سیستم برق ۴۸ ولتی خودروها و هر آنچه درباره آن باید بدانید – فناوری

هرساله خودروها به قطعات پیچیده‌تر و با فناوری پیشرفته‌تری مجهز می‌شوند. نیاز به قدرت بیشتر در خودروها و اعمال قوانین سخت‌گیرانه انتشار آلاینده‌های خودرو، باعث گسترش استفاده از سیستم ۴۸ ولتی در خودروها شده است. کارشناسان انتظار دارند یک‌پنجم خودروهای فروخته‌شده در سراسر جهان تا سال ۲۰۲۵، از این تکنولوژی بهره‌مند باشند. در ادامه به نحوه کارکرد این فناوری می‌پردازیم.

دو تأمین‌کننده عمده‌ی خودرو دلفی (Delphi) و کانتیننتال (continental) در توضیح سیستم ۴۸ ولتی و دلیل شهرت آن، به دو نکته اشاره کردند. اولین دلیل، دستیابی به مقدار مجاز انتشار آلاینده‌ها و دلیل دوم تأمین قدرت بیشتر برای قدرت خریداران است.

افزایش توان

E-charger (سوپر شارژر برقی) شرکت دلفی

خودروسازان در دهه‌ی گذشته قطعات مکانیکی-محور را با قطعات کارآمدتری همانند فرمان برقی، پمپ خلأ ترمز برقی و پمپ آب برقی جایگزین کرده‌اند. خودروسازها در اروپا گزینه‌هایی از قبیل کروز کنترل تطبیق‌پذیر، سیستم حفظ خودرو در مسیر، نشان‌دهنده‌ی نقاط کور و … را به خودروها اضافه کرده‌اند. شما همچنان می‌توانید به صندلی با گرم‌کن، غربیلک فرمان با گرم‌کن و گرم‌کن شیشه اشاره‌ کنید. سیستم ۴۸ ولت با فراهم آوردن توان بیشتر در حال جایگزینی با سیستم ۱۲ ولتی است.

این موضوع برای خودروهای لوکس نیز صادق است. برای مثال بنتلی بنتایگا از باطری ۴۸ ولت برای به حرکت درآوردن میله‌ی تعادل خودرو به‌منظور فرمان‌پذیری بهتر استفاده می‌کند و همچنین آئودی از این سیستم برای تأمین قدرت سوپر شارژر‌های خود استفاده می‌کند.

مری گاتانسکی، قائم‌مقام بخش مهندسی دلفی گفته است این فناوری اخیر می‌تواند برای خودروها پیشرفت بزرگی به ارمغان بیاورد. «ای-شارژر» استفاده‌شده در هوندا سیویک که می‌تواند سرعت چرخش توربو در خودرو را در حین توقف یا شروع حرکت و در سرعت پایین، به‌منظور جلوگیری از تأخیر یا لگ توربو (هنگامی‌که پدال شتاب را فشار می‌دهید، دریچه‌ی گاز به‌سرعت باز می‌شود؛ اما تا زمانی که توربو سرعت چرخش خود را به حدی برساند که در مانیفولد ورودی فشار مثبت ایجاد شود، وقفه ایجاد می‌شود. به این وقفه در توربوشارژرها توربو لَگ می‌گویند) و یکنواخت سازی کمبود گشتاور در دورهای پایین را فراهم آورد و همچنین موجب ۲۵ درصد افزایش گشتاور و ۳۰ درصد شتاب بهتر شود.

نحوه کارکرد

برخلاف آنچه تاکنون درباره سیستم‌های ۴۸ ولتی خوانده‌اید، باطری ۱۲ ولتی موجود در خودروی شما که روشنایی، شتاب موتور و وسایل رفاهی داخل خودرو را تغذیه می‌کند، به این زودی‌ها کنار گذاشته نخواهد شد.

سیستم ۴۸ ولتی به‌عنوان مکملی برای خودروهای «هیبرید موازی» به کار می‌رود و نیازی به جایگزین کردن سیستم الکتریکی حال حاضر خودروها با سیستم ۴۸ ولت (همان کاری که صنعت خودرو با سیستم ۴۲ ولتی در سال ۱۹۹۰ انجام داد) نیست. به‌عبارت‌دیگر، موتور الکتریکی جدید و باطری ۴۸ ولت را می‌توان به‌راحتی در کنار موتور احتراق داخلی و باطری ۱۲ ولت معمولی به کار برد؛ همان کاری که هیبرید BAS شرکت جنرال موتور در اواخر سال ۲۰۰۰ در بیوک لاکراس و ساترن آ اورا انجام داد.

