ترمز ترمزی: هنر خودشارژ شدن خودروهای هیبریدی

هنگام کند شدن، انرژی‌ای که به‌صورت گرما از بین می‌رفت، به لطف ترمز بازیابی‌شونده به باتری بازمی‌گردد و دوباره به رانندگی تبدیل می‌شود.
هنگام کند شدن، انرژی‌ای که به‌صورت گرما از بین می‌رفت، به لطف ترمز بازیابی‌شونده به باتری بازمی‌گردد و دوباره به رانندگی تبدیل می‌شود.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

ترمز بازیابی، سیستمی برای بازیابی انرژی است که در خودروهای هیبریدی و برقی، انرژی جنبشی‌ای که هنگام کند شدن خودرو از دست می‌رود را با تبدیل موقت موتور الکتریکی به ژنراتور و ذخیره آن در باتری بازیابی می‌کند. انرژی‌ای که هنگام ترمزگیری معمولاً به شکل گرما از بین می‌رود، به این ترتیب دوباره به رانندگی تبدیل می‌شود؛ توضیح فنی «خودشارع شدن» هیبرید نیز دقیقاً همین است.

نکات برجسته

  • خودروهای هیبریدی در مقایسه با خودروهای بنزینی سنتی 20 تا 35 درصد صرفه‌جویی در سوخت دارند.
  • هیبریدهای کامل (full hybrid) باتری خود را تنها از طریق ترمز بازیابی و موتور درون‌سوز شارژ می‌کنند؛ در هیبریدهای پلاگین‌دار (plug-in) امکان شارژ با پریز نیز وجود دارد.
  • هوای سرد بازیابی انرژی را به طور موقت محدود می‌کند؛ این محدودیت برای محافظت از باتری انجام می‌شود و با گرم شدن باتری به‌طور خودکار برداشته می‌شود.
  • تویوتا از سال مدل 2020 برای هیبریدها و هیبریدهای پلاگین‌دار 10 سال / 150.000 مایل گارانتی باتری ولتاژ بالا اعمال می‌کند.
  • ترمز بازیابی عمر قطعات ترمز اصطکاکی را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.

ترمز بازیابی چگونه کار می‌کند؟

هر موتور الکتریکی می‌تواند به دو جهت کار کند: اگر به آن برق بدهید نیروی محرکه تولید می‌کند و اگر محور آن از بیرون بچرخانده شود، برق تولید می‌کند. ترمز بازیابی نتیجه طبیعی همین دوجهته بودن است. وقتی کاهش سرعت آغاز می‌شود، سیستم کنترل خودرو موتور را به «حالت معکوس» می‌برد؛ موتور محرکه به یک ژنراتور الکتریکی تبدیل می‌شود و انرژی مکانیکی دریافتی از چرخ‌های در حال چرخش را به برق تبدیل می‌کند. در این حالت، مقاومت الکتریکی اعمال‌شده به موتور، نیروی ترمز لازم برای کند کردن خودرو را فراهم می‌کند. معماری‌های جایگزینی نیز وجود دارند که در آن‌ها انرژی می‌تواند به‌صورت شیمیایی در باتری، به‌صورت الکتریکی در خازن یا به‌صورت مکانیکی داخل فَلایویل ذخیره شود، اما اکثر قریب به اتفاق خودروهای موجود در جاده از باتری استفاده می‌کنند.

فیزیک کاملاً روشن است: انرژی جنبشی خودروی در حال حرکت یا به‌صورت گرما در دیسک‌های ترمز از بین می‌رود یا به لطف ترمز بازیابی بازیاب می‌شود. توضیح رسمی مازدا این تبدیل را چنین خلاصه می‌کند: «انرژی جنبشی خودروی در حال حرکت گرفته شده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود؛ به‌صورت گرما پراکنده نمی‌شود.»

اما یک محدودیت فنی مهم اغلب از نظر دور می‌ماند: ترمز بازیابی به‌تنهایی نمی‌تواند خودرو را با ایمنی کامل متوقف کند. در سرعت‌های پایین اثر بازیابی کاهش می‌یابد و برای توقف کامل خودرو ناچاراً ترمز مکانیکی یعنی ترمز اصطکاکی وارد عمل می‌شود. به همین دلیل سیستم‌های مدرن هر دو ترمزگیری را همزمان مدیریت می‌کنند. پیشگام تجاری این یکپارچه‌سازی GM EV-1 بود؛ پتنت‌های brake-by-wire سال‌های 1997 تا 1998 با امضای Abraham Farag و Loren Majersik ثبت شده‌اند. اگر به عقب‌تر در تاریخ برویم، کسی که این مفهوم را در سال 1886 معرفی کرد Frank J. Sprague بود؛ در دهه 1890 در ترافیک پاریس روی خودروهای برقی Krieger استفاده شد و در سال 1967 AMC Amitron، نخستین نمونه کاملاً خودکار بود که با فشردن پدال ترمز، شارژ باتری را به‌طور خودکار آغاز می‌کرد.

