برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
اختراعات علمی: علی پوراحمد | طبقه بندی: اختراعات جدید در ایران و جهان | دسته: اختراعات ثبت شده در ایران و جهان
خودروی تمام برقی (BEV) با قابلیت شارژ مستقل داخلی بدون نیاز به منبع تغذیه بیرونی و یا ایستگاه های DC و AC
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ مقدمه و اهداف:
در این مقاله بطور مختصر به بررسی اختراع جدید سیستم شارژ مستقل باتری در داخل خودروهای تمام برقی EBV بدون نیاز به ایستگاه های شارژ سطح یک, دو و سه میپردازیم.
خودروهای هآیبریدی (Plug-in Hybrid Electric) با ترکیبی از موتور احتراقی و موتور الکتریکی دارای ریسک بسیار پایین اتمام انرژی مورد نیاز جهت نیروی محرکه خود در طول مسیر پیمایشی هستند اما در خودروهای تمام برقی (Battery Electric Vehicles) تنها منبع تولید انرژی باتریها می باشند که در صورت اتمام ذخیره سلولهای باتری, امکان شارژ مجدد و پیمایشی BEV در مناطق دور از شهر که دسترسی به ایستگاه های شارژ DC یا منابع AC وجود ندارد, براحتی میسر نمی باشد.
ساختار باتری های نسل جدید متشکل از فناوری الکترولیتهای جامد و تکنولوژی بدون آند است که باعث افزایش ظرفیت کاتد گردیده و امکان ذخیره سازی انرژی بیشتر در باتری را میسر میسازد. چگالی انرژی در جدیدترین باتری های حالت جامد خودروهای الکتریکی بسیار بالا بوده و تقریبا معادل 550 وات ساعت بر کیلوگرم ارزیابی میشود. چگالی انرژی بالا در چنین باتری هایی مطابق وعده سازندگانش (Toyota و Honda) که البته هنوز این وعده را تا تاریخ این نوشتار عملی نکردند امکان طی مسافتی بیش از 900 تا 1200 کیلومتر به ازای هر یک بار شارژ سطح سریع را فراهم خواهد کرد اما علیرغم ورود قریب الوقوع نسل اول باتری های جامد, کماکان وابستگی به یک منبع DC یا AC جهت شارژ مجدد خودروهای BEV وجود خواهد داشت. واضح است که تجهیز خودرو به سیستم ترمز احیا کننده (Regenerative Braking) قابلیت لازم برای شارژ باتری ها با ظرفیت پیمایشی بالاخص در رده خودروهای تمام برقی را ندارد و مؤثرترین اثر مثبت استفاده از انرژی بازیافتی تولید شده در هنگام کاهش سرعت یا ترمز، کاهش متناوب تعداد دفعاتی است که باتری در وضعیت شارژ و تخلیه قرار می گیرد و قطعا این عملکرد مثبت از سوی سیستم ترمز احیا کننده, احتمال تخریب باتری را کم و عمر سیستم ترمز را افزایش می دهد.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
برای درک بهتر چالش شارژ مجدد بایستی به ضریب تعیین راندمان انرژی توجه نمائیم. بعنوان مثال پس از یک ساعت شارژ برای حداکثر خروجی 22 کیلو وات باتری های سلول شیمیایی با منبع تغذیه DC بر اساس محاسبه نسبت توان نیروی ورودی بر گشتاور الکتروموتور, خروجی حاصله تقریبا برابر با انرژی مورد نیاز الکتروموتور جهت پیمایش تقریبی حداکثر 120 کیلومتر می گردد اما اگر خودرو پس از طی مسافت مشخص به دلیل اتمام ذخیره شارژ باتری سلول شیمیایی و یا باتری الکترولیت جامد ( با ِشاخصه پیمایشی 600 کیلومتر)در مکانی متوقف شود که هیچ ایستگاه شارژی وجود نداشته باشد اینجاست که به یک راه حل جایگزین برای بالا بردن ضریب اطمینان از ذخیره انرژی نیاز خواهیم داشت.
