آشنایی با تکنولوژی خودروهای الکتریکی (برقی)

خودروی برقی یا خودروی الکتریکی (به انگلیسی: Electric vehicle) به خودرویی گفته می‌شود که از باتری‌های قابل شارژ به عنوان منبع انرژی، و از موتور الکتریکی به عنوان نیروی محرکه استفاده می‌کند. اولین خودروهای برقی کاربردی در دهه ۱۸۸۰ معرفی شدند.خودروهای برقی در اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ متداول بودند تا این که تولید این‌گونه خودروها با پیشرفت در موتورهای احتراق داخلی و به خصوص استارت الکتریکی خودور و تولید انبوه خودروهای بنزینی ارزان، دچار افت شدید گردید. در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ میلادی با وقوع بحران انرژی مجدداً خودروی برقی مورد توجه قرار گرفت ولی این علاقه‌مندی سبب تولید انبوه و ایجاد بازار رقابتی نشد. از سال ۲۰۰۸ میلادی با توجه به پیشرفت فناوری باتری‌ها، افزایش بیماری‌ها و مرگ‌های ناشی از آلودگی هوا،[۴] نگرانی‌ها در خصوص قیمت نفت و نیاز به کاهش گازهای گلخانه‌ای[۵] انقلابی اساسی در تولید خودروهای برقی صورت گرفته‌است.

فروش اولین خودروهای تولید-انبوه ساخته شده توسط خودروسازی‌های بزرگ با معرفی خودروی تمام برقی نیسان لیف و خودروی هیبریدی شارژ برقی شورلت ولت در اواخر دسامبر ۲۰۱۰ شروع شد. در دسامبر ۲۰۱۵ خودروهای برقی فروخته شده در سرتاسر جهان از مرز ۱ میلیون دستگاه عبور کرد،و در سپتامبر ۲۰۱۸ این عدد به ۴ میلیون دستگاه رسید. از مزایای خودروی برقی نسبت به خودروی احتراقی می‌توان به کاهش قابل ملاحظه آلودگی هوای محلی، کاهش گازهای گلخانه‌ای و کاهش وابستگی به نفت اشاره کرد. تعداد زیادی از کشورها و دولت‌های مربوطه به منظور ترویج و گسترش بازار خودروهای برقی از انگیزاننده‌های دولتی برای خودروهای برقی استفاده می‌کنند. نتایج تحقیقی که توسط رویترز در ژانویه سال ۲۰۱۹ بر روی ۲۹ خودروسازی بزرگ جهان انجام شده‌است نشان می‌دهد که خودروسازان قصد دارند در ۵ تا ۱۰ سال آینده میزان ۳۰۰ میلیارد دلار روی خودروهای برقی سرمایه‌گذاری کنند که ۴۵٪ از این مبلغ فقط متعلق به کشور چین است.

در مقایسه با خودروهای احتراق داخلی، خودروهای برقی کم صداتر هستند و هیچ گونه آلودگی خروجی از اگزوز ندارند. خودروهای برقی را می‌توان در ایستگاه‌های شارژ متنوعی شارژ کرد، این ایستگاه‌های شارژ را می‌توان در مناطق عمومی و منازل مسکونی نصب کرد. خودروی تسلا مدل ۳ پرفروش‌ترین خودروی برقی جهان از ۲۰۱۸ تا ۲۰۱۹ بوده‌است و طبق تأیید سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده آمریکا، حداکثر مسافت قابل طی با این خودرو با شارژ کامل ۵۰۰ کیلومتر می‌باشد. تا دسامبر ۲۰۱۸، نزدیک به ۵٫۳ میلیون خودروی تمام-برقی سبک و خودروی برقی هیبریدی (خودرویی که علاوه بر شارژ خارجی، موتور و ژنراتور داخلی دارد) در سراسر دنیا در حال استفاده بوده‌است. علیرغم گسترش سریع بازار جهانی خودروهای برقی، تا انتهای سال ۲۰۱۸ سهم خودروهای برقی، فقط ۱ از هر ۲۵۰ خودروی موجود در جاده‌ها خواهد بود.

 

 

اصطلاح‌شناسی
خودروی برقی (به انگلیسی: Electric car) گونه ای از وسیله نقلیه برقی (به انگلیسی: Electric vehicle (EV)) است. از عبارت «وسیله نقلیه برقی» برای وسایل نقلیه ای استفاده می‌شود که نیروی پیشرانه خود را از برق تأمین می‌کند در حالیکه عبارت «خودروی برقی» فقط برای خودروهایی استفاده می‌شود که توانایی و امکان حرکت در بزرگراه را داشته باشد. خودروی برقی که از سلول خورشیدی برای تأمین برق خود استفاده می‌کند خودروی خورشیدی و خودرویی که برای تأمین برق از ژنراتور بنزینی استفاده می‌کند خودروی هیبریدی نامیده می‌شود. خودرویی که فقط از باتری همراه برای تأمین برق مورد نیاز خود استفاده می‌کند خودروی تمام-برقی نامیده می‌شود. معمولاً منظور از خودروی برقی، خودروی تمام-برقی است

