در خودروهای سنتی با موتور احتراق داخلی، هنگامی که راننده ترمز می‌گیرد، انرژی جنبشی خودرو (انرژی ناشی از حرکت) از طریق اصطکاک لنت ترمز با دیسک ترمز به گرما تبدیل شده و در فضا تلف می‌شود. این اتلاف انرژی به خصوص در رانندگی شهری با توقف و حرکت مکرر قابل توجه است. ترمز احیاکننده (Regenerative Braking)، که گاهی با نام بازیابی انرژی (Recuperation) نیز شناخته می‌شود، فناوری نوآورانه‌ای است که در خودروهای برقی (EVs) و هیبریدی (HEVs) به کار رفته و بخشی از این انرژی جنبشی از دست رفته در حین کاهش سرعت را بازیابی کرده و مجدداً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند تا در باتری ذخیره شود. این قابلیت تأثیر چشمگیری بر راندمان کلی خودرو و برد پیمایش آن دارد. درک ترمز احیاکننده (Regenerative Braking): مفهوم بازیابی انرژی در خودروهای برقی و هیبریدی برای هر کسی که با این وسایل نقلیه سروکار دارد، حیاتی است. این دانشنامه به بررسی جامع ترمز احیاکننده می‌پردازد.
ترمز احیاکننده (Regenerative Braking): مفهوم بازیابی انرژی در خودروهای برقی و هیبریدی
ترمز احیاکننده به فرآیند تبدیل انرژی جنبشی خودرو به انرژی الکتریکی در هنگام کاهش سرعت یا ترمزگیری اطلاق می‌شود. در خودروهای سنتی، این انرژی در اثر اصطکاک ترمز هدر می‌رود، اما در خودروهای برقی و هیبریدی، بخشی از آن “احیا” یا “بازیابی” می‌شود.
مفهوم بازیابی انرژی در خودروهای برقی و هیبریدی بسیار مهم است، چرا که این انرژی بازیابی شده مستقیماً به بسته باتری بازگردانده می‌شود و می‌تواند برای پیمودن مسافت بیشتر در آینده مورد استفاده قرار گیرد. این امر به طور قابل توجهی راندمان کلی خودرو را افزایش می‌دهد، به‌ویژه در سیکل‌های رانندگی که شامل توقف و حرکت زیاد است، مانند رانندگی در شهر یا ترافیک سنگین.
چگونگی عملکرد ترمز احیاکننده: تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی (موتور به عنوان ژنراتور)
چگونگی عملکرد ترمز احیاکننده بر پایه استفاده هوشمندانه از موتور الکتریکی خودرو استوار است. در خودروهای برقی و هیبریدی که از موتورهای الکتریکی برای پیشرانه استفاده می‌کنند، این موتورها قابلیت کارکرد دوگانه را دارند:
- در حالت شتاب‌گیری/حرکت: موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را از باتری دریافت کرده و آن را به انرژی مکانیکی (حرکت چرخ‌ها) تبدیل می‌کند.
- در حالت ترمز احیاکننده: هنگامی که راننده پدال گاز را رها می‌کند یا به آرامی پدال ترمز را فشار می‌دهد، سیستم کنترل خودرو عملکرد موتور الکتریکی را معکوس می‌کند. چرخ‌های در حال چرخش، موتور الکتریکی را می‌چرخانند و در این حالت، موتور به جای مصرف برق، به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند و انرژی جنبشی حاصل از حرکت خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. این انرژی الکتریکی تولید شده سپس از طریق مبدل‌های الکترونیکی (مانند اینورتر) به بسته باتری ولتاژ بالا بازگردانده شده و در آن ذخیره می‌شود. همزمان با تولید برق، موتور الکتریکی نیروی مقاومتی ایجاد می‌کند که باعث کاهش سرعت خودرو می‌شود؛ این همان نیروی ترمز احیاکننده است.
شدت این ترمز احیاکننده بسته به طراحی خودرو و تنظیمات راننده متفاوت است.
مزایا و فواید اصلی ترمز احیاکننده برای راندمان، برد پیمایش و سایش لنت ترمز
استفاده از ترمز احیاکننده در خودروهای برقی و هیبریدی مزایا و فواید اصلی متعددی به همراه دارد:
- افزایش راندمان کلی خودرو: با بازیابی انرژی که در غیر این صورت هدر می‌رفت، راندمان تبدیل انرژی در کل سیستم پیشرانه بهبود می‌یابد.
- افزایش برد پیمایش (در خودروهای برقی): انرژی الکتریکی بازیابی شده مستقیماً به باتری برمی‌گردد و به افزایش مسافت قابل پیمایش با هر بار شارژ کامل کمک می‌کند. این موضوع به خصوص در رانندگی شهری با ترمزگیری‌های مکرر محسوس است.
- کاهش مصرف سوخت (در خودروهای هیبریدی): با تأمین بخشی از انرژی لازم از طریق ترمز احیاکننده، نیاز به استفاده از موتور احتراق داخلی کاهش یافته و مصرف سوخت پایین می‌آید.
