خودروهای هیبریدی در هوای سرد چگونه عمل می‌کنند؟

ناآرامی هیبرید در زمستان که به مصرف سوخت تبدیل می‌شود، یک خرابی نیست، بلکه یک مشکل شیمیایی موقتی است که با گرم شدن کاملاً از بین می‌رود.
ناآرامی هیبرید در زمستان که به مصرف سوخت تبدیل می‌شود، یک خرابی نیست، بلکه یک مشکل شیمیایی موقتی است که با گرم شدن کاملاً از بین می‌رود.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

هوای سرد، پشتیبانی موتور برقی خودروهای هیبریدی را کاهش می‌دهد، موتور بنزینی را بیشتر و طولانی‌تر روشن نگه می‌دارد و مصرف سوخت را به طور موقت افزایش می‌دهد. علت آن خرابی باتری نیست، بلکه کند شدن شیمی لیتیوم-یون در دمای پایین است؛ هنگامی که باتری گرم شود، سیستم به عملکرد کامل خود بازمی‌گردد و افت دائمی ایجاد نمی‌شود. به عبارت دیگر، زمستان شخصیت هیبرید را تغییر نمی‌دهد اما شرایط کارکرد را برای چند ماه به ضرر شما تغییر می‌دهد.

نکات برجسته

  • در تست‌های دینامومتری، هیبریدها در سرما 22.8% از بازده سوختی خود را از دست می‌دهند؛ در همان شرایط، افت برد در خودروهای برقی تا 39% می‌رسد.
  • افت ظرفیت موقتی است؛ هنگامی که باتری گرم شود، عملکرد کامل برمی‌گردد و آسیب دائمی ایجاد نمی‌شود.
  • افزایش مصرف زمستانی در هیبریدها معمولاً 5 تا 15% یا بیشتر است، که منشأ آن گرم شدن موتور و تقاضای گرمایش است.
  • گرمایش کابین در هیبریدها از گرمای اتلافی موتور تأمین می‌شود؛ به همین دلیل هیبریدها از سقوط بردی که خودروهای برقی تجربه می‌کنند در امان می‌مانند.
  • باتری‌های NiMH در سرما معمولاً افت عملکرد خفیف‌تری، کمتر از 10 تا 20% تجربه می‌کنند.

چرا هوای سرد بر خودروی هیبریدی اثر می‌گذارد: سه اثر زنجیره‌ای

نباید آنچه را در زمستان در هیبرید رخ می‌دهد یک رویداد واحد دانست. با کاهش دما، سه اثر زنجیر می‌شوند و هر یک محرک اثر بعدی است. پیگیری این اثرات به ترتیب، هر انحرافی را که در صفحه نمایشگاه خودرو می‌بینید توضیح می‌دهد.

  1. شیمی باتری کند می‌شود: در سلول لیتیوم-یون، انرژی از طریق حرکت یون‌ها بین الکترودها تولید می‌شود. دمای پایین این واکنش‌های شیمیایی را کند می‌کند؛ انرژی قابل استفاده باتری کاهش می‌یابد، امپدانس داخلی افزایش می‌یابد و ولتاژ تخلیه افت می‌کند.
  2. پشتیبانی برقی محدود می‌شود: باتری مقاوم‌تر، امکان کار کمتری به موتور برقی می‌دهد. برد برقی کوتاه می‌شود، مدت رانندگی در حالت تمام‌برقی کاهش می‌یابد و سیستم بیشتر به موتور بنزینی تکیه می‌کند.
  3. افزایش مصرف: موتور هم برای گرمایش کابین و هم برای رساندن باتری سرد به بازه کارکرد ایده‌آل با گرمای اتلافی، بیشتر روشن می‌شود. به این موارد، مقاومت آیرودینامیکی افزایش‌یافته در هوای سرد و مقاومت غلتشی ناشی از کاهش فشار لاستیک‌ها نیز اضافه می‌شود.

بنابراین افزایش مصرفی که در صفحه نمایشگاه می‌بینید، مجموع سه مکانیسم جداگانه است و نشانه یک خرابی واحد نیست.