 

تاریخچه

اختراع

باتری‌های قابل شارژی که ذخیره‌سازی برق را در خودرو امکان‌پذیر کند در سال ۱۸۵۹ میلادی و توسط یک فیزیک‌دان فرانسوی به نام گاستون پلانته اختراع شد. این باتری‌های باتری سربی-اسیدی نام گرفتند. اولین خودروی برقی را توماس پارکر یک مهندس اهل لندن در سال ۱۸۸۴ میلادی ساخت. پارکر که نگران آلودگی شهر لندن و نیز علاقه‌مند به ساخت خودروهای با مصرف کارآمدتر سوخت بود در نهایت توانست یک خودروی برقی قابل استفاده تولید کند.

 

دوره طلایی
در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم میلادی خودروی برقی به واسطه ترجیح استفاده از انرژی الکتریکی به عنوان نیروی محرکه و عملکرد بهتر، پرطرفدار بود. در سال ۱۹۰۰ میلادی، ۴۰٪ خودروها در آمریکا با بخار، ۳۸٪ با برق و ۲۲٪ با بنزین کار می‌کردند.

 

ساختار خودروهای برقی

قوای محرک یک وسیله نقلیه الکتریکی شامل سه زیر مجموعهٔ اصلی است: نیرو محرکهٔ الکتریکی، منبع انرژی و کمک دهنده که این سه زیر مجموعه، خود دارای زیر مجموعه‌هایی هستند که در شکل به‌طور کامل نمایش داده شده‌اند. بسته به ورودی‌هایی که از طریق پدال‌های گاز و ترمز اعمال می‌شوند، کنترل‌کنندهٔ وسیله نقلیه سیگنال کنترل مناسبی را به مبدل الکترونیکی قدرت ارسال می‌کند که وظیفهٔ مبدل الکترونیکی قدرت، تنظیم توان جاری شده بین موتور الکتریکی و منبع انرژی می‌باشد. جریان توان برگشت، به دلیل احیای ترمز وسیله نقلیهٔ الکتریکی رخ می‌دهد. این انرژی بازیافت شده می‌تواند در منبع انرژی ذخیره شود زیرا منبع انرژی قابلیت پذیرش این انرژی را دارد. اکثر باتری‌های وسایل نقلیهٔ الکتریکی همچون ابرخازن‌ها و فلای‌ویل‌ها، به آسانی توانایی پذیرش انرژی بازیافت شده را دارند. واحد مدیریت انرژی با کنترل‌کنندهٔ وسیله نقلیه همکاری می‌کند تا احیای ترمز و انرژی بدست آمده از طریق آن را کنترل کند. این بخش همچنین با واحد سوخت‌گیری در ارتباط است تا آن را کنترل کند و میزان قابلیت استفاده از منبع انرژی را به تصویر بکشد. منبع توان کمکی، توان مورد نیاز با سطوح ولتاژهای مختلف را برای همهٔ بخش‌های کمکی وسیله نقلیهٔ الکتریکی تأمین می‌کند، مخصوصاً برای واحدهای کنترل‌کنندهٔ شرایط هوا و توان فرمان.

 

باتری خودروهای الکتریکی

در فناوری خودروهای برقی باتری یکی از نقش‌های مهم را بر عهده دارد. عواملی چون ظرفیت باتری، عملکرد باتری، دوام باتری، طول عمر، چگالی انرژی، چگالی توان، حساسیت نسبت به دما، زمان شارژ و قیمت از شاخصه‌های مهم انتخاب باتری می‌باشد باتری بسیاری از خودروهای برقی که امروزه تولید می‌شوند از نوع لیتیوم-یون هستند. اگرچه باتری‌های لیتیومی اغلب به خاطر ظرفیت زیاد و چگالی انرژی مناسب مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی عمر مفید و دوام آن‌ها محدود است و این مسئله از عمده عواملی است که هزینه‌های ساخت و تولید خودروی برقی را بالا برده‌است. تحقیقات برای استفاده از ترکیبات دیگری از لیتیوم مانند فسفات‌آهن-لیتیوم و لیتیوم-تیتانات برای حل مشکل دوام و عمر باتری‌ها در جریان است.
انواع دیگر باتری‌های مورد استفاده در خودروی برقی عبارتند از:

• باتری اسیدی که هنوز در بسیاری از مدل‌های خودروی برقی استفاده می‌شود. هزینه‌های اولیه کمتری نسبت به بقیه باتری‌ها دارد و افزایش توان خروجی با اضافه کردن تعداد باتری‌ها به سادگی قابل انجام است.
• باتری نیکل–کادمیم
• باتری نیکل– هیدرید فلز
• باتری نیکل-آهن