همانند سیستم انتقال قدرت برقی قدیمی جنرال موتور، بیشتر طراحی‌های هیبریدی موازی با ولتاژ دوگانه (همانند سیستم ۴۸ ولتی در رنو سونیک) از سه قسمت تشکیل‌ شده‌اند:

•  آلترناتور همراه با تسمه دینام (به‌عنوان واحد ژنراتور استارتر تسمه-متحرک که حرکت خود را از تسمه دینام می‌گیرد نیز شناخته می‌شود)
•  مبدل برق DC به DC
•  باطری ولتاژ بالا

 این سه قطعه به‌راحتی با سیستم‌های برقی خودروها، حتی خودروهای غیر هیبرید نیز تطبیق پیدا می‌کنند که این عمل با جایگزینی موتور-ژنراتور با دینام قدیمی و قرار دادن مبدل DC به DC و تعبیه‌ی باطری در صندوق‌عقب که فضای کمی را اشغال می‌کنند، به دست می‌آید.

این سیستم منجر به توسعه‌ی ارزان خودروهای هیبریدی-موازی ۴۸ ولتی خواهد شد که بدین وسیله می‌توان ۵۰ تا ۷۰ درصد از مزایای این خودروها را در ازای ۳۰ درصد قیمت آن‌ها بدست آورد. آن ۵۰ تا ۷۰ درصد، منجر به بهبود مصرف سوخت در حدود ۱۰ الی ۱۵ درصد خواهد شد.

شرکت مطرح کانتیننتال با تأیید این موضوع گفت آزمایش‌ها ۱۳ درصد صرفه‌جویی در سوخت در چرخه‌ی NEDC (چرخه جدید رانندگی در اروپا) نشان می‌دهد؛ اما در دنیای واقعی این میزان به ۲۱ درصد افزایش پیدا می‌کند. این میزان صرفه‌جویی برای یک سیستم ساده با قابلیت اجرایی آسان، موفقیت چشمگیری است.

باطری لیتیومی و مبدل DC به DC

طراحی داخل خودروی نشان داده‌شده، نسخه اولیه‌ای است که برای نمایشگاه CES امسال آماده‌ شده است. باطری، مبدل DC به DC، فیوزها و کنترل‌کننده باطری فضای زیادی را اشغال نمی‌کنند و حتی می‌توان آن‌ها را به پشت صندلی نیز متصل کرد.

 در سیستم ۴۸ ولتی کانتیننتال و دلفی، باطری لیتیومی تقریباً در ابعادی به‌اندازه جعبه کفش است. باطری ۱ کیلووات‌ ساعتی برق را به باطری ۱۲ ولت از طریق مبدل DC به DC در صندوق‌ عقب (جعبه نقره‌ای همراه با فن در تصویر بالا) می‌رساند که ولتاژ را به حدی پایین می‌آورد که برای تغذیه قطعات ۱۲ ولتی موجود در خودرو مناسب باشد.

چرا باطری ۴۸ ولت باید بزرگ باشد؟ علت این موضوع توان و هزینه‌‌ی نهایی است. یک باطری ۴۸ ولت می‌تواند چهار برابر یک باطری ۱۲ ولت توان ایجاد کند و از آن برای تغذیه چندین وسیله مانند فن‌ها، پمپ‌ها، فرمان برقی و کمپرسورها استفاده کرد که بسیار مؤثر است.

مری گاستانسکی در این خصوص تأیید کرد که باطری ولتاژ بالا می‌تواند قابلیت‌های بیشتری داشته باشد، اما استانداردهای فدرال خودروسازان را ملزم به استفاده از محافظ گران‌قیمت، روکش سیم (روکش‌های نارنجی‌رنگ که در بسیاری از خودروهای هیبریدی وجود دارند) و رابط‌هایی دارند که در هر خودرویی با سیستم برقی بالای ۶۰ ولت (به این سیستم «ولتاژ بالا» گفته می‌شود) وجود دارند. 

گاستانسکی اعلام کرد هزینه‌ای که خودروسازها تمایل به پرداخت آن دارند تا از این فناوری کاهش مصرف سوخت استفاده کنند در حدود ۵۰ تا ۱۰۰ دلار به ازای یک درصد بهبود میزان مصرف سوخت است.

واحد موتور مولد

موتور-مولد همانند دینام به میل‌لنگ از طریق تسمه متصل شده است. این واحد ۴۸ ولتی برخلاف دینام با مایع خنک می‌شود و از تسمه سفت‌کن‌های مخصوصی بهره می‌برد که گشتاور اعمال‌شده توسط این واحد و گشتاور اعمال‌شده روی این واحد، منجر به لغزش تسمه نشود.

در ابتدا این واحد ۱۰ کیلوواتی به‌عنوان یک موتور عمل می‌کند و جریان را از باطری لیتیومی ۴۸ ولتی که در صندوق‌عقب قرار دارد و از طریق اینورتر DC به AC، دریافت می‌کند.