باتری هیبریدی در سرما چقدر بازده از دست می‌دهد؟

Soğuk hava hibritlerin yakıt ekonomisini %22,8'e kadar düşürüyor, ama bu kayıp EV'lerdeki %39'luk menzil kaybının hâlâ çok altında kalıyor.

داده‌ای که این موضوع را دقیق‌ترین اندازه‌گیری ممکن می‌سازد، یک مطالعه آزمایشگاهی است که با مهندسان خودرویی انجام شده و سه هیبرید و سه خودروی برقی را در دینامومتر مقایسه کرده است. خودروها در دماهای 20 درجه فارنهایت (حدود -7 درجه سانتی‌گراد)، 75 درجه فارنهایت و 95 درجه فارنهایت، با گرمایش کابین تنظیم‌شده روی 72 درجه فارنهایت تست شدند. نتایج نشان می‌دهد سرما بر هیبریدها بیشتر از انتظار اثر می‌گذارد اما هرگز به وضعیت خودروهای برقی نمی‌رسد:

شرایطهیبریدبرقی (EV)
سرد (20°F / -7°C)افت 22.8 درصدی در بازده سوختیافت 35.6 درصدی در MPGe و افت 39.0 درصدی در برد
گرم (95°F)افت 12.0 درصدی بازدهیافت 10.4 درصدی MPGe و افت 8.5 درصدی برد
هزینه اضافی در سرما (1000 مایل)+28.44 دلار سوختبا برق خانه +32.11 دلار؛ با شارژ عمومی +76.93 دلار

مدیر تیم مهندسی خودرویی سرپرستی این پژوهش، افت نزدیک به 23 درصدی اقتصاد سوخت در خودروهای هیبریدی در سرما را یافته‌ای غیرمنتظره خواند؛ کاهش برد خودروهای برقی اما با اندازه‌گیری‌های پیشین همخوانی داشت. در هیبریدهای مجهز به باتری NiMH اما وضعیت کمی ملایم‌تر است: این شیمی باتری معمولاً در سرما با افت کمتر از 10 تا 20 درصد عبور می‌کند.

چرا این افت دائمی نیست؟

دمای پایین باتری را کند می‌کند اما خراب نمی‌کند. کاهش ظرفیت نمایش‌داده‌شده در ساعات اولیه صبح یخ‌بندان موقتی است؛ با گرم شدن سلول‌ها، ظرفیت کامل برمی‌گردد. دشمن اصلی سرما نیست، گرمای بیش از حد است: در اقلیم‌های گرم، عمر باتری هیبریدی به‌طور محسوسی کوتاه‌تر می‌شود. خطر دائمی مرتبط با سرما فقط در یک نکته متمرکز است - لایه‌نشانی لیتیم. این یعنی انباشت فلزی لیتیم روی سطح در شرایطی که سلول بسیار سرد نمی‌تواند شارژ را بپذیرد، و می‌تواند آسیب دائمی ایجاد کند. دقیقاً به همین دلیل سامانه مدیریت باتری (BMS) در سرما نرخ شارژ را آگاهانه محدود می‌کند. ضعیف حس شدن ترمز تجدیدی در صبح‌های زمستانی نیز نتیجه همین حفاظت است: باتری بیش از حدی که در آن لحظه می‌تواند بپذیرد شارژ نمی‌گیرد و ترمزگیری به ترمز اصطکاکی منتقل می‌شود. این طبیعی و موقتی است.

چرا موتور دائماً روشن است: چرخه گرم‌شدن و منطق BMS

غافلگیرکننده‌ترین رفتار زمستان، روشن شدن موتور بنزینی و کار کردن طولانی آن پس از روشن شدن چراغ "ready" است. راننده تمایل دارد این وضعیت را خرابی بداند، اما در واقع این یک راهبرد حفاظتی است که BMS به‌صورت طراحی‌شده اعمال می‌کند: موتور عمداً مدت طولانی‌تری کار می‌کند تا سلول‌های یخ‌زده با گرمای اتلاف‌شده به محدوده کار ایده‌آل برسند. این ناکارآمدی نیست، حفاظت است.

