كاربرد باتريهاي دوقطبي و خودروهاي هيبريدي

 خودروي هيبريدي ماشيني است كه حداقل از دو نوع منبع انرژي براي حركت بهره مي گيرد. در نسل جديد خودروهاي هيبريدي دو موتور سوختي و برقي، نيروي محركه لازم براي حركت را فراهم مي كنند. در اين خودروها، برق مصرفي موتور برقي از طريق نسل جديد باتريها، يعني باتريهاي دوقطبي حاصل مي شود. موتور سوختي منبع اصلي انرژي محركه ماشين بوده و باتري به عنوان يك منبع كمكي عمل مي كند و در مواقعي كه خودرو به انرژي بالايي براي حركت و يا شتاب گرفتن نياز دارد، موتور برقي نيز به صورت خودكار به كار مي افتد. در مواقع عادي، انرژي اضافي حاصل از موتور سوختي از طريق دينام در باتري ذخيره مي شود و به اين طريق اتلاف انرژي موتور سوختي به شدت كاهش يافته، مصرف سوخت كمتر شده و آلودگي هوايي ناشي از خودروها كاهش مي يابد.

 فكر استفاده از برق براي تأمين انرژي حركت خودروها به چند دهه قبل بر ميگردد. برق لازم براي خودروهاي برقي مي تواند از برق شهر (براي خودروهاي داخل شهر مثل اتوبوس وقطار برقي)، باتري و يا پيلهاي سوختي تأمين شود. به عنوان مثال در سال 1964 ميلادي در كشور ژاپن، كل نيروي محركه يك كشتي از طريق پيل سوختي تأمين مي شد. باتريهاي قابل شارژ يكي از منابع بسيار مورد علاقه براي تأمين انرژي در خودروهاي برقي هستند. مشكل اصلي استفاده از باتري در خودروهاي برقي، وزن بالاي باتري جهت فراهم ساختن انرژي لازم براي حركت مي باشد. بنزين چگالي انرژي بسيار بالاتري نسبت به باتري دارد. براي مثال از لحاظ توليد انرژي هر يك كيلو گرم بنزين معادل يك باتري سرب-اسيد با وزن 142 كيلوگرم عمل مي كند. مسأله ديگر در كاربرد باتري، زمان لازم براي شارژ آنهاست كه در اين مدت ماشين بايد در يك مكان متوقف شود تا باتري آن شارژ شود. براي خودروهاي برقي معمولي كه از باتري استفاده مي كنند، زمان شارژ بسيار بيشتر از زماني است كه خودرو در حال حركت است گاهي براي تأمين انرژي يك ساعت حركت، زمان شارژ به بيش از 10 ساعت مي رسد. به خاطر اين مشكلات استفاده از باتري به عنوان نيروي محركه خودروهاي برقي معمولي توسعه چنداني پيدا نكرده است. موتورهاي برقي در خودروهاي داخل شهري مثل قطار و اتوبوس برقي و بويژه در خودروهاي صنعتي نظيز ليفتراك كاربرد دارد. خودروهاي برقي صنعتي مزاياي متعددي دارند كه از جمله مي‌توان به تمييزي، بي سروصدايي و قيمت كمتر نسبت به انواع مشابه سوختي اشاره كرد. تا چند سال اخير فقط يك راه براي شارژ مجدد ماشين برقي به كمك يك شارژر استاندارد وجود داشت كه خودرو مجبور بود تا براي مدت طولاني در يك فضاي خاص توقف كند. ولي در حال حاضر با پيشرفت تكنولوژي، شارژرهايي توليد شده اند (Posicharger) كه بسيار كوچكتر بوده و مي تواند توسط خود ماشين حمل شده و در جايي كه لازم است ماشين توقف كرده و باتري را شارژ كند. مزيت ديگر اين شارژرها توانايي آنها در كاهش زمان شارژ است. اين نوع از شارژرها تك خروجي بوده و در يك زمان مي توانند فقط يك ماشين را شارژ كنند ولي نوع جديدتر آنها داراي چندين خروجي هستند كه مي توانند همزمان چند باتري را شارژ كنند.

 براي كاهش وزن باتري، بايد از مواد فعال با چگالي انرژي بالا استفاده شود. ولي تهيه چنين مواد فعالي چندان ساده و عملي نيست. از جمله باتريهايي كه بيشترين مصرف را در اين زمينه دارند باتريهاي سرب-اسيد هستند كه با توجه به ماهيت مواد فعال آنها، اين باتريها وزن بالايي دارند. يكي از تكنولوژيهاي روز دنيا براي كاهش وزن باتريها، استفاده از ساختار دو قطبي در باتريها مي باشد. در باتريهاي معمولي هر الكترود يا آند (قطب منفي) باتري بوده و يا كاتد (قطب مثبت) باتري را تشكيل مي دهد. ولي در يك باتري دو قطبي، يك الكترود دوقطبي هم نقش كاتد وهم نقش آند باتري را بازي مي كند به اين صورت كه يك سطح آن آند و سطح ديگر آن كاتد باتري خواهد بود [1].

