خودروهای هیبریدی و کاربرد باتریهای دوقطبی در آنها

خودروهای هیبریدی و کاربرد باتریهای دوقطبی در آنها مولف :حسن کرمی
خودروی هیبریدی ماشینی است که حداقل از دو نوع منبع انرژی برای حرکت بهره می گیرد. در نسل جدید خودروهای هیبریدی دو موتور سوختی و برقی، نیروی محرکه لازم برای حرکت را فراهم می کنند. در این خودروها، برق مصرفی موتور برقی از طریق نسل جدید باتریها، یعنی باتریهای دوقطبی حاصل می شود. موتور سوختی منبع اصلی انرژی محرکه ماشین بوده و باتری به عنوان یک منبع کمکی عمل می کند و در مواقعی که خودرو به انرژی بالایی برای حرکت و یا شتاب گرفتن نیاز دارد، موتور برقی نیز به صورت خودکار به کار 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 کاهش یافته، مصرغ سوخت کمتر شده و آلودگی هوایی ناشی از خودروها کاهش می یابد.  فکر استفاده از برق برای تأمین انرژی حرکت 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 کشور ژاپن، کل نیروی محرکه یک کشتی از طریق پیل سوختی تأمین می شد. باتریهای قابل شارژ یکی از منابع بسیار مورد علاقه برای تأمین انرژی در خودروهای برقی هستند. مشکل اصلی استفاده از باتری در خودروهای برقی، وزن بالای باتری جهت فراهم ساختن انرژی لازم برای حرکت می باشد. بنزین چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری دارد. برای مثال از لحاظ تولید انرژی هر یک کیلو گرم بنزین معادل یک باتری سرب-اسید با وزن 142 کیلوگرم عمل می کند. مسأله دیگر در کاربرد باتری، زمان لازم برای شارژ آنهاست که در این مدت ماشین باید در یک مکان متوقف شود تا باتری آن شارژ شود. برای خودروهای برقی معمولی که از باتری استفاده می کنند، زمان شارژ بسیار بیشتر از زمانی است که خودرو در حال حرکت است گاهی برای تأمین انرژی یک ساعت حرکت، زمان شارژ به بیش از 10 ساعت می رسد. به خاطر این مشکلات استفاده از باتری به عنوان نیروی محرکه خودروهای برقی معمولی توسعه چندانی پیدا نکرده است. موتورهای برقی در خودروهای داخل شهری مثل قطار و اتوبوس برقی و بویژه در خودروهای صنعتی نظیز لیفتراک کاربرد دارد. خودروهای برقی صنعتی مزایای متعددی دارند که از جمله می‌توان به تمییزی، بی سروصدایی و قیمت کمتر نسبت به انواع مشابه سوختی اشاره کرد. تا چند سال اخیر فقط یک راه برای شارژ مجدد ماشین برقی به کمک یک شارژر استاندارد وجود داشت که خودرو مجبور بود تا برای مدت طولانی در یک فضای خاص توقف کند. ولی در حال حاضر با پیشرفت تکنولوژی، شارژرهایی تولید شده اند (Posicharger) که بسیار کوچکتر بوده و می تواند توسط خود ماشین حمل شده و در جایی که لازم است ماشین توقف کرده و باتری را شارژ کند. مزیت دیگر این شارژرها توانایی آنها در کاهش زمان شارژ است. این نوع از شارژرها تک خروجی بوده و در یک زمان می توانند فقط یک ماشین را شارژ کنند ولی نوع جدیدتر آنها دارای چندین خروجی هستند که می توانند همزمان چند باتری را شارژ کنند.  برای کاهش 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 که بیشترین مصرف را در این زمینه دارند باتریهای سرب-اسید هستند که با توجه به ماهیت مواد فعال آنها، این باتریها وزن بالایی دارند. یکی از تکنولوژیهای روز دنیا برای کاهش وزن باتریها، استفاده از ساختار دو قطبی در باتریها می باشد. در باتریهای معمولی هر الکترود یا آند (قطب منفی) باتری بوده و یا کاتد (قطب مثبت) باتری را تشکیل می دهد. ولی در یک باتری دو قطبی، یک الکترود دوقطبی هم نقش کاتد وهم نقش آند باتری را بازی می کند به این صورت که یک سطح آن آند و سطح دیگر آن کاتد باتری خواهد بود [1].  