بدین ترتیب این موتور مولد از طریق تسمه، پیشرانه‌ی دیزلی/ بنزینی را به حرکت درمی‌آورد. این کار باعث می‌شود موتور احتراقی بعد از توقف به‌راحتی روشن شود (اما هنوز از یک استارتر ۱۲ ولتی برای استارت-سرد استفاده می‌شود) و گشتاوری در حدود ۱۰۰ پوند-فوت به موتور اضافه شود تا شتاب بیشتری (معمولاً بعد از توقف/شروع حرکت) داشته باشد. همچنین گشتاور محاسبه‌شده‌ای به پیشرانه‌ اعمال می‌کند تا از لرزش در هنگام توقف/استارت جلوگیری شود؛ یا اینکه بار موتور را در زمان‌های خاصی کاهش می‌دهد تا مصرف سوخت کاهش پیدا کند.

این واحد فقط به‌عنوان موتوری نیست که گشتاور را به میل‌لنگ اعمال می‌کند، بلکه همان‌طور که از اسم آن پیدا است، ژنراتوری است که گشتاور دریافت می‌کند تا به وظیفه اولیه خود که تولید برق برای باطری ۴۸ ولتی است، عمل کند. این اتفاق فقط در زمانی که پیشرانه روشن است و تسمه تایم می‌چرخد اتفاق نمی‌افتد، بلکه زمانی که خودرو خاموش، در حال ترمزگیری یا در سرازیری است نیز اتفاق می‌افتد.

این موضوع به این معنا است که پیشرانه‌ی احتراق داخلی قادر است پاشش سوخت را قطع کند و در حقیقت چرخ‌ها از طریق یک مبدل گشتاور (تورک‌ کانورتر)، پیشرانه را بچرخانند.

این واحد علاوه بر روشن/ خاموش کردن پیشرانه بعد از توقف و کمک به بار اعمال‌شده، با افزایش گشتاور و اعمال آن به میل‌لنگ، می‌تواند باعث تولید نیروی الکتریکی هنگام ترمزگیری شود (نیروی ترمز به موتور برقی اعمال و برق تولیدشده در باطری‌ها ذخیره‌ می‌شود و در زمان نیاز دوباره به حالت گشتاور اضافی به موتور کمک می‌کند).

سطوح مختلف هیبرید-موازی

 مِری گاستانسکی از دلفی اعلام کرد اگرچه این شرکت در این مرحله بر توسعه‌ی سیستم هیبرید-موازی همراه با موتور-مولد تمرکز کرده است (نوع P0 که بدون تسمه کار کند)، در نهایت به تولید انواع پیشرفته و گران‌تر مانند نمونه‌ی P2 خواهد رسید.

سیستم هیبرید-موازی P2، مانند استارتر-مولد خطی شرکت مرسدس بنز، به‌مراتب گران‌قیمت‌تر هستند و به تغییرات عمده‌ای در سیستم خودرو (در این حالت موتور-مولد بین پیشرانه و سیستم انتقال قدرت قرار دارد) و قطعات اضافی همانند کلاچ نیاز دارند. هدف از سیستم P2، به حرکت درآوردن چرخ‌ها بدون نیاز به حرکت درآوردن پیشرانه است که منجر به افزایش کارایی و کاهش مصرف سوخت می‌شود.

طراحی P2 شرکت کانتیننتال (شکل بالا) از یک پولی محرک استفاده می‌کند که در بین پیشرانه و سیستم انتقال قدرت قرار دارد و ارتباط این قطعه با موتور و سیستم انتقال قدرت از طریق دو کلاچ امکان‌پذیر می‌شود. موتور-مولد نیز در کنار قرار دارد و گشتاور را از طریق تسمه به موتور و کمپرسور کولر منتقل می‌کند.

برای انتقال قدرت به خودرو صرفاً از طریق موتور الکتریکی، بدون اینکه نیاز به حرکت درآوردن موتور باشد، کلاچ قرارگرفته در کنار پیشرانه باز می‌شود و موتور، محور سیستم انتقال قدرت را از طریق تسمه و پولی محرک به حرکت درمی‌آورد.

در یک روز بسیار گرم و در زمان توقف/استارت، هر دو کلاچ باز می‌شوند و موتور می‌تواند کمپرسور کولر را به‌تنهایی و بدون نیاز به حرکت خودرو یا روشن کردن پیشرانه به حرکت دربیاورد.