 در يك خودروي معمولي، سوخت تنها منبع انرژي براي حركت آن است. در اين خودروها بخش عمده انرژي سوخت تلف مي شود. توليد گرما يكي ارز راههاي اتلاف انرژي در اين خودروها است. اما مسأله كيفيت سوختن در اين خودروها بويژه در مواقعي كه دور موتور افزايش مي يابد بايد مد نظر قرار داده شود. در حالت عادي ، احتراق در خودروهاي معمولي ، ناقص بوده و بخش عمده انرژي سوخت هدر مي رود و با افزايش دور موتور و افزايش ميزان سوخت ورودي به موتور، كيفيت سوختن به شدت پايين آمده و اتلاف انرژي بيشتر مي شود. اين مسأله در خودروهاي قديمي بسيار جدي است.

 سوخت مصرفي خودروها اعم از بنزين، گازوئيل و گاز طبيعي شامل هيدروكربنهاي آلي است كه بخش عمده آنها هيدروكربنهاي آليفاتيك سير شده با فرمول عمومي CnH2n است كه داراي سه نوع واكنش شيميايي سوختن مي باشند.

در موتورهاي سوختي، هنگام احتراق واكنش سوختن (2) و (3) و به ميزان كمتري واكنش (3) اتفاق مي افتد. هر چه نسبت هواي ورودي به سوخت نامناسب باشد، سهم واكنش (3) غالب شده و آلودگي ناشي از خودرو بيشتر خواهد شد. هنگامي كه دور موتور بالا باشد، سهم واكنش (3) در احتراق افزايش يافته و علاوه بر اتلاف انرژي به صورت گرما، مقدار كل انرژي حاصل از سوخت به علت سوختن ناقص، كاهش خواهد يافت. هنگامي كه يك خودرو به دليل احتراق ناقص دود مي كند ، در حجم برابر از سوخت ، مقدار حجم گاز حاصل از احتراق در سيلندر كمتر است به همين دليل توان حركت پيستونهاي موتور كه ناشي از افزايش حجم محصولات حاصل از احتراق است كاهش مي يابد به عبارت ساده تر ميزان كل انرژي حاصل از احتراق كاهش مي يابد. كاهش ميزان CO و CO2 در خروجي خودروها مسأله بسيار مهمي در سياستهاي آلودگي زدايي از هوا بويژه در شهرهاي بزرگ است. بنابراين بايد شركتهاي خودروسازي اهميت بيشتري به اين مشكل داده و سعي كنند تا در رفع آن تحقيقات بنيادي انجام دهند. هنگامي كه خودرو از انرژي احتراق استفاده مي كند به اجبار بايد يكسري گاز حاصل شود ، از لحاظ آلودگي و سميت بهتر است كه كيفيت احتراق افزايش يافته و سهم واكنش (1) در سوختن بيشتر شود تا گازهاي خروجي بيشتر شامل CO2 باشد وسهم CO در آن كمتر شود چون CO يك گاز سمي و خفه كننده به شمار مي آيد ، به اين دليل كه اين گاز مي تواند از طريق كيسه هاي هوايي شش هاي انسان وارد گردش خون شده و با هموگلوبين گلبولهاي قرمز كه مسئول حمل اكسيژن (O2) هستند تركيب شود و ظرفيت حمل اكسيژن را كاهش مي دهد . ولي CO2 اين سميت را ندارد مطلوب اين است كه ميزان كل خروجي خودرو اعم از CO2 و CO كاهش يابد كه اين مستلزم استفاده از موتورهايي با كارآيي بالا است كه بتواند انرژي بيشتري از فرايند احتراق توليد كنند و ميزان اتلاف انرژي كاهش يابد . يكي از راههاي حل اين مشكل ساخت خودروهاي هيبريدي برقي است كه در آن گازهاي آلاينده خروجي و مصرف سوخت بسيار پايين است.

در خودروهاي هيبريدي سوختي-برقي، كيفيت سوختن از طريق استفاده از موتورهايي با حجم كمتر و تكنولوژي برتر بهبود يافته و براي تأمين انرژي زياد در مواقع ضروري به جاي افزايش شديد در دور موتور سوختي، موتور برقي به صورت خودكار به كار افتاده و انرژي لازم براي شتاب خودرو را فراهم مي آورد. و در حالت عادي كه انرژي كمتري براي حركت نياز است، انرژي اضافي حاصل از موتور سوختي در باتري ذخيره مي شود تا در مواقعي كه نياز به انرژي بالا وجود دارد، از طريق موتور برقي مصرف شود.

