خودروهای برقی و اهمیت NVH در آن ها​

مانوپارت لب: خودروهای برقی یا EV(Electric Vehicles)ها، یکی از نوآورانه‌ترین فناوری‌های حمل‌ونقل امروز به شمار می‌روند. این خودروها با هدف کاهش آلودگی هوا و وابستگی به سوخت‌های فسیلی توسعه یافته‌اند. بر خلاف خودروهای احتراقی که از موتورهای بنزینی یا دیزلی استفاده می‌کنند، خودروهای برقی انرژی خود را از باتری‌های قابل شارژ دریافت می‌کنند. نتیجه این تغییر، کاهش انتشار مستقیم گازهای گلخانه‌ای، کاهش آلودگی صوتی و ایجاد تجربه‌ای نرم‌تر در رانندگی است. رشد سریع این صنعت با پیشرفت تکنولوژی باتری‌ها، موتورهای الکتریکی و سیستم‌های کنترلی همراه بوده و موجب افزایش توجه جهانی به آن شده است. با این حال، خودروهای برقی چالش‌هایی مانند هزینه اولیه بالا، محدودیت برد حرکتی و مسائل مرتبط با NVH (نویز، ارتعاش و ناهنجاری‌های سواری) دارند که باید برطرف شوند تا پذیرش گسترده‌تری پیدا کنند.

• ساختار و فناوری‌های اصلی خودروهای برقی

در خودروهای برقی، مهم‌ترین اجزا عبارت‌اند از موتور الکتریکی، باتری، اینورتر، سیستم انتقال نیرو و سیستم شارژ. حال به توضیح مختصری ازین اجزا پرداخته می شود.

موتور الکتریکی

موتور الکتریکی نیروی لازم برای حرکت خودرو را تولید می‌کند و به عنوان قلب محرک خودرو، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. انواع مختلفی از موتورها مانند موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) و موتور القایی (Induction Motor)  در خودروهای برقی استفاده می‌شود. . این موتورها از انرژی ذخیره شده در باتری استفاده می‌کنند و برخلاف موتورهای احتراق داخلی، گشتاور بالایی را به صورت آنی تولید می‌کنند که موجب شتاب سریع خودرو می‌شود که تجربه رانندگی بسیار سریع و نرم را ممکن می‌سازد.

باتری

باتری‌ها در خودروهای برقی نقش مخزن انرژی را ایفا می‌کند. باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل چگالی انرژی بالا و توانایی ذخیره مقدار زیادی انرژی، و قابلیت شارژ مجدد، گزینه مناسبی برای خودروهای برقی محسوب می‌شوند و در خودروهای برقی رایج هستند. ظرفیت باتری و مدیریت حرارتی آن تاثیر مستقیمی بر برد و عمر مفید خودرو دارد. باتری از طریق شارژر به منبع برق (ایستگاه شارژ یا پریز خانگی) متصل شده و شارژ می‌شود.

اینورتر

اینورتر وظیفه مدیریت جریان انرژی بین باتری و موتور الکتریکی را بر عهده دارد و به بهینه‌سازی عملکرد باتری و موتور کمک می‌کند. این سیستم، جریان مستقیم (DC) باتری را به جریان متناوب (AC) تبدیل کرده و کنترل دقیق موتور از طریق آن انجام می‌شود. همچنین با این سیستم می توان پیشرفت‌های الکترونیک قدرت و الگوریتم‌های کنترل، بازدهی و کارایی خودرو را افزایش داد.

