اگر عادت به رانندگی در ترافیک شهری داشته باشید، حتماً می‌دانید که چه زمان زیادی را تلف می‌کند. چیزی که کمتر به چشم می‌آید، اتلاف انرژی است. به حرکت درآوردن خودرو به انرژی زیادی نیاز دارد و با هر بار ترمز گرفتن، تمام انرژی ایجادشده به‌صورت گرما در لنت‌های ترمز هدر می‌رود. قصد داریم در این مقاله به شما توضیحاتی درباره ترمز های احیا کننده ارائه می دهد. پس با ما همراه باشید.
بهتر نیست که بتوان این انرژی را به طریقی ذخیره کرد تا دفعه‌ی بعد که شروع به حرکت می‌کنید آن را مجدداً استفاده کنید؟ این مفهوم اصلی ترمز های احیا کننده (احیایی) است که به‌طور گسترده در قطار‌های برقی و جدید‌ترین خودروهای برقی استفاده می‌شود. آن‌ها چه هستند؟ این رویکردها چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ بیایید نگاه دقیق‌تری بیندازیم!
سیستم ترمز احیا کننده چیست؟
ترمز احیا کننده یا ترمز بهبودی هنگامی که وسیله نقلیه ترمز می کند، انرژی جنبشی را به عنوان انرژی الکتریکی بازیابی می کند.
مفهوم سیستم بازیابی انرژی ترمز
هنگامی که خودرویی ترمز می کند انرژی جنبشی آن به چه صورتی از انرژی تبدیل می شود
هر بار که پایتان را روی پدال ترمز می‌فشارید، انرژی هدر می‌دهید. قوانین فیزیک به ما می‌گویند که انرژی از بین نمی‌رود، به این ترتیب وقتی سرعت خودرویتان کم می‌شود، انرژی جنبشی که آن را به پیش می‌برده مجبور است به جایی برود. بیشتر این انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود و هدر می‌رود، یعنی آن انرژی که برای انجام کار تولید شده بود، از بین رفته است.
در بیشتر خودروها، تولید گرما محصول جانبی و اجتناب ناپذیر ترمز گرفتن است ولی مهندسان خودروساز روی این موضوع زیاد فکر کرده اند، حاصل کارشان هم ابداع نوعی ترمز است که می‌تواند بیشتر انرژی جنبشی خودرو را بگیرد و به جریان برق تبدیل کند؛ از این برق نیز می‌توان برای شارژ کردن باتری خودرو استفاده کرد. این سیستم، ترمز احیاء کننده (Regenerative Braking) نامیده می‌شود.
در حال حاضر، این قبیل ترمزها در خودروهای هیبریدی نظیر تویوتا پریوس و خودروهای تمام برقی مانند تسلا Roadster به چشم می‌خورد؛ در این قبیل خودروها، پر نگه داشتن باتری از اهمیت زیادی برخوردار است. بهتر است بدانید این فناوری ابتدا در اتوبوس های برقی مورد استفاده قرار گرفت، سپس راهش را به سوی دوچرخه های الکتریکی و خودروهای مسابقات فرمول 1 پیدا کرد.
ترمز های احیا کننده چگونه کار میکنند؟
قطار‌های برقی، خودرو و سایر وسایل نقلیه برقی با موتور الکتریکی متصل به باتری کار میکنند. وقتی در حال رانندگی هستید، انرژی از باتری‌ها به سمت موتور جریان می‌یابد، چرخ‌ها را می‌چرخاند و انرژی جنبشی لازم برای حرکت را فراهم می‌کند.
وقتی ترمز می‌گیرید و متوقف می‌شوید، کل فرآیند برعکس می‌شود. مدار‌های الکتریکی برق موتور‌ها را قطع میکنند. حالا انرژی جنبشی شما و نیروی گشتاور باعث چرخش موتور به‌وسیله‌ی چرخ‌ها می‌شود و بنابر‌این موتور برعکس عمل کرده و به‌جای مصرف برق، مانند یک مولد برق تولید می‌کند. برق از این مولد‌های برق به سمت باتری‌ها جریان می‌یابد و آن‌ها را شارژ می‌کند.
بنابر‌این انرژی نسبتاً زیادی که در اثر ترمز کردن از دست می‌رود به باتری‌ها بر‌می‌گردد و هنگام شروع به حرکت مجدد، بازیابی می‌شود. ترمز های احیا کننده عملاً زمان زیادی برای کاهش سرعت نیاز دارند، بنابر‌این اکثر وسایل نقلیه‌ای که از آن‌ها استفاده میکنند، در کنار آن‌ها ترمز معمولی (اصطکاکی) هم دارند (که در زمان خراب شدن ترمز های احیا کننده نیز ایده‌ی خوبی است). یکی از دلایل عدم ذخیره‌ی ۱۰۰ درصدی انرژی ترمز توسط ترمز های احیا کننده همین موضوع است.
