مقدمه

دانش تحلیل نویز، ارتعاشات ((1)NVH) در صنعت خودرو شاخه‌ای از علم است که به بررسی ارتعاشات و صداهای ایجاد شده توسط خودروها پرداخته و برای تلفیق اثرات این دو پارامتر، مشخصه جدیدی به نام هارشنس(2) را معرفی می‌کند که مجموع اثرات منفی ارتعاشات و صداهای خودرو بر انسان را در خود جای می‌دهد.

بررسی وضعیت کارکرد ماشین(3)، نیازمند استفاده از انواع سنسورها برای شناسایی رفتار آن است. انسان قادر به درک جامع و دقیق از رفتار سیستم با استفاده از داده‌های خام دریافتی از سنسورها نیست، درنتیجه نیازمند پردازش و استخراج اطلاعات مفید جهت درک رفتار ماشین است. از طرف دیگر با توجه به محدودیت انسان جهت درک هم‌زمان تمام پارامترها، نیازمند استفاده از کامپیوتر جهت پردازش هم‌زمان چندین اطلاعات دریافتی از سنسورها هستیم. همچنین امکان بروز خطای انسانی در تجزیه‌وتحلیل داده‌ها و تشخیص اشتباه و یا دیر هنگام از رفتار ماشین موردنظر، می‌تواند باعث تشدید خرابی در ماشین شده که در کارکرد بیشتر آن، رشد خرابی را به همراه داشته و خسارات اقتصادی قابل توجهی ایجاد خواهد کرد و یا ممکن است ماشین تحویلی به مشتری با عدم رضایت از محصول روبرو شود. درنتیجه، برای شناسایی دقیق رفتار ماشین‌ها نیازمند استفاده از ابزار کمکی است تا بتوان خطا در تشخیص رفتار سیستم را به حداقل رساند. یکی از این ابزار، استفاده از هوش مصنوعی و یا شبکه‌های عصبی مصنوعی(4) است که می‌توان هم‌زمان اطلاعاتی که از سنسورها دریافت و پردازش کرده و رفتار سیستم را به‌خوبی شناسایی کند.

یکی از اصلی‌ترین بخش‌های انتقال قدرت در خودرو، گیربکس است. با توجه به اهمیت این سیستم، در کارخانه‌های ساخت گیربکس، در انتهای خط تولید بخشی به نام کنترل کیفیت پایان خط (EOL(5)) وجود دارد که تمام گیربکس‌های تولید شده، مورد آزمون قرار می‌گیرند تا در صورت وجود ایراد عملکردی، شناسایی صورت پذیرد و به بخش تعمیرات ارجاع داده شود. در این بخش ممکن است عواملی نظیر عدم دقت کافی، خستگی و یا تشخیص اشتباه اپراتور مربوطه، باعث بروز خطا در شناسایی رفتار گیربکس شده، درنتیجه گیربکس خراب و سالم اشتباه تشخیص داده شوند. برای از بین بردن احتمال بروز خطا و نیز حفظ تجربه و افزایش راندمان و سرعت عمل، می‌توان از هوش مصنوعی جهت تشخیص عیب گیربکس استفاده کرد. در این حالت با استفاده از داده‌های ثبت شده توسط سنسورها و پردازش آن‌ها، هوش مصنوعی آموزش داده شده و شناسایی رفتار گیربکس به صورت جامع و دقیق انجام خواهد گرفت. نکته قابل ذکر این است که، در نمونه‌های خارجی برای تشخیص عیوب گیربکس، از چندین سنسور و میکروفون استفاده شده است، اما در این پروژه از دو سنسور شتاب سنج جهت تشخیص عیوب گیربکس استفاده می‌شود. بعد از دریافت و ذخیره سازی داده‌‌ها از سنسور شتاب سنج، داده‌ها به بخش پردازش سیگنال منتقل شده و آماده میشوند تا به شبکه عصبی معرفی شوند. درنهایت با استفاده از آموزش شبکه عصبی، می‌توان عیوب را به‌خوبی تشخیص داد.

ابزار داده‌برداری

سنسورهای مورد استفاده برای عیب‌یابی هوشمند گیربکس، عموماً شامل میکروفون، لیزر داپلر، شتاب‌سنج و تاکومتر (دورسنج) است. در پروژه اجرا شده، از سنسور شتاب‌سنج و تاکومتر به منظور تشخیص عیوب استفاده می‌شود و تجهیزات داده‌برداری به منظور تشخیص عیوب عبارت هستند از:

• سنسور شتاب سنج پیزوالکتریک
• تاکومتر
• کارت داده‌برداری NI 4431
• کامپیوتر

در شکل ۱ شماتیک کلی سیستم تشخیص عیوب هوشمند گیربکس را نشان داده شده که در آن با استفاده از آنالایزر طراحی شده، پردازش سیگنال، آموزش شبکه عصبی و تست گیربکس انجام می‌شود.

 

شکل 1 شماتیک تست عیب‌یابی هوشمند دستگاه EOL

 

شکل 2 کارت داده‌برداری و سنسورهای اندازه‌گیری

 

پردازش سیگنال

با توجه به عیوب متداول در گیربکس خودروها، روش‌های متعددی برای تحلیل سیگنال وجود داشته که در این گزارش به برخی از آن‌ها اشاره شده است.

• آنالیز طیف فرکانسی
• آنالیز موجک(6)
• آنالیز مرتبه(7)
• آنالیز سیگنال در حوزه زمان
• آنالیز زمان-فرکانس
• آنالیز انولوپ(8)

 عیب‌یابی گیربکس نیازمند تعیین رفتار گیربکس در تمام حالات بوده، یعنی داده‌برداری در تمامی حالات عملکردی در دنده‌های مختلف گیربکس انجام شده و سیگنال موردنیاز جهت پردازشهای آتی و عیب‌یابی ثبت می‌شود. بدین منظور، سناریو انجام تست گیربکس به نحوی طراحی شده که در مدت زمان معین شامل کلیه حالات عملکردی باشد. به عنوان مثال، سناریوی عملکرد یک دنده از گیربکس در شکل ۳ مشاهده می‌شود.

 

شکل 3 سناریو تعریف شده برای روند تغییرات دور موتور

 

شکل 4 سناریو انجام شده توسط دستگاه

 

با توجه به شکل ۴، سیگنال‌های مرتبط با بخش افزایش سرعت، سرعت ثابت و کاهش سرعت مشخص شده است. با توجه به متغیر بودن سرعت و محدودیت در استفاده از تحلیل‌های حوزه فرکانس، آنالیز مرتبه که در زیرمجموعه تحلیل‌های زمان-فرکانس قرار دارد، برای استخراج ویژگی‌های سیگنال مناسب است. در شکل ۵ نمونه‌ای از آنالیز مرتبه دنده سه در هنگام افزایش سرعت ارائه شده است. همان‌طور که پیش‌تر بیان شد، آنالیز مرتبه در مواردی استفاده می‌شود که سرعت متغیر بوده و سیگنال شتاب حاصل غیر پایا باشد. اصول کلی آنالیز مرتبه بی‌بعد کردن تمام فرکانس‌ها نسبت به سرعت دورانی اندازه‌گیری شده است. بر اساس این تحلیل، مرتبه یک نشان دهنده دور ورودی یا همان فرکانس ورودی (سرعت اندازه‌گیری شده با تاکومتر) است. برای این‌که بتوان سیگنال را نسبت به دور ورودی بی بعد کرد، سیگنال حاصل از تاکومتر که دربردارنده سرعت ورودی است می‌بایست به صورت هم‌زمان با سیگنال شتاب ذخیره شود.

 

شکل 5 آنالیز مرتبه دنده 3 در حالت افزایش سرعت

 

در عیب‌یابی گیربکس با بتوان هر حالت از رفتار گیربکس را شناسایی کرد. به‌عنوان مثال، حالت سالم گیربکس، خرابی نوع ۱، خرابی نوع ۲ و …. با توجه به اهمیت تشخیص عیوب و تأثیر انتخاب ویژگی‌ها بر آن، مشخصه‌های استخراج شده باید توانایی تفکیک‌ نمودن رفتار مختلف گیربکس وجود داشته باشد. بنابراین، ممکن است بعضی از ویژگی‌های استخراج شده اهمیت بیشتری در تشخیص عیوب و رفتار گیربکس داشته باشند. درنتیجه با استفاده از روش امتیازدهی به ویژگی‌ها (شکل ۶)، می‌توان مؤثرترین آن‌ها را به منظور تشخیص رفتار گیربکس استخراج کرد.