علیرغم راه حل های ارائه شده نظیر افزایش عمر باتری, کاهش مدت زمان شارژ و افزایش میزان ذخیره انرژی در باتری های الکترولیت جامد, اما کماکان این راه حلها مکفی نبوده و ضرورت نیاز به ایستگاه های شارژ درون شهری و برون شهری بعنوان یکی از مؤلفههای اصلی در تعریف چرخه تولید و مصرف انرژی همچنان بر جای خود باقی است.
با توجه بر چالش نیاز ضروری به شارژ مجدد باتری در بازه های زمانی مختلف (بسته به نوع باتری), تصمیم گرفتم ایده ای جدید خلق کنم که هم تا حد زیادی وابستگی یک EV را به ایستگاه های شارژ سطح یک تا سه کم کند و هم منجر به کاهش تقاضا برای تولید انرژی از سوخت های آلاینده لایه ازون (فسیلی) گردد که متاسفانه علیرغم عواقب جدی و مخرب زیست محیطی آن, اما همچنان در بسیاری از مناطق جهان بعنوان تنها سوخت تولید انرژی در نیروگاه های بزرگ تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
برای ساخت یک خودرو برقی با استفاده از نیروی رایگان باد, نیروگاه های بادی منبع الهام طراحی من شدند. برای رسیدن به اسکچ اولیه طراحی بدنه مجبور شدم تغییراتی متناسب با تفاوت اختلاف فشار برخورد مولکولهای هوا با گِرانیگاه یک جسم استاتیک در مقایسه با یک جسم داینامیک در بخش دماغه خودرو بوجود بیاورم چون نوع دریافت فشار در توربین بادی یک نیروگاه با یک خودروی در حال حرکت بسیار متفاوت است. در حقیقت باد جریان هوایی است که از مراکز دارای فشار زیاد به طرف مراکز دارای فشار کم حرکت می کند بنابراین با توجه به عامل فوق اگر در بین دو نقطه به طور مصنوعی اختلاف فشار ایجاد کنیم باد بوجود آمده و در مسیر معکوس فشار حرکت خواهد کرد و بدنه خودروی در حال حرکت بخوبی این اختلاف فشار را بوجود می آورد.
در نیروگاه به دلیل متغیر بودن وزش باد, اکثریت ژنراتورهای توربین بادی قادر نیستند تا انرژی را بصورت مداوم تولید کنند که این امر ناشی از وضعیت استاتیک توربین ها است, اما در وسائط نقلیه بدلیل ضرایب داینامیک (Dynamic Coefficient) , اصطکاکی (Friction Coefficient) و فرم (Form Coefficient) امکان تولید باد و استفاده از آن بعنوان انرژی مداوم وجود دارد. هر چه شیب فشار (تفاوت فشار) بین دو نقطه بیشتر باشد شدت جریان هوا نیز بیشتر خواهد شد و این موضوع ساختار و بیس اصلی طراحی من را برای کانسپت دماغه با هدف بالا بردن شیب فشار تشکیل داد. اهمیت شیب فشار هم بعنوان یک فاکتور مهم در بهینه سازی وضعیت ایروداینامیک و کاهش ضریب درگ یک خودرو مورد توجه قرار می گیرد و هم ایجاد جریان مداوم فشار جهت انتقال نیرو و تبدیل آن به انرژی برای خودرویی که قصد دارد از نیروی فشار به تولید برق برسد دارای اهمیت است.
