خودروهای هیبریدی و کاربرد باتری دو قطبی

خودروی هیبریدی ماشینی است كه حداقل از دو نوع منبع انرژی برای حركت بهره می گیرد. در نسل جدید خودروهای هیبریدی دو موتور سوختی و برقی، نیروی محركه لازم برای حركت را فراهم می كنند. در این خودروها، برق مصرفی موتور برقی از طریق نسل جدید باتریها، یعنی باتریهای دوقطبی حاصل می شود. موتور سوختی منبع اصلی انرژی محركه ماشین بوده و باتری به عنوان یك منبع كمكی عمل می كند و در مواقعی كه خودرو به انرژی بالایی برای حركت و یا شتاب گرفتن نیاز دارد، موتور برقی نیز به صورت خودكار به كار می افتد. در مواقع عادی، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی از طریق دینام در باتری ذخیره می شود و به این طریق اتلاف انرژی موتور سوختی به شدت كاهش یافته، مصرف سوخت كمتر شده و آلودگی هوایی ناشی از خودروها كاهش می یابد.

فكر استفاده از برق برای تأمین انرژی حركت خودروها به چند دهه قبل بر میگردد. برق لازم برای خودروهای برقی می تواند از برق شهر (برای خودروهای داخل شهر مثل اتوبوس وقطار برقی)، باتری و یا پیلهای سوختی تأمین شود. به عنوان مثال در سال 1964 میلادی در كشور ژاپن، كل نیروی محركه یك كشتی از طریق پیل سوختی تأمین می شد. باتریهای قابل شارژ یكی از منابع بسیار مورد علاقه برای تأمین انرژی در خودروهای برقی هستند. مشكل اصلی استفاده از باتری در خودروهای برقی، وزن بالای باتری جهت فراهم ساختن انرژی لازم برای حركت می باشد. بنزین چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری دارد. برای مثال از لحاظ تولید انرژی هر یك كیلو گرم بنزین معادل یك باتری سرب-اسید با وزن 142 كیلوگرم عمل می كند. مسأله دیگر در كاربرد باتری، زمان لازم برای شارژ آنهاست كه در این مدت ماشین باید در یك مكان متوقف شود تا باتری آن شارژ شود. برای خودروهای برقی معمولی كه از باتری استفاده می كنند، زمان شارژ بسیار بیشتر از زمانی است كه خودرو در حال حركت است گاهی برای تأمین انرژی یك ساعت حركت، زمان شارژ به بیش از 10 ساعت می رسد. به خاطر این مشكلات استفاده از باتری به عنوان نیروی محركه خودروهای برقی معمولی توسعه چندانی پیدا نكرده است. موتورهای برقی در خودروهای داخل شهری مثل قطار و اتوبوس برقی و بویژه در خودروهای صنعتی نظیز لیفتراك كاربرد دارد. خودروهای برقی صنعتی مزایای متعددی دارند كه از جمله می‌توان به تمییزی، بی سروصدایی و قیمت كمتر نسبت به انواع مشابه سوختی اشاره كرد. تا چند سال اخیر فقط یك راه برای شارژ مجدد ماشین برقی به كمك یك شارژر استاندارد وجود داشت كه خودرو مجبور بود تا برای مدت طولانی در یك فضای خاص توقف كند. ولی در حال حاضر با پیشرفت تكنولوژی، شارژرهایی تولید شده اند (Posicharger) كه بسیار كوچكتر بوده و می تواند توسط خود ماشین حمل شده و در جایی كه لازم است ماشین توقف كرده و باتری را شارژ كند. مزیت دیگر این شارژرها توانایی آنها در كاهش زمان شارژ است. این نوع از شارژرها تك خروجی بوده و در یك زمان می توانند فقط یك ماشین را شارژ كنند ولی نوع جدیدتر آنها دارای چندین خروجی هستند كه می توانند همزمان چند باتری را شارژ كنند.

برای كاهش وزن باتری، باید از مواد فعال با چگالی انرژی بالا استفاده شود. ولی تهیه چنین مواد فعالی چندان ساده و عملی نیست. از جمله باتریهایی كه بیشترین مصرف را در این زمینه دارند باتریهای سرب-اسید هستند كه با توجه به ماهیت مواد فعال آنها، این باتریها وزن بالایی دارند. یكی از تكنولوژیهای روز دنیا برای كاهش وزن باتریها، استفاده از ساختار دو قطبی در باتریها می باشد. در باتریهای معمولی هر الكترود یا آند (قطب منفی) باتری بوده و یا كاتد (قطب مثبت) باتری را تشكیل می دهد. ولی در یك باتری دو قطبی، یك الكترود دوقطبی هم نقش كاتد وهم نقش آند باتری را بازی می كند به این صورت كه یك سطح آن آند و سطح دیگر آن كاتد باتری خواهد بود.

