kWh/100 km را چه چیزهایی تعیین می‌کنند؟ ردپای اتلاف انرژی
این صفحه را به اشتراک بگذارید
مقدار kWh/100 km نشان می‌دهد که باتری برای پیمودن 100 کیلومتر مسیر چه مقدار انرژی از خود جذب می‌کند. این مقدار توسط هر حلقه اتلاف در زنجیره انرژی از باتری تا چرخ - راندمان موتور و اینورتر، بار گرمایش و سرمایش، پسای آیرودینامیکی و مقاومت غلتشی - تعیین می‌شود. حتی یک خودرو، یک باتری و یک جاده یکسان نیز می‌توانند این مقدار را در شرایط مختلف به شدت تغییر دهند.
نکات برجسته
- یک خودروی برقی متوسط حدود 15 kWh/100 km مصرف می‌کند؛ مقادیری مانند 15.5 در شهر و 18.0 kWh/100 km در بزرگراه رایج است.
- موتور الکتریکی حدود 80% انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند؛ در موتور بنزینی تنها 15 تا 30% انرژی سوخت به چرخ‌ها می‌رسد.
- دو برابر کردن سرعت، مقاومت هوا را چهار برابر می‌کند؛ پس می‌تواند تا 50% مصرف بزرگراه را تشکیل دهد.
- در دماهای نزدیک به نقطه انجماد، میانگین کاهش برد حدود 20% است.
- همان باتری، حتی با تغییر اندازه رینگ، برد تغییر می‌کند: گذار از رینگ 18 اینچ به 20 اینچ می‌تواند 14% کاهش راندمان به همراه داشته باشد.
هنگام نگاه کردن به جدول مصرف خودروی برقی، در واقع خط آخر یک جریان انرژی را می‌خوانید. هر کیلووات‌ساعت خارج‌شده از باتری، سفری از اینورتر به موتور و از موتور به چرخ‌ها را طی می‌کند؛ در طول مسیر به صورت گرما، تلفات مغناطیسی و مقاومتی که لاستیک‌ها به سطح زمین وارد می‌کنند، مصرف می‌شود. در این مقاله آن سفر را از ابتدا تا انتها دنبال خواهیم کرد و توضیح خواهیم داد که چرا همان خودرو یک روز 14 و روز بعد 22 kWh/100 km نشان می‌دهد، از طریق زنجیره اتلاف‌ها.
از باتری تا چرخ: انرژی کجا از دست می‌رود؟
پیشرانه الکتریکی از نظر ساختاری از پیشرانه بنزینی کارآمدتر است؛ اما «کارآمد» به معنای «بدون اتلاف» نیست. هر حلقه زنجیره سهمی دارد. مقاومت داخلی باتری، تلفات سوئیچینگ اینورتر، تلفات الکتریکی و مغناطیسی موتور و اصطکاک مکانیکی در پیشرانه - همه بخشی از انرژی جذب‌شده از باتری را به گرما تبدیل می‌کنند.
پراتلاف‌ترین حلقه زنجیره، موتور است. راندمان کولنی باتری‌های لیتیوم-یونی از 99% فراتر می‌رود، یعنی باتری تقریباً هیچ چیزی را به صورت گرما از دست نمی‌دهد. اما موتور متفاوت است: تلفات اهمی (مسی) در سیم‌پیچ‌ها، تلفات آهنی در مدار مغناطیسی و تلفاتی که خود مغناطیس‌های دائم در موتورهای مغناطیس دائم متحمل می‌شوند، تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی را محدود می‌کنند. موتور حدود 80% انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند؛ در حالی که بیشترین راندمان حرارتی تئوریک یک موتور بنزینی با صدها و حتی هزاران قطعه متحرک در محدوده 35 تا 40% باقی می‌ماند و تنها 15 تا 30% انرژی سوخت به چرخ‌ها می‌رسد. همین یک مقایسه خلاصه می‌کند که چرا مقدار مصرف خودروی برقی به طور کلی پایین است.
اینورتر که بین موتور و باتری قرار دارد، جریان مستقیم را به جریان متناوب سه فاز مناسب موتور تبدیل می‌کند و تلفات مستقیماً در برد ظاهر می‌شوند. تلفات کلیدزنی به این معناست که در هر بار روشن و خاموش شدن نیمه‌هادی‌ها مقداری انرژی به صورت گرما از دست می‌رود؛ هرچه بازدهی اینورتر بالاتر باشد، برد و عملکرد حرارتی بهتر خواهد بود. همان اینورتر در ترمز بازیاب نیز حیاتی است، زیرا در حین بازیابی انرژی، انرژی در جهت معکوس و از همان الکترونیک قدرت از موتور به باتری جریان می‌یابد.
