Hệ thống Phanh tái sinh (Tái tạo) hoạt động như thế nào?

EnterKnow: Mỗi lần bạn đạp phanh ô tô, bạn sẽ lãng phí một nguồn năng lượng đáng kể. Vật lý cho chúng ta biết rằng năng lượng không thể bị phá hủy và biến mất (Định luật bảo toàn năng lượng). Vì vậy, khi ô tô của bạn giảm tốc độ, động năng đẩy nó về phía trước sẽ phải chuyển đi đâu đó. Và đơn giản, hầu hết nó tiêu tan dưới dạng nhiệt và trở nên vô dụng. Năng lượng đó, lẽ ra có thể được sử dụng để thực hiện công việc có ích nào đó, nhưng về cơ bản là bị lãng phí.

Vậy chúng ta có thể làm gì để ngừng lãng phí năng lượng này không? Ở hầu hết các ô tô, đó là sản phẩm phụ không thể tránh khỏi của quá trình phanh và không có cách nào bạn có thể lái ô tô mà không thỉnh thoảng nhấn phanh. Nhưng các kỹ sư ô tô đã đưa ra một loại hệ thống phanh có thể thu lại phần lớn động năng của ô tô và chuyển hóa thành điện năng để có thể sử dụng để sạc lại ắc quy ô tô. Hệ thống này được gọi là phanh tái tạo, hay phanh tái sinh.

Hiện tại, phanh tái tạo chủ yếu được tìm thấy trên các loại xe hybrid như Toyota Prius và trong những chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện, như Tesla Roadster. Ở những phương tiện như thế này, việc giữ cho pin luôn được sạc có tầm quan trọng đáng kể. Tuy nhiên, công nghệ này lần đầu tiên được sử dụng trong tàu điện và sau đó đã tìm được đường đến những nơi không tưởng như xe đạp điện và thậm chí cả xe đua Công thức Một.

Trong hệ thống phanh truyền thống, má phanh tạo ra ma sát với đĩa phanh để làm chậm hoặc dừng xe. Ma sát bổ sung được tạo ra giữa các bánh xe chạy chậm lại và mặt đường. Ma sát này là thứ biến động năng của ô tô thành nhiệt. Nhưng với hệ thống phanh tái tạo, hệ thống điều khiển phương tiện sẽ thực hiện phần lớn quá trình phanh. Khi người lái đạp vào bàn đạp phanh của xe điện hoặc xe hybrid, loại phanh này sẽ đưa động cơ điện của xe vào chế độ nghịch, khiến nó chạy ngược, do đó làm bánh xe chậm lại. Trong khi chạy ngược, động cơ này hoạt động như một máy phát điện, tạo ra điện năng sau đó được đưa vào ắc quy của xe.

Phanh tái tạo hoạt động tốt ở một số tốc độ nhất định. Trên thực tế, phanh tái tạo hiệu quả nhất trong các tình huống lái xe dừng và đi. Tuy nhiên, xe hybrid và ô tô chạy hoàn toàn bằng điện cũng có phanh ma sát truyền thống, như một loại hệ thống dự phòng trong các tình huống mà phanh tái tạo không cung cấp đủ lực dừng. Trong những trường hợp này, người lái xe phải nhận thức được thực tế là bàn đạp phanh có thể phản ứng khác với lực ép. Bàn đạp đôi khi sẽ ấn xuống xa hơn về phía sàn so với bình thường và cảm giác này có thể khiến người lái xe hoảng sợ nhất thời.

Mạch phanh tái tạo

Phanh tái tạo được sử dụng trong các phương tiện sử dụng động cơ điện, chủ yếu là xe chạy hoàn toàn bằng điện và xe điện hybrid. Một trong những đặc tính thú vị hơn của động cơ điện là khi nó vừa có thể thực hiện chức năng động cơ tức chuyển đổi từ điện năng sang cơ năng để truyền động cho bánh xe khi được cấp điện, ở đây dòng chảy năng lượng là từ pin điện đến động cơ thông qua trục quay sang hệ truyền lực. Và có thể thực hiện chức năng của máy phát khi được truyền động năng ngược lại vào trục quay của nó, tạo ra năng lượng điện có thể được đưa vào hệ thống sạc cho pin của ô tô, và ở đây năng lượng được di chuyển ngược lại từ động lực của xe đến trục động cơ và đến pin điện. Đó là lý do mà chúng ta nói rằng động cơ điện có hai chế độ hoạt động là thuận và nghịch (ngược).

