چرا به فرمولE (فرمول ای) به عنوان یک سری جدید نیاز است؟

موتوراسپورت ایران – شاید برای شما هم سوال شده باشد چرا باید سری به نام فرمول E برگزار شود. این روزها موتوراسپورت شاخه های کمی ندارد و اکثر کلاس های پایین تر سینگل سیتر (تک صندلی) اوپن ویل (چرخ باز) برای تمرین و رسیدن به جایگاه فرمول یک است.( لااقل در اروپا)

خوب سوالی که مطرح می شود با توجه به اینکه تصور بر این اساس است که فرمول یک صدا و هیجان سرعت دارد چرا فرمولE ایجاد شد در حالی که سرعت و صدا و حتی پیست های فرمول یک را ندارد و رمز بازدید زیادش به نسبت در دنیا چیست و چرا باید پای دیدن فرمولE نشست.

خیلی از افراد خودروهای برقی را بر دید پاک بودن و عدم ایجاد آلایندگی می بینند. این عده بر این باورند که خودروی برقی به واسطه از دست دادن قدرت عملکردی خودش آلترناتیوی برای فوق فوقش خودروهای شهری است و دلیلی ندارد به آن به عنوان خودروی مسابقه یا حتی مسافت طولانی نگاهی حتی در حال حاضر انداخته شود چون از اساس باطری شر ماجراست و این موارد در آینده بدون سوخت فسیلی باید به حمل و نقل های ریلی شاید وابسته باشد یا آلترناتیوی پاک برای مثال هیدروژن جایگزین باطری شود.

عده ای دیگر بر این باورند که موتورهای بنزینی و یا حتی درونسوز عملکردی به مراتب بهتر از موتورهای برقی دارند و موتورهای برقی چیزی شبیه ماشین لباس‌شویی یا دریل یا همزن برقی هستند. این عده قدرت یک موتور را بیشتر بر اساس صدا و نویز ایجاد شده می بینند تا خروجی گشتاور-دور و بر این اعتقادند که حتی موتورهای برقی پیچیدگی به مراتب بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی دارند و اگر راه نجاتی بوده بهتر است هایبرید باشد چون موتوربنزینی موتور برقی را نجات می دهد!

دسته سومی هم وجود دارد که مثل آلخاندرو آگاگ به چیز دیگری معتقد هستند. آن ها بر این باورند که خودروی الکتریکی نه تنها فقط برای پاک کردن هوا آمده بلکه از علمکرد به مراتب بهتری نسبت به موتورهای درونسوز برخوردار است. این خودروها می توانند رخی به رقبا نشان دهند و مشعل قدرت و سرعت و عملکرد بهتر را در آینده همچنان روشن نگه دارند و پرچم دار راه موتوراسپرت باشند.

خوب بیاید به قضیه از دید یک موضوع علمی نگاه کنیم.

یک خودروی برقی چه مزایا و معایبی دارد؟ چون از دید مهندسی همه چیز کامل نیست و هر روش و وسیله ای مزایا و معایبی دارد.

خوب از معایب صحبت کنیم.

خودروی برقی وابستگی شدیدی به باطری دارد.

خب آیا این خوب است یا بد؟

ما می دونیم که یک لیتر بنزین میزان غلظت و چگالی انرژی ذخیره شده بالایی را در خود دارد. برای افرادی که نمی دانند هر کیلوگرم بنزین حاوی 13 کیلووات ساعت انرژی است. اما خودروهای درونسوز با روش سوزاندن تنها به 20 درصد آن دست پیدا می کنند. در بهترین حالت با روش سوزاندن که خودروهای فرمول یک با از دست دادن عمر موتور به آن می رسند 45 درصد است. (نسبت قطر پیستون به قطر سیلندر)

با حساب سر انگشتی می توان گفت که 100 کیلوگرم باک خودروهای فرمول یک که عمر موتور بسیار پایینی به علت استهلاک بالا دارند و چسبندگی پیستون به سیلندر باعث این موضوع است به عدد خروجی توان مصرفی 585 کیلووات ساعت انرژی می رسیم که اگر در یک ساعت به طور متوسط با توان 585 کیلووات یا 784.5 اسب مصرف شود.

این عدد در خودروی معمولی برای مثال سری E کلاس مرسدس با راندمان 28 درصد چیزی در حدود 364 کیلووات ساعت انرژی است. که می بینید تفاوت محسوسی دارد. حتی باک این خودروها هم 100 لیتر نیست پس وزن به شدت کمتر است. اگر نسبت تبدیل سوخت 0.77 کیلوگرم/لیتر باشد یک باک 60 لیتری چیزی در حدود 77 کیلوگرم می‌شود که این یعنی به طور معمول یک خودرو انرژی خروجی 280.28 کیلووات یا 375.8 اسب را دریافت می تواند استفاده مفید کند از میزان انرژی اولیه 1001 کیلووات ساعت درون سوخت.

