رازهای پیشرانه‌ الکتریکی: خودروهای برقی چطور کار می‌کنند؟

پیشرانه- خودروهای الکتریکی با عملکرد نرم و ساکت، گزینه‌ای جذاب برای دوری از هزینه‌های سرسام‌آور موتورهای بنزینی و کاهش تأثیرات زیست‌محیطی خودروهای درون‌سوز هستند. البته قیمت اولیه آنها فعلا کمی بالاست اما انتظار می‌رود با فراگیر شدن این خودروها به اضافه ارتقای بهره‌وری مالی و تکنولوژیک در فرایند ساخت باتری، قیمت ماشین‌های الکتریکی هم رفته‌رفته به حد معقول‌تری برسد. اما شاید برای شما سوال باشد که ماشین برقی چطور کار می‌کند. برای دریافت پاسخ این سوال در ادامه با وبسایت خبری «پیشرانه» همراه باشید.

اصول اولیه‌ی خودروهای الکتریکی

برخلاف خودروهای معمولی با موتور احتراق داخلی  که با بنزین کار می‌کنند، خودروهای الکتریکی نیازی به احتراق انفجاری سوخت برای تأمین انرژی حرکتی ندارند. در عوض، آن‌ها از انرژی الکتریکی ذخیره‌شده در باتری‌های خود برای چرخاندن شفت موتور الکتریکی متصل به چرخ‌ها و حرکت رو به جلو استفاده می‌کنند. به همین دلیل، خودروهای الکتریکی قطعات متحرک کمتری نسبت به خودروهای بنزینی دارند و به طور کلی نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارند. حتی دیگر نیازی به تعویض روغن هم ندارند.

انواع مختلفی از خودروها می‌توانند در دسته‌ ماشین‌های برقی قرار بگیرند؛ از هیبریدی‌های قابل شارژ تا خودروهای کاملاً برقی و حتی خودروهای سلول سوختی هیدروژنی. البته هیبریدی‌ها از مقدار کمتری برق استفاده می‌کنند و به طور کلی همچنان جزو خودروهای بنزینی محسوب می‌شوند، اما کارآمدتر بوده و مصرف سوخت کمتری دارند. در ادامه به طور دقیق‌تر نحوه‌ی کار خودروهای برقی را بررسی می‌کنیم.

فناوری باتری خودروهای برقی

هر خودروی الکتریکی دارای یک پک باتری بوده که شامل مجموعه‌ای از باتری‌های لیتیوم-‌یونی یا سلول می‌شود. این پک باتری انرژی مورد نیاز برای همه چیز، از حرکت خودرو گرفته تا سیستم تهویه را تأمین می‌کند. این مجموعه معمولاً در کف خودرو بین چرخ‌ها قرار می‌گیرد.

شارژ باتری یک خودروی الکتریکی تقریبا مشابه روشی است که باتری لیتیوم-یونی گوشی شما شارژ می‌شود، فقط مقیاس آن بسیار بزرگ‌تر است. شما آن را از طریق یک پریز یا ایستگاه شارژ به شبکه متصل می‌کنید و باتری تا زمان شارژ کامل، انرژی برق را در خود ذخیره می‌کند. میزان انرژی که باتری یک خودروی الکتریکی می‌تواند در خود ذخیره کند به ظرفیت آن بستگی دارد که با واحد کیلووات ساعت (Kwh) اندازه‌گیری می‌شود. هرچه عدد بالاتر باشد، ظرفیت بیشتر است و مسافت بیشتری را می‌توانید با یک بار شارژ با آن خودروی الکتریکی طی کنید.

اندازه‌ی باتری برای هر خودروی الکتریکی متفاوت است و بسیاری از مدل‌ها نیز گزینه‌های مختلفی ارائه می‌دهند. البته هرچه باتری بزرگ‌تر باشد، خودرو هم گران‌تر است، زیرا باتری جزو گران‌ترین قطعات یک ماشین برقی محسوب می‌شود. به عنوان مثال، هیوندای کونا الکتریکی ۲۰۲۴ با یک باتری کوچک‌تر برای سفرهای کوتاه (۴۸.۶ کیلووات ساعت و برد ۳۱۵ کیلومتر) و یک گزینه‌ی بزرگ‌تر (۶۴.۸ کیلووات ساعت با برد ۴۱۵ کیلومتر) عرضه می‌شود.

خودروهای بزرگ نظیر وانت ریویان R1T دو برابر یا بیشتر ظرفیت باتری دارند. ریویان سه اندازه‌ مختلف باتری ارائه می‌دهد: پک استاندارد (۴۳۰ کیلومتر برد، ۱۰۵ کیلووات ساعت)، پک باتری بزرگ ( ۵۱۳ کیلومتر پیمایش، ۱۳۵ کیلووات ساعت) و پک ستماکس (۶۵۶ کیلومتر پیمایش- ۱۸۰ کیلووات ساعت).

