وقتی پایمان را روی ترمز می‌گذاریم، انتظار داریم خودرو آرام شود و انرژی حرکتش از بین برود. در یک خودروی معمولی، تقریباً همین اتفاق می‌افتد؛ لنت و دیسک ترمز درگیر می‌شوند و بخش زیادی از انرژی حرکت خودرو به گرما تبدیل می‌شود.
اما یک خودروی برقی می‌تواند با همان کاهش سرعت، کار دیگری هم انجام دهد: بخشی از انرژی حرکت را دوباره به برق تبدیل کند و به باتری برگرداند.
شاید به همین دلیل باشد که بعضی رانندگان خودروهای برقی وقتی از یک سراشیبی پایین می‌آیند یا در ترافیک شهری مرتب سرعت کم می‌کنند، روی نمایشگر خودرو می‌بینند که انرژی دوباره وارد باتری شده است.
اما یک سؤال مهم وجود دارد:
آیا واقعاً می‌توان با ترمز گرفتن باتری را شارژ کرد؟
بله؛ اما نه آن‌طور که شاید در نگاه اول تصور کنیم.
ما قرار نیست با ترمز گرفتن، انرژی رایگان تولید کنیم. خودرو در واقع بخشی از انرژی‌ای را که قبلاً برای حرکت مصرف کرده، پس می‌گیرد.
و همین تفاوت، کل داستان را جالب می‌کند.
ترمز خودرو ناگهان تبدیل به ژنراتور می‌شود
برای فهمیدن ماجرا، باید کمی به موتور الکتریکی نگاه کنیم.
وقتی خودرو در حال حرکت است، باتری برق را به موتور می‌دهد و موتور با استفاده از آن، چرخ‌ها را می‌چرخاند. یعنی مسیر انرژی تقریباً این است:
باتری ← موتور ← چرخ‌ها ← حرکت خودرو
اما وقتی خودرو می‌خواهد سرعتش را کم کند، می‌توان کاری کرد که این مسیر تا حدی برعکس شود.
چرخ‌های در حال حرکت، موتور الکتریکی را می‌چرخانند و موتور در این حالت مانند یک ژنراتور عمل می‌کند. انرژی مکانیکی حرکت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و این برق دوباره به باتری فرستاده می‌شود.
یعنی همان قطعه‌ای که چند لحظه قبل خودرو را به جلو می‌راند، حالا در حال گرفتن انرژی از چرخ‌هاست.
و همین فرآیند باعث ایجاد نیرویی می‌شود که سرعت خودرو را کاهش می‌دهد.
به این سیستم ترمز احیاکننده یا Regenerative Braking می‌گویند.
پس چرا انرژی حرکت را هدر ندهیم؟
اینجا شاید بپرسید اصلاً چرا چنین سیستمی مهم است؟
چون یک خودرو هنگام حرکت انرژی زیادی دارد.
فرض کنید خودرو با سرعت نسبتاً زیادی در حال حرکت است و ناگهان به یک چراغ قرمز می‌رسید. برای توقف باید سرعت آن به صفر برسد.
در یک خودروی بنزینی معمولی، بخش قابل توجهی از انرژی جنبشی خودرو هنگام ترمز گرفتن به گرما تبدیل می‌شود و از طریق دیسک و لنت ترمز به محیط می‌رود.
در خودروی برقی، می‌توان بخشی از این انرژی را به جای تبدیل کامل به گرما، دوباره به برق تبدیل کرد.
البته این فرآیند صددرصدی نیست. در هر مرحله از تبدیل انرژی مقداری اتلاف وجود دارد؛ از موتور و سیستم انتقال قدرت گرفته تا تجهیزات الکترونیکی و خود باتری.
اما همین بازیابی جزئی هم ارزشمند است.