در یک خودروی معمولی، سوخت تنها منبع انرژی برای حرکت آن است. در این خودروها بخش عمده انرژی سوخت تلف می شود. تولید گرما یکی ارز راههای اتلاف انرژی در این خودروها است. اما مسأله کیفیت سوختن در این خودروها بویژه در مواقعی که 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، کیفیت 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 هیدروکربنهای آلی است که بخش عمده آنها هیدروکربنهای آلیفاتیک سیر شده با فرمول عمومی CnH2n است که دارای سه نوع واکنش 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 واکنش سوختن (2) و (3) و به میزان کمتری واکنش (3) اتفاق می افتد. هر چه نسبت هوای ورودی به سوخت نامناسب باشد، سهم واکنش (3) غالب شده و آلودگی ناشی از خودرو بیشتر خواهد شد. هنگامی که دور موتور بالا باشد، سهم واکنش (3) در احتراق افزایش یافته و علاوه بر اتلاف انرژی به صورت گرما، مقدار کل انرژی حاصل از سوخت به علت سوختن ناقص، کاهش خواهد یافت. هنگامی که یک خودرو به دلیل احتراق ناقص دود می کند ، در حجم برابر از سوخت ، مقدار حجم گاز حاصل از احتراق در سیلندر کمتر است به همین دلیل توان حرکت پیستونهای موتور که ناشی از افزایش حجم محصولات حاصل از احتراق است کاهش می یابد به عبارت ساده تر میزان کل انرژی حاصل از احتراق کاهش می یابد. کاهش میزان CO و CO2 در خروجی خودروها مسأله بسیار مهمی در سیاستهای آلودگی زدایی از هوا بویژه در شهرهای بزرگ است. بنابراین باید شرکتهای خودروسازی اهمیت بیشتری به این مشکل داده و سعی کنند تا در رفع آن تحقیقات بنیادی انجام دهند. هنگامی که خودرو از انرژی احتراق استفاده می کند به اجبار باید یکسری گاز حاصل شود ، از لحاظ آلودگی و سمیت بهتر است که کیفیت احتراق افزایش یافته و سهم واکنش (1) در سوختن بیشتر شود تا گازهای خروجی بیشتر شامل CO2 باشد وسهم CO در آن کمتر شود چون CO یک گاز سمی و خفه کننده به شمار می آید ، به این دلیل که این گاز می تواند از طریق کیسه های هوایی شش های انسان وارد گردش خون شده و با هموگلوبین گلبولهای قرمز که مسئول حمل اکسیژن (O2) هستند ترکیب شود و ظرفیت حمل اکسیژن را کاهش می دهد . ولی CO2 این سمیت را ندارد مطلوب این است که میزان کل خروجی خودرو اعم از CO2 و CO کاهش یابد که این مستلزم استفاده از موتورهایی با کارآیی بالا است که بتواند انرژی بیشتری از فرایند احتراق تولید کنند و میزان اتلاف انرژی کاهش یابد . یکی از راههای حل این مشکل ساخت خودروهای هیبریدی برقی است که در آن گازهای آلاینده خروجی و مصرف سوخت بسیار پایین است. در خودروهای هیبریدی سوختی-برقی، کیفیت سوختن از طریق استفاده از موتورهایی با حجم کمتر و تکنولوژی برتر بهبود یافته و برای تأمین انرژی زیاد در مواقع ضروری به جای افزایش شدید در دور موتور سوختی، موتور برقی به صورت خودکار به کار افتاده و انرژی لازم برای شتاب خودرو را فراهم می آورد. و در حالت عادی که انرژی کمتری برای حرکت نیاز است، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی در باتری ذخیره می شود تا در مواقعی که نیاز به انرژی بالا وجود دارد، از طریق موتور برقی مصرف شود.  