◉ توضیحات فنی اختراع:
برای پیاده سازی سیستم تولید انرژی با استفاده از نیروی باد نیاز به طراحی اختصاصی بدنه بخصوص در قسمت دماغه جلو داریم. خودرو در حین حرکت دارای ضریب برخورد بالا با مولکول های نیتروژن، اکسیژن, آرگون و کربن دیاکسید است که بعنوان توابعی متغیر در مواجه با تغییرات فشار ارزیابی میشوند. طبق اثر ترمودآینامیک با کنترل و تغییر موقعیت ذرات در اثر تغییر پارامترهایی مثل حجم و فشار (مولکولهای گازهای موجود در هوا) میتوان میانگین انرژی جنبشی را با تاثیر پذیری آنها از برخورد با یک سطح افزایش داد.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
با لحاظ قرار دادن اصول ترمودآینامیک, من یک باز طراحی فرم (Re-Shaping) برای استفاده بهینه از شیب فشار انجام دادم و بدین منظور قسمت جلو پنجره ای معمول در طراحی ها را با دو ورودی بزرگ برای بالا بردن تفاوت فشار بین دو نقطه جایگزین کردم. بعبارتی خودرو زمانی که در پوزیشن استاتیک است هیچ تفاوتی در نرخ PA (واحد اندازه گیری فشار/پاسکال) رخ نمیدهد اما به تناسب حرکت میزان چگالی هوا (ρ) و سرعت خودرو (V) [شاخصه های تعیین کننده CFD در تست سیمیولیشن دآینامیک سیالات] متناوبا نرخ (PA) نیز دستخوش تغییر شده و با افزایش سرعت, میزان شیب فشار در خودرو نیز بالا رفته و انرژی جنبشی مولوکول های هوا برای تولید یک منبع باد مداوم افزایش می یابد.
همانگونه که در ویدیو انتهای مقاله و گالری تصاویر مرتبط با طراحی دماغه (Fascia) در متن این مقاله مشاهده میشود تعداد 5 ورودی فشار هوا در فشا جلویی (یا همان دماغه خودرو) وجود دارد که شامل 2 دهانه بزرگ ورودی اصلی در مرکز دماغه, 2 دهانه ورودی فرعی در دو طرف زوایای دماغه (Overhang) بهمراه 1 ورودی فشار هوا با شیب مکش بر روی سطح هود (کاپوت) است. از لحاظ حجم مکش فشار هوا, قطر دو دهانه بزرگ ورودی اصلی در مرکز دماغه دارای مقیاس بیشتری نسبت به قطر 3 ورودی دیگر است و در ادامه مسیر مکش داخلی هر 5 ورودی هوا با قطر کمتر در نظر گرفته شده اند تا اثر ضد ایرودآینامیکی دماغه کاهش یافته و نهایتا منجر به افزایش اثر ترمودآینامیکی میانگین انرژی جنبشی گردد.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
مطابق تست های سیمیولیشن کامپیوتری ضریب پسا (Cd) برای طراحی بدنه این خودرو در حدود 0.4 تا 0.5 متغیر بود که البته بالا بودن این ضریب بدلیل فرم ایرودآینامیک طراحی است و چنانچه قسمت ورودی هوا را در این خودرو حذف نمائیم با توجه به نرمی خطوط و قاعده فرار فشار, ضریب درگ بسیار کاهش پیدا کرده و به نزدیکی 0.22 خواهد رسید. هرچند کاهش ضریب درگ در کاهش مصرف انرژی یک مؤلفه استاندارد محسوب میشود اما باید به این نکته نیز توجه کنیم که ضریب درگ خیلی پایین در سرعت های بالا باعث کاهش فاکتور چسبندگی که ناشی از تغییر سریع در جریان بی نظمی گذرا و آشفته است گردیده و احتمال جدا شدن خودرو از سطح جاده و بروز حادثه در سرعت های بالا را افزایش می دهد. بعبارتی طراحی دماغه بدنه با کانسپت تیز نه تنها از زیبایی بصری خودرو می کاهد بلکه چنین حالتی, چسبندگی خودرو را نیز کاهش داده و تعادل ایرودآینامیکی بدنه را از حالت پایدار خارج می کند. از سوی دیگر ضریب درگ بالا نیز منجر به افزایش نیروی Downforce یا همان «نیروی بالابر رو به پایین روی یک وسیله نقلیه» (Downward lift force on a vehicle) شده که منجر به بالا رفتن مقاومت فشار هوا و مصرف بیشتر سوخت برای تولید انرژی میشود. بنابراین محاسبه تعادل ایرودآینامیکی بدنه از اهمیت ویژه ای در طراحی خودرو برخوردار است.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
