بررسی خودروهای برقی، سیستم انتقال قدرت و مجموعه محرک، انواع موتورهای الکتریکی، باتری و سیستم تأمین انرژی و مقایسه آن با خودروهای احتراق داخلی.
چکیده :
این پروژه با محوریت تحقیق و طراحی خودروهای برقی، به بررسی سیستم انتقال قدرت در خودروهای برقی و مقایسه آن با سیستم انتقال قدرت در خودروهای دارای موتور احتراق داخلی میپردازد. گسترش صنعت خودرو و تولید انبوه خودروهای احتراق داخلی، در کنار مشکلاتی مانند آلودگی هوا، محدود بودن ذخایر سوختهای فسیلی و افزایش هزینه سوخت، موجب شده است که تحقیق و طراحی درباره خودروهای برقی به یکی از موضوعات مهم صنعت خودرو تبدیل شود. در این میان، پیشرفت فناوری در ساخت موتورهای الکتریکی، باتریها و تجهیزات مرتبط، زمینه توجه بیشتر به خودروهای برقی را فراهم کرده است.
خودروهای برقی از حدود سال 1900 میلادی مورد تولید و استفاده قرار گرفتهاند و روند تولید آنها تا حدود سال 1915 افزایش نسبی داشته است. با این حال، مشکلات موجود در موتورهای الکتریکی و همچنین کشف منابع نفت و تولید فراوان آن، موجب شد خودروهای مجهز به موتورهای احتراق داخلی برای سالهای طولانی بر بازار خودرو تسلط داشته باشند. از سال 1915 تا حدود 1990، پیشرفت موتورهای احتراق داخلی و دسترسی گسترده به سوخت نفتی سبب شد توجه کمتری به تولید خودروهای برقی شود. با افزایش اهمیت منابع نفت، وقوع جنگهای جهانی و کشمکشهای مرتبط با نفت و همچنین افزایش قیمت آن، توجه دوبارهای به منابع انرژی جایگزین و خودروهای برقی شکل گرفت. از سال 1990 تولید و توسعه خودروهای برقی با جدیت بیشتری مورد توجه قرار گرفت.
یکی از دلایل اصلی توجه به خودروهای برقی، امکان استفاده از انرژی الکتریکی به جای سوختهای فسیلی است. منابعی مانند انرژی خورشیدی، باد، سدهای آبی و انرژی هستهای قابلیت تبدیل به انرژی الکتریکی دارند و میتوانند در تأمین انرژی مورد استفاده قرار گیرند. خودروها نیز به عنوان یکی از مصرفکنندگان عمده انرژی میتوانند از مصرف مستقیم سوختهای فسیلی به سمت استفاده از انرژی الکتریکی حرکت کنند. پیشرفت فناوری موتورهای الکتریکی و تجهیزات مرتبط نیز باعث شده است که خودروهای برقی در مقایسه با خودروهای معمولی دارای مزیتهای قابل توجهی باشند.
در خودروهای برقی، سیستم تأمین قدرت شامل موتور الکتریکی، کنترلر، باتریها و شارژر است. مجموعه محرک برقی وظیفه دارد جریان مستقیم تولیدشده توسط باتری را به انرژی مکانیکی تبدیل کند. منظور از مجموعه محرک، مجموعه قطعاتی است که انرژی الکتریکی باتری را به نیروی کششی و گشتاور لازم برای حرکت چرخها تبدیل میکنند. این مجموعه میتواند شامل کنترلر، موتور الکتریکی، جعبهدنده با نسبت کاهنده روی اکسلها و جعبه تقسیم برای خودروهای دو یا چهارچرخ باشد. در برخی راهکارها نیز از دو موتور همراه با جعبهدنده یا بدون جعبهدنده استفاده میشود.
مجموعه محرک خودروهای برقی باید معیارهای مختلفی را برآورده کند. کاربری ساده، راندمان بالا، هزینه پایین، اطمینان بالا، عدم نیاز به سرویس و نگهداری، وزن کم و حجم ساختمانی پایین از مهمترین معیارهای مورد توجه هستند. با این حال، دستیابی همزمان به همه این ویژگیها امکانپذیر نیست و برخی معیارها با یکدیگر تعارض دارند. برای مثال، راندمان بالا ممکن است با هزینه پایین در تضاد باشد. همچنین نوع خودرو و کاربرد آن در تعیین اولویتهای مربوط به مجموعه محرک اهمیت دارد. در یک خودرو باری برقی، برای نمونه، حجم ساختمانی ممکن است اهمیت کمتری نسبت به سایر معیارها داشته باشد.
یکی از تفاوتهای مهم خودروهای برقی و خودروهای احتراق داخلی به ساختار سیستم محرک آنها مربوط میشود. خودروهای احتراق داخلی از مجموعهای نسبتاً پیچیده از تجهیزات مکانیکی و سامانههای جانبی استفاده میکنند. این تجهیزات شامل سیستم خروج و تصفیه دود، سیستم سرمایش موتور، سیستم تولید جرقه، سیستم سوخترسانی و اجزای مکانیکی موتور است. سیستم خروج و تصفیه دود شامل تجهیزاتی مانند انباره و اگزوز است. سیستم سرمایش نیز از تجهیزاتی مانند رادیاتور، پمپ آب، محفظه سرمایش، ترموستات و سنسورها تشکیل میشود. در سیستم تولید جرقه نیز تجهیزاتی مانند دلکو و شمعها مورد استفاده قرار میگیرند.