 

شکل 6 امتیاز دهی به ویژگی‌های استخراج شده از سیگنال

 

شبکه عصبی مصنوعی

شبکه عصبی مصنوعی، حاصل شبیه‎سازی شبکه عصبی موجودات زنده است. عصب، متشکل از تعدادی نورون(9) بوده که باهم در ارتباط هستند که میزان قدرت این اتصال، آموزش شبکه عصبی را فراهم می‌کند. هر نورون در شبکه عصبی متشکل است هسته، ترمینال ورودی، ترمینال خروجی و آکسون(10) بوده که در شکل 6 مشاهده میشود. نورون مصنوعی بر اساس ساختار نورون‌های طبیعی شبیه‌سازی شده است، یعنی شامل هسته مرکزی، ترمینال خروجی، ترمینال ورودی و فعال ساز (آکسون در نورون طبیعی) می‌باشد.

 

شکل 7 شبیه‌سازی نورون مصنوعی از نورون طبیعی

 

شبکه عصبی از تعداد زیادی نورون تشکیل شده و درنتیجه از اتصال تعدادی از نورون‌های مصنوعی، می‌توان شبکه عصبی مصنوعی را ایجاد کرد. با توجه به چیدمان نورون‌ها و نوع تابع فعال‌ساز، شبکه‌های عصبی مصنوعی متفاوتی توسعه داده شده که هرکدام برای کاربرد خاصی استفاده می‌شوند. ابتدایی‌ترین شبکه عصبی، شبکه عصبی چند لایه پرسپترون(11) است. معماری این شبکه متشکل از لایه ورودی، لایه پنهان و لایه خروجی است که بعد از هر لایه‌ی پنهان یک تابع فعال‌ساز(12) وجود دارد به این دلیل که اگر مقدار سیگنال، بیشتر از مقدار تعریف شده باشد، خروجی مورد نظر فعال شده و اگر کمتر از آن باشد، خروجی فعال نخواهد شد. همان‌طور که در شکل 8 ارائه شده است، تمام نورون‌ها به هم متصل بوده و باهم ارتباط دارند که هر ارتباط دارای ضریب است، آموزش شبکه عصبی مصنوعی به معنی تعیین مقادیر این ضرایب به‌طوری است که با ورودی مشخص، خروجی مطلوب حاصل شود.

 

شکل 8 معماری شبکه عصبی MLP

 

از شبکه عصبی برای کاربردهای متنوعی استفاده می‌شود که می‌توان با استفاده از داده‌های مناسب، شبکه عصبی را آموزش داد و نتایج مطلوب و موردنیاز را بدست آورد. نمونه‌ای از کاربرد‌های شبکه عصبی مصنوعی، استفاده از آن در پایش وضعیت ماشین‌آلات صنعتی است که در اینجا ماشین مورد نظر ما گیربکس می‌باشد.

در عیب‌یابی هوشمند گیربکس مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی، با استفاده از پردازش سیگنال، داده‌های موردنیاز برای آموزش شبکه عصبی آماده شده است تا با توجه به خروجی متناظر با هر ورودی، شبکه عصبی بتواند تمام حالات تعریف شده در گیربکس را شناسایی کند. روند کلی به این صورت است که در ابتدا باید بانک اطلاعاتی موردنیاز برای آموزش شبکه عصبی فراهم شود. بنابراین، باید از تمام حالات موجود از گیربکس اعم از انواع خرابی‌ها و حالت سالم گیربکس، داده‌برداری انجام شود. در گام بعد داده‌های خام پردازش شده تا بتوان به‌عنوان داده آموزشی به شبکه عصبی معرفی نمود. درواقع، ویژگی‌های برتر و استخراج شده در بخش پردازش سیگنال، ورودی موردنیاز برای شبکه عصبی است تا بتواند عیب‌یابی را به نحو ایده‌آل انجام دهد. بعد از آموزش شبکه عصبی با تعداد داده کافی، شبکه عصبی قادر خواهد بود که حالات اتفاق افتاده در گیربکس را شناسایی کند که در این مرحله پایش وضعیت هوشمند گیربکس با موفقیت انجام شده است.

 

معرفی محصول

وجود خرابی و عدم تشخیص به موقع در ماشین، می‌تواند باعث تشدید و رشد خرابی شده که ممکن است کارکرد ماشین با مشکل موجه شده و خط تولید در یک کارخانه متوقف شود و خسارات اقتصادی قابل توجهی ایجاد خواهد کرد. در نتیجه، با تشخیص به موقع و درست خرابی می‌توان از خسارات انسانی و اقتصادی ناشی از خرابی ماشین جلوگیری کرد. به همین دلیل، محصولی معرفی شده است که دست آورد گروه NVH شرکت جتکو بوده که توانایی تشخیص به موقع و درست عیوب را با استفاده از هوش مصنوعی با دقت بالا انجام خواهد داد.

محصول مورد نظر در حالت کلی از دو بخش آنالایزر و سنسور تشکیل شده است که با توجه به کاربرد‌های خاص، از سنسورهای مختلف استفاده می‌شود. آنالایز شامل سخت افزار و نرم افزار می‌باشد. سخت افزار آنالایزر شامل کامپیوتر، کارت داده برداری و مانیتور است و نرم افزار آن که دستاورد اصلی ما بوده با استفاده از هوش مصنوعی و سیگنال‌هایی که از سنسورها دریافت میکند توانایی یادگیری رفتار و خرابی ماشین مورد نظر را دارد. همانطور که گفته شد، آنالایزر را می‌توان در صنایع مختلفی از جمله، توربین‌های بادی، توربین‌های گازی، توربین بخار، کمپرسور، فن، انواع پمپ‌ها، الکتروموتورها، ژنراتور، موتور خوردو، انواع گیربکس، کانوایر، صنایع ریلی و ….. مورد استفاده قرار داد.

 

پانوشت

[1] Noise Vibration Harshness (NVH)

[2] Harshness

[3] Machine

[4] Artificial neural networks

[5] End of Line

[6] Wavelet analysis

[7] Order analysis

[8] Envelope analysis

[9] Neuron

[10] Axon

[11] Multilyer perceptron (MLP)

[12] Activation function

با پیشرفت علم و تکنولوژی، روز به روز به پیچیدگی محصولات و سیستم‌ها و فرایند طراحی آن‌ها افزوده می‌شود. یک روش موثر در مدیریت سیستم‌های پیچیده(1)، ماژولارسازی سیستم یا تجزیه آن به اجزایی است که به صورتی «طبیعی» قابل جداشدن هستند؛ یعنی جداشدن آن‌ اجزا از سیستم منجر به فروپاشی سیستم نمی‌شود. وابستگی متقابل اجزای یک ماژول به هم و استقلال ماژول‌ها نسبت به هم قاعده کلی این جداشدن «طبیعی» است. استقلال ماژول‌ها به این معنی است که تغییرات اعمال شده در یک ماژول، ماژول‌های دیگر محصول را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد و عملکرد کلی محصول را تضعیف نمی‌کند. نبود تعریف دقیق از ماژول و سیستم سبب ایجاد سردرگمی در میان افراد دخیل در طراحی محصولات شده، پیشرفت را به تاخیر انداخته و مانع ارزیابی سیستماتیک شده است. در ادامه سعی شده است تعریفی از ماژول در حوزه‌های مختلف ارائه شود. ماژولاریتی در سه حوزه تعریف می‌شود: ماژولاریتی در طراحی (MID)(2)، ماژولاریتی در استفاده (MIU)(3) و ماژولاریتی در تولید (MIP)(4).

 

ماژولاریتی در طراحی (MID)

طراحان محصولات پیچیده کار را با ایده‌ای درباره معماری یک محصول شروع می‌کنند؛ یعنی تعیین اینکه هرکدام از عملکردهای(5) محصول به چه جزء(6) فیزیکی محول شده است. به طور کلی، معماری یک محصول می‌تواند ماژولار یا وابسته(7) باشد. در معماری ماژولار تناظر یک به یک میان عملکردها و اجزای محصول برقرار است و اینترفیسِ میان اجزاء گسسته(8) است. معماری وابسته یعنی تناظر پیچیده و غیر یک به یک میان عملکرد‌ها و اجزای محصول برقرار است یا اینترفیس‌ میان اجزاء، غیر گسسته(9) است (دو جزء یک محصول دارای ارتباط غیر گسسته هستند اگر اعمال تغییرات بر روی یکی از آن‌ها نیازمند اعمال تغییرات در جزء دیگر باشد تا محصول بتواند به عملکرد صحیح خود ادامه دهد).

طراحان محصولات پیچیده از جمله خودرو مایل‌اند معماری محصول به صورت ماژولار باشد تا طراحی آن قابل مدیریت باشد. معماری ماژولار به صورت تئوری منجر به نوعی تقسیم کار میان معماران – که محصول را به چندین ماژول تقسیم می‌کنند –  و طراحان – که با ویژگی‌های یک ماژول مشخص درگیر هستند – می‌شود. طراحان فقط نیاز دارند تا درباره یک ماژول مشخص و «قوانین کلی محصول» بدانند تا آن ماژول را به گونه‌ای طراحی کنند که در سیستم بزرگتر ادغام شود؛ در حالی که معماران باید دانش کافی از ویژگی‌ها و وابستگی میان اجزای محصول داشته باشند.

