سیستم های بازیابی انرژی خودرو -سیستم الکترومغناطیس برای بازیابی انرژی سیستم تعلیق

مقدمه

سیستم بازیابی انرژی خودرو … با توجه به بحران انرژی و مشکلات محیطی مثل ذخایر نفت و آلودگی هوا، در سال‌های اخیر، برای خودروها چالش‌های ذخیره‌ی انرژی و سیستم انتقال قدرت سازگار با محیط‌زیست و کارآمد موردتوجه قرارگرفته است و در این زمینه خودروهای الکتریکی نقش مهمی ایفا می‌کنند؛ اما این خودروها گران هستند. اولین دلیل، گران بودن خودروهای الکتریکی، بالا بودن قیمت باتری‌های آن‌هاست.

دپارتمان انرژی قیمت نهایی باتری‌های موردحمایت خود را برای هر کیلووات ساعت در سال ۲۰۱۵، ۳۰۰ دلار آمریکا و در سال ۲۰۲۲، ۱۲۵ دلار آمریکا اعلام کرده است. علاوه بر این، موضوع مهم دیگر، بازده پایین این باتری‌هاست، به عبارتی این باتری‌ها به ازای مدت‌زمان طولانی شارژ، محدوده‌ی حرکتی اندگی به خودروهای الکتریکی میدهد.

معرفی سیستم بازیابی انرژی خودرو

شکل ۱ جریان انرژی را نشان می‌دهد که ۲۰ درصد از انرژی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود و کمتر از نیمی از انرژی مکانیکی به چرخ‌‌ها می‌رسد. به‌طورکلی ۱۰ تا ۱۶ درصد از انرژی سوخت موجود برای حرکت خودرو استفاده می‌شود که این خود شامل: مقاومت هوا و اصطکاک جاده میگردد (براساس گزارشی از دپارتمان انرژی آمریکا در سال ۲۰۱۱).

سه‌راه برای افزایش بازده سوخت وجود دارد: بازیابی حرارت هدررفته، ترمز بازتولید و کمک‌فنرهای بازتولید انرژی. ترمزهای بازتولید خودرو در دو دهه‌ی گذشته بسیار موردتوجه قرارگرفته و بازده سوخت را با بازیاب انرژی در زمان ترمز به‌خوبی بالابرده است.اما بازیابی انرژی سیستم تعلیق خودرو، هنوز نیاز به تحقیقات بیشتر دارد.

شکل ۱ جریان انرژی خودرو

وظیفه‌ی سیستم تعلیق خودرو، تحمل وزن خودرو، مجزا کردن بدنه از ارتعاشات جاده و حفظ چسبندگی تایر با سطح جاده است. دو قسمت مهم از المان‌های تعلیق، فنرها و میراگرها هستند. در حالت معمول وظیفه‌ی میراگر اتلاف انرژی حاصل از ارتعاشات جاده است؛ اما این انرژی تلف‌شده، همان سوخت یا توان الکتریکی است که هدر رفتن آن مطلوب نیست.

تولید سبز که معمولاً به تولید آگاهانه سازگار با محیط‌زیست اطلاق می‌شود، امروزه یکی از موضوعات بسیار پرطرفدار است. آینده‌ی تولید سبز، به‌ویژه در صنعت خودرو قابل پیش‌بینی است. با توجه به این‌که سیستم تعلیق یکی از منابع اتلاف انرژی است، می‌توان انرژی هدررفته‌ی آن را بازیابی کرد و به‌وسیله‌ی آن بازده سوخت را بالا برد. ازاین‌رو به‌جای این‌که انرژی، درون میراگر به گرما تبدیل شود، می‌توان این انرژی را به‌صورت انرژی الکتریکی یا سایر انواع انرژی ذخیره کرد و بعداً از آن استفاده نمود. این انرژی ذخیره‌شده می‌تواند برای تنظیم میرایی میراگر به‌منظور بهبود عملکرد تعلیق یا توان الکتریکی خودرو به‌منظور افزایش بازده سوخت خودرو مورداستفاده قرار بگیرد.

سیستم‌های بازیابی که امروزه به‌عنوان بازیابی انرژی مورداستفاده قرار می‌گیرند، شامل سیستم‌های الکترومغناطیسی، الکترواستاتیکی، پیزوالکتریکی، هیدرولیکی و پنوماتیکی است. در این مقاله تلاش شده است که بخشی از سیستم بازتولید انرژی الکترومغناطیسی موردبررسی قرار بگیرد.

سیستم تعلیق الکترومغناطیس محرک مستقیم

شکل ۲ تعلیق الکترومغناطیس محرک مستقیم را نشان می‌دهد. در تعلیق الکترومغناطیس محرک مستقیم، یک موتور الکترومغناطیس خطی به‌جای کمک‌فنرهای معمول مورداستفاده قرار می‌گیرد. این سیستم، انرژی مکانیکی مربوط به حرکت نسبی بین شاسی و چرخ را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. کمک‌فنر، بین چرخ و بدنه نصب می‌شود تا با توجه به‌راحتی سرنشین و فرمان‌پذیری خودرو، ارتعاشات ناشی از ناهمواری‌های جاده را کاهش دهد.

شکل ۲ تعلیق الکترومغناطیس محرک مستقیم

سیستم الکترومغناطیس حرکت خطی از انباشته‌ی آهنربای دائمی که درون پیستون اصلی قرارگرفته، یک سری سیم‌پیچ استاتور قابل‌تغییر، یک یکسو کننده و یک سیستم کنترل الکترونیک برای مدیریت تغییرات بار میرایی و خروجی الکتریکی استفاده می‌کند. میله‌ی پایین کمک‌فنر تولید انرژی، به قسمت‌های متحرک تعلیق متصل شده و به آهنربا نیرو اعمال می‌کند تا در مقابله با آن، درون آرایش سیم‌پیچ استاتور، جریان جایگزین الکتریسیته تولید شود.

شکل ۳ کمک‌فنر الکترومغناطیس حرکت خطی

کمک‌فنر تولید انرژی حرکت دورانی

کمک‌فنرهای بازتولید دورانی معمول، ارتعاشات نوسانی تعلیق را با استفاده از مکانیزم‌هایی مثل توپ‌پیچ[۱] یا دنده‌های راک‌پینیون[۲] به حرکت دورانی دوطرفه تبدیل می‌کنند. شکل ۴ یک نمونه از پیاده‌سازی این ساختار را نشان می‌دهد که در آن حرکت چرخشی با استفاده از ترکیب دو چرخ‌دنده‌ی مخروطی، ۹۰ درجه تغییر جهت داده است و در این مکانیزم الکتریسیته تولید می‌شود و انرژی الکتریکی در باتری ذخیره می‌شود.

شکل ۵ تبدیل حرکت خطی به دورانی با استفاده از توپ پیچ را نشان می‌دهد که حرکت چرخشی شفت ورودی موتور موجب ایجاد انرژی الکتریکی می‌شود.

کمک‌فنر دارای دو نوع استوانه است. یک استوانه دارای قطر بیشتر و استوانه‌ی دیگر با قطر کمتر. زمانی که ارتعاشات بر سیستم تعلیق وارد می‌شود، استوانه‌ای که قطر کمتری دارد، درون استوانه‌ی بزرگ‌تر جابجا می‌شود و تکرار این حرکت رفت و برگشتی میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و درنهایت موتور الکتریکی اثر مغناطیسی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند تا بتوان آن را در باتری ذخیره کرد.