وزارت انرژی آمریکا گزارش کرده که در یک چرخه رانندگی ترکیبی شهری و بزرگراهی، بازیابی خالص انرژی از طریق ترمز احیاکننده حدود ۲۲ درصد بوده است. این عدد مربوط به یک چرخه مشخص است و نباید آن را به‌عنوان مقدار ثابتی برای همه خودروها و همه شرایط رانندگی در نظر گرفت.
یعنی هر بار ترمز بگیریم، باتری شارژ می‌شود؟
اینجا یک سوءتفاهم رایج وجود دارد.
نه، هر بار که پدال ترمز را فشار می‌دهید، لزوماً تمام نیروی ترمز صرف شارژ باتری نمی‌شود.
خودروهای برقی معمولاً دو روش برای کاهش سرعت دارند:
ترمز احیاکننده که انرژی را تا حد ممکن به باتری برمی‌گرداند، و ترمز اصطکاکی معمولی که با استفاده از لنت و دیسک خودرو را متوقف می‌کند.
خودرو می‌تواند بین این دو روش، یا ترکیبی از آن‌ها، تصمیم بگیرد.
برای مثال، اگر نیاز به توقف بسیار شدید داشته باشید، سیستم نمی‌تواند فقط به بازیابی انرژی تکیه کند. ترمزهای معمولی نیز وارد عمل می‌شوند.
در سرعت‌های بسیار پایین هم شرایط متفاوت است و ممکن است ترمز اصطکاکی بیشتر وارد فرآیند توقف شود.
بنابراین چیزی که راننده احساس می‌کند «ترمز گرفتن» است، در واقع می‌تواند حاصل همکاری چند سیستم مختلف باشد.
پس چرا بعضی خودروهای برقی وقتی پایمان را از گاز برمی‌داریم، سرعت کم می‌کنند؟
این یکی از عجیب‌ترین تجربه‌های رانندگان تازه‌وارد به خودروهای برقی است.
در بسیاری از خودروهای معمولی، وقتی پایتان را از روی پدال گاز برمی‌دارید، خودرو مدتی به حرکت ادامه می‌دهد و به اصطلاح خالی می‌کند.
اما در بسیاری از خودروهای برقی، با برداشتن پا از روی پدال گاز، سیستم ترمز احیاکننده فعال می‌شود و خودرو شروع به کاهش سرعت می‌کند.
اگر شدت بازیابی انرژی زیاد باشد، حتی ممکن است خودرو بدون فشردن پدال ترمز کاملاً متوقف شود.
این همان چیزی است که به آن رانندگی با یک پدال یا One-Pedal Driving می‌گویند.
در این حالت، راننده با فشار دادن پدال گاز خودرو را شتاب می‌دهد و با کاهش فشار روی آن، سرعت خودرو را کم می‌کند.
در واقع، پای راننده تا حدی جای پایش روی ترمز را هم گرفته است.
وزارت انرژی آمریکا نیز توضیح می‌دهد که در بسیاری از خودروهای برقی، برداشتن پا از روی پدال گاز می‌تواند ترمز احیاکننده را فعال کند و شدت این سیستم در بعضی خودروها قابل تنظیم است.
سرازیری‌ها؛ جایی که این سیستم بیشتر خودش را نشان می‌دهد
حالا یک جاده کوهستانی را تصور کنید.
خودرو در حال پایین آمدن از یک سراشیبی است و برای کنترل سرعت مجبورید مرتب سرعت خود را کاهش دهید.
در خودروی برقی، هر بار که سیستم ترمز احیاکننده فعال می‌شود، بخشی از انرژی حرکت خودرو می‌تواند دوباره به باتری برگردد.
به همین دلیل، رانندگی شهری و مسیرهایی که توقف و کاهش سرعت زیادی دارند، شرایط مناسبی برای استفاده از ترمز احیاکننده ایجاد می‌کنند. وزارت انرژی آمریکا نیز اشاره می‌کند که توقف‌های مکرر در رانندگی شهری، فرصت بیشتری برای بهره‌برداری از ترمز احیاکننده ایجاد می‌کنند.