به طور کلی نمی‌توان ارتباط میان ماژول‌های یک محصول را کاملا از میان برد و باید میان عملکرد محصول و ماژولاریتی آن مصالحه(10) کرد. این کار سبب می‌شود که اکثر محصولات و سیستم‌ها دارای معماری دوگانه ماژولار-وابسته باشند.

 

ماژولاریتی در استفاده (MIU)

ماژولاریتی در استفاده یعنی تجزیه محصول با توجه به مشتریان به گونه‌ای که موجب راحتی استفاده و تمایز شود؛ بنابراین محرک آن، چگونگی تقاضای مشتریان و به طور مشخص مجموعه ویژگی‌های(11) مطلوب یک محصول از دیدگاه مشتریان است. این ویژگی‌ها را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد؛ یکی ویژگی‌هایی که بر عملکرد محصول تاثیر می‌گذارند و دیگری ویژگی‌هایی که به مشتری این امکان را می‌دهند تا ظاهر محصول را شخصی‌سازی کنند. ماژول‌هایی که در MIU تعریف می‌شوند الزاما همان ماژول‌هایی نیستند که بر اساس قاعده کلی “وابستگی متقابل اجزای یک ماژول به هم و استقلال ماژول‌ها” در MID تعریف شده‌اند.

ایده‌ی ماژولاریتی در استفاده در صنعت خودرو این گونه است که مشتریان بتوانند با ترکیب اجزای مختلف در یک محصول، نیازها و سلایق خود را ارضا کنند. در این مورد، این اجزاء «ماژول» و همچنین گاهی «آپشن» نامیده می‌شوند.

 

ماژولاریتی در تولید (MIP)

ماژولاریتی در تولید از آنجا نشات می‌گیرد که امکان سرهم کردن تعداد زیادی از اجزاء، خارج از خط تولید و تولید مستقل ماژول‌ها را فراهم می‌کند تا سپس این ماژول‌ها را در خط تولید و با اعمال چندین سری کار ساده به هم متصل کرد. این کار سبب می‌شود پیچیدگی خط تولید و شیفت‌های کاری کمتر و طول خط تولید کوتاه شود. استفاده از ماژولاریتی در تولید به بیش از یک قرن پیش برمی‌گردد و دلیل اقبال سازندگان بدان این است که تولید محصولات پیچیده را با تقسیم فرایندهای تولید به چندین ماژول یا “سلول” ساده‌تر می‌کند.

 

فرایند سازمانی ایجاد MID، MIU و MIP

هدف ماژولاریتی در هر کدام از سه حوزه مربوطه به شرح زیر است:

• ماژولاریتی در طراحی: کاهش پیچیدگی طراحی، کاهش زمان توسعه از طریق توسعه موازی ماژول‌ها و به کارگیری سریع تکنولوژی‌های جدید از طریق ارتقای مجزای ماژول‌ها
• ماژولاریتی در استفاده: تنوع بالای محصولات با دادن امکان ترکیب آپشن‌های مختلف به مشتریان تا محصولی مطابق با ذائقه‌شان بسازند.
• ماژولاریتی در تولید: تولید انعطاف پذیر با خارج کردن وظایف سخت از خط تولید اصلی تا بتوان به تنوع بالایی از محصولات، بدون افزایش هزینه‌های تولید دست یافت.

تکنیک‌های مختلفی برای هماهنگ سازی ماژولاریتی در حوزه‌های مختلف وجود دارد. طراحی برای تولید(12) و مهندسی همزمان(13) برای هماهنگ سازی طراحی محصول و فرایند به کار می‌روند؛ در حالی که نتیجه به کارگیری طراحی برای تعمیرپذیری(14) راحتی استفاده و تعمیر محصول است.

ایجاد ماژولاریتی در طراحی: در طراحی ماژولار، استفاده از ماتریس ساختار طراحی (DSM)(15) و ماتریس ساختار وظایف (TSM)(16) به شناسایی و نمایش وابستگی متقابل پارامترها و وظایف طراحی، و همچنین استقلال نسبی ماژول‌ها منجر می‌شود. یک ماتریس ساختار وظایف معمولا سه مرحله از فرایند طراحی را به تصویر می‌کشد؛ (1) مرحله قوانین طراحی، (2) مرحله فعالیت‌های مستقل موازی و (3) مرحله یکپارچه سازی و آزمون سیستم‌ها. اولین مرحله‌ (مشخص کردن قوانین طراحی)، معماری محصول را تعیین می‌کند و تضمین می‌کند که نیازی به طراحی نسل بعدی خانواده محصول از پایه نباشد. مرحله دوم (فعالیت‌های مستقل موازی) به طرز قابل توجهی زمان توسعه محصول را کوتاه می‌کند. مرحله سوم (یکپارچه سازی و آزمون سیستم‌ها) طراحی را ارزیابی می‌کند.

ایجاد ماژولاریتی در استفاده: برای طراحی محصول با تجربه خرید آسان، ابتدا باید فضای ذهنی و فرایند تفکر مصرف کننده آن گونه که او نیازها و نحوه پاسخ به آن‌ها را درنظر می‌گیرد، بررسی شود. به طور مشخص، باید فهمید که مصرف‌کننده چگونه نیازهایش را به چندین نیاز مشخص تجزیه می‌کند و سپس ماژول‌هایی (آپشن‌هایی) آماده کرد که مطابق با این نیازهای مشخص باشند.

ایجاد ماژولاریتی در تولید: استفاده از یک ماتریس ساختار وظایف برای تولید، بهترین ترتیب سرهم کردن اجزا را مشخص می‌کند و برابر بودن مدت زمان کاری هر ایستگاه کاری را تضمین می‌کند. از آنجا که وظایف انجام شده در هر ایستگاه کاری به صورت “طبیعی” از دیگر وظایف جداست، آن‌ها را می‌توان به عنوان ماژول در نظر گرفت.

موضوعی که باید به خاطر داشت این است که الزاما مرزهای شناسایی شده برای ماژول‌ها در سه حوزه‌ی مختلف یکسان نیستند. MID معماری محصول را مدنظر دارد؛ بنابراین یک ماژول واحدی مستقل است که عملکرد (یا مجموعه عملکردهای) معین و اینترفیس‌های مجزا دارد. یک ماژول طراحی ممکن است یک قطعه‌ی کوچک و یا یک مجموعه از اجزای بزرگ باشد. در MIU، ماژول جزئی فیزیکی است که مصرف کننده می‌تواند آن را به راحتی به عنوان یک ویژگی‌ با قابلیت افزودن به محصول شناسایی کند. در MIP، ماژول تعدادی فعل است که می‌توان به صورت مستقل جهت تولید یک محصول انجام داد.

خلق و هماهنگ سازی یک محصول ماژولار

فرایند ماژولار سازی به طور واضح در یک لحظه از زمان رخ نمی‌دهد؛ بلکه به صورت تدریجی و با پیشرفت طراحی و سر بر آوردن وابستگی‌های متقابل پیش بینی نشده رخ می‌دهد.

مسیرهای مختلفی وجود دارند که به ماژولاریتی منجر می‌شوند. یک مسیر در طی زمان از دل رفتارهای جمعی ولی نه لزوما هماهنگ تعدادی شرکت در یک صنعت به وجود می‌آید. مسیر دیگر – که حساب شده و تعمدی است – از دل اتحاد برای تدوین استانداردها به وجود می‌آید و اینترفیس‌های ماژول‌های مختلف در معماری محصول را مشخص می‌کند. تصمیمات مرتبط به ماژولاریتی همچنین ممکن است در سطح یک شرکت گرفته شوند.

می‌توان ادعا کرد که ماژولار سازی محصولات در صنعت خودرو برای مدت زیادی وجود داشته است؛ زیرا تمام خودروسازان، قوای محرکه خودروهای خود را به صورت واحدهای جدا از خودرو تولید می‌کرده‌اند. فعالیت‌های در راستای ماژولاریتی در تولید پیش از تلاش برای ماژولاریتی در طراحی رخ داده است. هم اکنون بر سر نحوه‌ی شکست خودرو به ماژول‌ها و استاندارد سازی اینترفیس ماژول‌ها در میان فعالان صنعت توافقی وجود ندارد.

 

ماژولاریتی به عنوان یک مسئله بهینه‌سازی

یکی از مسائل اصلی در خلق محصول ماژولار، تعریف مرز ماژول‌هاست. تعریف مرز ماژول‌ها را می‌توان به چشم یک مسئله طراحی دید. در بخش‌های قبلی فرایند حل مسئله طراحی ماژولار از دید سازمانی بررسی شد. در ادامه این مسئله از دید بهینه سازی بررسی می‌شود و ابتدا فرض می‌شود که واحدی وجود دارد که بر تمام طراحی و اینترفیس‌هایش کنترل دارد.