اگرچه ایجاد فضای کافی برای پیاده‌سازی سیستم هیبرید-موازی P2 نیاز به کار زیادی دارد و این سیستم دارای قطعات بیشتری نسبت به نمونه‌ی P0 است (سیستمی که به‌زودی در خودروهای زیادی سراسر دنیا استفاده خواهد شد)؛ به حرکت درآوردن خودرو فقط از طریق موتور الکتریکی و توانایی به حرکت درآوردن کمپرسور کولر در حالتی که پیشرانه خاموش است و خودرو نیز متوقف‌ شده است، می‌تواند مزیت بسیار زیادی برای صرفه‌جویی سوخت و راحتی سرنشینان داشته باشد (که هر دو مربوط به سیستم P2 هستند).

تمام این کارها برای بهره‌وری بهتر است

کمپرسور کولر قدیمی که با تسمه به حرکت درمی‌آمده است

 کانتیننتال و دلفی اعلام کرده‌اند که سیستم ۴۸ ولتی به یک دلیل مهم در حال محبوب شدن است؛ صرفه‌جویی در مصرف سوخت و تنظیم CO₂ مخصوصاً در چین و اتحادیه اروپا که به ازای هر کیلومتر در سال ۲۰۲۰ این مقدار ۱۱۷ گرم اعلام‌ شده است و در سال ۲۰۲۱ نیز حداکثر باید ۹۵ باشد. در ایالات‌متحده نیز مقدار CO₂ تا سال ۲۰۲۵، ۱۰۱ گرم به ازای هر کیلومتر اعلام‌ شده است.

استفاده از سیستم ۴۸ ولتی به‌جای انواع ۱۲ ولتی فقط به دلیل کاهش اتلاف (به همان دلیلی که برق بین‌شهری را با ولتاژ بالا ارسال می‌کنیم) نیست، بلکه به گفته گاستانسکی بیشتر به دلیل بازدهی بیشتر فن‌ها و پمپ‌ها در ولتاژ بالا است. همچنین سیستم ۴۸ ولتی می‌تواند قطعاتی را که در سیستم قدیمی ۱۲ ولت به‌وسیله‌ی پیشرانه‌ی داخلی به گردش درمی‌آمدند، توسط برق به حرکت دربیاورد. جداسازی پمپ آب و سیستم تهویه از پیشرانه که پیش از این منجر به افزایش مصرف سوخت می‌شد، به این سیستم‌ها اجازه می‌دهد برحسب وظیفه و خواست سرنشینان عمل کنند تا صرفاً برحسب دور موتور.

به‌عنوان‌ مثال شما در یک زمستان بسیار سرد و در حال یدک کشی به بالای یک تپه هستید و دور موتور ۴۰۰۰ دور بر دقیقه است. در خودروهای قدیمی، پمپ آب که توسط موتور احتراقی به گردش درمی‌آید، به‌سرعت می‌چرخد و پیشرانه را بسیار خنک می‌کند. اما به دلیل سرمای زیاد، پیشرانه ممکن است به سرمایی که پمپ آب ارسال می‌کند نیازی نداشته باشد؛ اما با پمپ الکتریکی، شما به‌صورت تئوری می‌توانستید انرژی را ذخیره کنید و پمپ را در وقت نیاز به خنک کاری روشن کنید.

همچنین در سیستم تهویه‌ی مطبوع ۴۸ ولتی، کمپرسور در حین رانندگی در بزرگراه با سرعت آرام می‌چرخد، درحالی‌ که در نمونه‌های قدیمی با دور بالا به‌وسیله موتور احتراقی به گردش درمی‌آمد.

مری گوستانسکی همچنین اشاره‌ کرده است که استفاده از منبع تغذیه ۴۸ ولتی می‌تواند کاتالیست موجود در سیستم اگزوز را سریع‌تر گرم کند تا آلاینده‌ها کاهش یابند.

در این میان امکان افزودن قابلیت‌های کاربردی دیگری همانند سیستم بازیافت انرژی از ترمز، افزایش قدرت و کاهش بار پیشرانه توسط موتور الکتریکی و کاهش توربو-لگ توسط سوپرشارژر‌های برقی وجود دارد. به‌راحتی می‌توان اعلام کرد که مزایای استفاده از این سیستم خیلی بیشتر از صرفاً ۱۰ تا ۲۵ درصد کاهش مصرف سوخت است.

متخصصان IHS می‌گویند انتظار می‌رود که کاربرد سیستم‌های هیبرید-موازی ۴۸ ولتی تا سال ۲۰۲۵، ۹ برابر شود که در مجموع ۱۴ میلیون خودرو به آن‌ها مجهز خواهند شد.

این خبری عالی برای تأمین‌کنندگانی همانند دلفی و کانتیننتال است و برای مصرف‌کننده‌ها که مصرف سوخت کمتر، امکانات به‌روز الکتریکی و افزایش عملکرد را تجربه خواهد کرد نیز خبر خوبی است.