قلب خودروی هیبریدی: داستان صدساله ترمز بازیابی انرژی

ترمز احیاکننده، حدوداً نیمی از انرژی‌ای که به دلیل اصطکاک به صورت گرما از دست می‌رفت را بازیابی کرده و افزایش بهره‌وری 10 تا 25 درصدی فراهم می‌کند.
ترمز احیاکننده، حدوداً نیمی از انرژی‌ای که به دلیل اصطکاک به صورت گرما از دست می‌رفت را بازیابی کرده و افزایش بهره‌وری 10 تا 25 درصدی فراهم می‌کند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

ترمز ترمز بازیابی (رجنراتیو)، مکانیزم بازیابی انرژی است که هنگام کند کردن خودروی در حال حرکت، انرژی جنبشی را به برق تبدیل و ذخیره می‌کند. موتور الکتریکی در لحظه ترمز مانند ژنراتور عمل می‌کند؛ انرژی‌ای که در اثر اصطکاک به صورت گرما از دست می‌رفت، در باتری ذخیره می‌شود. تاریخ این ایده که متمایزترین جزء خودروی هیبریدی است، بسیار دورتر از پرایوس 1997، به سال‌های 1900 و راه‌آهن‌ها بازمی‌گردد.

نکات برجسته

  • ترمز رجنراتیو تقریباً نیمی از انرژی از دست‌رفته در ترمز را بازیابی می‌کند؛ این معادل افزایش راندمان 10 تا 25 درصد است.
  • Lohner-Porsche Mixte سال 1901، نخستین نمونه هیبریدی است که با تبدیل دنده‌ها به ژنراتور ترمز می‌کرد و ولتاژ 420 ولت تولید می‌کرد.
  • تویوتا پرایوس 1997، ترمز رجنراتیو را با هماهنگی کنترل‌شده توسط کامپیوتر به بلوغ تولید انبوه رساند.
  • چون بار دیسک ترمز، کالیپر و لنت کاهش می‌یابد، عمر سیستم ترمز به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد.

ترمز رجنراتیو چگونه کار می‌کند: اصل اساسی

Fren yaptığınız her saniyede kaybolan kinetik enerji, motoru jeneratöre çevirip bataryaya geri yazarak hibritin sessiz yakıtı olur.

در یک ترمزگیری کلاسیک، انرژی جنبشی خودرو از طریق اصطکاک به گرما تبدیل شده و به‌صورت بیهوده به جو منتشر می‌شود. ترمز رجنراتیو هدفش نجات این انرژی است: موتور کشش در جهت معکوس، یعنی در حالت ژنراتوری، به کار گرفته می‌شود. گشتاور واردشده از چرخ‌ها در موتور جریان الکتریکی تولید می‌کند و این جریان به یکی از سه روش ذخیره می‌شود: به‌صورت شیمیایی در باتری، به‌صورت الکتریکی در خازن، یا به‌صورت مکانیکی در یک فلایویل. در خودروهای هیبریدی در عمل همیشه روش اول انتخاب می‌شود.

در اینجا یک تمایز فنی ظریف اما مهم وجود دارد. اگر انرژی از طریق موتورها بازیابی و در مقاومت‌ها به‌صورت گرما دفع شود، به آن ترمز رئوستایی یا دینامیکی می‌گویند؛ این روش در قطارها هنوز رایج است، انرژی بازیابی نمی‌کند و فقط صرفه‌جویی در لنت ترمز ایجاد می‌کند. اگر انرژی در مخزن ذخیره شود، موضوع رجنراتیو است. از دید مهندسی، هر دو فیزیک یکسانی دارند با مدیریت الکتریکی متفاوت.

باید محدودیت‌های سیستم را نیز از ابتدا مشخص کرد. ترمز رجنراتیو به‌تنهایی نمی‌تواند خودرو را با ایمنی متوقف کند؛ با کاهش سرعت، اثر ژنراتوری کم می‌شود و در سرعت‌های پایین ترمز اصطکاکی ناچار وارد مدار می‌شود. سود قابل‌اندازه‌گیری روشن است: تقریباً نیمی از انرژی از دست‌رفته در ترمز بازیابی می‌شود و این در تراز انرژی کلی به معنای افزایش راندمان 10 تا 25 درصد است. همچنین چون بار واردشده بر دیسک‌ها، کالیپرها و لنت‌ها کاهش می‌یابد، عمر سیستم ترمز به‌طور محسوسی طولانی‌تر می‌شود؛ طولانی بودن فواصل تعویض لنت مالکان خودروهای هیبریدی بی‌دلیل نیست.