اهداف(17) این مسئله‌ی بهینه‌سازی استاتیک به این شرح است: 1) درجه ماژولارسازی 2) مرز ماژول‌ها. به عبارت دیگر درجه ماژولارسازی و مرزهای آن تصمیمات متغیر این مسئله هستند. تابع هدف(18) را می‌توان به سه روش، بسته به نوع ماژولاریتی تعریف کرد.

ابتدا به درجه ماژولارسازی پرداخته می‌شود.

• ماژولاریتی در طراحی: تعداد ماژول‌ها به گونه‌ای معین می‌شوند که موجب تسهیل مدیریت فرایند طراحی شوند؛ یعنی ساختار غیر وابسته در عین عملکرد یکپارچه.
• ماژولاریتی در استفاده: تعداد ماژول‌ها به گونه‌ای معین می‌شوند که استفاده، نگهداری و شخصی‌سازی محصول برای مصرف‌کننده را به نحو حداکثری تسهیل کنند.
• ماژولاریتی در تولید: هدف این مسئله طراحی در هنگام توجه به مسئله تولید، تسهیل سرهم کردن ماژول‌های مختلف، کاهش پیچیدگی خط تولید و انعطاف پذیری است. در مورد انعطاف پذیری، از آنجا که انعطاف پذیری ارتباط نزدیکی با تنوع محصول دارد، مقداری همپوشانی میان اهداف مسئله با توجه به MIP و MIU وجود دارد.

 

شکل 1 تعداد بهینه ماژول‌ها ممکن است بر حسب اهمیت نسبی طراحی، استفاده و تولید متفاوت باشد

 

 

پانوشت

[1] Complex

[2] Modularity-in-design

[3] Modularity-in-use

[4] Modularity -in-production

[5] Functions

[6] Component

[7] Integral

[8] De-coupled

[9] Coupled

[10] Trade-off

[11] Attributes

[12] Design for Manufacturing (DFM)

[13] Concurrent Engineering

[14] Design for Serviceability

[15] Design Structure Matrix

[16] Task Structure Matrix

[17] Objectives

[18] Objective Function

1.  مطالعه بازار جهانی خودرو برقی و ترند های آن

صنعت خودرو، همانطور که پیتر دراکر به آن لقب “صنعت صنعت‌ها” را داده است، مرکب است از دانش، علم و فن که با خلاقیت و ابداع و هنر در هم آمیخته است. صنعت خودرو به لحاظ ارتباط نزدیک با زندگی روزمره مردم و حجم بالای سرمایه، اشتغال و گردش مالی زیاد، مورد علاقه و رقابت کشورها، شرکت‌ها و سرمایه‌های بزرگ است.سرمایه‌گذاری‌ها و پژوهش‌هایی که در این صنعت انجام می‌شود نه تنها صنایع وابسته به خود بلکه سایر بخش‌های اقتصادی صنعتی را به حرکت در می‌آورد. خودرو از جمله محصولاتی است که از تعداد نسبتاً زیاد مجموعه‌های میانی، قطعات و مواد اولیه تشکیل می‌شود. در نتیجه صنایع مرتبط با ساخت این اجزاء طیف بسیار گسترده‌ای (از جمله صنایع فلزی، نساجی، مواد شیمیایی و رنگ، برق و الکترونیک و…) را در بر می‌گیرد.

یک خودرو مجموعه ای از هزاران قطعه کوچک و بزرگ است که تولید هر یک از آنها نیاز به دانش فنی مهارت و سخت‌افزار لازم خود را دارد. جمع‌آوری و مونتاژ این قطعات در زمان لازم با قیمت و کمیت مناسب هنر بزرگی است که علاوه بر نیاز به دانش فنی و توان مدیریتی به یک برنامه بلند مدت و تعیین استراتژی مناسب نیاز دارد. صنعت خودرو در دنیا یک صنعت مونتاژ است که کارخانه خودروساز اکثر قطعات مورد نیاز خود را خریداری و محصول نهایی را در کارخانه مونتاژ می‌نماید. هرچه قطعات خودرو بیشتر و میزان نفر/ ساعت لازم برای مونتاژ بیشتر باشد (مانند خودروهای سنگین) ارزش افزوده بیشتری به بار می‌آورد.

1. 1.  بازار خودرو و ترند آن

به تناسب افزایش جمعیت جهان و همچنین رشد و بهبود اقتصادی در سال‌های اخیر به ویژه در کشورهای در حال توسعه و به‌روز قدرت‌های اقتصادی جدید و تلاش خودروسازان برتر جهان در ارائه خودروهای مقرون به صرفه، روند افزایشی تقاضا خودرو در سال‌های اخیر قابل مشاهده است و پیش‌بینی می‌شود این روند در دهه‌های آینده نیز ادامه داشته باشد.

شکل ۱-۱ .پیش‌بینی میزان فروش جهانی سالانه خودروهای مسافری، منبع: [1]

پیرو پاندمیک کووید-19 در شروع سال 2019 در آسیای شرقی و اروپا و پیرو آن در سراسر جهان و اعمال محدودیت‌های شهروندی و مشاغل در اقصاء نقاط جهان، میزان فروش و تولید خودرو در سال های 2019 و 2020 به ترتیب با 5/3% و 13% کاهش مواجه شد. مطالعات صنعت و بازار خودرو نشان می‌دهد که روند صعودی تقاضا و فروش خودرو مجدداً از سر گرفته خواهد شد و پیش‌بینی می‌شود این افزایش در میزان فروش به مقدار 100 میلیون خودرو در سال 2035 برسد [2].

1. 1.  تغییرات اقلیمی کره زمین و تصمیمات و اقدامات جهانی مؤثر بر صنعت خودرو

با صنعتی شدن کشورها پس از انقلاب‌های صنعتی اول تا سوم و افزایش تقاضای کشور‌های صنعتی به منابع انرژی فسیلی، روند تولید گازهای گلخانه ای و به طور خاص گاز CO₂ افزایش چشم‌گیری پیدا کرد. به طوری که میزان انتشار گاز CO₂ در سال 2019 نسبت به 100 سال گذشته 9 برابر شده است (‏شکل 1-2).

 

شکل ۱-۲.میزان انتشار سالانه گاز CO₂ در جهان [3]

نتایج مطالعات دهه‌های اخیر بر روی اثر انتشار گازهای گلخانه‌ای بر روی تغییرات اقلیمی کره زمین، توجه دانشمندان و حکمرانان را به خود جلب کرده است. از نتایج این مطالعات نشان می‌دهد که دمای سطح کره زمین در یک سناریو بدبینانه می‌تواند به میزان 5/4 درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا کند [4]. از پیامدهای افزایش دما می‌توان به ذوب شدن یخ‌های قطب شمال، افزایش سطح آب‌های آزاد و به زیر آب رفتن برخی جزیره‌ها و سواحل، آتش سوزی جنگل‌ها و مراتع، نابودی حیات وحش، قحطی آب و مواد غذایی اشاره کرد. همه این پیامدها به همراه مواردی دیگر حکمرانان را بر آن داشت تا با اتخاذ اقدامات جبرانی با این پیامدها مقابله کنند.

در این راستا در سال 2015 نمایندگان کشورهای جهان در کنفرانس پاریس گرد هم آمدند و ذیل معاهده پاریس متعهد شدند که اقدامات جبرانی در راستای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای صورت دهند. طی این معاهده 5 هدف کلان برای اقدامات جبرانی کشورهای صنعتی در نظر گرفته شد [5].

• متوسط افزایش دمای جهانی در سطح 2 درجه سانتی گراد نگه داشته شود.
• افزایش دمای جهانی به 5/1 درجه سانتی گراد محدود بشود.
• حفظ و افزایش نواحی جنگلی به منظر جذب گازهای گلخانه‌ای اتمسفر
• هم‌راستایی و سازگاری سرمایه‌گذاری ها با اهداف معاهده پاریس
• افزایش توانمندی در تطابق با تغییرات آب و هوایی

ارزیابی‌های سالانه کمیسیون‌های سازمان ملل و مؤسسات انرژی و مالی از اقدامات جبرانی کشور ها در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و پیش‌بینی آن‌ها از میزان تحقق اهداف معاهده پاریس نشان می‌دهد که شرایط احتمالی متفاوتی پیش‌روی وضعیت اقلیمی جهان خواهد بود. بر این اساس سناریوهای متعددی که توصیف کننده آینده‌های احتمالی میزان انتشار گاز CO₂ است، توسعه یافته است که در ‏شکل 1-3 نمایش داده شده است.