اما باز هم نباید تصور کنیم سرازیری یعنی «شارژ رایگان».
خودرو برای رسیدن به بالای آن کوه قبلاً انرژی مصرف کرده است. در سرازیری فقط بخشی از انرژی‌ای که هنگام پایین آمدن آزاد می‌شود، دوباره بازیابی می‌شود.
اگر این‌طور نبود، می‌توانستیم خودرو را تا بالای یک کوه ببریم و بعد با پایین آمدن، باتری را بیشتر از مقدار اولیه شارژ کنیم؛ چیزی که با قانون بقای انرژی سازگار نیست!
پس خودرو در سرازیری شارژ می‌شود، اما رایگان نیست
این شاید جذاب‌ترین بخش ماجرا باشد.
فرض کنید خودرو با باتری پر از یک ارتفاع بالا می‌رود. برای بالا رفتن انرژی زیادی مصرف می‌کند.
حالا هنگام پایین آمدن، موتور می‌تواند مانند ژنراتور عمل کند و بخشی از انرژی ناشی از حرکت و کاهش ارتفاع را دوباره به باتری برگرداند.
اما مقداری از انرژی در مسیر بالا رفتن و پایین آمدن از بین می‌رود.
پس ترمز احیاکننده انرژی هدررفته را تا حدی پس می‌گیرد، نه اینکه انرژی جدید خلق کند.
این دقیقاً همان چیزی است که باعث می‌شود این سیستم از نظر فیزیکی جالب باشد.
آیا با ترمز بیشتر، باتری بیشتر شارژ می‌شود؟
نه لزوماً.
اگر با سرعت ۳۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کنید و فقط کمی سرعت را کاهش دهید، انرژی قابل بازیابی محدود است.
اگر با سرعت بیشتری حرکت کنید، انرژی جنبشی بیشتری در خودرو وجود دارد و امکان بازیابی انرژی نیز بیشتر می‌شود.
اما باز هم نمی‌توان گفت هرچه شدیدتر ترمز بگیریم، بهتر است.
اگر خودرو مجبور شود با ترمز اصطکاکی شدید متوقف شود، بخشی از انرژی به گرما تبدیل می‌شود.
از طرف دیگر، باتری هم محدودیت دارد. اگر باتری تقریباً پر باشد، سیستم نمی‌تواند بدون محدودیت انرژی بیشتری وارد آن کند.
دمای باتری نیز اهمیت دارد.
به همین دلیل، خودرو دائماً وضعیت باتری، سرعت خودرو، میزان فشار ترمز، شرایط جاده و عوامل دیگر را بررسی می‌کند تا مشخص کند چه مقدار از نیروی ترمز را می‌توان از طریق بازیابی انرژی تأمین کرد.
یک نکته جالب: ترمز احیاکننده همیشه فعال نیست
ممکن است تصور کنید چون خودرو برقی است، پس هر بار که سرعت کم می‌شود حتماً برق تولید می‌کند.
اما شرایط مختلف می‌تواند عملکرد سیستم را تغییر دهد.
مثلاً اگر باتری خیلی سرد یا خیلی گرم باشد، سیستم مدیریت باتری ممکن است میزان پذیرش انرژی را محدود کند.
اگر باتری تقریباً کاملاً شارژ شده باشد نیز فضای کمی برای دریافت انرژی جدید دارد.
در برخی شرایط هم خودرو برای توقف ایمن یا سریع به ترمز اصطکاکی نیاز دارد.
به همین دلیل، ترمز احیاکننده یک سیستم هوشمند است، نه یک ژنراتور که همیشه با هر کاهش سرعت با حداکثر توان کار کند.
پژوهش‌های مربوط به این سیستم نیز نشان می‌دهند که کنترل همزمان بازیابی انرژی، پایداری ترمز و راحتی سرنشین از چالش‌های مهم طراحی آن است.