هیبرید چگونه خود را شارژ می‌کند: تفاوت هیبرید کامل و پلاگین‌دار

"آیا خودروی هیبریدی باید به پریز برق وصل شود؟" این پرسش، رایج‌ترین سوالی است که علاقه‌مندان به هیبرید مطرح می‌کنند و پاسخ به نوع خودرو بستگی دارد. هیبریدهای کامل (HEV) - که در زبان بازاریابی "self-charging" یا هیبریدهای خودشارژ نامیده می‌شوند - باتری خود را تنها از دو منبع پر می‌کنند: ترمز بازیاب و موتور احتراق داخلی. نیازی به اتصال به پریز برق ندارند؛ ترمز بازیاب با بازگرداندن انرژی به باتری هیبرید، باتری را همواره در سطح شارژ مناسبی نگه می‌دارد.

اما هیبریدهای پلاگین‌دار (PHEV) هم با تجهیزات شارژ و هم با ترمز بازیاب قابل شارژ هستند. می‌توانند از پریز خانگی، دیوارکش یا نقطه شارژ محل کار برق بگیرند؛ به لطف برق شبکه، می‌توانند بخشی یا تمام خودرو را با برق حرکت دهند. بسته‌های باتری بزرگ‌تر، در مقایسه با هیبریدهای خودشارژ، به‌طور محسوسی برد برقی ۱۰۰٪ طولانی‌تری ارائه می‌دهند.

تفاوت میان این دو معماری تنها اندازه باتری نیست. مدل‌های پلاگین‌دار به احتمال بیشتری مراحل بازیاب قابل تنظیم توسط راننده و حتی امکان رانندگی تک‌پدال را ارائه می‌دهند. در هیبریدها، ترمز بازیاب بازده را افزایش می‌دهد، اما نقش آن به اندازه خودروی تمام‌برقی غالب نیست؛ وظیفه سیستم، حفظ سطح شارژ باتری کوچک است.

ویژگیهیبرید کامل (HEV)هیبرید پلاگین‌دار (PHEV)
شارژ با پریزلازم نیستلازم است (خانه، پریز، دیوارکش، محل کار)
منابع شارژ باتریترمز بازیاب، موتور احتراق داخلیتجهیزات شارژ و ترمز بازیاب
برد برقیکوتاهبرد برقی ۱۰۰٪ طولانی‌تر
مراحل بازیاب / تک‌پدالکمتر رایجرایج‌تر

آیا باتری‌های NiMH و لیتیوم-یونی واکنش متفاوتی به بازیابی نشان می‌دهند؟

پاسخ کوتاه: بله، تفاوت قابل اندازه‌گیری است. بسته‌های لیتیوم-یونی مقاومت داخلی پایین‌تری دارند؛ این یعنی انتقال سریع‌تر توان و بهبود نرخ جذب انرژی در ترمز بازیاب و در نتیجه حس بهتری از پشتیبانی برقی. شیمی لیتیوم-یونی در حین شارژ/دشارژ گرمای کمتری تولید می‌کند، سریع‌تر شارژ می‌شود و بازدهی ترمز بازیاب بهتری ارائه می‌دهد. در مقابل، سلول‌های لیتیومی در شارژ حساس‌ترند؛ سیستم مدیریت باتری (BMS) جریان ورودی از بازیابی را ابتدا به ناحیه بافر هدایت می‌کند و سلول‌ها را در محدوده‌های سخت نگه می‌دارد.

NiMH نقاط قوت خودش را دارد: بازه دمای کاری وسیع‌تر و خطر آتش‌سوزی پایین‌تر. هزینه آن به ازای هر وات‌ساعت نیز معمولاً پایین‌تر است. اما نقاط ضعفش عددی است: در مقایسه با لیتیوم-یونی، چگالی انرژی و عمر سیکل عقب‌تر است، مستعد اثر حافظه است و نرخ خودتخلیه بالایی دارد - هرچند این نرخ با افزودنی‌های شیمیایی جدید کاهش‌پذیر است، در نهایت چگالی انرژی پایین اجتناب‌ناپذیر می‌شود. خلاصه: لیتیوم-یون در بازیابی چابک‌تر است، NiMH سخت‌تر و ارزان‌تر؛ تولیدکنندگان بسته را بر اساس مأموریت خودرو انتخاب می‌کنند.