 

شکل ۱-۳.پیش‌بینی میزان انتشار گاز CO₂ تا سال 2030 بر اساس سناریوهای مختلف توسط آژانس بین‌المللی انرژی

با امضاء معاهده پاریس در سال 2017، کشورها در راستای اهداف کاهش میزان انتشار گاز CO₂ به صورت داوطلبانه اهدافی را برای خود در نظر گرفتند. این اهداف به مشارکت‌های تعیین شده ملت‌ها (1) نامیده می‌شود. با تجمیع این اهداف و بررسی اقدامات کشورها، سناریو سیاست‌های اعلام شده (2) معرفی گردید.

با مطالعه و بررسی این سناریو پیش بینی می‌شود که نه تنها تا سال 2070 خالص میزان انتشار گاز CO₂ به صفر نمی‌رسد، بلکه فقط شدت رشد انتشار سالانه گاز CO₂ کاسته می‌شود و این شاخص به روند رو به رشد خود ادامه خواهد داد (‏شکل 1-3).

مطالعات بر روی میزان کاهش انتشار گاز CO₂ به منظور تحقق اهداف معاهده پاریس منجر به معرفی سناریو توسعه پایدار (3) گردید؛ طی این سناریو خالص میزان انتشار گاز CO₂ در سال 2070 میبایست به صفر متمایل گردد [6]. سناریو توسعه پایدار شامل اقدامات سخت گیرانه ای می شود که کشور های با بیشترین میزان انتشار گاز CO₂ را متعهد به انجام اقداماتی کند که تا هدف محدود کردن متوسط افزایش دمای سطح کره زمین به 2 درجه سانتی گراد محقق شود. ارزیابی ها از میزان حرکت کشور ها در راستای اقدامات سناریو توسعه پایدار در سال 2020 و 2021 میلادی نشان می‌دهد که این حرکت بسیار کند و ناقص بوده و در این زمان محدود نیازمند تغییرات بزرگ و وسیعی در هدف گذاری، سیاست گذاری و اقدامات کشور ها می باشد.

کشور ایران نیز با پیوستن به معاهده پاریس به صورت داوطلبانه در راستای همکاری در بهبود اقلیم کره زمین به اهداف کاهش انتشار گاز CO₂ متعهد شده است [7].

• کاهش 4% میزان انتشار گاز های گلخانه ای تا سال 2030 به طور قطعی
• کاهش 8% میزان انتشار گاز های گلخانه ای تا سال 2030 به صورت مشروط

1. 1. 1.  سهم صنعت حمل و نقل در انتشار گاز CO₂

صنعت حمل و نقل جهان شامل بخش های حمل و نقل هوایی، دریایی، جاده ای و ریلی به دلیل مصرف بالای سوخت های فسیلی سهم مهمی در انتشار گازهای گلخانه ای بویژه گاز CO₂ دارد. آمارهای جهانی از بخش‌های مختلف اقتصادی نشان می‌دهد بعد از بخش تولید انرژی (برق و حرارتی)، بخش حمل و نقل بیشترین سهم انتشار سالانه گاز CO₂ در جهان را دارا است. ‏شکل 1-4 نشان می دهد در سال 2016 از 35 میلیارد تن گاز CO₂ منتشر شده در جو زمین سهم بخش های تولید انرژی و حمل و نقل به ترتیب حدود 15 و 8 میلیارد تن بوده است که معادل 43% و 23% کل انتشار گاز CO₂ است.

 

شکل ۱-۴.میزان انتشار سالانه گاز CO₂ در جهان بر حسب بخش‌های مختلف [8]

سهم 23 درصدی صنعت حمل و نقل در انتشار گاز CO₂ نشان از اهمیت بهینه سازی و یا تغییر پارادایم مصرف سوخت در صنعت حمل و نقل می باشد. نکته ای که لازم به ذکر است سهم 73 درصدی حمل و نقل جاده ای از انتشار گاز CO₂ در بخش حمل و نقل است. به همین دلیل در کشور های توسعه یافته و کشور های در حال توسعه از ابزار قوانین و استاندارد های سخت گیرانه به منظور تحقق اهداف کاهش انتشار گاز های گلخانه ای با منشاء حمل و نقل بهره می‌برند. همچنین با توسعه تکنولوژی های وسایل نقلیه برقی و کاهش قیمت آن ها، بستر مناسب برای حمایت دولت ها از تغییر پارادایم مصرف سوخت از سوخت فسیلی به برقی در بخش حمل و نقل فراهم گردیده است. ‏شکل 1-5 نشان دهنده اهداف کشور های اروپایی و آسیای شرقی در حمایت از توسعه بازار خودرو های برقی و ممنوعیت فروش خودرو های احتراق داخلی در بخش حمل و نقل می باشد. همان طور که در شکل مشاهده می شود کشور های نامبرده در تلاش هستند که تا سال 2040 میلادی 100% فروش محصولات جدید از نوع خودرو های بدون آلایندگی باشد؛ و متعهد شده اند تا سال 2050 میلادی خالص انتشار آلایندگی را به صفر برسانند. به عبارتی تنها خودرو های برقی در ناوگان حمل و نقل جاده ای سهم داشته باشند و خودرو های احتراقی از جاده ها حذف شوند.

 

شکل ۱-۵.اهداف کشور ها در برقی سازی خودرو ها یا ممنوعیت خودرو های احتراق داخلی در راستای کاهش انتشار گاز CO₂ بخش حمل و نقل[2]

1. 1.  مطالعه بازار خودرو برقی در جهان

سال 2020 میلادی علی رقم شیوع بیماری کرونا برای دومین سال پیاپی در سراسر جهان و افول میزان تولید و فروش جهانی خودرو، بواسطه سرمایه گذاری های انجام شده بر روی توسعه صنعت خودرو برقی، توسعه بازار این نوع خودرو جهش قابل مشاهده ای داشت. به طوری که در سال 2020 میلادی رجیستری خودرو های برقی به میزان 41% رشد داده است. و سهم فروش خودرو برقی در بازار خودرو جهان به میزان 6/4% افزایش پیدا کرد. این افزایش سهم فروش با ارائه بیش از 360 مدل خودرو برقی از سوی خودرو سازان پیشگام در جهان رقم خورده است. در میان بازار های بزرگ خودرو های برقی در جهان دو بازار چین و اتحادیه اروپا با بیشترین میزان فروش رقابتی تنگاتنگ را به پیش می برند. در سال 2020 اتحادیه اروپا با فروش بیش از 1,300,000 خودرو برقی توانست برای اولین بار رکورد فروش حدود 1,200,000 خودرو برقی در بازار چین را بشکند و با 2 برابر کردن میزان فروش سریع ترین رشد را نسبت به سال قبل رقم بزند. ‏شکل 1-6 میزان فروش سالانه خودرو برقی در بازار های بزرگ در بازه سال های 2015 تا 2020 میلادی را نمایش می دهد. همان طور که مشاهده می شود کشور های چین، آمریکا و اتحادیه اروپا بزرگ ترین بازار های خودرو های برقی را دارا می باشند. در سال  2020 میلادی سهم خودرو های برقی از میزان فروش خودرو در سه بازار بزرگ اتحادیه اروپا، چین و آمریکا به ترتیب به 10%، 6% و 2% رسیده است. در اتحادیه اروپا کشور های پیشگام در توسعه بازار خودرو های برقی نروژ، سوئد، هلند، آلمان، فرانسه و انگلستان می باشد.

 

شکل ۱-۶.میزان افزایش رجیستری خودرو های برقی در بازار های بزرگ در سال 2020 میلادی[2]

از سال 2015 میلادی توسعه بازار خودرو برقی در چین و اتحادیه اروپا آغاز جهشی در توسعه جهانی این بازار رقم زد (‏شکل 1-7). طی سال های اخیر میلیون ها خودرو برقی از نوع تمام برقی و هیبرید شارژی به بازار ارائه گردید. روند افزایش میزان خودرو های برقی طی سال های اخیر ادامه داشته است و با توجه به سرمایه گذاری های انجام شده بر روی توسعه صنعت و بازار خودرو برقی پیش بینی می شود روند افزایشی در سال های پیش رو ادامه داشته باشد. در سال 2020 بیش از 10 میلیون خودرو برقی قابل شارژ در حال تردد در جاده های جهان تخمین زده شده است. این میزان معادل 8/0% کل خودرو های موجود در جهان می باشد که نشان از قدم های آغازین توسعه بازار های خودرو برقی در جهان است. پیش بینی می شود با کاهش قیمت خودرو برقی بواسطه تولید انبوه و کاهش قیمت پک باتری و حمایت های حاکمیتی در سراسر جهان سرعت جایگزینی خودرو های احتراق داخلی با خودرو های برقی جدید افزایش قابل توجهی داشته باشد.