Trong hệ thống phanh tái tạo, sử dụng động lượng của xe làm năng lượng cơ học để đưa động cơ vào chế độ ngược. Động lượng là thuộc tính giữ cho phương tiện di chuyển về phía trước sau khi nó được tăng tốc. Khi dòng chảy động cơ đã được đảo chiều, điện do động cơ tạo ra sẽ được đưa trở lại vào pin, nơi nó có thể được sử dụng để tăng tốc trở lại cho ô tô sau khi dừng. Mạch điện tử tinh vi là cần thiết để quyết định khi nào động cơ nên đảo chiều, trong khi các mạch điện chuyên dụng định tuyến điện do động cơ tạo ra vào bộ pin của xe. Trong một số trường hợp, năng lượng do phanh tái sinh tạo ra được lưu trữ trong một loạt tụ điện để sử dụng sau đó.

Ngoài ra, các phương tiện này cũng được trang bị hệ thống phanh ma sát tiêu chuẩn nên thiết bị điện tử của xe phải quyết định hệ thống phanh nào phù hợp tại thời điểm nào. Vì rất nhiều thứ được điều khiển điện tử trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng nên người lái thậm chí có thể chọn một số cài đặt trước nhất định để xác định cách xe phản ứng trong các tình huống khác nhau. Chẳng hạn, ở một số phương tiện, người lái xe có thể chọn xem hệ thống phanh tái tạo năng lượng có nên bắt đầu ngay lập tức bất cứ khi nào người lái xe nhấc chân khỏi bàn đạp ga hay không và hệ thống phanh sẽ đưa ô tô về vận tốc 0 dặm/giờ (0 km/h) hay sẽ để xe tiếp tục di chuyển.

Bộ điều khiển phanh tái tạo

Bộ điều khiển phanh là thiết bị điện tử có thể điều khiển phanh từ xa, quyết định thời điểm bắt đầu, kết thúc phanh và tốc độ cần đạp phanh. Ví dụ, trong các tình huống kéo xe, bộ điều khiển phanh có thể cung cấp phương tiện phối hợp phanh trên rơ moóc với phanh trên xe đang thực hiện kéo.

Phanh tái tạo được triển khai cùng với hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), do đó, bộ điều khiển phanh tái tạo tương tự như bộ điều khiển ABS, theo dõi tốc độ quay của các bánh xe và sự khác biệt về tốc độ đó từ bánh này sang bánh khác. Trong các phương tiện sử dụng các loại phanh này, bộ điều khiển phanh không chỉ giám sát tốc độ của các bánh xe mà còn có thể tính toán lượng mô-men xoắn — lực quay — có sẵn để tạo ra điện cung cấp trở lại cho pin. Trong quá trình phanh, bộ điều khiển phanh hướng dòng điện do động cơ sản xuất vào pin hoặc tụ điện. Nó đảm bảo rằng pin nhận được lượng điện tối ưu, nhưng cũng đảm bảo rằng dòng điện không vượt quá khả năng xử lý của pin.

Tuy nhiên, chức năng quan trọng nhất của bộ điều khiển phanh có thể là quyết định xem động cơ hiện có khả năng xử lý lực cần thiết để dừng xe hay không. Nếu không, bộ điều khiển phanh sẽ chuyển công việc sang phanh ma sát, ngăn chặn thảm họa có thể xảy ra. Trong các phương tiện sử dụng các loại phanh này, cũng như bất kỳ bộ phận điện tử nào khác trên ô tô hybrid hoặc ô tô điện, bộ điều khiển phanh có thể thực hiện toàn bộ quá trình phanh tái tạo.

Phanh tái tạo trên xe Hybrid

Xe hybrid khác với xe điện hoàn toàn như thế nào? Xe điện hybrid sử dụng cả động cơ điện và động cơ đốt trong để mang lại trải nghiệm lái xe tốt nhất của cả hai thế giới. Chúng kết hợp phạm vi hoạt động của động cơ đốt trong với các đặc tính tiết kiệm nhiên liệu và không phát thải của động cơ điện. Nếu một chiếc xe hybrid muốn có hiệu quả sử dụng nhiên liệu tối đa và tạo ra ít khí thải carbon nhất có thể, thì pin phải được sạc càng lâu càng tốt. Nếu pin của xe hybrid bị hết điện, động cơ đốt trong sẽ hoàn toàn chịu trách nhiệm cung cấp năng lượng cho xe. Tại thời điểm đó, chiếc xe không còn hoạt động như một chiếc hybrid mà chỉ là một chiếc xe đốt nhiên liệu hóa thạch khác.

Các kỹ sư ô tô đã nghĩ ra một số thủ thuật để đạt được hiệu quả tối đa của xe hybrid, như tinh giản khí động học của thân xe và sử dụng vật liệu nhẹ, nhưng có thể nói, một trong những điều quan trọng nhất là phanh tái tạo. Tuy nhiên, trong thiết lập hybrid, những loại phanh này chỉ có thể cung cấp năng lượng cho phần động cơ điện của hệ thống truyền lực thông qua ắc quy của xe. Động cơ đốt trong không thu được lợi ích gì từ các loại phanh này. Một phần, những hiệu quả này là cần thiết do việc tìm kiếm một nơi để sạc lại một chiếc hybrid cực kỳ khó khăn. Điều này làm cho những chuyến đi dài hơn trở nên khó khăn hơn nếu không dựa vào động cơ đốt trong của hybrid, điều này thực sự làm mất đi một số lợi thế của việc sở hữu một chiếc hybrid.