نوع موتور چگونه بر بازدهی اثر می‌گذارد؟
در خودروهای برقی دو خانواده اصلی موتور وجود دارد: موتورهای سنکرون با آهنربای دائم و موتورهای آسنکرون (القایی). ریشه تفاوت در اصل فیزیکی به نام لغزش ("slip") نهفته است. در موتور سنکرون، روتور همگام با میدان مغناطیسی چرخان استاتور گام‌به‌گام می‌چرخد؛ اما در موتور آسنکرون، روتور برای تولید گشتاور عمداً از میدان استاتور عقب می‌ماند و همین تفاوت در مدارهای روتور به صورت تلفات بروز می‌کند. به همین دلیل موتورهای سنکرون با آهنربای دائم معمولاً چند درصد بازدهی بیشتری دارند - گفته می‌شود که این تفاوت در حدود ۲ تا ۳ درصد است.
در مقابل، موتور آسنکرون مزایای خود را دارد: خودراه‌انداز است، در دورهای بالا عملکردی مطمئن ارائه می‌دهد و هزینه آهنربا را به همراه ندارد. به همین دلیل بسیاری از تولیدکننده‌گان چیدمانی ترکیبی را ترجیح می‌دهند: موتور سنکرون برای پیشرانه اصلی که بازدهی در آن حیاتی است، و موتور آسنکرون برای محور ثانویه. هنگام خواندن مقدار مصرف، دانستن اینکه خودرو چه نوع موتوری دارد، بخشی از تفاوت یک تا دو کیلووات‌ساعت در جدول میان دو خودروی هم‌کلاس را توضیح می‌دهد.
سرعت و آیرودینامیک: اثری که سریع‌ترین رشد را در مصرف دارد
دلیل اصلی اینکه خودروی برقی در بزرگراه انرژی بیشتری نسبت به شهر مصرف می‌کند، یک قانون ساده فیزیک است: نیروی پسای آیرودینامیکی با مجذور سرعت افزایش می‌یابد. وقتی سرعت را دو برابر کنید، مقاومت هوا چهار برابر می‌شود و توان لازم برای غلبه بر آن حتی سریع‌تر رشد می‌کند. به همین دلیل خودروهای برقی در سرعت‌های بالا به شکل نمایی ناکاراتر می‌شوند و مقدار بزرگراه در جدول برد همیشه بالاتر از مقدار شهری است.
مقیاس ملموس است: نیروی پسای آیرودینامیکی در سرعت‌های بزرگراهی می‌تواند تا ۵۰ درصد از کل مصرف را تشکیل دهد. کاهش ۱۰ درصدی پسا، بازدهی بزرگراهی را حدود ۵ درصد بهبود می‌دهد - و این توضیح می‌دهد که چرا تفاوت‌های طراحی در سپر جلو یا کلاهک چرخ اهمیت پیدا می‌کنند. یک پیامد دیگر این قلمرو نیز چنین است: کاراترین سرعت تئوری خودروی برقی بسیار پایین است. زیرا مصرف‌های ثابت مانند کولر، گرمایش و سیستم‌های برقی در سرعت‌های پایین سهم نسبی بزرگی می‌گیرند؛ اما با افزایش سرعت، پسا غالب می‌شود. در عمل، پربازده‌ترین محدوده، ناحیه میانی است؛ جایی که مصرف‌های ثابت به حاشیه رفته‌اند و پسا هنوز منفجر نشده است.
لاستیک‌ها، رینگ‌ها و مقاومت غلتشی
با کاهش سرعت، مقاومت هوا کم می‌شود و مقاومت غلتشی جای آن را می‌گیرد. لاستیک‌ها می‌توانند برد یک خودروی برقی را در بازه 20 تا 40 درصد تحت تأثیر قرار دهند. در خودروی بنزینی حدود 5 درصد از انرژی در لاستیک‌ها هدر می‌رود، در حالی که در خودروی برقی این رقم به 16 درصد می‌رسد - چون کل انرژی خودروی برقی از اساس کم است، سهم هر اتلاف به همین دلیل بزرگ‌تر است.
فشار باد لاستیک هم در این میان نقش دارد: هر PSI کمتر از فشار پیشنهادی، مقاومت غلتشی را افزایش می‌دهد و انرژی بیشتری از باتری می‌گیرد. اندازه رینگ نیز تفاوتی ایجاد می‌کند که حتی در مستندات سازنده منعکس شده است. در Hyundai Ioniq 6 با همان باتری 77.4 کیلووات‌ساعت، گذار از رینگ 18 اینچی به 20 اینچ - یعنی تنها 11 درصد بزرگ‌تر شدن رینگ - 14 درصد افت بازدهی به همراه داشت. رینگ‌های بزرگ‌تر یعنی سطح تماس گسترده‌تر و اثر جانبی سخت‌تر نسبت به لاستیک‌های با پروفایل ضخیم؛ ترکیب رینگ کوچک و پروفایل ضخیم همچنان طولانی‌ترین برد را می‌دهد.