 يك خودروي هيبريدي يك موتور بنزيني و يك موتور برقي دارد. موتور بنزيني آن مشابه موتور بنزيني در خودروهاي معمولي عمل مي كند ولي موتور بنزيني در خودروهاي هيبريدي كوچكتر بوده و از تكنولوژي پيشرفته اي براي كاهش خروجي و افزايش كارآيي برخوردارند. موتور برقي در خودروهاي هيبريدي بسيار پيشرفته است. الكترونيك پيشرفته اجازه مي دهد كه آن به عنوان يك موتور مولد خوب عمل كند. وقتي كه نياز باشد انرژي را از باتري گرفته و به ماشين شتاب مي دهد. و از مصرف زياد سوخت و ايجاد آلودگي ناشي از سوختن ناقص جلوگيري مي كند. خودروهاي هيبريدي ساخت شركتهاي هوندا و تويوتاي ژاپن به ازاي هر ليتر بنزين 8/04 تا 10/73 كيلومتر بيشتر از خودروهاي معمولي راه ميروند. در سري جديد خودروهاي هبيريدي شركت هوندا با نام Insight ميزان طي مسير به ازاي هر ليتر بنزين 7/37 كيلومتر است به عبارت ديگر ميزان مصرف بنزين به ازاي هر 100 كيلومتر در اين خودروها فقط 2/65 ليتر مي باشد.

 نمونه اي از ساختارهاي هيبريدي طراحي شده توسط شركت تويوتا در شكل 1 ارائه شده است[2]:

شكل 1. ساختار هيبريدي طراحي شده توسط شركت تويوتا

يكي از اجزاي اصلي و مهم در خودروهي هيبريدي منبع تأمين برق آن است كه بايد بتواند توان لازم براي شتاب دادن به خودرو را فراهم آورد. باتريهاي دوقطبي مهمترين منبع براي تأمين برق اين خودروها مي باشند. باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد و نيكل-نيكل هيدريد بيشترين كاربرد را در موتور برقي خودروهاي هيبريدي دارند. باتريهاي دوقطبي نيكل-نيكل هيدريد كارآيي و چگالي انرژي بالاتري نسبت به باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد دارند اما به دليل قيمت بالاتر و فناوري پيچيده تر نسبت به باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد كمتر استفاده مي شوند.

 سابقه استفاده از باتريهاي سرب-اسيد معمولي به 140 سال پيش بر مي گردد ولي هنوز هم بخش عمده اي از تحقيقات باتري در دنيا به اين نوع از باتريها اختصاص دارد. سابقه تحقيق درباره باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد به چند سال اخير مربوط است و از جمله فنآوريهاي روز دنيا به حساب مي آيد. تاكنون در ايران گزارشي در زمينه اين نوع از باتريها ارائه نشده است.

نمونه اي از باتريهاي دوقطبي مورد استفاده در خودروهاي هيبريدي در شكل 2 ارائه شده است اين باتري 75 ولت بوده و توان توليد انرژي آن 1/2 كيلو وات بر ساعت است.

شكل 2. تصوير بيروني يك نوع باتري دوقطبي 75 ولت با توان KWh2/1 براي خودروهاي هيبريدي

ساختار كلي باتريهاي دوقطبي نيز مشابه بقيه باتريها از چند قسمت اصلي تشكيل شده است:

1. ماده فعال آندي
2. ماده فعال كاتدي
3. جمع كننده جريان آندي
4. جمع كننده جريان كاتدي
5. الكتروليت
6. بدنه باتري

قسمت اصلي كه باعث ايجاد اختلاف بين باتري دوقطبي و باتريهاي معمولي مي شود، الكترود دوقطبي است كه در باتريهاي دوقطبي استفاده مي شود.آموزش مكانيك خودرو در يك باتري معمولي يك الكترود مي تواند فقط آند يا كاتد باشد ولي الكترودهاي دوقطبي باتريهاي دوقطبي نقش آند وكاتد را بر عهده دارند. يك سطح انها شامل مواد فعال آندي و سطح ديگر آنها شامل مواد فعال كاتدي مي باشد. نكتة مهم در اين باتريها ساختار آنها است كه بسيار پيچيده تر از باتريهاي معمولي است. ساختار آنها بايد به گونه اي طراحي شود كه هيچ گونه ارتباط الكتروليتي بين دو طرف يك الكترود دوقطبي برقرار نشود. ايجاد اين نوع ارتباط باعث از كار افتادن باتري خواهد شد. در حالي كه در يك باتري معمولي مي توان تمام الكترودها را داخل يك ظرف الكتروليت قرار داد. دو نمونه از ساختار باتريهاي دوقطبي در شكل 3 [1] و شكل 4 [3] ارائه شده است .

شكل 3. ساختار يك نوع باتري دوقطبي با الكترود دوقطبي استيل ضد اسيد برگرفته شده از مرجع [1]

شكل 4. ساختار يك باتري دوقطبي با الكترود دوقطبي پلي اتيلن دوپه شده با كربن برگرفته شده از مرجع [3]