در یك خودروی معمولی، سوخت تنها منبع انرژی برای حركت آن است. در این خودروها بخش عمده انرژی سوخت تلف می شود. تولید گرما یكی ارز راههای اتلاف انرژی در این خودروها است. اما مسأله كیفیت سوختن در این خودروها بویژه در مواقعی كه دور موتور افزایش می یابد باید مد نظر قرار داده شود. در حالت عادی ، احتراق در خودروهای معمولی ، ناقص بوده و بخش عمده انرژی سوخت هدر می رود و با افزایش دور موتور و افزایش میزان سوخت ورودی به موتور، كیفیت سوختن به شدت پایین آمده و اتلاف انرژی بیشتر می شود. این مسأله در خودروهای قدیمی بسیار جدی است.

سوخت مصرفی خودروها اعم از بنزین، گازوئیل و گاز طبیعی شامل هیدروكربنهای آلی است كه بخش عمده آنها هیدروكربنهای آلیفاتیك سیر شده با فرمول عمومی CnH2n است كه دارای سه نوع واكنش شیمیایی سوختن می باشند.

(1) سوختن کامل

دی اکسیدکربن می دهد.
nCO2 + nH2O + Heat
نتیجه می دهد
CnH2n + 3n/2 O2

(2) سوختن ناقص

مونواکسیدکربن می دهد.
nCO + nH2O + Heat
نتیجه می دهد
CnH2n + 2 O2

(3) سوختن بسیار ناقص

دوده می دهد.
nC + nH2O + Heat
نتیجه می دهد
CnH2n + n/2 O2

در موتورهای سوختی، هنگام احتراق واكنش سوختن (2) و (3) و به میزان كمتری واكنش (3) اتفاق می افتد. هر چه نسبت هوای ورودی به سوخت نامناسب باشد، سهم واكنش (3) غالب شده و آلودگی ناشی از خودرو بیشتر خواهد شد. هنگامی كه دور موتور بالا باشد، سهم واكنش (3) در احتراق افزایش یافته و علاوه بر اتلاف انرژی به صورت گرما، مقدار كل انرژی حاصل از سوخت به علت سوختن ناقص، كاهش خواهد یافت. هنگامی كه یك خودرو به دلیل احتراق ناقص دود می كند ، در حجم برابر از سوخت ، مقدار حجم گاز حاصل از احتراق در سیلندر كمتر است به همین دلیل توان حركت پیستونهای موتور كه ناشی از افزایش حجم محصولات حاصل از احتراق است كاهش می یابد به عبارت ساده تر میزان كل انرژی حاصل از احتراق كاهش می یابد. كاهش میزان CO و CO2 در خروجی خودروها مسأله بسیار مهمی در سیاستهای آلودگی زدایی از هوا بویژه در شهرهای بزرگ است. بنابراین باید شركتهای خودروسازی اهمیت بیشتری به این مشكل داده و سعی كنند تا در رفع آن تحقیقات بنیادی انجام دهند. هنگامی كه خودرو از انرژی احتراق استفاده می كند به اجبار باید یكسری گاز حاصل شود ، از لحاظ آلودگی و سمیت بهتر است كه كیفیت احتراق افزایش یافته و سهم واكنش (1) در سوختن بیشتر شود تا گازهای خروجی بیشتر شامل CO2 باشد وسهم CO در آن كمتر شود چون CO یك گاز سمی و خفه كننده به شمار می آید ، به این دلیل كه این گاز می تواند از طریق كیسه های هوایی شش های انسان وارد گردش خون شده و با هموگلوبین گلبولهای قرمز كه مسئول حمل اكسیژن (O2) هستند تركیب شود و ظرفیت حمل اكسیژن را كاهش می دهد . ولی CO2 این سمیت را ندارد مطلوب این است كه میزان كل خروجی خودرو اعم از CO2 و CO كاهش یابد كه این مستلزم استفاده از موتورهایی با كارآیی بالا است كه بتواند انرژی بیشتری از فرایند احتراق تولید كنند و میزان اتلاف انرژی كاهش یابد . یكی از راههای حل این مشكل ساخت خودروهای هیبریدی برقی است كه در آن گازهای آلاینده خروجی و مصرف سوخت بسیار پایین است.

در خودروهای هیبریدی سوختی-برقی، كیفیت سوختن از طریق استفاده از موتورهایی با حجم كمتر و تكنولوژی برتر بهبود یافته و برای تأمین انرژی زیاد در مواقع ضروری به جای افزایش شدید در دور موتور سوختی، موتور برقی به صورت خودكار به كار افتاده و انرژی لازم برای شتاب خودرو را فراهم می آورد. و در حالت عادی كه انرژی كمتری برای حركت نیاز است، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی در باتری ذخیره می شود تا در مواقعی كه نیاز به انرژی بالا وجود دارد، از طریق موتور برقی مصرف شود.