این به این معناست که 720 کیلووات ساعت انرژی اینجا به هدر میرود! بیش از نصف که اصلا چیز خوبی نیست.

با این اوصاف مسافت زیادی را طی می کنند چون بنزین چگالی بالایی از انرژی را دارد حتی اگر راندمان کم شود.

این یعنی دقیقا نقطه مخالف باطری.

اما همین میزان انرژی اگر بخواهد به صورت الکتریکی در یک باطری ذخیره شود باید حجم و وزن زیادی را به نسبت به خود اختصاص دهد.

برای مثال یک باطری 85 کیلووات ساعتی تسلا وزنی حدود 540 کیلوگرم دارد و از 7104 سلول + سیستم های مدیریت باطری BMS تشکیل شده است. که چون وزن هر سلول 45 گرم است باقی وزن 220 کیلوگرم آن از سیستم های خنک کننده و بدنه و مدیریت باطری تشکیل شده است.

چون هر سلول باطری پک تسلا با نام 18650 و 2170 جدید ساخت پاناسونیک متناسباً انرژی 10 وات ساعت و 17.3 وات ساعت را می‌توانند ذخیره کنند با نسبت ساده متوجه می‌شویم که برای داشتن 280 کیلووات به 28 هزار سلول 18650 باطری لیتیومی یا 16185 سلول 2170 جدید باطری لیتیومی نیاز داریم.

این بدان معناست که با سلول 18650 با وزن 45 گرمی بعلاوه وزن تجهیزات جانبی آن در باطری پک، باطری‌پک وزنی معادل 1480 کیلوگرم خواهد داشت. و با سلول های 70 گرمی اما با ذخیره انرژی بالاتر 2170 که راحتتر خنک می‌شود وزن باطری پک 1353 کیلوگرم خواهد بود.

اما همانطور که بعدا توضیح می‌دهیم لزوما نیازی به این حجم از باطری در خودروی برقی نیست.

همانطور که می بینید باطری پک ها دارند بهتر می‌شوند در ازای قیمت ثابت یا حتی کمتر اما برای داشتن یک باطری پک با ظرفیت بالاتر اما حجم و وزن مناسب‌تر قیمت ها بالاتر می‌رود چیزی که در باطری پک ریمک با 150 کیلووات ساعت ظرفیت می‌بینید یا در نیو EP9.

شاید یکی بپرسد چرا از ابرخازن‌ها استفاده نمی‌کنید که اسلونی در آن پیشتاز است. خوب ابرخازن‌ها توان خارق‌العاده ای را ارائه می‌دهند و دریافت می‌کنند اما چگالی انرژی خیلی کمی دارند.
ترکیب باطری و خازن که صد البته گرانتر است راهکار مناسبی است اما ابرخازن‌ها را برای آینده در کنار پیل سوختی نگه داشته اند.

حال برگردیم به باطری.

خوب مسئله معضل باطری به این موضوع ختم نمی شود. برای شارژ یک باطری با ظرفیت بالا که موارد کاربردی در خودرو داشته باشد اگر المان حجم و فضا را چشم پوشی کنیم می دانیم به زمان بالایی نسبت به پر کردن باک خودرو نیاز داریم تا باطری را به شارژ کامل برسانیم.

اگرچه این موضوع به واسطه شارژهای سریع 400 کیلوواتی در حال رفع شدن است و شما 100 کیلومتر را در 3 دقیقه شارژ می‌کنید اما باید باطری پک شما هم این قابلیت را داشته باشد که فعلا فقط خودروی i3 تحقیقاتی جدید ب ام و و پورشه تایکان با توانایی 275 کیلووات شارژ شدن پرچم دار این بحث هستند.

همین دو المان به علاوه معضلات نیاز به ثابت نگه داشتن آن در دمای عملکردی مناسب ( نه سرد و نه گرم ) باعث می شود که باطری به عنوان یک بخش نامتناسب نگاه شود و تحقیقات و توسعه عظیمی در این بخش در دست اجرا باشد.

این نکته را هم باید متذکر شویم که در باطری‌های جدید لیتیومی با عوض شدن الکترولیت و خاصیت پلاستیکی پیدا کردن به هیچ عنوان با سوراخ یا ضربه دیدن دچار آتش سوزی نه تنها نمی‌شوند بلکه عمر آن‌ها ادامه هم خواهد داشت البته با ظریفت کمتر اگر برش بخورند!