راه حلی که برای کاهش اثر برخورد جریان هوا با دماغه در این خودرو طراحی کردم, انتقال و حرکت بدون توقف جریان هوا پس از ورود به «دهانه مکش و بلیعدن باد» و خروج از قسمت عقب خودرو است. بعبارتی باد پس از ورود به دهانه جلوی خودرو توسط اثر کشش ضریب درگ (Cd) وارد تونل هدایت کننده به چمبر استقرار توربین بادی شده و پس از ایجاد نیروی مورد نیاز برای چرخش پره های توربین و روتر ژنراتور بادی, با گذشتن از سطح پنل باتری ها از عقب خودرو خارج میشود. این عدم مقاومت فشار و تداوم جریان باد از دماغه جلو به عقب بدنه باعث کاهش ضریب اصطکاکی در خودرو و کاهش میانگین مصرف انرژی خواهد شد. با این ایده هم به کاهش ضریب درگ کمک کرده ایم و هم عملکرد باتری ها را به شکل قابل توجهی افزایش داده ایم.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در این خودرو برای امکان استفاده از ولتاژ تولید شده توسط سیستم توربین داخلی, نیاز است که یک مرحله شارژ اولیه توسط منبع DC بیرونی انجام شود تا پس از حرکت, خودرو بتواند کاهش ذخیره شارژ خود را فقط با استفاده از توربین داخلی تامین کند. بعبارتی تنها با یک بار «فول شارژ اولیه» خودرو قادر خواهد بود بدون نیاز و وابستگی به منبع شارژ بیرونی, به پیمایش خود تا «حداکثر عمر سیستم» با اتکا بر توربین بادی داخلی ادامه دهد. این سیستم برای مکانهایی دور افتاده که دسترسی به هر گونه منبع شارژ خانگی و یا ایستگاه شارژ DC و AC در آنجا امکان پذیر نیست بعنوان یک مزیت مهم محسوب میشود.
از آنجائیکه «PMSG ها» ( Permanent Magnet Synchronous Generator) یا همان «مغناطیس های دائمی» در واکنش به متغیر سرعت باد, قادر نیستند توان الکتریکی با یک فرکانس ثابت ایجاد کنند لذا باید آنها را از طریق مبدلها به لاین خروجی متصل نمائیم. بعنوان مثال برق AC تولید شده با فرکانس و دامنه متغیر در ابتدا باید توسط یک مبدل به مقدار ثابت DC تبدیل شده تا امکان ذخیره آن در باتری فراهم شود. بر این سیاق در بخش طراحی موتور این خودرو و با توجه بر سیکل ترکیبی تولید انرژی از نیروی محرکه باد, من از یک ژنراتور سَنکرون یا مولد همزمان (Synchronous Generator) با اضافه کردن یکسوکننده رِکتیفایِر (Rectifier) جهت تبدیل جریان متناوب الکتریکی به DC استفاده کرده ام تا امکان ذخیره ولتاژ خروجی در باتری و نیروی مورد نیاز تولید گشتاور و اعمال آن به شفت موتورهای الکتریکی براحتی صورت پذیرد.
ژنراتور نوع سنکرون در حقیقت یک ماشین جریان متناوب AC است که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و ذخیره در باتری لیتیوم یونی کارایی بسیار بالایی دارد. در ژنراتور سنکرون، جریان مستقیم به سیمپیچ روتور ژنراتور منتقل و بعنوان نیروی محرکه باعث افزایش سرعت چرخش میدان مغناطیسی تولید شده توسط استاتور می شود که در نتیجه می تواند ولتاژ و فرکانس خروجی ثابتی ایجاد کند. سرعت چرخش یک ژنراتور سنکرون مستقیماً با فرکانس و تعداد قطب های طراحی در این نوع از ژنراتور ارتباط دارد. بعبارتی یک ژنراتور سنکرون می تواند با حفظ سرعت چرخشی صحیح، به طور موثر برق تولید کرده و برای عملکرد پایدار ذخیره سازی جریان DC در باتری ها استفاده شود.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در این خودرو سیستم تولید جریان الکتریسیته از حرکت روتر توربین بادی قابل بهینه سازی بوده و میتوان از انواع ژنراتور های DC و یا AC بهمراه کانورتر (Converter) تبدیل AC به DC و یا تغییر ولتاژ و تبدیل فرکانس مورد نیاز استفاده کرد. بعنوان مثال ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم به دلیل چگالی توان بالا و جرم کم, مناسب استفاده در انواع توربینهای بادی هستند چون سیمپیچ بکار رفته در این نوع از ژنراتورها میدان و تلفات توان را حذف میکند هرچند کنترل میدان مغناطیسی آسان نبوده و نیاز به سیستمهای پیشرفته ای دارد که می تواند هزینه تمامشده تولید را متغیر کند اما بااینحال امکان تغییر و جایگزینی نوع ژنراتور با توجه به نوآوریهای تکنولوژیکی همیشه وجود دارد.