- کاهش سایش لنت ترمز و دیسک: از آنجایی که ترمز احیاکننده بخش قابل توجهی از فرآیند کاهش سرعت را بر عهده دارد، استفاده از سیستم ترمز اصطکاکی سنتی (لنت و دیسک) کاهش می‌یابد. این امر منجر به افزایش قابل توجه عمر مفید لنت ترمز و دیسک‌ها و کاهش هزینه‌های نگهداری می‌شود.
تنظیمات و سطوح مختلف ترمز احیاکننده (One-Pedal Driving) و تاثیر آن بر حس رانندگی
خودروسازان مختلف، ترمز احیاکننده را با تنظیمات و سطوح مختلفی ارائه می‌دهند که می‌تواند تاثیر قابل توجهی بر حس رانندگی بگذارد:
- سطوح قابل تنظیم: در بسیاری از خودروهای برقی و هیبریدی، راننده می‌تواند شدت ترمز احیاکننده را از طریق منوها، پدال‌های پشت فرمان یا حالت‌های رانندگی مختلف تنظیم کند. سطوح پایین‌تر ترمز احیاکننده شبیه به رها کردن گاز در خودروهای بنزینی است، در حالی که سطوح بالاتر کاهش سرعت قوی‌تری ایجاد می‌کنند.
- حالت رانندگی تک پدال (One-Pedal Driving): در برخی خودروها، به خصوص خودروهای برقی، ترمز احیاکننده می‌تواند آنقدر قوی باشد که راننده بتواند در اکثر شرایط (به جز ترمزگیری اضطراری)، تنها با کنترل پدال گاز (فشار دادن برای شتاب، رها کردن یا کمی فشار معکوس برای ترمزگیری) سرعت خودرو را کنترل کرده و حتی تا توقف کامل برسد. این حالت رانندگی تک پدال تجربه رانندگی منحصر به فردی را ارائه می‌دهد.
- ترکیب با ترمز مکانیکی: حتی با وجود ترمز احیاکننده، سیستم ترمز خودرو به طور هوشمند در هنگام نیاز به نیروی ترمزگیری بیشتر (فشار قوی‌تر بر پدال ترمز)، ترمز اصطکاکی سنتی را نیز فعال می‌کند تا نیروی ترمز کلی مورد نظر راننده تأمین شود.
این تنظیمات و سطوح مختلف ترمز احیاکننده و تاثیر آن بر حس رانندگی یکی از جنبه‌هایی است که رانندگان خودروهای برقی و هیبریدی با آن تعامل مستقیم دارند.
مقایسه ترمز احیاکننده با ترمز اصطکاکی سنتی و نقش آن در آینده سیستم‌های ترمز
ترمز احیاکننده و ترمز اصطکاکی سنتی (لنت و دیسک) هر دو وظیفه کاهش سرعت خودرو را بر عهده دارند، اما با رویکردهای متفاوت. مقایسه ترمز احیاکننده با ترمز اصطکاکی سنتی نشان‌دهنده مزایای رویکرد احیاکننده است:
- هدف: ترمز اصطکاکی صرفاً انرژی جنبشی را هدر می‌دهد (به صورت گرما). ترمز احیاکننده انرژی جنبشی را به انرژی قابل استفاده (الکتریکی) تبدیل می‌کند.
- راندمان: ترمز اصطکاکی راندمان انرژی صفر دارد. ترمز احیاکننده راندمان انرژی قابل توجهی دارد (انرژی را برمی‌گرداند).
- سایش قطعات: ترمز اصطکاکی باعث سایش لنت و دیسک می‌شود. ترمز احیاکننده سایش این قطعات را کاهش می‌دهد.
در خودروهای برقی و هیبریدی، این دو سیستم به صورت ترکیبی عمل می‌کنند (Blended Braking). نقش ترمز احیاکننده در آینده سیستم‌های ترمز احتمالاً افزایش خواهد یافت. با پیشرفت فناوری، پمپ‌های حرارتی ممکن است در آینده برای بازیابی گرمای تولید شده توسط ترمز اصطکاکی نیز استفاده شوند، هرچند این در حال حاضر چالش‌برانگیز است. در نهایت، هدف سیستم‌های ترمز آینده، حداکثر کردن بازیابی انرژی در هر توقف است.
نتیجه‌گیری
ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) یا بازیابی انرژی (Recuperation)، یک فناوری کلیدی در خودروهای برقی و هیبریدی است که با چگونگی عملکرد ترمز احیاکننده: تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی (موتور به عنوان ژنراتور)، بخشی از انرژی تلف شده در حین کاهش سرعت را بازیابی می‌کند. این قابلیت منجر به مزایا و فواید اصلی ترمز احیاکننده برای راندمان، برد پیمایش و سایش لنت ترمز می‌شود و به طور قابل توجهی عملکرد و هزینه‌های نگهداری این خودروها را بهبود می‌بخشد. تنظیمات و سطوح مختلف ترمز احیاکننده (One-Pedal Driving) بر حس رانندگی تأثیر می‌گذارند و مقایسه ترمز احیاکننده با ترمز اصطکاکی سنتی نشان‌دهنده برتری آن در بازیابی انرژی است. با افزایش تعداد خودروهای برقی در جاده‌ها، نقش ترمز احیاکننده در آینده سیستم‌های ترمز پررنگ‌تر خواهد شد و به جزء استاندارد و ضروری این وسایل نقلیه تبدیل می‌شود.