یک خودروی هیبریدی یک موتور بنزینی و یک موتور برقی دارد. موتور بنزینی آن مشابه موتور بنزینی در خودروهای معمولی عمل می کند ولی موتور بنزینی در خودروهای هیبریدی کوچکتر بوده و از تکنولوژی پیشرفته ای برای کاهش خروجی و افزایش کارآیی برخوردارند. موتور برقی در خودروهای هیبریدی بسیار پیشرفته است. الکترونیک پیشرفته اجازه می دهد که آن به عنوان یک موتور مولد خوب عمل کند. وقتی که 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 کند. خودروهای هیبریدی ساخت شرکتهای هوندا و تویوتای ژاپن به ازای هر لیتر بنزین 8/04 تا 10/73 کیلومتر بیشتر از خودروهای معمولی راه میروند. در سری جدید خودروهای هبیریدی شرکت هوندا با نام Insight میزان طی مسیر به ازای هر لیتر بنزین 7/37 کیلومتر است به عبارت دیگر میزان مصرف بنزین به ازای هر 100 کیلومتر در این خودروها فقط 2/65 لیتر می باشد.  نمونه ای از ساختارهای هیبریدی طراحی شده توسط شرکت تویوتا در شکل 1 ارائه شده است[2]:
شکل 1. ساختار هیبریدی طراحی شده توسط شرکت تویوتا
یکی از اجزای اصلی و مهم در خودروهای هیبریدی منبع تأمین برق آن است که 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 نیکل-نیکل هیدرید بیشترین کاربرد را در موتور برقی خودروهای هیبریدی دارند. باتریهای دوقطبی نیکل-نیکل هیدرید کارآیی 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 کمتر 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. تاکنون در ایران گزارشی در زمینه این نوع از باتریها ارائه نشده است. نمونه ای از باتریهای دوقطبی مورد استفاده در خودروهای هیبریدی در شکل 2 ارائه شده است این باتری 75 ولت بوده و توان تولید انرژی آن 1/2 کیلو وات بر ساعت است.
شکل 2. تصویر بیرونی یک نوع باتری دوقطبی 75 ولت با توان KWh2/1 برای خودروهای هیبریدی
ساختار کلی باتریهای دوقطبی نیز مشابه بقیه باتریها از چند قسمت اصلی تشکیل شده است: 1. ماده فعال آندی 2. ماده فعال کاتدی 3. جمع کننده جریان آندی 4. جمع کننده جریان کاتدی 5. الکترولیت 6. بدنه باتری قسمت اصلی که باعث ایجاد اختلاف بین باتری دوقطبی و باتریهای معمولی می شود، الکترود دوقطبی است که در باتریهای دوقطبی استفاده می شود. در یک باتری معمولی یک الکترود می تواند فقط آند یا کاتد باشد ولی الکترودهای دوقطبی باتریهای دوقطبی نقش آند وکاتد را بر عهده دارند. یک سطح انها شامل مواد فعال آندی و سطح دیگر آنها شامل مواد فعال کاتدی می باشد. نکتة مهم در این باتریها ساختار آنها است که بسیار پیچیده تر از باتریهای معمولی است. ساختار آنها باید به گونه ای طراحی شود که هیچ گونه ارتباط الکترولیتی بین دو طرف یک الکترود دوقطبی برقرار نشود. ایجاد این نوع ارتباط باعث از کار افتادن باتری خواهد شد. در حالی که در یک باتری معمولی می توان تمام الکترودها را داخل یک ظرف الکترولیت قرار داد. دو نمونه از ساختار باتریهای دوقطبی در شکل 3 [1] و شکل 4 [3] ارائه شده است .
شکل 3. ساختار یک نوع باتری دوقطبی با الکترود دوقطبی استیل ضد اسید برگرفته شده از مرجع [1]
شکل 4. ساختار یک باتری دوقطبی با الکترود دوقطبی پلی اتیلن دوپه شده با کربن برگرفته شده از مرجع [3]
مراجع :
[1] H. Karami, M. F. Mousavi and M. Shamsipur, J. Power Sources, 124 (2003) 303.
[2] H. Endo, M. Ito and T. Ozeki, JSAE, 24 (2003) 103.
[3] حسن کرمی ، میرفضل ا... موسوی ، مجتبی شمسی پور ، اختراع شماره 28825 ، اداره ثبت شرکتها و مالکیت صنعتی ، 1382/5/23 . می توانید نسخه PDF این مقاله را از اینجا بارگذاری نمایید. بازگشت به بخش مقالات