- فشار باد پیشنهادی لاستیک‌ها را حفظ کنید؛ هر PSI کمبود به صورتحساب باتری منتقل می‌شود.
- شرایط برف، گل و زمین سرد، مقاومت غلتشی را افزایش می‌دهد.
- در انتخاب رینگ، مبادله‌ای مستقیم میان طراحی و برد وجود دارد.
گرمایش و سرمایش کابین: مصرف پنهان
در خودروی بنزینی، گرمایش کابین تقریباً مجانی از گرمای اتلافی موتور تأمین می‌شود. در خودروی برقی این امکان وجود ندارد: کولر، بخاری و تمام سیستم‌های کمکی مستقیماً از باتری فشار قوی تغذیه می‌شوند. یعنی بخشی از مقدار کیلووات‌ساعت بر 100 کیلومتر هرگز به چرخ نمی‌رسد؛ به المنت گرمکن و کمپرسور می‌رود. یک خودروی معمولی در هوای سرد به توان گرمایشی 4 تا 8 کیلووات نیاز دارد - این توانی نزدیک به توان محرکه یک موتور است و می‌تواند در سرعت‌های پایین شهری مصرف را به‌راحتی دو برابر کند.
اثر سرما اندازه‌پذیر است. در دماهای نزدیک به نقطه انجماد، میانگین افت برد حدود 20 درصد است و با سردتر شدن هوا افزایش می‌یابد. در یک پژوهش، برد خودروی تمام‌برقی در دمای منفی 7 درجه سلسیوس 41 درصد کاهش یافت؛ در شرایط مشابه افت خودروی بنزینی 10 درصد بود. افت برد در سرما تک‌علتی نیست: گرمایش کابین، مقاومت داخلی بالای باتری سرد و افزایش مقاومت غلتشی همگی به یک صورتحساب کمک می‌کنند. پمپ حرارتی، فناوری اصلی کاهش این صورتحساب است؛ در مقایسه با المنت، می‌تواند در شرایط سرد برد را 8 تا 10 درصد افزایش دهد.
گرمای شدید نیز مصرف را افزایش می‌دهد: در بازه 46 تا 50 درجه سلسیوس، مصرف انرژی در مقایسه با 26 تا 30 درجه تا 28 درصد بالا می‌رود. بار کمپرسور و تلاش مدیریت حرارتی برای خنک نگه داشتن باتری، علت اصلی این موضوع است. در محدوده دمایی بهینه - تقریباً بین 10 تا 30 درجه سلسیوس - خودروهای برقی از تمام برد یا حتی بیشتر از آن استفاده می‌کنند؛ این محدوده نزدیک‌ترین محیط به شرایط مرجعی است که مقادیر رسمی مصرف در آن اندازه‌گیری می‌شود.
چرا شهر بر بزرگراه پیروز می‌شود؟ سهم ترمز بازیاب (رجنراتیو)
در خودروی بنزینی، چراغ راهنمایی کامل یک اتلاف است؛ اما در خودروی برقی، ترمز کردن فرایندی برای بازیابی انرژی است. ترمز بازیابی، انرژی جنبشی خودرو را با کار انداختن موتور به شکل ژنراتور به برق تبدیل و به باتری بازمی‌گرداند. تا 60 تا 70 درصد انرژی جنبشی گرفته‌شده می‌تواند به باتری بازگردد و 25 تا 40 درصد از رخدادهای ترمزگیری از طریق بازیابی قابل بازگشت است. در استفاده ترکیبی شهری/بزرگراهی، نرخ بازگشت انرژی در خودروهای تمام‌برقی حدود 22 درصد تخمین زده می‌شود. در ترافیک توقف‌وحرکت این نرخ معنادارتر است و در سربالایی‌ها به سمت پایین، باتری واقعاً انرژی به سیستم بازمی‌افزاید.
نتیجه، وارونه عادت کلاسیک است: بسیاری از مدل‌ها در رانندگی شهری 15 تا 25 درصد اقتصاد انرژی بهتری به دست می‌آورند، اما در بزرگراه بهره‌وری 10 تا 30 درصد کاهش می‌یابد. بخش بزرگی از تفاوت شهری-بزرگراهی در مقدار kWh/100 km یک خودروی یکسان از همین‌جا می‌آید - در شهر ترمزها انرژی را بازمی‌گردانند و در بزرگراه تنها کار ما غلبه بر کشش هواست.