تولد این ایده: از ترافیک الکتریکی تا ترامواها

ریشه‌های ترمز رجنراتیو بسیار پیش از خودرو کشیده شد. شرکت Sprague Electric Railway & Motor Company که در سال 1886 توسط فرانک جی. اسپراگ تأسیس شد، علاوه بر موتور جاروبک ثابت و بدون جرقه، ترمز رجنراتیو را نیز معرفی کرد. در دهه 1890، لویی آنتوان کریگر در پاریس، ارابه‌های اسب‌کشش را به خودروهای الکتریکی دیفرانسیل جلو تبدیل کرد؛ در کریگر الکتریک لاندوله، هر چرخ جلو دارای یک موتور کشش با سیم‌پیچ بای‌فیلار بود و این ساختار سیم‌پیچ امکان ترمز رجنراتیو را فراهم می‌کرد.

در میان کاربردهای اولیه، کامیون الکتریکی Orwell نیز دیده می‌شود که در جنگ جهانی اول در انگلستان به کار گرفته شد: ترمز بازیابی‌کننده‌ای که راننده فعال می‌کرد، برای یک کامیون باری فنی ظریف و کم‌نظیری بود. در بخش راه‌آهن نیز ثبت اختراع‌های ترکشن جان اِس. راورث در سال‌های 1903 تا 1908 کنترل بازیابی خودکار را برای بهره‌برداران تراموای انگلستان به ارمغان آورد؛ در Devonport در سال 1903 و در خط Birmingham و Crystal Palace-Croydon در سال 1906، موتورها به‌عنوان ژنراتور کار می‌کردند و وسایل نقلیه را ترمز می‌کردند. پس از یک حادثه جدی در Rawtenstall، در سال 1911 تحریمی بر این شکل از ترکشن وضع شد؛ این سیستم تنها بیست سال بعد بازگشت.

خودروهای الکتریکی اولیه نیز این ایده را آزمودند. Baker Electric Runabout و Owen Magnetic از ترمز بازیابی استفاده می‌کردند، اما راننده باید حالت‌ها را از طریق یک کلید دستی تغییر می‌داد و در عمل تنها در بخش‌های سرپایینی کارآمد بود. استفاده از موقعیت‌های مشترک کنترلر برای هم توان و هم ترمز یک مشکل ایمنی جدی بود: در سال 1948 در حادثه قطاری در شهر Wädenswil سوئیس، راننده هنگام درخواست ترمز به‌اشتباه گاز داد و 21 نفر جان باختند. این فاجعه به تلخ‌ترین شکل نشان می‌دهد که چرا این سیستم به اتوماسیون کامل نیاز داشت.

بلوغ در راه‌آهن

در اوایل دهه 1930، راه‌آهن ماوراء قفقاز در خط باکو-تفلیس-باتومی یکی از نخستین نمونه‌های به‌کارگیری ترمز بازیابی در راه‌آهن بود؛ در گذرگاه سراشیبی و خطرناک Surami، انرژی حاصل از پایین‌رفتن به شبکه برق بازگردانده می‌شد. در سال 1936، لوکوموتیوهای آزمایشی توربین بخاری جنرال الکتریک با عبور بخار آب از روی بسته‌های مقاومت، انرژی را به معنای واقعی بازیافتند. سیستم ریلی همان میدانی بود که پیش از خودرو، قابلیت اطمینان این فناوری را اثبات کرد.

Lohner-Porsche: تولد مشترک هیبرید و ترمز بازیابی

فرديناند پورشه نخستین خودروی هیبریدی را طراحی کرد و در سال 1900 نمونه اولیه آن را معرفی کرد. Lohner-Porsche Elektromobil در نمایشگاه پاریس 1900 ابتدا به‌عنوان یک خودروی تمام‌الکتریکی روی صحنه رفت. مدل Semper Vivus که پس از آن آمد، به ژنراتورهایی برای شارژ باتری و ترمز بازیابی مجهز بود؛ طراحی پورشه اجازه می‌داد مدار الکتریکی حاصل از ژنراتورها معکوس شود. یعنی هیبرید و ترمز بازیابی در تاریخ، هم‌زمان و روی یک میزان متولد شدند.