در بخش طراحی شکل و ابعاد چمبر که پره های توربین را در خود جای داده سعی بر آن شده که بیشترین مکش از 5 ورودی تونل هوا را داشته باشد. هرچند حرکت باد از ورودی دماغه خودرو تا رسیدن به توربین به دلیل حرکت در تونل باد دچار مقدار کمی افت فشار میشود اما 16 پره الستیک و با انعطاف بالا که بر روی هاب درون چمبر تعبیه شده اند این اثر ضد فشار را با چرخش سریع شافت هیدرولیک جبران کرده و به دلیل خاصیت ساختار فورس مکش (اجبار در حرکت) تونل باد, نیروی لازم برای چرخش پایدار و سریع محور شافت هیدرولیک و انتقال به روتر بوجود می آید. این جریان فشار هوا پس از گذر از روی پنل های باتری (که در زیر کابین و بر روی شاسی خودرو نصب شده اند) منجر به خنک شدن و کاهش دمای آنها گشته و سپس از خروجی نزدیک به دو چرخ عقب خارج میشود.
مطابق تست شبیه سازی کامپیوتری (معادله نسبت پیمایش بر تغییر فشار) در صورت حرکت خودرو با سرعتی معادل 100 کیلومتر در ساعت و ایجاد فشار هوا برابر با 62.1371 MPH میتوانیم خاطر جمع باشیم که پس از 1 ساعت رانندگی بدون وقفه, خودرو قابلیت فول شارژ باتری را در درون خودش و بی نیاز از هر گونه منبع شارژ بیرونی خواهد داشت. البته در سرعتهای پایینتر نیز مثل 60 کیلومتر بر ساعت و ایجاد فشار هوا برابر با 37.2823 MPH خودرو همچنان قابلیت شارژ باتری هایش را تا حداکثر 65 درصد راندمان مورد نیاز خواهد داشت.
◉ اختراع: خودروی برقی جدید بدون نیاز به شارژ مجدد در ایستگاه
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
واضح است که چنین راندمان Recharge در شرایطی که هیچ راه دیگری برای شارژ مجدد یک EBV وجود نداشته باشد, می تواند بعنوان یک فاکتور حیاتی و مثبت در خودروهایی که مجهز به این تکنولوژی هستند تلقی شود.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر در استفاده از انرژیهای رایگان و پاک را داشته و با تجاری سازی در مصرف می تواند کمک شایانی به جلوگیری از افزایش گازهای مضر و گلخانه ای نماید.
پایان مقاله//
◉ ویدیوی خودروی تمام الکتریکی با قابلیت «شارژ مجدد باتری بدون نیاز به ایستگاه شارژ» / از دسته «اختراعات علی پوراحمد»
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
سایر مقالات علی پوراحمد :
◉ آیا هوش مصنوعی میتواند خالق هنر و جایگزینی برای هنرمند و خلاقیت انسانی باشد؟
◉ چرا در سینمای ایران ژانر علمی تخیلی وجود ندارد!
◉ عوامل تاثیر گذار در خلق اختراعات, چگونه میتوانیم یک مخترع شویم!
◉ آیا خدا وجود دارد؟ آیا وجدان می تواند جایگزین خدا شود؟
تبلیغات