در گذشته، اکثر خودروهای الکتریکی ساخت آمریکا دارای باتری‌های نیکل-کبالت-منگنز (NCM) بودند که چگالی، انرژی بالا و توان و مسافت زیادی ارائه می‌دهند. اخیراً، خودروسازان به طور نامحسوس در مدل‌های پایه‌ی خود به نوع جدیدی از باتری به نام لیتیوم آهن فسفات (LFP) روی آورده‌اند. تسلا، فورد و ریویان آن‌ها را بکار می‌برند، زیرا هزینه کمتری (بدون کبالت و نیکل گران‌قیمت) دارند و به همان EPA یا مسافت تخمینی با یک مرتبه شارژ دست می‌یابند. با این حال، باتری‌های LFP در هوای سرد انرژی خود را سریع‌تر از دست می‌دهند و قدرت کمتری دارند. بنابراین، باتری‌های NCM همچنان به طور کلی گزینه‌ای مطلوب‌تر و سطح بالا محسوب می‌شوند که برای تیپ‌های گران‌قیمت مناسب هستند.

طراحی و نحوه کار موتور در خودرو برقی

موتور خودروی الکتریکی نیازی به فشرده‌سازی و احتراق بنزین برای حرکت درآوردن چرخ‌های خودرو ندارد. در عوض، از آهنرباهای الکتریکی در داخل موتور استفاده می‌کند که توسط باتری تغذیه می‌شوند تا نیروی چرخشی ایجاد کنند.

در داخل موتور دو مجموعه آهنربا وجود دارد. یک مجموعه به محوری که چرخ‌های خودرو را می‌چرخاند، متصل است و مجموعه دیگر در محفظه‌ای که آن محور را احاطه کرده، قرار دارد. هر دو مجموعه آهنربا به گونه‌ای شارژ می‌شوند که قطبیت آنها یکسان باشد و یکدیگر را دفع کنند. نیروی دفع آهنرباها ناشی از تشابه قطب آنها، محور متصل به چرخ‌ها را می‌چرخاند و خودرو را به جلو می‌راند.

برای حفظ حالت دفع مداوم بین آهنرباها، قطبیت آنها باید به طور مداوم در حال تغییر باشد، زیرا محور می‌چرخد و در غیر این صورت، درنهایت به نقطه‌ای برمی‌گردند که قطب‌های ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند و قفل می‌شوند. برق متناوب (AC) این کار را به طور خودکار انجام می‌دهد، زیرا دائما بین مثبت و منفی تغییر می‌کند. اما از آنجایی که برق ناشی از باتری یک خودروی الکتریکی DC یا مستقیم است، از دستگاهی به نام اینورتر برای تغییر مداوم قطبیت آهنرباها استفاده می‌شود.

مدل ساده شده از چگونگی کارکرد موتور DC در خودرو برقی

اینورتر یک خودروی الکتریکی قطبیت را حدود ۶۰ بار در ثانیه تغییر می‌دهد تا نیروی چرخشی را تداوم دهد. یک مبدل DC جداگانه برای هدایت برق به سایر سیستم‌های خودرو (همانند گرمایش، سرگرمی و روشنایی) که به جریان متناوب نیاز ندارند، نیز استفاده می‌شود. راننده می‌تواند با فشردن پدال فرکانس جریان ارسال شده به موتور را تغییر دهد، که باعث ایجاد نیروی چرخشی بیشتر یا کمتر می‌شود و چرخ‌ها را سریع‌تر یا کندتر می‌چرخاند.

شیوه شارژ خودرو برقی

در خودروهای بنزینی، شما باک را پر می‌کنید و راه می‌افتید. اما در مورد خودروهای الکتریکی، سه سطح مختلف ایستگاه شارژ در دنیا وجود دارد که شامل کندترین (سطح ۱) تا سریع‌ترین (سطح ۳) می‌شود.

• ایستگاه‌های سطح ۱ شارژر ۱۲۰ یا ۲۲۰ ولت معمولی هستند که در خانه‌ها برای شارژ شبانه بکار می‌روند. شارژ سطح ۱ حدود ۸ ساعت طول می‌کشد و برای خودروهای هیبریدی با برد الکتریکی ۶۰ کیلومتر مناسب است.
• ایستگاه‌های سطح ۲ دارای شارژر ۲۴۰ ولت هستند و خروجی بین ۱۰ تا ۲۵ کیلووات دارند. این‌ها معمولاً راه‌حل شارژ شبانه در خانه یا در مکان‌هایی مانند هتل‌ها هستند. شارژ سطح ۲ هم حدود ۸ ساعت طول می‌کشد و می‌تواند خودروهای تمام برقی با برد حداکثر ۶۴۰ کیلومتر مناسب است.
• ایستگاه‌های شارژ سریع DC (DCFC) بیشترین توان را تأمین می‌کنند و می‌توانند یک باتری EV را تا ۸۰ درصد در حدود ۳۰ تا ۶۰ دقیقه شارژ کنند. بسته به سرعت شارژ ایستگاه (۵۰ تا ۳۵۰ کیلووات)، شارژر DCFC می‌تواند باتری بزرگ خودروهای برقی با برد حداکثر ۱۲۵۰ کیلومتر را به راحتی شارژ کند.