شکل ۱-۷ .تعداد خودرو های برقی قابل شارژ در جهان بر اساس بازار های بزرگ[2]

قیمت خرید خودرو برقی در سال 2020 میلادی در حال نزدیک شدن به قیمت خودرو های احتراق داخلی است، اما همچنان از نظر مشتری با یکدیگر فاصله معنا داری دارند. اما بواسطه ساختار ساده قوای محرکه برقی نسبت به قوای محرکه احتراق داخلی، هزینه های بهره برداری و تعمیرات کمتری خواهند داشت. مطالعات متعددی درباره مقایسه هزینه های خرید و بهره برداری و تعمیرات خودرو های برقی با خودرو های احتراق داخلی انجام شده است. در ‏جدول 1-1 این مقایسه با در نظر گرفتن 6 معیار انجام شده است.

جدول ۱-۱.جدول مقایسه هزینه های خودرو برقی با خودرو های احتراق داخلی [9]

ردیف	معیار	Criteria	خودرو برقی	خودرو احتراق داخلی
1	هزینه نگهداری (در طول عمر)	Lie-time Maintenance Cost	4,600 دلار	9,200 دلار
2	هزینه سوخت (در طول عمر) سواری کراس اوور/SUV شاسی بلند (Pickup)	Life-time Fuel Cost سواری کراس اوور/SUV شاسی بلند (Pickup)	7,000 دلار 8,700 دلار 11,100 دلار	15,500 دلار 19,900 دلار 25,600 دلار
3	هزینه های 7 سال اول (با در نظر گرفتن قیمت خرید)	Capital Cost and O&M Cost in 7 years	کمتر از هزینه های مدل پر فروش و بهترین مدل خودرو احتراقی در کلاس مشابه	-
4	هزینه های بهره برداری (در طول عمر)	Life-time O&M	10,000 – 6,000 دلار ارزان تر	-
5	هزینه های خودرو دست دوم با 5 تا 7 سال عمر	Used EVs	صرفه جویی اقتصادی خودرو برقی 5 الی 7 ساله 2 تا 3 برابر بیشتر است.	-
6	ارزش فروش خودرو پس از 7 سال	Resale Value	0.48 – 0.43	0.48 – 0.45

1. 1. 1.  باتری خودروهای برقی

باتری در خودرو های برقی وظیفه تأمین منبع انرژی پیشران خودرو را دارد. بسته به نوع خودرو برقی تعداد سل های باتری و چگالی انرژی آن ها متفاوت خواهد بود. باتری های لیتیوم-یون به خاطر داشتن مزیت طول عمر و چگالی انرژی بالاتر نسبت به تکنولوژی های باتری رایج در بازار بیشتر مورد استفاده در خودرو های برقی قرار می گیرند. باتری های لیتیوم-یون مورد استفاده در خودرو های برقی از نوع سل (استوانه ای) و یا صفحه ای هستند. پک باتری مجموعه ای از چندین سل و یا صفحه باتری است که در کنار هم با در نظر گرفتن الزامات مکانیکی، حرارتی و الکتریکی چیده شده اند. پک باتری از چند ده تا چند صد کیلووات-ساعت انرژی برق تأمین می کنند. شرکت های متعددی در جهان بر روی توسعه تکنولوژی باتری های لیتیوم-یونی و پک باتری سرمایه گذاری کرده اند. شرکت تسلا در آمریکا به عنوان شرکت پیشگام در حوزه خودرو برقی و بویژه پک باتری از سال 2003 بر روی توسعه تکنولوژی پک باتری برای خودرو های برقی سرمایه گذاری کرده است. این شرکت با همکاری شرکت پاناسونیک توانسته است قیمت پک باتری را از $/kWh 1,200 در سال 2010 میلادی به رقم $/kWh 180 در سال 2021 میلادی (به میزان 85%) کاهش دهد. مطالعات بر روی روند سرمایه گذاری بر روی توسعه تکنولوژی و تولید پک باتری نشان می دهند که قیمت پک باتری تا سال 2030 میلادی به
$/kWh 100 نزدیک خواهد شد (‏شکل 2-1). و پیش بینی می شود این رقم تا  $/kWh 80 نیز برسد. پیامد این اتفاق کاهش شدید قیمت خودرو های برقی و رقابتی شدن آن خواهد بود.

شکل ۱-۸.پیش‌بینی ترند قیمت ($/kWh) پک باتری خودرو های برقی تا سال 2030

همزمان با شرکت پاناسونیک، دیگر شرکت های بزرگ تولید کننده باتری نیز بر روی توسعه تکنولوژی و تولید انبوه سل های باتری لیتیوم-یونی سرمایه گذاری کرده اند (‏شکل 2-2). این شرکت ها با احداث کارخانه جات تولید باتری -معروف به گیگا فکتوری- تأمین باتری خودروساز های برقی را بر عهده گرفته اند. مجموع ظرفیت تولید شرکت های تولید کننده باتری های لیتیوم-یون در سال 2020 بالغ بر 475 گیگاوات-ساعت برآورد شده است که هفت شرکت بزرگ این صنعت بالغ بر 76% باتری های لیتیوم-یون تولیدی را به خودروسازان ارائه می دهند. پیش بینی توسعه بازار های جهانی و افزایش فروش خودرو های برقی به میزان حدوداً 30 میلیون دستگاه در سال 2030 میلادی، عامل پیشران تقاضای برای پک باتری لیتیوم-یون خواهد بود. با توجه به اعلام شرکت های بزرگ تولید کننده باتری مبنی بر سرمایه گذاری بر روی افزایش ظرفیت تولید باتری لیتیوم-یون کلاس خودرویی، پیش بینی می شود تا سال 2030 ظرفیت تولید باتری به بیش از GWh 2,800 خواهد رسید که با فرض ظرفیت متوسط پک باتری خودرو های برقی به میزان kWh 75، این میزان تولید باتری در سال 2030 میلادی پاسخگوی تقاضای بیش از 37 میلیون خودرو تمام برقی سازندگان خودرو در جهان خواهد بود [10].

شکل ۱-۹.سهم 7 شرکت بزرگ تولید کننده باتری‌های لیتیوم-یون کلاس خودرویی در جهان در سال 2020

خودروسازان بزرگ نیز با سرمایه گذاری مشترک با تولید کنندگان باتری در سرعت بخشیدن به توسعه صنعت باتری مشارکت می کنند (‏جدول 2-2). همچنین استارتاپ ها با سرمایه گذاری خودروساز های بزرگ در حال توسعه ایده های نوین بهبود و تغییر تکنولوژی باتری کلاس خودرویی هستند. ایده هایی که چگالی انرژی و ظرفیت باتری و طول عمر آن را بسیار بالاتر می برد و بر روی پیمایش و قیمت خودرو اثر مثبت می گذارد.

جدول ۱-۲.جدول تأمین‌کننده‌های باتری برای خودرو سازهای بزرگ جهان [10]

نوآوری در حوزه باتری لیتیوم-یون به سرعت در بخش های مختلف در حال وقوع است. به طوری که پیش بینی می شود تا 5 سال آینده تحولات تکنولوژیکی بزرگی در قسمت های مختلف باتری رقم بخورد. به عنوان مثال توسعه تکنولوژی الکترولیت باتری های لیتیوم-یون حالت جامد و تکنولوژی باتری لیتیوم-سولفور می تواند چگالی انرژی و ظرفیت باتری را تا چهار برابر بیشتر کند (‏شکل 2-3). شرکت های خودروساز بزرگ مانند تویوتا، فولکس واگن، بی ام دابلیو، نیسان، هیوندای، رنو و میتسوبیشی بر روی توسعه این تکنولوژی تولید آن رقابت می کنند [11].

شکل ۱۰-۱.ترند تحولات تکنولوژی باتری لیتیوم-یون کلاس خودرویی در بازه سال‌های 2019 الی 2025 میلادی

1. 1.  چشم انداز خودرو برقی در صنعت خودرو جهان

همان طور که پیش از این نیز ذکر گردید پیش بینی می شود تقاضای خرید و به تبع آن میزان فروش خودرو های جدید در جهان تا سال 2040 میلادی روند افزایشی داشته باشد. به علاوه سرمایه گذاری در تکنولوژی های جدید قوای محرکه خودرویی در حال ایجاد تغییر در سبد محصولات خودرو سازان است. بدین معنی که با روند کاهشی قابل مشاهده قیمت خودرو های برقی و رقابتی شدن قیمت آن ها در بازار خودرو پیش بینی می شود که با استقبال مصرف کنندگان از خودرو های برقی میزان فروش این خودرو طی سال های آتی بیشتر خواهد شد (‏شکل 1-8). با توجه به ویژگی های برتر خودرو های تمام برقی نسبت به دیگر انواع خودرو های برقی از جمله هزینه نگهداری و تعمیرات کمتر، هزینه بهره برداری کمتر، پیچیدگی فنی کمتر، عدم انتشار گاز CO₂ و به زودی قیمت ارزان تر، این نوع از خودرو های برقی در آینده نزدیک سهم قابل توجهی از بازار فروش خودرو را خواهند داشت. به طوری که پیش بینی می شود تا سال 2040 میلادی سهم فروش خودرو های تمام برقی به 70% از کل فروش برسد؛ و در عوض سهم خودرو های احتراق داخلی از فروش محصولات جدید از 96% در سال 2018 به کمتر از 15% در سال 2040 میلادی برسد.