انتقال نیرو

سیستم انتقال نیرو در خودروهای برقی (EV) نسبت به خودروهای بنزینی ساده‌تر است، زیرا موتورهای الکتریکی می‌توانند در گستره وسیعی از دورها کار کنند. به همین دلیل در بیشتر خودروهای برقی از گیربکس‌های تک‌سرعته استفاده می‌شود. این نوع گیربکس‌ها به دلیل گشتاور بالای موتورهای الکتریکی، قادرند بدون نیاز به تعویض دنده‌های متعدد، عملکرد مطلوبی ارائه دهند. با این حال، در خودروهای برقی قدرتمندتر که به سیستم چهارچرخ محرک الکتریکی نیاز دارند، معمولاً از چند موتور استفاده می‌شود. هر موتور دارای گیربکس کاهش‌دهنده‌ی اختصاصی خود است و همین موضوع باعث می‌شود انتقال نیرو به هر محور به‌طور مستقل و کارآمد انجام گیرد، بدون آن‌که به گیربکس‌های پیچیده و چندسرعته نیازی باشد.

سیستم شارژ

سیستم شارژ خودروهای برقی به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
یکی از رایج‌ترین روش‌ها، شارژ AC است که از طریق پریزهای خانگی (سطح ۱) یا شارژرهای دیواری (سطح ۲) انجام می‌شود. این نوع شارژ به دلیل سهولت دسترسی و امکان استفاده در منزل یا پارکینگ‌های عمومی، کاربرد گسترده‌ای دارد، هرچند زمان شارژ در این حالت نسبتاً طولانی‌تر است.

برای کاهش زمان شارژ، از شارژ سریع DC (سطح ۳) استفاده می‌شود که در ایستگاه‌های شارژ عمومی در دسترس است. این فناوری با توان‌های بالا (حدود ۵۰ تا ۳۵۰ کیلووات) می‌تواند باتری خودرو را در مدت زمان کوتاه‌تری، حتی کمتر از یک ساعت، به میزان قابل توجهی شارژ کند.

در کنار این روش‌ها، فناوری نوینی به نام V2G (Vehicle-to-Grid)  نیز در حال توسعه است. در این فناوری، خودروهای برقی تنها مصرف‌کننده انرژی نیستند، بلکه می‌توانند به عنوان یک منبع ذخیره برق عمل کرده و در مواقع نیاز، انرژی ذخیره‌شده در باتری خود را به شبکه برق بازگردانند. این قابلیت می‌تواند به پایداری شبکه و مدیریت بهینه مصرف انرژی کمک کند و نقش مهمی در آینده سیستم‌های هوشمند انرژی ایفا نماید.

مدیریت حرارتی

سیستم مدیریت حرارتی (Thermal Management System)  در یک خودروی برقی (EV) نقش بسیار مهمی در حفظ دمای بهینه اجزای کلیدی مانند باتری، موتور الکتریکی، تجهیزات الکترونیک قدرت و سیستم شارژ دارد. هدف اصلی این سیستم، تضمین عملکرد پایدار، ایمنی و افزایش طول عمر قطعات است. سیستم مدیریت حرارتی با دفع گرمای اضافی ایجادشده در حین کارکردهای سنگین، شارژ سریع یا رانندگی طولانی‌مدت، از داغ‌شدن بیش از حد اجزا جلوگیری می‌کند و همچنین در شرایط سرمای شدید، گرمای لازم را برای نگه داشتن باتری در محدوده دمای ایده‌آل تأمین می‌نماید. این کنترل دقیق دما، مانع بروز فرار حرارتی (Thermal Runaway) در باتری شده، بازده موتور را حفظ کرده و عملکرد مطمئن خودرو را در شرایط آب‌وهوایی و رانندگی گوناگون تضمین می‌کند.

بازیابی انرژی ترمزی

بازیابی انرژی ترمزی (Regenerative Braking System) در خودروهای برقی سیستمی است که انرژی جنبشی تولیدشده هنگام کاهش سرعت را، که معمولاً به صورت گرما هدر می‌رود، بازیابی کرده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند تا باتری شارژ شود. این فرآیند باعث افزایش بازده کلی انرژی، افزایش برد حرکتی و کاهش استهلاک ترمزهای اصطکاکی سنتی می‌شود. این فناوری یکی از ویژگی‌های اصلی هم در خودروهای تمام‌برقی (EV) و هم در خودروهای هیبریدی (HEV) است و با فراهم کردن عملکرد نرم‌تر ترمز، کاهش هزینه‌های نگهداری و استفاده بهینه‌تر از انرژی موجود، به بهبود پایداری و کارایی خودرو کمک می‌کند.