همه خودروهای الکتریکی دارای یک شارژر سطح ۱ هستند که در یک طرف به خودرو و در طرف دیگر به یک پریز دیواری استاندارد ۱۲۰ یا ۲۲۰ ولت متصل می‌شود. به جز تسلا، که در سال ۲۰۲۲ تولید شارژرهای سطح ۱ را متوقف کرد، همه خودروهای الکتریکی نیز دارای یک سوکت شارژر سطح ۲ هستند که می‌توان آن را به یک شارژر دیواری خانگی یا ایستگاه شارژ عمومی وصل کرد. ایستگاه‌های شارژ سریع DC هم فقط در ایستگاه‌های شارژ عمومی موجود هستند.

در مورد اینکه آیا استفاده از شارژرهای سریع DC به طور مداوم می‌تواند بر باتری یک ماشین برقی تأثیر منفی بگذارد، بحث‌هایی وجود دارد. اما تاکنون، هیچ شواهد قطعی مبنی بر صحت این ادعا به دست نیامده است. بهترین راه برای شارژ یک ماشین برقی، شارژ آن در طول روز یا شب است، یعنی زمانی که خودرو در خانه، محل کار یا هر مکان دیگری برای چندین ساعت متوقف می‌ماند.

 یک خودرو برقی چقدر می‌تواند با یک بار شارژ حرکت کند؟

رایج‌ترین نگرانی در مورد خودروهای الکتریکی، بابت کمبود مسافت پیموده شده با یک مرتبه شارژ است. آیا یک EV با یک بار شارژ به اندازه یک خودروی بنزینی با باک پر حرکت می‌کند؟ در پاسخ باید گفت که بستگی دارد؛ مسافت پیموده شده متوسط یک ماشین برقی در زمان نگارش این مقاله تقریبا حدود ۳۵۰ کیلومتر است. اما محدوده‌های بالا و پایین این طیف هم بسیار دیده می‌شود. به عنوان مثال  مینی کوپر EV ۲۰۲۳ حدود ۱۸۰ کیلومتر برد دارد اما لوسید ایر می‌تواند ۸۰۰ کیلومتر را با یک مرتبه شارژ طی کند.

عوامل زیادی می‌توانند بر این برد حرکتی تأثیر بگذارند. یکی از مهمترین این عوامل ظرفیت باتری است. هرچه باتری بزرگ‌تر و دارای ظرفیت بیشتر باشد، برد حرکتی آن بالاتر است. اما حتی با یک باتری با ظرفیت بالا هم می‌تواند تحت تأثیر عواملی مانند موارد زیر، برد حرکتی متفاوتی ارایه دهد:

• رانندگی در بزرگراه
• شتاب‌های سریع مکرر
• استفاده بیش از حد از شارژ سریع
• آب و هوای نامساعد (بسیار گرم یا سرد)
• فرسودگی باتری با گذشت زمان

نتیجه‌گیری

خودروهای الکتریکی مدرن هر سال به گزینه‌ای رقابتی‌تر تبدیل شده و باعث می‌شوند رانندگان بیشتری به سمت آنها روی بیاورند. فعلا در ایالات متحده، خودروهای الکتریکی تنها ۷ درصد از فروش خودروهای جدید را تشکیل می‌دهند؛ در سایر نقاط جهان مانند اروپا نیز تا اواسط ۲۰۲۳ این رقم به ۲۱ درصد رسیده‌ است. البته در نروژ حدود ۸۵ درصد خودروها برقی هستند. در کشور ما نیز از سال ۱۴۰۲ گام‌های اساسی‌تری برای حرکت به این سمت برداشته ‌شده و انتظار می‌رود طی پنج سال بعد از آن، شاهد تردد قابل توجه خودروهای برقی در جاده‌های ایران باشیم.

با این حال، زیرساخت‌های شارژ هنوز نیاز به بهبود دارند. بهترین حالت برای مالکان ماشین‌ الکتریکی شارژ در خانه و محل کار است که اساسا پر کردن باک بنزین را به یک مفهوم نوستالژیک از گذشته تبدیل می‌کند.

نویسنده: حسین باباپور