ترمز های احیا کننده به‌طور خلاصه در تصویر بالا: هنگام رانندگی با یک وسیله‌ی برقی، انرژی از طریق موتور الکتریکی از باطری به چرخ‌ها جریان می‌یابد. در تصویر پایین: با ترمز کردن، انرژی چرخ‌ها از طریق موتور به سمت باطری جریان می‌یابد که به‌عنوان یک مولد برق عمل می‌کند. دفعه‌ی بعد با روشن کردن برق می‌توان دوباره از انرژی ذخیره‌شده در هنگام ترمز گرفتن استفاده کرد.
کاربرد ترمز احیا کننده در وسایل نقلیه
کامیون‌های حمل کالایی که توقف و حرکت زیادی دارند نیز علی‌رغم وزن و سرعت کمتر، توانایی ذخیره انرژی زیادی دارند. توانایی ذخیره انرژی در خودروها بین ۸ تا ۱۵ درصد متفاوت است (به خودرو و نیز رانندگی در ترافیک شهری یا بزرگراه خلوت بستگی دارد). دوچرخه‌های برقی سبک هستند و با سرعت نسبتاً کمی حرکت میکنند؛ پس ترمز های احیا کننده کارایی کمی در آن‌ها دارند. وسایل نقلیه‌ی گوناگون به روش‌های مختلف از ترمز های احیا کننده استفاده میکنند.
در ترمز های احیا کننده تا چه میزان انرژی ذخیره میکنند؟ این به‌وسیله‌ی نقلیه بستگی دارد. وسایل نقلیه‌ی بزرگ و سنگین که سرعت حرکت زیادی دارند (مثل قطار‌های برقی)، انرژی جنبشی بسیار زیادی تولید میکنند؛ پس بیشترین میزان ذخیره انرژی را دارند.
خودروهای برقی و کامیون‌ها
بخش عمده‌ای از باتری خودروهای برقی و هیبریدی توسط ترمز های احیا کننده شارژ می‌شود که برد خودرو را در فاصله میان شارژ‌ها به‌طور مؤثر افزایش می‌دهد. قطار‌های برقی که نیروی آن‌ها از طریق خطوط انتقال برق هوایی یا کنار مسیر تأمین می‌شود، کمی متفاوت عمل میکنند.
آن‌ها به‌جای اینکه انرژی حاصل از ترمز را به باتری‌ها بفرستند، آن را به خطوط انتقال برق باز‌می‌گردانند. یک قطار مدرن می‌تواند از طریق استفاده از ترمز های احیا کننده با این روش، ۱۵ تا ۲۰ درصد از انرژي‌اش را ذخیره کند. برخی وسایل نقلیه به‌جای استفاده از باتری، برای ذخیره نیرو از ابر‌خازن‌ها استفاده میکنند.
دوچرخه‌های برقی
اکثر دوچرخه‌های برقی ترمز احیا کننده ندارند و بهره‌ی کمی از آن می‌برند. چرا؟ دوچرخه وسیله‌ی نقلیه‌ای سبک و کم‌سرعت است، بنابر‌این در مقایسه با خودرو یا قطار (یک وسیله نقلیه‌ي سریع و یک وسیله‌ی سنگین) انرژی حرکتی بسیار کمتری هدر می‌دهد. نه‌تنها این، بلکه دوچرخه‌سوارِان خیلی سریع می‌آموزند که چگونه توقف و حرکت هوشمندی داشته باشند.
اکثر دوچرخه‌سواران به‌جای فشار زیاد روی ترمز، با سر‌خوردن یا حرکت بدون رکاب درجاهایی که ممکن است، انرژی را به‌طور واقعاً مؤثر استفاده میکنند. درصورتی‌که با سرعت زیاد دوچرخه‌سواری می‌کنید و توقف و حرکت زیادی دارید (مثلاً اگر کارگر تحویل کالا هستید)، حداقل ذخیره انرژی توسط ترمز های احیا کننده در دوچرخه برقی را خواهید داشت.
به‌طورکلی دوچرخه‌های برقی ترمز های احیا کننده ندارند؛ تا وقتی توقف و شروع زیادی انجام نشود، نمی‌توان انرژی کافی برای به‌صرفه بودن آن‌ها ذخیره کرد.
در‌واقع، ترمز های احیا کننده انرژی بیشتری نسبت به انرژی ذخیره‌شده توسط خودشان، مصرف میکنند؛ مانند سایر موتور‌ها و مولد‌های برق، موتور الکتریکی وسایل نقلیه‌ای که از سیستم‌های ترمز احیا کننده استفاده میکنند (معمولاً موتورهای توپی دوچرخه‌های برقی) باید برای عملکرد مؤثر دائماً درگیر باشند و کار کنند.