یك خودروی هیبریدی یك موتور بنزینی و یك موتور برقی دارد. موتور بنزینی آن مشابه موتور بنزینی در خودروهای معمولی عمل می كند ولی موتور بنزینی در خودروهای هیبریدی كوچكتر بوده و از تكنولوژی پیشرفته ای برای كاهش خروجی و افزایش كارآیی برخوردارند. موتور برقی در خودروهای هیبریدی بسیار پیشرفته است. الكترونیك پیشرفته اجازه می دهد كه آن به عنوان یك موتور مولد خوب عمل كند. وقتی كه نیاز باشد انرژی را از باتری گرفته و به ماشین شتاب می دهد. و از مصرف زیاد سوخت و ایجاد آلودگی ناشی از سوختن ناقص جلوگیری می كند. خودروهای هیبریدی ساخت شركتهای هوندا و تویوتای ژاپن به ازای هر لیتر بنزین 8/04 تا 10/73 كیلومتر بیشتر از خودروهای معمولی راه میروند. در سری جدید خودروهای هبیریدی شركت هوندا با نام Insight میزان طی مسیر به ازای هر لیتر بنزین 7/37 كیلومتر است به عبارت دیگر میزان مصرف بنزین به ازای هر 100 كیلومتر در این خودروها فقط 2/65 لیتر می باشد.

نمونه ای از ساختارهای هیبریدی طراحی شده توسط شركت تویوتا در شكل 1 ارائه شده است:

شكل 1. ساختار هیبریدی طراحی شده توسط شركت تویوتا

یكی از اجزای اصلی و مهم در خودروهی هیبریدی منبع تأمین برق آن است كه باید بتواند توان لازم برای شتاب دادن به خودرو را فراهم آورد. باتریهای دوقطبی مهمترین منبع برای تأمین برق این خودروها می باشند. باتریهای دوقطبی سرب-اسید و نیكل-نیكل هیدرید بیشترین كاربرد را در موتور برقی خودروهای هیبریدی دارند. باتریهای دوقطبی نیكل-نیكل هیدرید كارآیی و چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتریهای دوقطبی سرب-اسید دارند اما به دلیل قیمت بالاتر و فناوری پیچیده تر نسبت به باتریهای دوقطبی سرب-اسید كمتر استفاده می شوند.

سابقه استفاده از باتریهای سرب-اسید معمولی به 140 سال پیش بر می گردد ولی هنوز هم بخش عمده ای از تحقیقات باتری در دنیا به این نوع از باتریها اختصاص دارد. سابقه تحقیق درباره باتریهای دوقطبی سرب-اسید به چند سال اخیر مربوط است و از جمله فنآوریهای روز دنیا به حساب می آید. تاكنون در ایران گزارشی در زمینه این نوع از باتریها ارائه نشده است.

نمونه ای از باتریهای دوقطبی مورد استفاده در خودروهای هیبریدی در شكل 2 ارائه شده است این باتری 75 ولت بوده و توان تولید انرژی آن 1/2 کیلو وات بر ساعت است.

شكل 2. تصویر بیرونی یك نوع باتری دوقطبی 75 ولت با توان KWh2/1 برای خودروهای هیبریدی

ساختار كلی باتریهای دوقطبی نیز مشابه بقیه باتریها از چند قسمت اصلی تشكیل شده است:

1. ماده فعال آندی
2. ماده فعال كاتدی
3. جمع كننده جریان آندی
4. جمع كننده جریان كاتدی
5. الكترولیت
6. بدنه باتری

قسمت اصلی كه باعث ایجاد اختلاف بین باتری دوقطبی و باتریهای معمولی می شود، الكترود دوقطبی است كه در باتریهای دوقطبی استفاده می شود. در یك باتری معمولی یك الكترود می تواند فقط آند یا كاتد باشد ولی الكترودهای دوقطبی باتریهای دوقطبی نقش آند وكاتد را بر عهده دارند. یك سطح انها شامل مواد فعال آندی و سطح دیگر آنها شامل مواد فعال كاتدی می باشد. نكتة مهم در این باتریها ساختار آنها است كه بسیار پیچیده تر از باتریهای معمولی است. ساختار آنها باید به گونه ای طراحی شود كه هیچ گونه ارتباط الكترولیتی بین دو طرف یك الكترود دوقطبی برقرار نشود. ایجاد این نوع ارتباط باعث از كار افتادن باتری خواهد شد. در حالی كه در یك باتری معمولی می توان تمام الكترودها را داخل یك ظرف الكترولیت قرار داد.