• انواع خودروهای برقی

خودروهای برقی و هیبریدی بسته به نوع منبع انرژی و نحوه تأمین توان، به چند گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

1. خودرو برقی باتری‌محور (BEV: Battery Electric Vehicle)
   

   این خودروها کاملاً برقی بوده و هیچ‌گونه موتور احتراق داخلی ندارند. منبع اصلی انرژی آن‌ها یک باتری بزرگ است که باید از طریق شارژرهای AC یا DC شارژ شود. نمونه‌های شناخته‌شده آن تسلا مدل ۳ و نیسان لیف هستند. مزیت اصلی BEVها حذف آلایندگی مستقیم و کاهش چشمگیر هزینه‌های نگهداری است.

2. خودرو هیبریدی قابل شارژ (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)
   

   این خودروها ترکیبی از موتور بنزینی و یک موتور الکتریکی مجهز به باتری نسبتاً بزرگ هستند. باتری آن‌ها با اتصال به شارژر خارجی (Plug-in) شارژ می‌شود و امکان طی مسافت کوتاه به‌صورت کاملاً برقی را فراهم می‌سازد. در مسافت‌های طولانی‌تر، موتور احتراق داخلی وارد مدار شده و نگرانی از بابت تمام شدن شارژ کاهش می‌یابد.

3. خودرو هیبریدی معمولی (HEV: Hybrid Electric Vehicle)
   

   در این خودروها یک موتور احتراق داخلی نقش اصلی را ایفا می‌کند و یک باتری کوچک به همراه موتور الکتریکی وظیفه کمک‌رسانی را دارند. باتری این خودروها از طریق انرژی بازیافتی ترمز (Regenerative Braking) شارژ می‌شود و امکان شارژ خارجی ندارند. مصرف سوخت کمتر و آلایندگی کمتر نسبت به خودروهای صرفاً بنزینی از مزایای HEV است.

4. خودرو الکتریکی با سلول سوختی (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)
   

   این دسته از خودروها از هیدروژن به‌عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند. درون خودرو یک سلول سوختی قرار دارد که هیدروژن را با اکسیژن هوا ترکیب کرده و برق تولید می‌کند تا موتور الکتریکی را به حرکت درآورد. تنها محصول جانبی این فرآیند بخار آب است، بنابراین آلایندگی آن‌ها صفر محسوب می‌شود. تویوتا میرای و هیوندای نکسو از نمونه‌های معروف این گروه هستند.

• مزایا و چالش‌های خودروهای برقی

• مزایا خودروهای برقی

• محیط زیستی

یکی از بزرگ‌ترین مزایای خودروهای برقی، تأثیر مثبت آن‌ها بر محیط زیست است. این خودروها فاقد لوله اگزوز بوده و هیچ‌گونه آلاینده خروجی (Tailpipe Emissions) تولید نمی‌کنند؛ به همین دلیل در کاهش آلودگی هوا، به‌ویژه در شهرهای بزرگ، نقشی اساسی ایفا می‌کنند. علاوه بر این، اگر انرژی مورد استفاده برای شارژ خودرو از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا بادی تأمین شود، انتشار گازهای گلخانه‌ای به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این موضوع کمک می‌کند تا صنعت حمل‌ونقل در مسیر دستیابی به اهداف کاهش کربن جهانی حرکت کند.