استفاده از چندین نوع باتری نیز در حال تحقیق و بررسی است. مانند:

• باتری روی-هوا
• باتری آلومینیوم - هوا
• باتری نمک مذاب
• باتری روی-برم
• باتری اکسایش‌کاهش وانادیم

 

شارژ خودروهای برقی
افزایش تعداد خودروهای برقی، اگرچه کاهش اتکا به سوخت‌های فسیلی را به دنبال خواهد داشت ولی شارژ خودروهای برقی می‌تواند یکی از معضلات پیش روی صنعت برق باشد. از سویی شرکت‌های توزیع و بهره برداران شبکه بایستی در خصوص تحویل توان درخواستی به صاحبان خودروهای برقی زیرساختهای خود را تقویت و به روز کنند و از طرف دیگر رفتار تصادفی و ناهماهنگ مالکان خودرو برای شارژ باتری می‌تواند شبکه توزیع را دچار مشکلاتی چون افزایش پیک مصرف، نوسانات ولتاژ و افزایش تلفات نماید.

استاندارد شارژر در آمریکا

 

نوع	تعریف	مشخصات	نوع اتصال
نوع اول	جربان متناوب مستقیماً به شارژر تعبیه شده در خودرو وصل است.	۱۲۰ ولت جریان‌متناوب، ۱۶ آمپر(=۱٫۹۲کیلووات)	SAE J1772 , NEMA 5-15
نوع دوم	جربان متناوب مستقیماً به شارژر تعبیه شده در خودرو وصل است. ۲۴۰–۲۸۰ ولت تکفاز. بیشینه جریان ۳۲آمپر، با کلیدی با قدرت قطع ۴۰آمپر	۲۰۸–۲۴۰ ولت؛ ۱۲–۸۰ آمپر(= ۲٫۵–۱۹٫۲ کیلووات)	SAE J1772 , IEC 62196 , Magne Charge, Avcon, IEC 60309 IEC 62198-2
نوع سوم	جریان مستقیم از شارژر خارج خودرو. حداقل توان مورد نیاز نیست ولی حداکثر جریان ۴۰۰آمپر و توان ۲۴۰کیلووات می‌باشد	ولتاژ بالا ۳۰۰–۶۰۰ ولت جریان مستقیم، جریان بالا (صدها آمپر)	Magne Charge CHAdeMO , SAE J1772 , IEC 62196

 

برخی نمونه خودروی برقی

رِوا
خودروی رِوا آی (به انگلیسی: REVAi) یک خودروی کوچک الکتریکی است که به وسیله تولیدکننده هندی به نام روا الکتریک و از سال ۲۰۰۱ تولید می‌گردد. شرکت روا تا سال ۲۰۱۱ بیش از ۴۰۰۰ دستگاه از این نوع خودرو را در ۲۶ کشور جهان به فروش رسانده‌است. در بسیاری از کشورها روا-آی استانداردهای کافی جهت به رسمیت شناخته شدن به عنوان یک خودروی کامل را بدست نیاورده به نحوی که در سایر کلاسها نظیر خودروی شبه برقی در آمریکا و چهارچرخه موتوری در اروپا طبقه‌بندی شده‌است. این خودرو در ابتدا تحت نام روا (به انگلیسی: REVA) شناخته می‌شد که بعداً با تغییرات و بهینه‌سازی‌های انجام شده بر روی آن تحت نام روا-آی و با قابلیت‌های بهتر عرضه گردید. روی‌هم‌رفته مدل قدیمی و جدید آن لقب پرفروشترین خودروی برقی جهان را تا اواخر سال ۲۰۰۹ به خود اختصاص داده‌است.

 

مدل‌های مختلف روا

1. روا
مدل اولیه این خودرو که از سال‌های ۲۰۰۱ تا ۲۰۰۷ تولید می‌شد روا نام گرفت. نیروی محرکه این خودرو از طریق یک موتور ۴٫۶ کیلووات تأمین می‌گردد که توسط یک کنترل‌کننده جریان مستقیم با جریان خروجی ۴۰۰ آمپر کنترل شده و حداکثر توان آن به ۱۳٫۱ کیلووات بالغ می‌گردد. این توان از طریق ۸ عدد باتری که به صورت سری و دارای ولتاژ نهایی ۴۸ ولت هستند بدست آمده و در زیر صندلی جلوی خودرو تعبیه شده‌اند.