Hệ thống phanh tái tạo thủy lực

Một hệ thống phanh tái tạo năng lượng thay thế đang được phát triển bởi Ford Motor Company và Eaton Corporation. Nó được gọi là Hỗ trợ thủy lực hoặc HPA. Với HPA, khi người lái đạp phanh, động năng của xe được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một bơm đảo chiều, bơm này sẽ đưa chất lỏng thủy lực từ bộ tích áp suất thấp vào bộ tích áp suất cao. Áp suất được tạo ra bởi khí nitơ trong bình tích áp, được nén khi chất lỏng được bơm vào không gian mà khí đã chiếm giữ trước đó. Điều này làm chậm phương tiện và giúp đưa phương tiện dừng lại.

Chất lỏng vẫn ở dưới áp suất trong bộ tích năng cho đến khi người lái lại nhấn chân ga, tại thời điểm đó, máy bơm được đảo chiều và chất lỏng có áp suất được sử dụng để tăng tốc xe, chuyển động năng mà xe có trước khi phanh thành cơ năng giúp xe tăng tốc trở lại một cách hiệu quả. Người ta dự đoán rằng một hệ thống như thế này có thể lưu trữ 80% động lượng bị mất của một phương tiện trong quá trình giảm tốc và sử dụng nó để giúp phương tiện di chuyển trở lại. Tỷ lệ phần trăm này thể hiện mức tăng thậm chí còn ấn tượng hơn những gì được tạo ra bởi hệ thống phanh tái tạo hiện tại. Giống như hệ thống phanh tái tạo điện tử, những loại phanh này — hệ thống HPA — được sử dụng tốt nhất khi lái xe trong thành phố, nơi giao thông dừng và đi phổ biến.

Cho đến nay, các hệ thống HPA đã được sử dụng chủ yếu như bằng chứng về khái niệm và chỉ trong các dự án trình diễn. Họ chưa hoàn toàn sẵn sàng cho các mô hình sản xuất. Hiện tại, các hệ thống phanh thủy lực này ồn ào và dễ bị rò rỉ; tuy nhiên, một khi tất cả các chi tiết đã được hoàn thiện, những hệ thống như vậy có thể sẽ hữu ích nhất trên những chiếc xe tải lớn có trọng lượng từ 10.000 pound (4.536 kg) trở lên, khi những loại phanh này có thể chứng tỏ là một hệ thống tối ưu hơn so với phanh tái tạo điều khiển điện tử.

Hiệu quả phanh tái tạo

Hiệu quả năng lượng của một chiếc ô tô thông thường chỉ khoảng 20%, 80% năng lượng còn lại được chuyển thành nhiệt thông qua ma sát. Điều kỳ diệu về phanh tái tạo là nó có thể thu được tới một nửa năng lượng lãng phí đó và đưa nó trở lại hoạt động. Điều này có thể làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 10 đến 25 phần trăm. Hệ thống phanh tái tạo thủy lực có thể mang lại hiệu quả ấn tượng hơn nữa, có khả năng giảm mức sử dụng nhiên liệu từ 25 đến 45%.

Đầu thế kỷ 21 rất có thể đánh dấu thời kỳ cuối cùng mà động cơ đốt trong được sử dụng phổ biến trên ô tô. Các nhà sản xuất ô tô đã và đang hướng tới các phương tiện mang năng lượng thay thế, chẳng hạn như pin điện, nhiên liệu hydro và thậm chí cả khí nén. Phanh tái sinh là một bước nhỏ, nhưng rất quan trọng, hướng tới sự độc lập cuối cùng của chúng ta với nhiên liệu hóa thạch. Những loại phanh này cho phép sử dụng pin trong thời gian dài hơn mà không cần cắm vào bộ sạc bên ngoài. Những loại phanh này cũng mở rộng phạm vi hoạt động của xe chạy hoàn toàn bằng điện. Trên thực tế, công nghệ này đã giúp mang đến cho chúng ta những chiếc xe như Tesla Roadster, chạy hoàn toàn bằng năng lượng pin. Chắc chắn, những chiếc xe này có thể sử dụng nhiên liệu hóa thạch ở giai đoạn sạc lại — nghĩa là, nếu nguồn điện đến từ nhiên liệu hóa thạch như than đá — nhưng khi chạy trên đường, chúng có thể hoạt động mà không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch, và đó là một bước tiến lớn.