• اقتصادی

از نظر اقتصادی، خودروهای برقی به‌طور محسوسی مقرون‌به‌صرفه‌تر از خودروهای بنزینی یا دیزلی هستند. هزینه برق مصرفی برای طی مسافت مشخص، بسیار کمتر از هزینه سوخت‌های فسیلی است. علاوه بر آن، هزینه‌های تعمیر و نگهداری نیز کاهش می‌یابد، زیرا خودروهای برقی فاقد بسیاری از اجزای مکانیکی پیچیده موتورهای احتراق داخلی مانند تسمه تایم، شمع، کاربراتور یا سیستم‌های روغن‌کاری هستند. این ویژگی باعث می‌شود که هزینه‌های دوره‌ای سرویس خودرو به حداقل برسد.

• عملکردی

خودروهای برقی نه تنها پاک‌تر و اقتصادی‌تر هستند، بلکه از نظر عملکرد نیز مزایای چشمگیری دارند. موتور الکتریکی قادر است گشتاور آنی تولید کند، به همین دلیل شتاب‌گیری این خودروها بسیار سریع و روان است. همچنین رانندگی با خودرو برقی به دلیل فقدان ارتعاشات و صدای موتور احتراقی، تجربه‌ای آرام و بی‌صدا را برای راننده و سرنشینان فراهم می‌سازد. یکی دیگر از ویژگی‌های برجسته، موقعیت نصب باتری‌ها در کف خودرو است که باعث می‌شود مرکز ثقل خودرو پایین‌تر قرار گیرد و پایداری و کنترل‌پذیری خودرو در سرعت‌های بالا بهبود یابد.

• چالش‌های خودروهای برقی

• زیست‌محیطی

اگرچه خودروهای برقی آلاینده‌ای از اگزوز منتشر نمی‌کنند، اما فرایند تولید باتری‌های لیتیوم-یون خود چالش‌هایی جدی از نظر محیط‌زیستی دارد. استخراج لیتیوم، کبالت و نیکل علاوه بر هزینه بالا، اثرات منفی بر منابع آب، خاک و زیست‌بوم‌های طبیعی بر جای می‌گذارد. همچنین در پایان عمر باتری، موضوع بازیافت و دفع ایمن آن‌ها همچنان یکی از دغدغه‌های مهم است. بنابراین، گرچه در مرحله استفاده، خودروهای برقی پاک به نظر می‌رسند، اما چرخه عمر کامل آن‌ها هنوز نیازمند بهبود و توسعه فناوری‌های سبزتر است.

• اقتصادی

هرچند هزینه مصرف برق و نگهداری خودروهای برقی پایین‌تر است، اما قیمت خرید اولیه آن‌ها به دلیل هزینه بالای باتری، معمولاً بیشتر از خودروهای بنزینی هم‌رده است. این موضوع باعث می‌شود بسیاری از مصرف‌کنندگان به‌خصوص در کشورهای در حال توسعه، توانایی خرید EV را نداشته باشند. علاوه بر این، استهلاک باتری و نیاز به تعویض آن پس از چند سال می‌تواند هزینه‌ای سنگین برای مالک به همراه داشته باشد.

• عملکردی و زیرساختی

یکی از چالش‌های اصلی خودروهای برقی، محدودیت برد حرکتی (Range Anxiety) است؛ یعنی نگرانی رانندگان از تمام شدن شارژ در مسیر. هرچند فناوری باتری و ایستگاه‌های شارژ سریع در حال پیشرفت هستند، اما هنوز شبکه شارژ در بسیاری از کشورها به اندازه کافی گسترده نیست. زمان شارژ نیز در مقایسه با سوخت‌گیری بنزین طولانی‌تر است، به‌خصوص در شارژهای خانگی سطح ۱ و ۲. از سوی دیگر، باتری‌ها در شرایط آب‌وهوایی بسیار سرد یا گرم کارایی کمتری دارند و این موضوع می‌تواند بر عملکرد خودرو و تجربه رانندگی تأثیر بگذارد.