 

2. روا-آی
در ژانویه سال ۲۰۰۸ یک مدل جدید از این خودرو به نام روا-آی به بازار معرفی شد که دارای یک سیستم درایو AC است و باعث می‌شود سرعت آن افزایش یابد. همانند مدل روا توان الکتریکی این خودرو نیز از طریق ۶ عدد باتری که در زیر صندلیهای جلو تعبیه شده‌اند بدست می‌آید. این خودرو دارای یک سوئیچ تقویتی می‌باشد که با فعال شدن آن گشتاور اضافی جهت شتابگیری بهتر و توانائی بالا رفتن از مسیرهای کوهستانی به آن افزوده شده‌است.

3. روا لیتیم-یون
در ژانویه سال ۲۰۰۹ مدل جدیدی به بازار ارائه شد که روا لیتیم-یون نام گرفت. این مدل از نظر ظاهر مشابه مدل روا-آی است ولی باتریهای آن از نوع باتری لیتیم-یون بوده که علاوه بر کاهش وزن خودرو، کاهش زمان شارژ به ۶ ساعت و افزایش مسافت طی شده بعد از یک شارژ کامل تا ۱۲۰ کیلومتر را نیز به همراه داشته‌است. همچنین عملکرد این باتریها کمتر تحت تأثیر تغییرات دما قراردارد. 

 

قیمت
قیمت این خودرو، هم‌اکنون در بریتانیا تقریباً ۹۹۹۵ یورو برای مدل استاندارد ست. این خودرو از پرداخت شارژ مربوط به نقاط پرترافیک لندن معاف است چرا که به عنوان خودروی الکتریکی طبقه‌بندی شده‌است. این خودرو همچنین در کشورهای اروپایی دیگر نظیر اسپانیا و نروژ نیز فروخته شده‌است. در کاستاریکا به قیمت ۱۳۰۰۰ دلار آمریکا فروخته شد. در بازار شیلی این خودرو ۱۲۰۰۰ دلار آمریکا قیمت‌گذاری شده‌است. در جمهوری ایرلند خودروی روا-آی به قیمت ۱۱۵۰۰ یورو قیمت‌گذاری شده و در هندوستان روا به مبلغ ۳۵۰٬۰۰۰ روپیه به فروش می‌رسد.

 

مسائل اقتصادی در مورد خودروهای الکتریکی

هزینه خرید
دولت‌ها و کشورهای زیادی قوانینی تشویقی برای کاهش هزینه خرید خودروهای برقی ایجاد کرده‌اند. تولیدکنندگان در هنگام طراحی دریافته اند که برای تولید با حجم کم، ایجاد تغییرات در پلتفرم‌های موجود برایشان ارزان‌تر خواهد بود اما برای تولید انبوه طراحی و ساخت یک پلتفرم مخصوص باعث بهینه‌تر شدن و ارزان‌تر شدن محصول نهایی خواهد شد.

 

هزینه نگهداری
بر اساس تحقیقی که در سال ۲۰۱۸ در ایالات متحده انجام شده‌است، هزینه متوسط استفاده از یک خودروی برقی در سال برابر ۴۸۵ دلار می‌باشد در حالیکه هزینه استفاده از یک خودروی بنزینی ۱۱۱۷ دلار در سال است.

 

خودروی برقی در ایران

طبق گزارشی از خبرگزاری دویچه وله آلمان، تا کنون چند خودروی برقی تحقیقاتی در ایران ساخته شده‌اند. در دی ماه سال ۱۳۹۶ از خودرویی تحت عنوان ساینای برقی رونمایی شد و قرار بود اولین خودرو تولید انبوه برقی ایران باشد. اتفاقی که البته تاکنون رخ نداده‌است و این خودرو در حد یک نمونه باقی مانده‌است. قیمت ساینای برقی در سال ۱۳۹۶ که پراید ۲۰ میلیون تومان بود، ۷۰ میلیون تومان اعلام شده بود ولی پس از افزایش شدید قیمت خودرو در ایران، قیمت جدیدی برای این خودرو مشخص نشده‌است. با وجود قیمت گران‌تر نسبت به مشابه بنزینی، به‌نظر می‌رسد در صورت تولید ساینای برقی، مردم نیاز به مشوق‌هایی برای خرید این خودرو داشته باشند. از طرفی زیر ساخت شارژ سریع برای این خودرو در شهرهای ایران وجود ندارد.

 

ریزترین خودروی برقی جهان

گروه سوئیسی "امپتاً طی همکاری با دانشمندان هلندی دانشگاه گرونینگن یک خودرو برقی ساخته‌اند که ابعاد آن 4x2 نانومتر است. این نانوخودرو که از یک تک مولکول ساخته شده دارای چهار چرخ است که عملکرد هر یک از چرخها مشابه چرخی با موتور مجزا است. این خودرو می‌تواند در مسیری مستقیم بر روی سطحی مسی حرکت کند و به جای حمل باتری برق مورد نیاز خود را از سر "میکروسکوپ پویشی تونلی" که بالای آن قرار خواهد گرفت، تأمین کند.

 

منبع: ویکی پدیا