پس این بخش در حال پیشرفت است.

همانطور که در بالا گفته شد نیاز نیست لزوما آن حجم از باطری در خودروی برقی به کار رود.

پس سوال این است که چطور یک خودروی تسلا یا فرمول ای چنین عملکردی رو با این میزان ذخیره کم انرژی به نسبت دارند.

خوب وارد حیطه‌‌ای با این سوال شده ایم که به آن در فرمول یک می‌گویند MGU-K یا واحد موتور-ژنراتور انرژی جنبشی. پس همانطور که احتمالا آگاه باشید این بخش وظیفه بازگشت انرژی ترمزگیری خودروی در حال حرکت تا سکون یا سرعت کمتر به باطری را دارد و بازگرداندن آن در زمان مناسب.

خوب این بخش چیست؟ بله یک ماشین الکتریکی یا به اسم محاوره ای آن موتورالکتریکی. یک ماشین الکتریکی می تواند همزمان از یک موتور الکتریکی به ژنراتور الکتریکی مبدل شود اگر در موقعیت مناسب با کنترل مناسب قرار بگیرد. ساده‌تر بگویم ترمز موتوری خودروی با موتور درونسوز بنزینی بدون خرابی و فشار به موتور است همراه با بازگشت انرژی نه هدر رفت حرارتی آن.

پس اگر این موتور الکتریکی بزرگتر از مدل فرمول یک آن باشد و قوی تر که در فرمول ای و تسلا و خودروهای برقی هست پس می‌تواند توان بیشتری را برگرداند در هنگام ترمزگیری و بازده رانندگی بالاتری را ارائه کند.

همین نکته کوچک باعث شده است رنج این خودروها با توجه به شیوه رانندگی علی الخصوص در پیست افزایش یابد.

به این جادو در محاوره ریجن REGEN می گویند یا Regenerative braking در علم ماشین‌های الکتریکی.

این جادویی است که باعث می‌شود با باطری پک 54 کیلووات ساعتی و توان 200 کیلووات یا کمتر و متوسط حداقل 140 یا 150 کیلووات در مسابقه بتوانید با ریجن 250 کیلوواتی اما نه در همه جا به خاطر محدودیت گرم شدن باطری، بتوان بیش از 45 دقیقه یک نفس رقابت کرد.

پس همین جادو باعث می‌شود شما حتی به اندازه یک خودروی بنزینی حتی انرژی نیاز نداشته باشید ولی بیشتر از آن در شهر مخصوصا برانید و در جاده های کوهستانی و پر پیچ و خم.

موضوع جالب شد.

بیاید به بحث موتور الکتریکی ورود کنیم.

موتورالکتریکی چیه اصن؟

خوب موتور الکتریکی به واسطه کنش‌های الکترومغناطیسی و تغییرات گپ میان روتور و استاتور گشتاور و سرعت را ایجاد می‌کند. به واسطه این نیروی خارق العاده و قوانین فیزیکی آن دنیای ما به کلی تغییر کرد.

این ویژگی باعث شده است تا حجم کم موتور را در ازای توان بالا داشته باشیم. وقتی خروجی داینو خودمون رو از موتور الکتریکی می‌گیریم می‌بینم اِ چه جالب تا مرحله توان ثابت گشتاور ثابت بالا دارد. یعنی از دور صفر تا دور نامی گشتاور میزان ثابتی است و در مرحله بعد با توان ثابت و با کاهش گشتاور دور به صورت برعکس نمودار نمایی افزایش میابد. البته می توان وارد مرحله سوم و نسبت توان دو سرعت به گشتاور با کاهش فیلد مغناطیسی شد که وارد اون موضوع نمی‌شویم.

نگاهی به نمودار ایده آل حمل و نقل می‌اندازیم می بینیم که چه جالب دقیقا این موتور بر روی آن منطبق است و نیازی به گیربکس نیست تا نمودار خروجی موتور را با کش و قوس به آن تبدیل کنیم.

( برای آشنایی بیشتر می‌توانید به کتاب دکتر مهرداد احسانی استاد دانشگاه تگزاس A M در مورد خودروهای برقی و هایبرید و پیل سوختی مراجعه کنید. )

از طرفی این موتور فقط دو عدد بلبرینگ یا یاتاقان دارد. این هم برد دیگری است و یک بخش آن یعنی روتور فقط متحرک است. پس خرابی بسیار کم است. تعمیراتش هم راحت تر است.