• نقش NVH در خودروهای برقی

NVH که مخفف نویز، ارتعاش و ناهنجاری است، نقش کلیدی در تجربه رانندگی و راحتی سرنشینان دارد. در خودروهای احتراقی، صدای موتور و سیستم اگزوز بخش عمده‌ای از نویز داخل کابین را تشکیل می‌دهد و بسیاری از صداهای دیگر توسط این نویز پوشانده می‌شوند. اما در خودروهای برقی، حذف موتور احتراق داخلی باعث کاهش قابل توجه نویز پس‌زمینه می‌شود و این امر باعث می‌شود که نویزهای دیگر مانند صدای موتور الکتریکی، اینورتر و گیربکس کاهنده برجسته‌تر شوند و راحتی سرنشینان تحت تاثیر قرار گیرد.

موتور الکتریکی نویز تونال‏[1] و فرکانس‌های بالا تولید می‌کند که برای گوش انسان آزاردهنده است. همچنین صدای سوئیچینگ الکترونیکی اینورتر (PWM) می‌تواند تاثیرگذار باشد. در بخش مکانیکی، صدای گیربکس تک‌سرعته و لرزش‌های ناشی از تماس چرخ‌دنده‌ها نیز باید کنترل شوند.

همچنین به دلیل حذف نویز موتور، نویزهای جاده و تایر که قبلاً کمتر شنیده می‌شدند، اکنون در داخل کابین برجسته شده‌اند. از طرف دیگر، نویز آیرودینامیکی نیز در سرعت‌های بالا تاثیر قابل توجهی دارد.

مهندسان برای بهبودNVH  در خودروهای برقی، از مجموعه‌ای از راهکارهای پیشرفته استفاده می‌کنند. به‌کارگیری مواد عایق صوتی چندلایه برای کاهش انتقال صدا به کابین، بهره‌گیری از سیستم‌های کنترل نویز فعال (ANC) که با تولید امواج صوتی معکوس نویز مزاحم را خنثی می‌کنند، طراحی دقیق چرخ‌دنده‌ها برای کاهش ارتعاشات، و همچنین بهینه‌سازی مدارهای الکترونیک قدرت از جمله این اقدامات هستند. این مجموعه فناوری‌ها باعث می‌شود تجربه سواری در خودروهای برقی، آرام، راحت و باکیفیت باشد. برای آشنایی بیشتر با مکانیزم نویز فعال، می‌توان به مقاله تخصصی حوزه Active Noise Control  مراجعه کرد.

• جمع‌بندی

خودروهای برقی به عنوان آینده صنعت حمل‌ونقل، نقش مهمی در کاهش آلاینده‌ها و بهبود بهره‌وری انرژی دارند. فناوری‌های متعدد از موتورهای الکتریکی گرفته تا باتری‌ها و سیستم‌های کنترلی، این خودروها را به گزینه‌ای جذاب تبدیل کرده‌اند.

با این حال، چالش‌هایی مانند برد محدود و زیرساخت شارژ نیازمند راهکارهای فنی و اقتصادی هستند. همچنین کنترل NVH به عنوان یکی از عوامل کلیدی در کیفیت تجربه سواری باید به دقت مورد توجه قرار گیرد تا مشتریان رضایت بیشتری از استفاده از خودروهای برقی داشته باشند.

روندهای نوین مانند یادگیری ماشین در طراحی، مواد جدید جاذب صدا و شبیه‌سازی پیشرفته، نوید آینده‌ای روشن برای خودروهای برقی با عملکرد عالی و تجربه رانندگی مطلوب را می‌دهند.

[1] نویز تونال نوعی نویز با انرژی متمرکز در یک فرکانس یا چند فرکانس مشخص است که معمولاً به صورت صداهایی شبیه سوت یا وزوز شنیده می‌شود. این نوع نویز در موتورهای الکتریکی ناشی از پدیده‌های الکترومغناطیسی و سوئیچینگ اینورترهاست و به دلیل تمرکز انرژی در محدوده حساس شنوایی انسان، بیشتر آزاردهنده است.1