظور رفع نیازهای راننده هر دو موتور همزمان با هم کار می‌کنند.
- خودروی هیبریدی قابل شارژ: تفاوت این نوع ماشین با دیگر خودروهای هیبریدی، اضافه شدن باطری‌های بزرگ به سیستم با قابلیت شارژ مستقیم توسط برق شهری است. این نوع خودروها برای رانندگی گزینه مناسبی می‌باشند اما در مسافت‌های طولانی از لحاظ هزینه در مقایسه با خودروهای بنزینی مقرون به صرفه نیستند. در این خودرو می‌توانید بر اساس میزان شارژ باقی مانده از باطری ماشین، فقط از موتور الکتریکی یا بنزینی یا هر دو استفاده کنید. همچنین نگرانی بابت خالی شدن شارژ باطری و ماندن در راه وجود ندارد.
- خودروی هیبریدی ملایم: عملکرد این خودرو مشابه هیبرید موازی است. در این سیستم علاوه بر موتور الکتریکی، از باطری‌های بسیار کوچک برای شتاب‌دهی و افزایش قدرت موتور استفاده می‌کنند.
ماشین هیبریدی چگونه کار می‌کند؟
همان طور که اشاره شد در خودروهای هیبریدی یک پیشرانه احتراق داخلی به عنوان منبع اصلی تولید قدرت و یک موتور بنزینی در کنار موتور الکتریکی وجود دارد. موتور الکتریکی زمانی که به آرامی در حال چرخش است و موتور بنزینی هنگام چرخش سریع، قدرت زیادی را تولید می‌کنند. لازم به ذکر است که کارایی موتورهای الکتریکی ۳ تا ۴ برابر موتورهای بنزینی می‌باشد. بنابراین عملکرد ماشین هیبریدی در شرایط مختلف که در ادامه به آنها اشاره می‌شود، با یکدیگر متفاوت است.
در آغاز حرکت و زمان حرکت با سرعت پایین: در این مواقع تنها موتور الکتریکی وارد عمل می‌شود و می‌تواند بدون نیاز به مصرف بنزین، ماشین را حرکت دهد.
- حرکت در زمان شتاب‌گیری: وقتی خودرو شتاب می‌گیرد، موتور بنزینی وارد عمل می‌شود. بنابراین توان موتور الکتریکی و بنزینی در کنار هم به شتاب‌گیری سریع خودرو کمک می‌کند.
- حرکت در مسیر سربالایی: در مسیرهای سربالایی باید هر دو موتور بنزینی و الکتریکی فعال باشند تا ماشین بتواند به سمت بالا حرکت کند.
- حرکت با سرعت ثابت: در این حالت یکی از موتورهای بنزینی یا الکتریکی یا هر دو وارد عمل می‌شوند. اگر شارژ باطری در زمان حرکت با سرعت ثابت کم شود، موتور بنزینی در نقش ژنراتور ظاهر شده و باطری را شارژ می‌کند تا جهت استفاده بعدی در بالاترین میزان شارژ قرار گیرد.
- حرکت در مسیر سرپایینی: در این مسیر نیازی به موتور بنزینی نیست و نیروی موتور الکتریکی باعث چرخش چرخ‌ها و شارژ باطری می‌شود.
- زمان توقف: با توقف خودرو، موتور بنزینی به طور خودکار خاموش شده و موتور الکتریکی وارد عمل می‌شود. وظیفه موتور الکتریکی تبدیل انرژی جنبشی چرخ‌ها به انرژی الکتریکی برای ذخیره‌سازی در باطری است.
مقایسه باطری خودروهای برقی و هیبریدی
حال که با خودروهای برقی و هیبریدی آشنا شدید راحت‌تر می‌توانید باطری‌ها در این دو نوع خودرو را از جنبه‌های مختلف با هم مقایسه کنید.
- عملکرد: در خودروهای برقی نیروی برق به کمک باطری‌ها، موتور الکتریکی را فعال می‌کند و نیروی رانشی موتور به چرخ‌ها منتقل می‌شود. به عبارت دیگر خودروهای برقی فقط موتور الکتریکی دارند اما ماشین هیبریدی، ترکیبی از دو موتور بنزینی و الکتریکی است.
- نحوه شارژ شدن: خودروی برقی برای شارژ شدن باید توسط کابل مخصوص به برق شهری متصل شود اما خودروی هیبریدی برای شارژ باطری به منبع خارجی نیازی ندارد.
- طول عمر: باطری خودروهای برقی طول عمر بیشتری نسبت به باطری خودروهای هیبریدی دارند. باطری ماشین هیبریدی حداکثر بین ۸ تا ۱۰ سال پس از خرید خودرو قابل استفاده است در صورتی که عمر مفید باطری خودروهای الکتریکی به بیش از ۱۷ سال هم می‌رسد.
- مدت زمان ذخیره انرژی: باطری خودروهای هیبریدی می‌توانند هر لحظه توان قابل توجهی را آزاد کنند بنابراین مدت زمان کمتری انرژی را ذخیره می‌کنند. اما در سلول‌های باطری خودروی برقی به منظور افزایش شعاع حرکتی خودرو، انرژی برای مدت طولانی نگهداری می‌شود.
- توان خروجی و ظرفیت باطری: برای محاسبه نسبت توان به انرژی باطری باید ضخامت جمع‌کننده‌های جریان و پوشش‌های روی آنها مشخص شود. منظور از جمع کننده جریان، قسمت فلزی دو سر باطری است که جریان از طریق آن از باطری خارج و به آن وارد می‌شود. در خودروی هیبریدی به منظور تولید توان بالاتر پوشش‌ها نازک‌تر هستند تا الکترون‌ها سریع‌تر به باطری نفوذ کنند. اما در باطری خودروهای برقی از پوشش‌های ضخیم‌تر روی جمع‌کننده‌ها استفاده می‌شود تا هر سلول آهسته‌تر انرژی ذخیره شده را تخلیه کند. وقتی تخلیه کندتر باشد ظرفیت باطری افزایش پیدا می‌کند. بنابراین می‌توان گفت توان خروجی باطری در خودروهای هیبریدی و ظرفیت باطری در خودروهای برقی بیشتر است.