در هیبریدهای مدرن، موتور در استارت سرد وارد چرخه گرم‌شدن خودکار می‌شود؛ این هم قطعات موتور را محافظت می‌کند و هم باعث می‌شود گرمای کابین زودتر فرا برسد. وقتی موتور به اندازه کافی گرم شد، مقادیر مصرف به حالت عادی برمی‌گردند. در این نقطه نباید به یک اشتباه کلاسیک دچار شد: دیدن فوری "ready" روی صفحه نشانگر به معنای گرم کردن خودرو در دور آرام طولانی نیست. دور آرام سوخت بی‌فایده می‌سوزاند و به‌مرور باعث انباشت کربن می‌شود؛ مؤثرترین روش گرم‌کردن، پس از یک انتظار کوتاه، گرم کردن کل سیستم در جاده با گاز و ترمز ملایم است.

چرا گرم‌کردن کابین هیبرید به اندازه خودروی برقی باتری را تحت فشار قرار نمی‌دهد؟

تفاوت خودروی برقی با هیبرید در سرما را می‌توان در یک جمله خلاصه کرد: در EV انرژی گرمایش مستقیماً از باتری گرفته می‌شود، اما در هیبرید از گرمای اتلافی موتور می‌آید. همین تفاوت معماری، تجربه زمستانی این دو فناوری را کاملاً متفاوت می‌کند.

در خودروی برقی، گرم‌کردن کابین به دلیل بسیار کارآمد بودن این نوع خودرو، به‌طور نامتناسبی بر سنگینی می‌کند. یک EV در سرمای شدید می‌تواند 10 تا 40 درصد برد خود را از دست بدهد؛ خودرویی با برد اسمی 250 مایل، در زمستان عملاً ممکن است به 150 تا 190 مایل برسد. پیش‌گرمایش کابین از شبکه برق در بیشتر خودروها می‌تواند تا 2 کیلووات‌ساعت و در برخی موارد تا 5 کیلووات‌ساعت انرژی بکشد - این انرژی نه برای رانندگی، بلکه برای آسایش صرف می‌شود.

اما در خودروهای هیبریدی، همان گرما تقریباً به‌صورت یک محصول جانبی رایگان از گرمای اتلافی موتور تأمین می‌شود. البته رایگان نیست: موتور برای تولید آن گرما بیشتر کار می‌کند و این هزینه به‌جای افت برد، به‌صورت افزایش مصرف سوخت ظاهر می‌شود. این افزایش که بسته به مدل و میزان استفاده از گرمایش متفاوت است، در خودروهای هیبریدی به‌طور معمول در بازه 5 تا 15 درصد یا کمی بالاتر قرار دارد. یعنی هیبریدی هم سرما را حس می‌کند، اما افت برد شدیدی که خودروی برقی تجربه می‌کند را ندارد. حتی در سرما، هیبریدی‌ها اقتصاد سوخت بهتری نسبت به خودروهای بنزینی معمولی ارائه می‌دهند.

باتری پر به نظر می‌رسد اما چرا برد کاهش یافت؟

این رایج‌ترین سوالی است که مالکان خودروهای هیبریدی در زمستان می‌پرسند و پاسخ آن در یک جزئیات فیزیکی قابل اندازه‌گیری نهفته است. نمایش «پر» بودن نشانگر به این معنا نیست که در هر دمایی به تمام انرژی ذخیره‌شده در سلول‌ها دسترسی دارید. سرما، توانی را که باتری می‌تواند هم تحویل دهد و هم جذب کند، به‌صورت موقت کاهش می‌دهد: ولتاژ افت می‌کند، مقاومت داخلی افزایش می‌یابد و مخزن انرژی که سیستم می‌تواند به‌طور ایمن برداشت کند، کوچک‌تر می‌شود. برد برقی کوتاه می‌شود و سیستم این کسری را با موتور بنزینی جبران می‌کند.

علاوه بر این، همان گلوگاه در سمت شارژ نیز صادق است. پنجره کاری سلول لیتیوم-یونی به دما وابسته است؛ سلول سرد، شارژ سریع را تحمل نمی‌کند و BMS برای جلوگیری از خطر لایه‌نشانی لیتیم (lithium plating)، نرخ پذیرش را محدود می‌کند. بنابراین انرژی که از ترمز احیاکننده به باتری جریان می‌یابد نیز کاهش می‌یابد. برد از دو سو کوتاه می‌شود: در ورودی، بازیابی کمتر و در خروجی، تحویل کمتر.

