مقالات خودرو : فنی : ترمز احیا کننده چیست؟

ترمز احیا کننده چیست؟

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. آیا راننده می‌تواند کاری کند که جلو هدر رفتن این انرژی را بگیرد؟ راستش نه. 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.

در سیستم ترمز سنتی، لنت در تماس با  دیسک قرار می‌گیرد و از طریق ایجاد اصطکاک، سرعت خودرو را کم می‌کند یا آن را از حرکت باز می‌دارد، از طرفی، بین تایرها و سطح جاده نیز اصطکاک ایجاد می‌شود و همین اصطکاک است که انرژی جنبشی خودرو را به گرما تبدیل می‌کند. از سوی دیگر، در سیستم ترمز احیاء کننده، همان سیستمی که خودرو را به پیش می‌برد آن را متوقف می‌کند. وقتی راننده پدال ترمز یک خودرو هیبریدی یا برقی را می‌فشارد، باعث می‌شود موتور برقی بر عکس بچرخد و سرعت چرخ های خودرو را پایین بیاورد. موتور برقی وقتی برعکس کار می‌کند، همزمان در نقش یک ژنراتور نیز ایفای نقش می‌نماید؛ نیروی برقی که تولید می‌شود نیز، برای شارژر کردن باتری ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این قبیل ترمزها هنگامی که مکرر توقف و حرکت می‌کنید (مانند ترافیک شهری) بهتر کار می‌کنند. خودروهای هیبریدی و تمام برقی علاوه بر این سیستم ترمز، از نوعی سیستم ترمز پشتیبان نیز بهره می‌برند که هر زمان ترمز احیاء کننده نتوانست نیروی لازم برای توقف خودرو را تولید کند، وارد عمل می‌شود. در این موارد، راننده باید بداند که پدال ترمز در حالت های مختلف، واکنش های مختلفی از خودش نشان می‌دهد. گاهی اوقات باید پدال را بیشتر از حد معمول فشرد که ممکن است راننده را دستپاچه کند. در ادامه مطلب، جزییات بیشتری در مورد نحوه کارکرد ترمز احیاء کننده ذکر خواهد شد و خواهیم گفت چرا این ترمزها از ترمزهای اصطکاکی معمولی کارآمدتر هستند.

مدار ترمز احیا کننده

ترمز احیاء کننده در خودروهای هیبریدی یا تمام برقی به کار گرفته می‌شود. یکی از خصوصیات جالب موتورهای الکتریکی این است که وقتی در یک جهت می‌چرخد، انرژی برق را به یک انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند که می‌تواند کار انجام بدهد (کاری نظیر چرخاندن چرخ های یک خودرو)؛ ولی وقتی موتور در جهت عکس بچرخد (البته به شرطی که برای این کار طراحی شده باشد)، به یک ژنراتور الکتریکی تبدیل می‌شود که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی الکتریکی می‌تواند به عنوان یک منبع تغذیه برای شارژ باتری ها مورد استفاده قرار بگیرد. در سیستم ترمز احیاء کننده، انرژی جنبشی خودرو به عنوان نیرویی به کار گرفته می‌شود که باعث چرخش برعکس موتور می‌شود. وقتی موتور برعکس بچرخد، جریان برق تولید شده توسط موتور به طرف باتری ها می‌رود و وقتی بنزین خودرو به اتمام برسد، می‌تواند نیروی پیشران آن را تأمین کند. یک مدار الکترونیکی بسیار پیچیده باید وجود داشته باشد تا بتواند تعیین کند موتور چه وقت باید برعکس بچرخد و چه وقت باید جریان برق تولید شده را به طرف باتری ها بفرستد. در بعضی موارد، انرژی تولید شده توسط این باطری ها در یک سری انباره ذخیره می‌شود تا بعداً مورد استفاده قرار بگیرد. علاوه بر این، از آن جایی که خودروهای مجهز به این سیستم ترمز، به سیستم های اصطکاکی معمولی نیز مجهز هستند، مدار الکترونیکی باید بتواند زمان مناسب استفاده از هر یک از سیستم ها را به دقت تعیین کند. از طرفی، سیستم ترمز احیاء کننده به اندازه ای تحت کنترل است که راننده می‌تواند تنظیماتی بنا به میل خودش انجام بدهد و تعیین کند خودرو در وضعیت های مختلف چه عکس العملی باید نشان دهد. برای مثال، در بعضی خودروها راننده می‌تواند تعیین کند وقتی پایش را از روی پدال گاز برمی‌دارد، ترمز احیاء کننده باید فعال شود یا سیستم اصطکاکی باید خودرو را از حرکت بازدارد. این روزها در صنعت خودروسازی جریانی به راه افتاده که معتقد است عملکرد ترمزهای سنتی که به صورت مکانیکی انجام می‌شد، باید بر عهده سیستم ترمزهای برقی (Brake By Wire) گذاشته شود. در این ترمزها که با جریان برق کار می‌کنند و به احتمال زیاد خودروهای برقی و هیبریدی اولین پذیرندگان آن خواهند بود، در هر چرخ یک موتور الکتریکی وظیفه درگیرسازی و رها سازی لنت های ترمز را بر عهده دارد. در حال حاضر، مهندسان به راه حل ها و طرح های مختلفی برای یک مدار دست پیدا کرده اند که بتواند وظایف پیچیده یک ترمز احیاء کننده را مدیریت کند. مهمترین بخش از این سیستم ترمز، کنترولگر ترمز است که در ادامه مطلب درباره آن صحبت خواهیم کرد. 