تفاوت بین مقدار رسمی و مقدار واقعی
مقدار kWh/100 km درون کاتالوگ، در یک پروتکل آزمون تعریف‌شده، دمایی اندازه‌گیری‌شده و ترکیب مشخصی از رینگ-لاستیک تولید می‌شود. اما جاده واقعی داستان دیگری دارد: سرعت رانندگی، دمای بیرون، گرمایش کابین، باد لاستیک، بار و سبک رانندگی به یک خودروی واحد مقادیر متفاوتی می‌دهند. تولیدکنندگان نیز این را صریحاً ذکر می‌کنند: برد می‌تواند بسته به دما، پستی‌وبلندی، عمر باتری و بار به‌طور چشمگیری تغییر کند. انحراف تا 41 درصد در دمای 7- درجه سانتی‌گراد، ابعاد این هشدار را نشان می‌دهد.
هنگام خواندن مقدار مصرف، بهتر است این جدول را در ذهن داشته باشید:
| عامل | تأثیر بر مصرف |
|---|---|
| سرعت در بزرگراه | مقاومت هوا با مجذور سرعت افزایش می‌یابد؛ در بزرگراه بهره‌وری 10 تا 30 درصد کاهش می‌یابد |
| هوای سرد (7- درجه سانتی‌گراد) | افت برد در بازه 16 تا 46 درصد؛ میانگین حدود 20 تا 41 درصد |
| گرمایش کابین | توان 4 تا 8 کیلووات؛ پمپ حرارتی 8 تا 10 درصد افزایش برد فراهم می‌کند |
| لاستیک‌ها و رینگ‌ها | تأثیر 20 تا 40 درصدی بر برد؛ گذار از رینگ 18 اینچ به 20 اینچ، افت 14 درصدی بهره‌وری |
| رانندگی شهری | با ترمز بازیابی، 15 تا 25 درصد اقتصاد انرژی بهتر |
راه‌های عملی برای کاهش مقدار مصرف
اگر زنجیره اتلاف را بشناسید، همچنین می‌دانید برای بهبود مقدار مصرف از کجا باید شروع کنید. سه مورد در اولویت قرار می‌گیرد: کنترل سرعت، مدیریت بار کابین و تحت کنترل نگه‌داشتن لاستیک‌ها. کاهش مصرف ثابت با پمپ حرارتی، کاهش مقاومت غلتشی با باد صحیح لاستیک و در صورت امکان رینگ‌های کوچک‌تر، و کاهش بار آیرودینامیکی با رعایت سرعت در بزرگراه - این سه با هم، در یک خودروی واحد تفاوتی قابل اندازه‌گیری ایجاد می‌کنند. همچنین باید در نظر گرفت که 12 تا 15 درصد از انرژی افزوده‌شده به باتری در فرایند شارژ از دست می‌رود؛ مصرف نه‌تنها در حین رانندگی، بلکه در مسیر برق از پریز تا باتری نیز ایجاد می‌شود.
خلاصه اینکه kWh/100 km یک ویژگی خودرو نیست، بلکه نتیجه یک سیستم است. باتری، موتور، اینورتر، لاستیک و هوا - هر پنج عامل بر آن عدد امضا می‌گذارند. وقتی دلیل تغییرات این مقدار را درک کنید، تخمین برد دیگر یک بازی شانسی نیست؛ به یک مسئله مهندسی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود.
منابع
- اهمیت بازدهی: همه چیز درباره بازدهی خودروهای برقی
- مزایا و ملاحظات خودروهای برقی
- مصرف انرژی در حمل و نقل: خودروهای برقی
- تاثیر دماهای محیطی سرد بر عملکرد خودروهای برقی باتری‌دار
- مطالعه: پمپ‌های حرارتی چقدر برد خودروهای برقی را افزایش می‌دهند
- تاثیر دما و سرعت بر برد خودروهای برقی
- دما چگونه بر برد خودروهای برقی تاثیر می‌گذارد
- توضیح خودروهای برقی: تلفات شارژ
- تاثیر لاستیک‌ها بر برد خودروی برقی شما
- چگونه برد خودروی برقی خود را بهینه کنیم
- تلفات در نقشه‌های بازدهی خودروهای برقی: یک مرور کلی
- نگاهی دقیق‌تر به تلفات موتورهای خودروهای برقی
- اینورترها در خودروهای برقی: عملکرد، انواع و بازدهی
- تاثیر گرمای شدید بر مصرف انرژی خودروهای برقی
- توسعه سیستم ترمز بازیاب
- درک ترمز بازیاب در خودروهای برقی