مراحل بازیابی و رانندگی تک‌پدال

ترمز احیاگری یک تنظیم واحد نیست؛ در بیشتر خودروهای مدرن، راننده شدت کاهش سرعت را به صورت پله‌ای انتخاب می‌کند. رانندگی تک‌پدال (one-pedal driving، OPD) انتهای این طیف تنظیمی است: وقتی پدال گاز را رها می‌کنید، خودرو به سرعت کند می‌شود و حتی در زمین صاف می‌تواند کاملاً متوقف شود - برخی خودروسازانی مانند Chevrolet می‌توانند با تک‌پدال توقف کامل را انجام دهند. این رفتار را می‌توان نوعی ترمز موتوری در نظر گرفت؛ کنترل‌های فرمان مانند دسته احیا در Honda سریع‌تر از حالت تک‌پدال کند می‌کنند، زیرا در این حالت پدال‌ها عملاً نقش ترمز را ایفا می‌کنند. در ترافیک سنگین، تک‌پدال و در رانندگی روان، احیای خودکار نرم‌تر، از ترجیحات رایج میان رانندگان هستند.

یک نکته ایمنی وجود دارد که باید به آن توجه کرد: اینکه چراغ ترمز هنگام کند شدن خودرو با احیا روشن شود یا نه، میان خودروسازان متفاوت بود. این خلأ با مقررات جدید بسته می‌شود؛ استاندارد GB 21670-2025 چین، روشن شدن چراغ ترمز را در ترمز احیاگری هنگامی که کاهش سرعت 1,3 m/s² را الزامی کرده است. جنبه مورد بحث دیگر رانندگی تک‌پدال، نگرانی شتاب‌گیری ناخواسته ناگهانی (SUA) است که با خطر اشتباه گرفتن پدال گاز به جای ترمز در شرایط پرتنش توسط راننده مرتبط است - به همین دلیل OPD در تمام بازارها به عنوان تنظیم پیش‌فرض ارائه نمی‌شود.

چرا در هوای سرد ترمز احیاگری محدود می‌شود؟

رانندگان زیادی متوجه ضعف احیا در زمستان می‌شوند و دلیل آن خرابی سیستم نیست، بلکه شیمی باتری است. با کاهش دما، واکنش‌های شیمیایی درون باتری کند می‌شود و توانایی باتری در پذیرش و ذخیره انرژی کاهش می‌یابد. در باتری لیتیومی سردی که ناگهان با جریان بالا شارژ شود، خطر لیتیوم پلیتینگ - یعنی رسوب فلزی لیتیوم بر سطح آند - ایجاد می‌شود؛ این وضعیتی است که می‌تواند به باتری آسیب دائمی وارد کند. به همین دلیل سیستم کنترل خودرو احیا را موقتاً محدود می‌کند: هدف محافظت از باتری است، نه آسیب رساندن به آن. هنگامی که باتری گرم شود، محدودیت برداشته می‌شود و احیا به ظرفیت کامل خود بازمی‌گردد؛ بسیاری از مدل‌ها با گرم کردن فعال باتری این فرآیند را تسریع می‌کنند.

دو محدودیت دیگر نیز در سرما وجود دارند. در دماهای پایین، کاهش خفیف برد و زمان شارژ طولانی‌تر دیده می‌شود. و هرچند شگفت‌آور به نظر می‌رسد، حالت منطقی دیگری هم هست: اگر باتری کاملاً پر باشد، ترمز احیاگری اصلاً کار نمی‌کند، زیرا جایی برای بازگشت یون‌ها وجود ندارد. پایین رفتن از یک سربالایی طولانی با باتری کاملاً شارژ شده، از نظر احیا ناکارآمدترین سناریو است.

صرفه‌جویی واقعی در سوخت چقدر است؟

ترمز احیاگری با تبدیل انرژی جنبشی به برق هنگام کاهش سرعت و ذخیره آن در باتری، مصرف سوخت در دنیای واقعی را به شکل قابل اندازه‌گیری بهبود می‌بخشد. به عنوان رقم کلی، خودروهای هیبریدی در مقایسه با خودروهای بنزینی سنتی 20-35% در مصرف سوخت صرفه‌جویی کند. اما این دستاورد به طور برابر توزیع نمی‌شود: افزایش بازدهی حاصل از ترمز بازیابی به سرعت و الگوی ترمزگیری بستگی دارد. در رانندگی شهری، کم‌سرعت و با ترمزهای مکرر، میزان سود بالا است؛ در رانندگی با سرعت ثابت در بزرگراه، چون تقریباً هرگز ترمز گرفته نمی‌شود، میزان سود به صفر نزدیک می‌شود. به همین دلیل برخی خودروهای هیبریدی ممکن است در مقایسه با رانندگی شهری، در بزرگراه مقادیر پایین‌تری از بازدهی سوخت داشته باشند - وضعیتی معکوس آنچه در خودروهای بنزینی انتظار می‌رود.