مدل 1901 Mixte این ایده را عینی-section کرد. خودرو دارای سه دنده قابل تعویض بود و این دنده‌ها می‌توانستند برای مقاصد ترمز به ژنراتور تبدیل شوند؛ در چنین ترمزی ولتاژی معادل 420 ولت به وجود می‌آمد که برای خودروی آن روزگار یک حرکت الکتریکی خیره‌کننده بود. Mixte با سرعت بیشینه 56 کیلومتر بر ساعت رکوردهایی ثبت کرد و در سال 1902 پورشه با خودروی هیبریدی Lohner-Porsche Mixte رالی Exelberg را به پیروزی رسید. در پایان سال 1901، لودویگ لونر و فردیناند پورشه پنج فروند Mixte فروختند و به نتیجه تجاری محترمانه‌ای دست یافتند.

چشمگیرترین واقعیت مهندسی اینجاست: ایده محوری که پورشه مطرح کرد، یعنی تبدیل موتور محرکه به ژنراتور هنگام ترمز و ذخیره انرژی، دقیقاً همان اصل مورد استفاده در خودروهای امروزی هیبریدی است. فناوری آماده و درست بود؛ اما پختن آن به حدود هشتاد سال و چند آستانه بحرانی نیاز داشت.

پس از گذشت نوزده قرن: Prius مدل 1997 و بلوغ عملی

اگرچه Woods Dual Power در سال 1916 به عنوان یک خودروی هیبریدی که موتور بنزینی را با موتور برقی ترکیب می‌کرد شناخته شد، خودروهای هیبریدی برقی تا سال 1997 فراگیر نشدند. نقطه شکست در سالی فرا رسید که تویوتا موتور کورپوریشن نخستین خودروی هیبریدی تولید انبوه جهان، یعنی تویوتا Prius را توسعه داد. طراحی Prius برای افزایش بازدهی انرژی، ترمز بازیاب را مستقیماً در ساختار انتقال قدرت گنجاند.

سهم اصلی Prius در هماهنگی بود. با توجه به ضعف سمت انرژی در ترمز هیدرولیکی، یک سیستم هماهنگی جدید میان ترمز هیدرولیکی و ترمز بازیاب توسعه یافت. این سیستم زیر کنترل کامپیوتر است: وقتی راننده پدال ترمز را فشار می‌دهد، ابتدا موتور به حالت ژنراتور می‌رود و وقتی ترمز بازیاب کافی نباشد، ترمز لنت‌دار بلافاصله وارد عمل می‌شود. کاربر این را حس نمی‌کند؛ در عوض انرژی به جای تبدیل شدن به گرما، به باتری جریان می‌یابد. در سال 1967، AMC Amitron نخستین نمونه‌ای بود که در آن با فشردن پدال ترمز، کنترلر موتور به‌طور خودکار شارژ باتری را آغاز می‌کرد و فرایند کاملاً خودکار شده بود؛ Prius این خودکارسازی را به قابلیت اطمینان تولید انبوه رساند. GM EV-1 نیز نخستین خودروی تجاری بود که ترمز بازیاب و اصطکاکی را با هم مدیریت کرد و در سال‌های 1997 تا 1998 دو ثبت اختراع برای فناوری brake-by-wire دریافت شد.

پیشگام دیگر همین موج، هوندا Insight بود. این خودروی شیک دومنفرد که در سال 1999 در آمریکا به عنوان نخستین خودرویی که هم با نیروی برق و هم بنزین کار می‌کرد به فروش رسید، رکوردهای بازدهی ثبت کرد. در حالی که ترمزهای بازیاب Prius در مقایسه با هوندا محسوس‌تر بود، Insight از نظر سهولت استفاده و پایداری در جاده قوی بود؛ اما خودرویی که به نماد تبدیل شد Prius بود و ترمز بازیاب از آن پس به عنوان ویژگی تعیین‌کننده هیبریدی ماندگار شد.

نقش تعیین‌کننده باتری: از NiMH تا لیتیوم-یون

در بلوغ ترمز بازیاب، فناوری باتری به اندازه موتور و حتی بیش از آن تعیین‌کننده بود. صد سال پیش، اگرچه پورشه می‌توانست ولتاژ ترمز 420 ولتی تولید کند، باتری‌ای برای ذخیره دائمی و ایمن انرژی وجود نداشت. شیمی نیکل-متال هیدرید (NiMH) که در خودروهای هیبریدی استاندارد شده است، چگالی انرژی بالاتری از سرب-اسید و پایین‌تری از لیتیوم-یون دارد؛ اما برای باتری‌ای که در ترمز بازیاب در معرض چرخه‌های شارژ جزئی مداوم و سریع قرار می‌گیرد، مزایای آن کاملاً کافی است.