 

شکل ۱-۱۱.پیش‌بینی میزان فروش جهانی خودرو بر اساس انواع قوای محرکه [1]

به بیانی دیگر تردد 10 میلیونی انواع خودرو های برقی در جهان در سال 2020 میلادی به 600 میلیون خودرو های تمام برقی در سال 2040 منجر خواهد شد؛ که سهم 40% درصدی از کل خودرو های جهان را شامل می شود. طی این بازه زمانی، تکنولوژی های خودرو های هیبریدی شارژی بواسطه رایج شدن خودرو های تمام برقی و توسعه زیر ساخت های تأمین انرژی برق از بازار خودرو خارج خواهند شد.

1.  قوانین و حمایت های حاکمیتی از خودرو برقی

در سال های اخیر انتخاب گزینه خودرو برقی به عنوان یک راه حل چند جانبه برای رفع مشکلات زیست محیطی، اقتصادی و امنیتی برای کشور های جهان مطرح شده است. مطالعات نشان می دهد که با توجه به شدت مصرف سوخت‌های فسیلی در سال های اخیر، ذخایر کشف شده این نوع سوخت تنها پاسخگوی حداکثر 5 دهه پیش رو خواهد بود. این محدودیت در تأمین سوخت فسیلی در جهان در سال های آینده می تواند منجر به فشار اقتصادی و به تبع آن فشار امنیتی به دولت ها بشود. بنابر این تمرکز بر روی منابع انرژی جایگزین برای دولت ها الزامی می باشد. از سوی دیگر مصرف سوخت های فسیلی موجب آلودگی شدید هوای کلان شهر ها و به صورت وسیع تر منجر به تغییرات اقلیمی در کره زمین شده است. به منظور جلوگیری از این پیامد ها و یا کاهش شدت آن ها استفاده از تکنولوژی هایی که انتشار آلايندگي آن ها نزدیک به صفر است الزامی است. در سال های اخیر با توسعه تکنولوژی و گسترش بازار های نو ظهور خودرو های برقی، از آن به عنوان راه حل برون رفت از مشکلات ناشی از مصرف سوخت های فسیلی یاد می شود. در راستای توسعه صنعت و بازار خودرو برقی و افزایش تمایل جوامع در استفاده از خودرو های برقی، دولت ها از اجرای قوانین تسهیل کننده، استانداردهای آلایندگی و برنامه های تشویقی استفاده می کنند. دولت ها در تلاش هستند با اعمال قوانین سخت گیرانه، استفاده از خودرو های با سوخت فسیلی محدود کنند. به عنوان مثال مالیات ها و عوارض بیشتری بر روی خودرو های احتراق داخلی اعمال می کنند. به علاوه در حوزه خودرو سازی، دولت ها به منظور هدایت خودرو ساز ها به سمت تغییر سبد محصولات خود به سمت خودرو های برقی، استاندارد های آلايندگي سخت گیرانه را در کنار مشوق های مالیاتی اعمال می کنند. در حوزه بازار نیز با اعمال بسته های متنوع تشویقی خریداران را به خرید خودرو های برقی ترغیب می کنند. توسعه زیرساخت های شبکه برق نیز تسهیل کننده این تحول و حرکت به سوی جایگزینی خودرو های احتراق داخلی با خودرو های برقی خواهد بود. در ‏‏جدول 3-1 اقدامات برخی کشور ها در توسعه بازار خودرو های برقی ارائه شده است. در ‏جدول 3-2 مشوق های حاکمیتی خرید خودرو های برقی در برخی کشور ها ارائه گردیده است.

جدول ۲-۱.جدول حمایت های حاکمیتی و قوانین و اهداف برخی کشور ها [12]

کشور	قانون	اهداف	اهداف بلند پروازانه
چین	از سال 2025 4.6 L/100km (WLTP) 4.0 L/100km (NEDC)	رسیدن به سهم 20% خودرو های ZEV از کل فروش خودرو در سال 2025	- 70% خودرو های مسافری تا سال 2025 برقی شوند (که از آن 40% NEV باشند) - 100% خودرو های مسافری تا سال 2035 برقی شوند (که از آن 50% NEV باشند و 95% آن ها تمام برقی)
چین	الزام خودرو ساز ها به تخصیص اعتبار وام های خرید خودرو با هدف افزایش سهم فروش خودرو برقی 12% در سال 2020 تا 18% در سال 2023	-	- فروش 100 هزار دستگاه خودرو FCEV تا سال 2025 - فروش 1 میلیون دستگاه خودرو FCEV در دوره زمانی 2030-2035
ژاپن	از سال 2030 3.94 L/100km برای خودرو های سواری	تا سال 2030 رسیدن به سهم فروش BEV و PHEV 20%-30% HEV 30%-40% و FCEV 3%	از سال 2050 تولید، استفاده و فروش خودرو های بدون آلايندگي
کانادا	مصرف سوخت (CAFE): در سال 2021، 5.55-7.44 L/100km در سال 2026، 4.93-6.90 L/100km	تعداد خودرو های ZEV در جاده ها: تا سال 2025، 825 هزار دستگاه تا سال 2030، 2.7 میلیون دستگاه تا سال 2040، 14 میلیون دستگاه	-
کانادا	مقدار انتشار CO2 (CAFE): در سال 2021، 183-246 g CO2/mile در سال 2026، 168-243 g CO2/mile	سهم فروش خودرو های ZEV تا سال 2025، 10% تا سال 2030، 30% تا سال 2040، 100%	-
اتحادیه اروپا	از سال 2020 برای خودروهای جدید میزان انتشار مجاز 95 g CO2/km در نظر گرفته می شود.	مجموعا تا سال 2025، 13 میلیون خودرو بدون آلايندگي (ZEV) در جاده ها در حال تردد.	حداقل 30 میلیون خودرو مسافری ZEV تا سال 2030 در جاده ها در حال تردد باشند
اتحادیه اروپا	- در بازه سال های 2021 تا 2025 به میزان 15% میزان مجاز انتشار محدودتر می شود. - در بازه سال های 2021 تا 2030 به میزان 37.5% محدودتر می شود	15% سهم فروش خودرو، از نوع ZEV تا سال 2025 و 35% تا سال 2030	-
آمریکا	-الزام خودرو سازها به افزایش تخصیص اعتبار وام های خرید خودرو برقی تا 22% کل در سال 2025	کالیفرنیا: کاهش 20% شاخص کربن مخازن سوخت ناوگان حمل و نقل تا سال 2030 نسبت به سال 2010	کالیفرنیا: تا سال 2035 همه خودرو های جدید از نوع ZEV باشند.
آمریکا	اعطای یارانه خرید در برخی ایالات	کالیفرنیا: میزان انواع خودرو ZEV در ناوگان جاده ای تا سال 2025، 1.5 میلیون تا سال 2030، 5 میلیون	-

حدول ۲-۲.جدول مشوق های خرید خودرو برقی در برخی کشور ها

ردیف	کشور	یارانه خرید	شروط
	آلمان	3,760 تا 9,000 یورو	قیمت خودرو کمتر از 40,000 یورو
	فرانسه	1,000 تا 6,000 یورو	قیمت خودرو کمتر از 45,000 یورو و رعایت استاندارد های محیط زیستی
	انگلستان	حداکثر2,500 پوند	قیمت خودرو کمتر از 35,000 پوند و رعایت استاندارد های محیط زیستی
	اسپانیا	4,000 تا 7,000 یورو	قیمت خودرو کمتر از 45,000 یورو و رعایت استاندارد های محیط زیستی
	ایتالیا	2,500 تا 8,000 یورو	قیمت خودرو کمتر از 61,000 یورو و اسقاط خودرو با عمر 7 سال به بالا
	چین	6,800 تا 18,000 یو آن	قیمت خودرو کمتر از 300,000 یو آن
	آمریکا (نیوجرسی)	2,000 تا 5,000 دلار	قیمت خودرو کمتر از 55,000 دلار
	کانادا	500 تا 5,000دلار	علاوه بر دولت فدرال، در ایالت کبک 8,000 دلار برای خودرو واجد شرایط با قیمت حداکثر 60,000 دلار پرداخت می شود.