بازده موتورهای برقی به راحتی در بدترین نوع یعنی DC معمولی بالای 85 درصد است و موتورهای امروزی AC حدود 95 درصد را دارد. چیزی که خارق العاده است.

دلیل دیگه ای که باعث قضایای بالا هست.

حالا بیاید وارد موضوع دیگری شویم.

چرا ساخت خودرو رو به حالت شهری و خودروساز واگذار نکنیم و بیایم قوانین رو تغییر بدیم یا فرمول ای رو بسازیم؟

به خوبی همه می‌دانیم در شهرهای بزرگ مثل روز‌های اخیر در پاییز و زمستان با پدیده وارونگی هوا و آلایندگی مواجه هستیم. قوانین کاهش استفاده از خودروهای بنزینی به تنهایی جوابگوی شهر نیست و نیاز به تردد خودروهای پاک‌تر و با آلایندگی کمتر داریم و صد البته زیرساخت ایستگاه‌های شارژ مناسب که خدا رو شکر یک عدد غیرفعال در تهران مث اینکه بیشتر نداریم!

این تنها دید خیلی سطحی به مسئله آلودگی و گرمایش جهانی. چون موضوع فرای این بحث اما نمی خوایم به اون سمت بریم. هدف بیان عملکرد این خودروهاست.

اما همانطور که گفته شد بحث خودروی برقی می تواند محدود به این موضوع نباشد و مالیات کربن دی اکسید و آلاینده های NOx و… به تنهایی راه نجات در توسعه خودروهای آتی نیست.

برای سرعت بخشیدن به این موضوع و تحقق سریعتر دستیابی به خودروهای سریع و مناسب و با رنج مناسب و زمان شارژ سریع در کنار قوانین سوق دهنده دولت‌ها و شرکت‌های نوپای علاقمند به این موضوع همچون تسلا و ریمک و … نیاز به بستری برای تست و بررسی و توسعه آنها هم داریم.

اینجاست که موتوراسپرت به عنوان بازوی دیگر این موضوع وارد عمل می‌شود و به خودروسازان سنتی مخصوصاً توانایی محک زدن خود و شتاب بخشیدن به تحقیق توسعه در عین کاهش هزینه ها را می‌دهد و به اجماع نظر آن‌ها منتج می‌شود. برای نمونه کنسرسیوم بین خودروسازان آلمانی و اروپایی و حتی در آینده تسلا و آمریکایی و استفاده از درگاه یکسان CCS برای شارژ خودروهاشان نمونه‌ای از این دست آورد‌هاست.

وقتی به فرمول ای ما نگاه می‌اندازیم می‌بینم که از سرعت مناسب هنوز برخوردار نیست. علت آن مشخص است. محدودیت های ظرفیت باطری و توان به خودروسازان این امکان رقابت نزدیک و غیرقابل پیش بینی در کنار هزینه‌های کم را می‌دهد.

چیزی که حتی گرهارد برگر رئیس ITR هم به آن اشاره داشت که فرمول ای بستر مناسب اقتصادی و بیزینسی دارد.

شاید گام بزرگتر در آینده نچندان دور در افزایش سرعت و ورود به پیست واقعی رقم بخورد. همانطور که طرح‌هایی در DTM در حال بررسی است.

نمی‌خواهم بنویسم و کلیشه ای باشم که آره ” چه بخواهیم ، چه نخواهیم آینده موتور برقی است”

یا بشنوم “صدا صدا صدا…” که صد البته صدا هم قابل حل است همانطور که بارها گفتم ولی خوب گوشی بدهکار نیست.

می‌خواهم بگم چالش ها را باید یک به یک باید از سر راه برداشت.

ولی آینده امروز اینجاست. همینجا که من و شما حضور داریم. نه باطری‌ها آنچنان سد بلندی دیگر روبروی ما هستند نه سرعت شارژ.

این ما هستیم که سدی هستیم برای عدم قبول کردن آینده. برای اینکه آینده برایمان شاید ترسناک است.

حتی آقای هنسی معروف هم این روز‌ها با فکر کردن به پورشه تایکان به ورود به این صنعت و موضوع فکر می کند.کسی که همیشه مخالف بود.

حال اگر با برنامه ریزی گام برداریم نه تنها می تونیم به قول جی لنو بزرگ از موتورهای V8 و V12 در آخر هفته ها و با افزایش عمرشان لذت ببریم بلکه می‌توانیم لذت را در بعد دیگری هم جاودانه بسازیم و به نسل‌های بعد اون رو ارائه بدیم.

لذتی که نه تنها ما می بریم بلکه با جان تازه به دنیای اطرافمان بخشیدن آن را با هم هم سهیم می‌شویم.