عادت رانندگی چگونه سود را افزایش می‌دهد؟

همان خودرو، حتی در یک مسیر یکسان، بسته به راننده مصرف متفاوتی دارد. پیش‌بینی ترافیک از قبل و کاهش سرعت تدریجی به جای ترمزگیری شدید با اصطکاک، به سیستم بازیابی زمان می‌دهد تا انرژی را بازیابد و باتری را شارژ کند. ترمزگیری ناگهانی و دیرهنگام بخشی از بازیابی را از دست می‌دهد و کار را به ترمزهای اصطکاکی می‌سپارد - یعنی انرژی روی دیسک‌ها به گرما تبدیل می‌شود. سود فقط در سوخت نیست: چون ترمزهای اصطکاکی کمتر سایش می‌یابند، دیسک، کالیپر و لنت عمر بیشتری دارند و فواصل سرویس سیستم ترمز طولانی‌تر می‌شود. سوال معکوس هم منطقی است: بازدهی هیبرید چقدر از بازیابی و چقدر از کارکرد موتور در بازه دور موتور بازدهی‌تر ناشی می‌شود؟ این دو عامل با هم عمل می‌کنند و سهم آن‌ها بسته به مدل متفاوت است؛ پاسخ واحد و قطعی وجود ندارد.

عمر باتری، گارانتی و هزینه تعویض

Rejeneratif frenlemede kazanılan enerjiyi depolayan hibrit batarya paketinin değişim maliyeti modele ve onarım yöntemine göre büyük fark gösterebiliyor.

بازیابی، باتری را دائماً تحت فشار قرار نمی‌دهد؛ برعکس، با نگه داشتن سطح شارژ باتری هیبریدی در یک بازه باریک، پیر شدن آن را کند می‌کند. تعهدات گارانتی سازندگان نیز این اعتماد را منعکس می‌کند. تویوتا از سال مدل 2020 به بعد برای هیبریدهای استاندارد و پلاگین هیبرید همان 10 سال / 150.000 مایل گارانتی باتری ولتاژ بالا را اعمال می‌کند. هیوندای در چارچوبی مشابه تضمین می‌کند که باتری ولتاژ بالا طی 10 سال حداقل 70% از ظرفیت اولیه خود را حفظ خواهد کرد. در کالیفرنیا نیز قوانین مربوط به انتشار، پوشش باتری خودروهای هیبریدی و الکتریکی در بازه 10 سال / 150.000 مایل را الزامی می‌کند.

اگر از گارانتی خارج شود، جدول هزینه‌ها در بازه وسیعی قرار می‌گیرد. پیشنهاد یک نمایندگی برای تعویض باتری یک Prius مدل 2017 2.700 دلار بود و باتری نو 3 سال گارانتی داشت؛ در کانال تولیدکننده، تعویض باتری هیبریدی به طور کلی بین 2.000 تا 8.000 دلار نشان داده می‌شود. سقف ارقامی که سرویس‌های مستقل و شرکت‌های گارانتی اعلام می‌کنند بسیار بالاتر است: تعویض پکیج باتری هیبریدی 5.000 تا 15.000 دلار یا حتی بیشتر. تفاوت میان این ارقام با کامل بودن یا سلول‌به‌سلول بودن تعمیر پکیج، مدل خودرو و هزینه‌های نیروی کار توضیح داده می‌شود.

نتیجه: سیستمی که از ترمزگیری انرژی استخراج می‌کند

ترمز بازیابی (رجنراتیو)، قلب سازوکار شارژ خودکار خودروی هیبریدی است. موتور به ژنراتور تبدیل می‌شود و انرژی‌ای که معمولاً روی دیسک‌های ترمز به گرما تبدیل می‌شد را به باتری بازمی‌گرداند؛ سهم مهمی از صرفه‌جویی ۲۰ تا ۳۵ درصدی هیبرید در ترافیک شهری از همین‌جا می‌آید. محدودیت‌های سیستم نیز روشن است: در سرعت‌های پایین همراه با ترمز اصطکاکی کار می‌کند، در هوای سرد برای محافظت از باتری محدود می‌شود و وقتی باتری کاملاً پر است اصلاً فعال نمی‌شود. اما راننده‌ای که از پله‌ها و حالت تک‌پدال به‌صورت آگاهانه استفاده کند، هم انرژی و هم قطعات ترمز را طولانی‌تر نگه می‌دارد - از دید مهندسی، این دستاوردی رایگان نیست، اما به آن بسیار نزدیک است.

منابع