بررسی روند جهانی مخارج دولت ها در توسعه بازار خودرو برقی و افزایش تمایل خریداران نشان می دهد که در بازه زمانی سال های 2015 الی 2020 میلادی دولت ها نزدیک به 70 میلیارد دلار برای ترغیب خریداران به خرید خودرو های برقی خرج کرده اند (‏‏شکل 3-1). این هزینه کرد شامل دو بخش ارائه یارانه های مستقیم خرید خودرو و صرف نظر کردن از بخشی از مالیات ها و دیگر منابع درآمدی دولت ها می باشد. همچنین بواسطه ارائه بسته های تشویقی و اعمال قوانین و استانداردهای زیست محیطی سخت گیرانه در بازه زمانی مشابه خریداران خودرو بالغ بر 340 میلیارد دلار برای خرید خودرو های برقی هزینه کرده اند. همان طور که در ‏‏شکل 3-1 مشاهده می شود در بازه زمانی سال های 2015 الی 2020 میلادی میزان سهم مجموع یارانه های مستقیم دولت ها برای خرید خودرو های برقی از %22 به 10% کل مخارج دولت ها کاسته شده است. این موضوع نشان از افزایش انگیزه های خریداران خودرو به خرید خودروهای برقی می باشد.

 

شکل ۲-۱.نمودار مخارج دولت ها و مصرف کنندگان خودرو های برقی در بازه سال های 2015 الی 2020 میلادی [2]

1.  نقش آفرینی خودرو ساز های بزرگ جهان در توسعه بازار خودرو برقی

خودرو ساز های بزرگ جهان به منظور حضور پیشگام در توسعه و ارائه خودرو های برقی و جذب سهم بیشتری از بازار فروش این محصول برنامه های مختلفی ارائه کرده اند. این برنامه معطوف به ارائه مدل های جدید خودرو برقی، افزایش سهم خودرو های برقی از سبد فروش محصولات، افزایش تیراژ خودرو های برقی می باشد. در ‏‏جدول 4-1 برنامه های اعلان شده تولید خودرو برقی از سوی 7 شرکت از شرکت های بزرگ خودرو ساز جهان ارائه شده است.

جدول ۳-۱.جدول برنامه های اعلان شده خودرو ساز های بزرگ در حوزه خودرو های برقی [2]

ردیف	نام خودرو ساز	هدف
1	ولو	از سال 2030 میلادی در بازار اروپا فقط خودرو های برقی برای فروش عرضه می شوند.
2	فورد	از سال 2030 میلادی در بازار اروپا فقط خودرو های برقی برای فروش عرضه می شوند.
3	جنرال موتورز	از سال 2035 فقط خودرو های برقی برای فروش عرضه می شوند.
4	فولکس واگن	تا سال 2030 در بازار اروپا 70% محصولات و در هر کدام از بازار های چین و آمریکا 50% محصولات از نوع خودرو برقی ارائه خواهند شد.
5	تویوتا	تا ابتدای دهه 2020 بیش از 10 مدل جدید خودرو برقی معرفی شود. در سال 2030 میلادی به رکورد فروش یک میلیون خودرو تمام برقی و پیل سوختی برسد.
6	مرسدس-بنز	در سال 2020 فروش 1/0 میلیون خودرو برقی تا سال 2025 میلادی سهم فروش خودرو های برقی از سبد محصولات به 25% برسد.
7	بی ام دابلیو	تا سال 2025 میلادی سهم فروش خودرو های برقی از سبد محصولات به 15%- 25% برسد. تا سال 2025 تعداد 25 مدل جدید خودرو برقی به بازار عرضه کند.

با بررسی اهداف اعلامی از سوی خودرو ساز های بزرگ دنیا در حوزه محصولات برقی (‏‏شکل 4-1)، برآورد می شود تا سال 2030 میلادی سهم قابل توجهی از فروش خودرو ساز ها در بازار های بزرگ چین، آمریکا و اتحادیه اروپا، از نوع خودرو های برقی خواهد بود. به علاوه این که خودرو ساز ها در تلاش هستند با ارائه مدل های جدید و متنوع خودرو برقی پاسخگوی سلیقه ها و تقاضاهای متنوع مشتریان خود باشند. در سال 2020 میلادی در جهان نزدیک به 360 مدل خودرو برقی توسط خودرو سازان به بازار های بزرگ خودرو برقی ارائه شد. از این مقدار، 200 مدل خودرو برقی به بازار چین، 110 مدل به بازار اتحادیه اروپا و 50 مدل به بازار آمریکا ارائه گردیده است (‏‏شکل 4-2).

 شکل ۳-۱.برنامه های اعلانی تولید و فروش خودرو های برقی 18 خودرو ساز بزرگ در جهان

این تعداد مدل های در بخش بندی های خودرو های کوچک، خودرو های متوسط، کراس اوور، خودر های بزرگ و SUV به بازار ارائه شده است.

شکل ۳-۲.انواع کلاس‌های خودرو های برقی (دو مدل تمام برقی و هیبرید شارژی) ارائه شده به بازارهای چین، اتحادیه اروپا و آمریکا در سال 2020 میلادی (نمودار سمت راست)؛ نمودار تعداد مدل‌های خودرو برقی ارائه شده در بازه سال‌های 2015 الی 2020 میلادی و نمودار متوسط پیمایش خودرو های برقی (نمودار سمت چپ) [2]

از میان انواع کلاس خودرو برقی ارائه شده در سال 2020 سهم دو کلاس SUV و خودرو های متوسط بیشترین مقدار را داشته است. در این سال نزدیک به 160 مدل خودرو SUV به بازار های بزرگ خودرو برقی معرفی شده است که سهم 45% درصدی را به خود اختصاص داده است. در توضیح دلیل معرفی این تعداد مدل از کلاس SUV خودرو های برقی را می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• در کشور چین و کشور های اروپایی بازار خودرو های SUV بیشترین رشد را در سال های اخیر داشته است و همچنین در آمریکا بزرگترین سهم بازار خودرو متعلق به خودرو های SUV است.
• خودرو های SUV، قیمت بالاتری دارند و حاشیه سود بیشتری برای خودرو ساز ایجاد می کنند. و اینکه در این خودرو های سهم قوای محرکه برقی از قیمت خودرو کمتر از خودرو های برقی کوچک است.
• خودرو های SUV سنگین تر و دارای مصرف سوخت بیشتری هستند لذا برقی کردن آن ها میزان آلايندگي بیشتری را به ارمغان می آورد.
• در اروپا خودرو های برقی SUV نسبت به دیگر مدل های خودرو برقی واجد دریافت بیشترین مشوق های (برنامه های تشویقی بر گرفته از استاندارد های انتشار گاز CO2)، هستند.

شاخص پیمایش از مهم ترین فاکتور های اثر گذار در نظر خریداران است. به طوری در مقایسه با میزان پیمایش خودرو های احتراق داخلی، یک گلوگاه برای توسعه بازار خودرو های تمام برقی به حساب می آید. در مورد شاخص پیمایش خودرو های برقی، طی سال های 2015 تا 2020 میلادی این شاخص روند رو به رشدی را طی کرده است. در سال 2020 میلادی مقدار متوسط پیمایش خودرو های تمام برقی با یک بار شارژ کامل به 300 کیلومتر نزدیک شده است [2].

 

 4.  منابع و مراجع

 

[1]       Bloomberg NEF, “Electric Vehicle Outlook 2021,” 2021. [Online]. Available: https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/.

[2]       “Global EV Outlook 2021 Accelerating ambitions despite the pandemic,” 2021.

[3]       P. Friedlingstein et al., “Global carbon budget 2020,” Earth Syst. Sci. Data, vol. 12, no. 4, pp. 3269–3340, 2020.

[4]       R. K. Pachauri and L. A. Meyer, “Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, ed,” RK Pachauri LA Meyer (Geneva, Switz. IPCC, 2014), pp. 1–151.

[5]       “Paris Agreement.” 2015, [Online]. Available: https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement.

[6]       R. A. Roehrl, “Sustainable Development Scenarios for Rio+20 A Component of the Sustainable Development in the 21st Century (SD21) project.,” New York, 2013.

[7]       “Intended Nationally Determined Contribution(INDC) of Islamic Republic of Iran,” 2016. https://www4.unfccc.int/sites/submissions/indc/Submission Pages/submissions.aspx.

[8]       H. Ritchie and M. Roser, “Emissions By Sector,” OurWorldInData.org, 2020.

[9]       C. Harto, “Electric Vehicle Ownership Costs: Today’s ElectricVehicle Offer Big Savings For Consumers,” 2020.

[10]     D. Harrison, “Electric Vehicle Battery Supply Chain Analysis How Battery Demand and Production Are Reshaping the Automotive Industry,” Automotive from Ultima Media, Jun. 2021.

[11]     S. Agarwal, “Status of the Rechargeable Li-Ion Battery Industry 2021 report, Market and Technology Report,” 2021. [Online]. Available: https://www.i-micronews.com/products/status-of-the-rechargeable-li-ion-battery-industry-2021/?utm_source=PR&utm_medium=email&utm_campaign=PR_STATUS_OF_THE_RECHARGEABLE_BATTERY_INDUSTRY_YOLE_July2021.

[12]     International Energy Agency, “Global EV Policy Explorer,” 2021.