این برای یک خودروی برقی خوب است اما دوچرخه برقی تنها گاهی اوقات به موتور نیاز دارد و گاهی می‌توان با خوشحالی در سرازیری افتاد. درگیر بودن دائم موتور به این معنا‌ست که دوچرخه باید انرژی بیشتری مصرف کند؛ پس ترمز های احیا کننده در‌نهایت نسبت به آنچه ذخیره کرده‌اند انرژی بیشتری، مصرف میکنند! بیشتر اوقات ترمز های احیا کننده صرفاً به‌عنوان یک حقه‌ی بازاریابی به دوچرخه‌های برقی اضافه می‌شود.
بیشتر بدانید: باتری دوچرخه برقی
آسانسورها
شاید ازنظر شما آسانسور وسیله‌ی نقلیه نباشد، ولی قطعاً هست! اوتیس، سازنده‌ی پیشرو، اولین آسانسور احیا‌کننده بانام ReGen را در سال ۲۰11 معرفی کرد و ادعا کرد که تا ۷۵ درصد از انرژی مصرفی معمول را ذخیره می‌کند. در‌جایی که یک آسانسور معمولی انرژی ترمز را به شکل گرما هدر می‌دهد، ReGen آن را دوباره به سیستم برق ساختمان باز‌می‌گرداند.
بخوانید: راهنمای خرید باطری آسانسور
انواع دیگر ترمز های ذخیره کننده انرژی
در این قسمت از مقاله به شما بقیه ترمز های ذخیره کننده انرژی را معرفی خواهیم کرد:
ترمز احیا کننده هیبریدی
آیا یک خودرو هیبریدی با یک خودرو تمام برقی تفاوت دارد؟ همان طور که می‌دانید، خودروهای الکتریکی هم از موتور الکتریکی استفاده میکنند و هم از یک موتور درون سوز تا بهترین کیفیت سواری را تولید کنند.
این قبیل خودروها، قدرت موتورهای درون سوز را با کم مصرفی و کم آلایندگی موتورهای برقی ترکیب میکنند. اگر بناست یک خودرو هیبریدی کمترین مصرف را داشته باشد و کمترین میزان از گازهای آلاینده را تولید کند، باتری آن باید همیشه شارژ باشد.
اگر شارژ باتری ها تمام شود، وظیفه تأمین نیروی پیشران خودرو به طور کلی بر عهده موتور درون سوز می‌افتد، در این حالت، خودرو دیگر یک خودرو هیبریدی محسوب نمی‌شود و به یک خودرو معمولی تبدیل می‌شود که سوخت فسیلی می‌سوزاند.
مهندسان صنعت خودروسازی به راهکارهایی دست یافته اند که بیشترین نیرو را از موتورهای هیبریدی بیرون بکشند؛ از میان این راهکارها می‌توان به استفاده از قطعات سبک و آیرودینامیک در بدنه خودرو اشاره کرد. ولی مهمترین موردی که می‌توان از آن نام برد، ترمز احیا کننده است.
در یک موتور هیبریدی، این قبیل ترمزها، فقط از طریق باتری می‌توانند به موتور برقی نیرو برسانند و موتور درون سوز از این نوع ترمز هیچ بهره ای نمی‌برد. یکی از معایب موتورهای هیبریدی پیدا کردن جایی برای شارژ کردن (به وسیله پریز برق) آن هاست. در صورتی که نخواهید از موتور درون سوز استفاده کنید، این امر به ویژه در سفرهای طولانی بسیار عذاب آور است و مزایای بهره مندی از یک خودرو هیبریدی را به کلی از بین می‌برد.
ترمز احیا کننده هیدرولیک
سیستم تولید نیروی هیدرولیک (HPA) یک سیستم جایگزین برای سیستم ترمز احیا کننده محسوب می‌شود که توسط کمپانی فورد و شرکت Eaton طراحی و تولید شده است. در سیستم HPA، وقتی راننده پدال ترمز را می‌فشارد، انرژی جنبشی خودرو به کار گرفته می‌شود تا به یک پمپ نیرو برساند.
این پمپ روغن هیدرولیک را از یک مخزن فشار پایین به یک مخزن فشار بالا منتقل می‌کند. فشار درون این مخزن توسط گاز نیتروژن تولید می‌شود. این گاز به صورت فشرده به درون مخزن پمپ می‌شود. این امر سرعت خودرو را کم و به آن کمک می‌کند به حالت توقف در بیاید.