آیا این موضوع فقط برای خودروهای کاملاً برقی است؟
خیر.
ترمز احیاکننده در هیبریدها و پلاگین‌هیبریدها هم اهمیت زیادی دارد.
اتفاقاً در خودروهای هیبریدی که باتری کوچک‌تری دارند، بازیابی انرژی هنگام ترمز یکی از دلایلی است که به بهبود مصرف سوخت کمک می‌کند.
در یک خودروی هیبریدی معمولی، باتری می‌تواند از طریق ترمز احیاکننده و همچنین موتور بنزینی شارژ شود و خودرو برای شارژ باتری خود به اتصال به برق خارجی وابسته نیست.
در پلاگین‌هیبریدها نیز داستان ترکیبی است؛ باتری هم می‌تواند از طریق شارژر خارجی شارژ شود و هم در هنگام رانندگی از طریق ترمز احیاکننده و در برخی شرایط توسط موتور احتراقی انرژی دریافت کند.
پس این فناوری مختص خودروهای کاملاً برقی نیست.
پس آیا می‌توانیم با ترمز گرفتن، برد خودرو را بیشتر کنیم؟
بله، اما نه به شکلی جادویی.
ترمز احیاکننده باعث می‌شود بخشی از انرژی‌ای که در خودروهای معمولی عمدتاً به گرما تبدیل می‌شود، دوباره به سیستم بازگردد.
این موضوع به‌خصوص در رانندگی شهری، ترافیک و مسیرهای دارای کاهش سرعت‌های مکرر می‌تواند مفید باشد. مطالعات رانندگی واقعی نیز نشان داده‌اند که شدت بیشتر ترمز احیاکننده، در شرایط مناسب، می‌تواند بازیابی انرژی را افزایش دهد؛ البته مقدار واقعی آن به سرعت، ترافیک، مسیر و شرایط خودرو وابسته است.
اما اگر بخواهیم با فشار دادن ترمز، باتری را از مثلاً ۳۰ درصد به ۸۰ درصد برسانیم، چنین چیزی ممکن نیست.
خودرو ابتدا باید انرژی داشته باشد تا بتواند آن را بازیابی کند.
به همین دلیل، ترمز احیاکننده بیشتر شبیه پس گرفتن بخشی از پولی است که همین چند دقیقه قبل خرج کرده‌اید؛ نه پیدا کردن پول جدید در جیب خودرو.
یک فناوری ساده به نظر می‌رسد، اما تأثیر بزرگی دارد
شاید ترمز احیاکننده در ظاهر فقط یک ترفند مهندسی باشد: موتور را برعکس بچرخانیم و مقداری برق تولید کنیم.
اما همین ایده ساده یکی از دلایلی است که خودروهای برقی می‌توانند انرژی را بسیار کارآمدتر از خودروهای معمولی مصرف کنند.
وزارت انرژی آمریکا برای یک خودروی برقی معمولی، با در نظر گرفتن بازیابی انرژی هنگام ترمز، بازدهی کلی حدود ۸۷ تا ۹۱ درصد را در یک چرخه رانندگی مشخص گزارش کرده است؛ در حالی که این رقم برای یک خودروی بنزینی معمولی حدود ۳۰ درصد است.
البته این اعداد به معنی آن نیستند که یک خودروی برقی همیشه سه برابر کم‌مصرف‌تر از خودروی بنزینی است؛ شرایط رانندگی، نوع خودرو و تعریف دقیق بازدهی روی نتیجه اثر می‌گذارند.
اما یک چیز روشن است:
وقتی خودرو مجبور است سرعتش را کم کند، بهتر است بخشی از انرژی آن را پس بگیریم تا اینکه تمام آن را به گرما تبدیل کنیم.
و شاید جذاب‌ترین نکته همین باشد.
در خودروی برقی، ترمز فقط برای متوقف کردن خودرو نیست؛ گاهی می‌تواند بخشی از انرژی حرکت را هم به خانه برگرداند.