سیستم سوخترسانی خودروهای احتراقی نیز شامل اجزایی مانند کاربراتور، پمپ سوخترسانی، سیستم تزریق، سوخت داخل سیلندر و فیلترهای هوا و سوخت است. علاوه بر این، موتور احتراق داخلی دارای اجزای مکانیکی متعددی مانند میللنگ، پیستونها، رینگهای آببندی، پمپ روغن، چرخ زنجیر، واشرهای آببندی و استارتر است. تعدد این قطعات و تجهیزات باعث میشود خودروهای معمولی به سرویس و تعمیرات بیشتری نیاز داشته باشند. در مقابل، ساختار مجموعه محرک خودروهای برقی پیچیدگی مکانیکی کمتری دارد و بسیاری از تجهیزات موجود در خودروهای احتراقی در آن وجود ندارند.
از مهمترین ویژگیهای خودروهای برقی میتوان به برد و قدرت حرکت اشاره کرد. قدرت حرکت در این خودروها عواملی مانند شتاب، سرعت، توانایی حرکت در شیب، بارگیری و انعطافپذیری را دربرمیگیرد. مدت زمان شارژ و قیمت بالای باتریها نیز از مسائل مهم و محدودیتهای موجود در بسیاری از خودروهای برقی هستند. بنابراین در طراحی مجموعه محرک خودروهای برقی باید میان عملکرد، هزینه، وزن، ابعاد، اطمینان و نیازهای مربوط به باتری و شارژ تعادل برقرار شود.
یکی دیگر از بخشهای مورد بررسی، موتورهای الکتریکی و انواع آنهاست. موتورهای الکتریکی دارای استاتور به عنوان قسمت ساکن و روتور به عنوان قسمت متحرک هستند. یکی از ویژگیهای قابل توجه این موتورها، داشتن قسمتهای متحرک کمتر در مقایسه با موتورهای احتراقی است. موتورهای الکتریکی میتوانند در محدوده وسیعی از توان، اندازه و شکل طراحی شوند و در انواع مختلف DC و AC مورد استفاده قرار گیرند. همچنین راندمان این موتورها بالا است و در متن پروژه اغلب بیش از 90 درصد ذکر شده است.
موتور الکتریکی به عنوان وسیلهای برای تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت و ایجاد انرژی مکانیکی مورد استفاده قرار میگیرد و حرکت ایجادشده میتواند برای انجام کارهایی مانند کشیدن، هل دادن، بالا بردن، تکان دادن یا ایجاد نوسان به کار رود. تنوع موتورهای الکتریکی از نظر نوع، اندازه و قدرت، امکان استفاده از آنها را در کاربردهای مختلف فراهم میکند و همین ویژگی در طراحی سیستم محرک خودروهای برقی اهمیت دارد.
در ایران نیز موضوع خودروهای برقی مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به توسعه صنعت خودرو و افزایش توجه جهانی به استفاده از منابع انرژی جایگزین، در چند سال اخیر تحقیقاتی در زمینه خودروهای برقی در کشور انجام شده است. شرکتهای ایران خودرو، سایپا و کیش خودرو در زمینه خودروهای برقی فعالیتهایی داشتهاند و این تحقیقات به تولید نمونههایی در شرکتهای ایران خودرو و سایپا منجر شده است که در نمایشگاههای خودرو به نمایش درآمدهاند. شرکت کیش خودرو نیز در زمینه ساخت نمونه خودرو برقی فعالیت داشته است.
در مجموع، این پروژه خودروهای برقی را از منظر سیستم تأمین انرژی و مجموعه محرک مورد بررسی قرار میدهد و ساختار آنها را در مقایسه با خودروهای دارای موتور احتراق داخلی تحلیل میکند. خودروهای برقی از موتور الکتریکی، کنترلر، باتری و شارژر تشکیل میشوند و مجموعه محرک آنها وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی باتری به نیروی کششی و گشتاور مورد نیاز چرخها را بر عهده دارد. راندمان بالا، ساختار سادهتر و کاهش نیاز به سرویس و نگهداری از ویژگیهای مهم سیستم محرک برقی محسوب میشود؛ در مقابل، برد حرکت، مدت شارژ و قیمت بالای باتریها از موضوعات مهم و چالشهای این خودروها هستند.
بررسی تاریخی خودروهای برقی نشان میدهد که این خودروها از اوایل قرن بیستم وجود داشتهاند، اما در دورهای به دلیل پیشرفت موتورهای احتراق داخلی و فراوانی نفت، توسعه آنها کاهش یافت. افزایش اهمیت انرژی، محدودیت منابع سوخت فسیلی و پیشرفت فناوری موتورهای الکتریکی موجب شد از حدود سال 1990 توجه بیشتری به تولید و توسعه خودروهای برقی شکل گیرد. بر همین اساس، شناخت سیستم انتقال قدرت، انواع موتورهای الکتریکی، اجزای مجموعه محرک و مقایسه آنها با سامانههای پیچیده خودروهای احتراق داخلی، از محورهای اصلی این پروژه به شمار میرود.
Abstract
This project is prepared on the basis of research and design of on the main industry program during the past years about the electric cars. This project studies the power transmission system in electric cars and compares it with the power system used in combustion cars.
Manufacturing of electric cars goes back to 1900. In those years due to the problems concerned with electric cars in one hand and new oil exploration and large production on the hand caused more interest and development of combustion engines, lead to less interest in manufacturing of electric cars. But with the advent of world wars and contests over oil caused an increase in oil prices, consequently the electric cars caught more attention.
In electric cars, the power supply system consists an electromotor, controller, butteries and their charge. The electric drive of the electric car converts the direct current of the battery into mechanical energy, the complete electric drive includes all the parts involved in converting the direct, eurrent of the batteries into mechanical and rotation power which cause rotation of the wheels. One of the most important features of electric cars is their moving power such as speed, loading and flexibility along with expensive batteries and long charging time.