گاز نیتروژن همچنان در مخزن به صورت فشرده باقی می‌ماند تا زمانی که راننده دوباره پدال گاز را بفشارد؛ در این هنگام، پمپ به صورت معکوس کار می‌کند و از گاز فشرده شده برای تأمین نیروی پیشران خودرو استفاده می‌کند و همان انرژی جنبشی که قبلاً برای متوقف کردن خودرو از آن استفاده کرده بود را به کار می‌گیرد تا خودرو را دوباره به سرعت دلخواه برساند. پیش بینی می‌شود، سیستم هایی نظیر این بتوانند 80 درصد از نیروی هدر رفته هنگام ترمزگیری را برگردانند و برای به حرکت در آوردن مجدد خودرو از آن استفاده کنند.
این عدد نشان می‌دهد که سیستم ترمز HPA در مقایسه با سیستم ترمز احیا کننده از مزایای بیشتری برخوردار است. این ترمز نیز مانند ترمز های احیا کننده برای رانندگی در شهر که توقف و حرکت مکرر وجود دارد، کارایی بیشتری دارد. البته سیستم ترمز HPA تا به حال فقط در کانسپت ها و پروژه های مطالعاتی استفاده شده است و هنوز برای سوار شدن روی خودروهای معمولی آمادگی ندارد.
در حال حاضر این گونه سیستم های هیدرولیکی پر سر و صدا هستند و نشت میکنند، البته زمانی که همه این ایرادها برطرف بشوند، چنین سیستم هایی به احتمال زیاد در کامیون هایی که بیش از 10,000 پوند (4,536 کیلوگرم) وزن دارند، کارایی بیشتری خواهند داشت.
در این گونه کامیون ها، چنین ترمزهایی دارای کارایی بیشتری هستند. انتظار می‌رود این مدل از ترمز با گذشت زمان راهش را به سوی خودروهای کوچکتر نیز باز کند. یک کمپانی مستقر در میشیگان، یک فولکس واگن بیتل مدل 1968 را بازسازی و آن را به ترمز احیا کننده هیدرولیک مجهز کرده است. به خاطر این که مخازن این سیستم جای زیادی اشغال میکنند، تصمیم گرفته شده است از این فناوری در خودروهای بزرگتری مانند خودروهای ون استفاده شود.
کنترولگر ترمز احیا کننده چیست؟
کنترولگر ترمز یک ابزار الکترونیکی است که می‌تواند از راه دور، ترمزها را کنترل و تعیین کند ترمزگیری چه وقت شروع و چه وقت خاتمه پیدا کند و درگیر شدن ترمزها با چه سرعتی باید انجام بگیرد. برای مثال، اگر خودرو در حال یدک کشیدن یک خودرو دیگر باشد، کنترولگر ترمز می‌تواند به عنوان ابزاری برای مدیریت و هماهنگ کردن ترمزهای هر دو خودرو عمل کند.
ترمز احیا کننده هماهنگ با ترمز ضدقفل (ABS) کار می‌کند، به این ترتیب، کنترولگر ترمز احیا کننده شباهت زیادی به کنترولگر ترمز ضد قفل دارد. این کنترولگر سرعت چرخش چرخ ها را که از یک چرخ به چرخ دیگر متفاوت است، کنترل می‌کند.
در خودروهایی که از این قبیل ترمزها استفاده میکنند، کنترولگر ترمز نه تنها بر سرعت چرخش چرخ ها نظارت می‌کند، بلکه می‌تواند محاسبه کند چه میزان گشتاور در دسترس قرار دارد تا از آن جریان برق تولید و در باتری ها ذخیره شود.
هنگام ترمزگیری، کنترلگر ترمز، جریان برق تولید شده توسط موتور را به باتری ها یا انباره ها منتقل می‌کند. این کار تضمین می‌کند که باتری ها میزان مناسبی از برق دریافت میکنند و جریان برق ورودی به اندازه ای است که باتری بتواند از عهده مدیریت کردن آن بر بیاید. یکی دیگر از وظایف مهم کنترولگر ترمز این است که تعیین کند آیا موتور می‌تواند در یک لحظه معین نیروی لازم برای متوقف کردن خودرو را تأمین کند یا خیر.
چنانچه این نیرو به اندازه لازم نباشد، کنترولگر وظیفه متوقف کردن خودرو را به ترمزهای اصطکاکی واگذار می‌کند تا از بروز حادثه جلوگیری شود. در خودروهای برقی یا هیبریدی که از این نوع ترمزها استفاده میکنند، کنترلگر بیشترین نیرویی که قابلیت احیا شدن دارد را تولید می‌کند.
مزایا ترمز های بازیابی
صرف‌نظر از نحوه‌ی عملکرد، سیستم همه‌ی ترمز های احیا کننده یک‌چیز مشترک دارد: به ما کمک میکنند تا هوشمندانه‌تر از انرژی استفاده کنیم. در جهانی که سوخت روزبهروز گران‌تر می‌شود و نگرانی پیرامون محیط‌زیست روزبهروز افزایش می‌یابد، پس قطعاً این چیز خوبی است!