کنترولگر ترمز احیا کننده

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. 

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 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.

کارآمدی ترمزهای احیا کننده

انرژی مفید یک خودروی معمولی چیزی در حدود 20 درصد است و 80 درصد از انرژی آن از طریق اصطکاک به گرما تبدیل می‌شود. موضوع جالبی که در مورد ترمزهای احیا کننده وجود دارد این است که می‌تواند نیمی از انرژی هدر رفته را بگیرد و دوباره به کار بیندازد. این امر می‌تواند مصرف سوخت را بین 10 تا 25 درصد کاهش بدهد. در دوره زمانه ای که منابع سوخت های فسیلی رو به پایان است و میزان گازهای آلاینده نیز به اوج رسیده است، این مقدار از انرژی احیا شده می‌تواند بسیار با اهمیت باشد. شاید قرن بیست و یکم، پایان دوره ای باشد که موتورهای درون سوز فسیلی در خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرند. خودروسازان مدت ها است به دنبال منابعی جایگزین نظیر باتری های الکتریکی، سوخت هیدروژنی و حتی هوای فشرده هستند. ترمز احیا کننده یک گام کوچک ولی بسیار مهم به سوی رهایی از سوخت های فسیلی به  شمار می‌رود. این سیستم به باتری ها اجازه می‌دهد مدت زمان بیشتری بدون نیاز به شارژ (از یک منبع خارجی) مورد استفاده قرار بگیرند، از طرفی مقدار مسافتی که خودروهای الکتریکی می‌توانند طی کنند را افزایش می‌دهد. در واقع، همین فناوری بوده است که تولید خودروهایی نظیر تسلا Roadster را میسر کرده است. این خودرو به طور کامل با نیروی باتری به پیش می‌رود. البته این خودروها در مرحله شارژ شدن به نوعی از سوخت های فسیلی استفاده می‌کنند، چون ممکن است منبع تولید جریان برق یک سوخت فسیلی مانند زغال سنگ باشد، ولی هنگامی که این قبیل خودروها روی جاده قرار بگیرند به هیچ عنوان از سوخت های فسیلی استفاده نمی‌کنند و همین امر خودش گام بزرگی رو به جلو است. نیروی احیا شده اضافی توسط این سیستم باعث می‌شود فشار کمتری به پمپ بنزین وارد شود؛ چون خودروهای هیبریدی در صورتی که به این سیستم ترمز مجهز باشند قادر خواهند بود بود با بنزین بسیار کم، مسافتی طولانی را بپیمایند. برخی از این خودروها می‌توانند با 4 لیتر بنزین، بیشتر از 80 کیلومتر راه بروند. این همان چیزی است که بسیاری از راننده ها به خاطرش سپاسگزاری خواهند کرد.

نمایی از سیستم ترمز احیا کننده

این نمودار ساده نشان می‌دهد که سیستم ترمز احیا کننده چگونه می‌تواند مقداری از انرژی جنبشی خودرو را بگیرد و به جریان برق تبدیل کند. این جریان برق برای شارژ کردن باتری ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.