ویژگیNiMHلیتیوم-یون
چگالی انرژیمتوسطبالا
هزینه به ازای هر وات-ساعتارزان‌ترگران‌تر
دوام چرخه شارژبالاترپایین‌تر
تحمل دمابهترحساس‌تر
کاربرد متداولهیبریدهای کلاسیکپلاگین-دار و تمام برقی

خلاصه جدول چنین است: NiMH ارزان‌تر است، دوام بیشتری در برابر چرخه‌های شارژ دارد، تحمل گرما دارد و ایمن است، به همین دلیل برای چرخه‌های ترمز بازیابی هیبریدهای کلاسیک بسیار مناسب است. لیتیوم-یون اما در چگالی انرژی جرمی از NiMH پیشی گرفته و به همین دلیل شیمی غالب خودروهای پلاگین هیبرید و باتری-برقی است که به برد تمام‌الکتریکی طولانی نیاز دارند. اینکه کدام بهتر است به سناریوی استفاده بستگی دارد؛ برای پروفایل شارژ ترمز بازیابی، NiMH همچنان انتخابی قدرتمند است.

دوره پلاگین و جدول امروز

در عصر هیبرید پلاگین، ترمز بازیابی به مرکز زنجیره بازدهی قرار گرفت. در مدل‌هایی مانند تویوتا پریوس پلاگین هیبرید و RAV4 پلاگین، باتری کاملاً با ترمز بازیابی حین رانندگی و موتور پر می‌شود؛ منبع انرژی دیگری جز اتصال به پریز وجود ندارد. در فورد اسکیپ PHEV، ترمز بازیابی به‌عنوان یکی از فناوری‌های اصلی افزایش بازدهی معرفی می‌شود و بر مصرف سوخت کمتر تأکید می‌شود. در مدل‌هایی مانند کیا اسپورتیج HEV سال 2026، سوبارو کراس‌ترک هیبرید، هیوندای سانتافه هیبرید و نیسان روگ پلاگین هیبرید، ترمز بازیابی به‌عنوان ویژگی برجسته بازدهی، به‌ویژه در ترافیک توقف و حرکت، بازاریابی می‌شود.

بخش مقرراتی نیز فناوری را دنبال کرد. برخی مدل‌ها هنگام ترمز بازیابی چراغ ترمز را روشن نمی‌کردند و بیشتر مقررات این را الزامی نمی‌دانستند؛ استاندارد GB 21670-2025 چین با تاریخ 2025، روشن شدن چراغ‌های ترمز را هنگامی که کاهش سرعت با ترمز بازیابی از 1.3 m/s² فراتر رود الزامی کرد. از سوی دیگر بحث رانندگی تک‌پدال ادامه دارد: سطوح بالای بازیابی، برد الکتریکی طولانی‌تری فراهم می‌کند اما خطر اینکه راننده در لحظات پرتنش پدال گاز را پدال ترمز بپندارد، نگرانی‌های شتاب‌گیری ناگهانی ناخواسته را تغذیه می‌کند. ریاضیات انرژی سیستم حل شده است؛ مسئله باقی‌مانده رابط انسان-ماشین است.

نتیجه‌گیری: کارنامه امروز یک ایده صدساله

مسیر تحول ترمز بازیابی نمونه‌ای کمیاب در فناوری خودروسازی است: ایده اصلی از سال 1901 درست بود؛ آنچه کم بود، شیمی باتری، الکترونیک قدرت و اتوماسیون کنترل بود. خطی که از اسپراگ به کریگر، از راورث به پریوس می‌رسد، در هر آستانه با یک نقص یا بلوغ یک قطعه توضیح داده می‌شود. امروزه این سازوکار که بخش بزرگی از فروش خودروهای هیبرید را بر دوش دارد، حدود نیمی از انرژی ازدست‌رفته در ترمزگیری را بازیابی می‌کند، عمر ترمز را افزایش می‌دهد و بهبود بازدهی 10 تا 25 درصدی فراهم می‌آورد. پربازده‌ترین دوران یک ایده 120 ساله، دورانی است که اکنون در آن به سر می‌بریم.

منابع