بخارگرفتن شیشه جلو و مزیت کمپرسور برقی

درگیری دوم صبح‌های سرد، بخارگرفتن شیشه‌ها است. بخار از عدم تعادل بین رطوبت داخل کابین و دمای سطح شیشه ایجاد می‌شود؛ راه‌حل، گرفتن هوای خشک، کاهش رطوبت و خاموش کردن حالت گردش داخلی هواست. در حالت دیفراست (یخ‌زدایی)، فن پرقدرت و دمای بالا سریع‌ترین نتیجه را می‌دهد. خودروهای هیبریدی در اینجا یک مزیت عملی دارند: چون کمپرسور کولر با برق کار می‌کند، می‌تواند مستقل از موتور وارد مدار شود؛ یعنی حتی زمانی که موتور هنوز گرم نشده، رطوبت‌گیری و برطرف کردن بخار به‌طور مؤثر انجام می‌شود.

راه‌های مدیریت مصرف در زمستان

حذف کامل اثر هوای سرد ممکن نیست، اما بودجه‌بندی آن و تا حدی کاهش آن امکان‌پذیر است. توصیه‌ها از نظر فنی ساده هستند و سود قابل اندازه‌گیری دارند:

  • از کار درجا (درانتظار) طولانی بپرهیزید: چند لحظه انتظار کافی است؛ گرم شدن باقی‌مانده را با رانندگی نرم انجام دهید.
  • از گرمایش صندلی و فرمان استفاده کنید: انرژی بسیار کمتری نسبت به گرم کردن هوای کابین نیاز دارد.
  • فشار باد لاستیک‌ها را حفظ کنید: هوای سرد فشار را کاهش می‌دهد؛ فشار پایین، مقاومت غلتشی و مصرف را افزایش می‌دهد.
  • اگر راننده هیبرید پلاگین‌دار هستید، به شارژ بمانید: نگه داشتن خودرو روی شارژر در سرما باعث می‌شود سیستم باتری را پیش از رانندگی پیش‌گرم کند - نوعی پیش‌تهیه‌سازی.
  • بودجه را به هم نریزید: منبع افزایش مصرف در زمستان، گرم شدن موتور و تقاضای گرمایش است؛ این را به‌عنوان نُرم معمول زمستانی برنامه‌ریزی کنید.

اما کدام افت طبیعی است و کدام خرابی؟ افزایش جزئی مصرف و کوتاه شدن برد الکتریکی در زمستان طبیعی است. اما افتی ناگهانی و دائمی که بسیار پایین‌تر از نرم‌های زمستانی باشد؛ روشن ماندن مداوم موتور؛ نشانگر شارژ نوسانی و غیرقابل پیش‌بینی یا هشدار «Check Hybrid System» می‌تواند به یک مشکل واقعی در باتری اشاره کند و لازم است به خدمات پس از فروش مراجعه شود.

نتیجه: افت زمستانی موقتی است و معادله‌ی هیبرید همچنان برقرار است

هوای سرد در سیستم هیبرید هزینه‌ای قابل اندازه‌گیری در سه محور ایجاد می‌کند: افت کارایی باتری، محدود شدن پشتیبانی الکتریکی و افزایشی مصرف سوخت که از 5 تا 15 درصد آغاز می‌شود. هیچ‌کدام دائمی نیست؛ وقتی باتری گرم می‌شود، سیستم به عملکرد کارخانه‌ای بازمی‌گردد. حتی در همان شرایط آزمایشگاهی، در حالی که افت برد خودروهای الکتریکی به 39 درصد می‌رسد، افت هیبرید در 22.8 درصد باقی می‌ماند و هیبرید حتی در سرما بهره‌ورتر از خودروی بنزینی حرکت می‌کند. استفاده از هیبرید در زمستان برای راننده‌ای که منطق سیستم را می‌شناسد، پایان‌دهنده‌ی صرفه‌اقتصادی نیست، بلکه انحرافی چندماهه و قابل برآورد در بودجه است.

منابع