(News.oto-hui.com) – Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh, làm tổn hao năng lượng động năng mà xe ô tô. Do đó, hệ thống phanh tái sinh RBS; Regenerative Braking System; ra đời với mục đích thu hồi để tái sử dụng lại năng lượng quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu phanh. Vậy có bao nhiêu kiểu tích trữ năng lượng hiện đang được nghiên cứu trên hệ thống phanh này?
Theo nghiên cứu, hệ thống phanh tái sinh RBS được ứng dụng trên ba dòng xe chính như:
- Xe chạy hoàn toàn bằng điện (EV: Electric Vehicle)
- Xe lai điện (HEV: Hybrid Electric Vehicle)
- Xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV: Fuel Cell Vehicle)
Đặc điểm của hệ thống phanh tái sinh RBS: Có năng lượng cơ năng được chuyển hóa thành điện năng để dẫn động các mô tơ điện hoạt động phục vụ cho quá trình tăng tốc của xe.
Với xe ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong, hệ thống phanh tái sinh cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng dưới các dạng khác nhau như:
- Năng lượng cơ năng thu hồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc được tích trữ dưới dạng thủy lực được áp dụng cho các xe tải trọng lớn có kiểu hệ thống truyền lực thủy lực (Hydraulic Powertrain).
- Sử dụng bánh đà làm một thiết bị tích trữ năng lượng dưới dạng cơ năng sau đó sử dụng cơ năng này để phục vụ quá trình tăng tốc được áp dụng trên các xe đua F1 và các xe du lịch tải trọng nhỏ.
Tuy nhiên với xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực kiểu truyền thống, hệ thống phanh tái sinh chưa được hiện thực hóa công đoạn nghiên cứu về quá trình phanh hay giảm tốc, mặc dù trên thị trường rất phổ biến.
I. Hệ thống phanh tái sinh RBS có bao nhiêu kiểu tích trữ năng lượng chính?
- RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng.
- RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực.
- RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà.
- RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi.
1. Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng:
Áp dụng rộng rãi trên xe EV và HEV. Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bị điều khiển, biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để có thể sử dụng lại.
Mô tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại sự quay của bánh xe có tác dụng như mô mem phanh. Trong khi phanh tái sinh mô tơ điện hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ thấp nên ở dải tốc độ này thường dùng hệ thống phanh bằng cơ khí.
Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động ở các chế độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chiều hoặc xoay chiều. Các thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh có thể là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai. Hệ thống RBS với thiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụng cho các xe EV và HEV và cần phải có các bộ biến đổi điện (Inverter và Converter).
2. Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực:
Hệ thống phanh tái sinh tích trữ năng lượng dưới dạng thủy lực sử dụng một bộ tích trữ thủy lực hình trụ có thể tích trữ được một lượng dầu áp suất lớn. Thiết bị này tích trữ năng lượng bằng việc nén một chất khí (thường là khí Nitơ).
Một hệ thống hybrid thủy lực cơ bản thường có: một bộ tích năng, một bình chứa dầu, và một bơm/mô tơ thủy lực. Tuy nhiên, dạng tích trữ này ít hiệu quả ở tốc độ thấp bởi vì tổn hao cơ lớn.
Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truyền lực Hybrid thủy lực (Hydraulic Hybrid):
+ Kiểu tích hợp hay nối tiếp được dựa trên hộp số thủy tĩnh thuần túy và yêu cầu một bơm và bơm/mô tơ bơm. Kết cấu này cho phép phanh tái sinh và tích trữ năng lượng vào bộ tích năng và năng lượng này sẽ dẫn động xe khi tăng tốc thông qua hộp số.
+ Kiểu tiếp theo là kiểu song song yêu cầu chỉ có một bơm/mô tơ đơn cộng với hộp số loại tỷ số truyền thay đổi liên tục CVT. Hệ thống hybrid thủy lực song song gồm có các bơm/mô tơ thủy lực được gắn trên hộp số của một xe thông thường. Hệ thống này cho phép hỗ trợ động cơ xăng khi tăng tốc. Nó không cho phép động cơ xăng tắt máy khi xe không di chuyển. Điều này có nghĩa là động cơ luôn luôn làm việc.
Nếu sử dụng hộp số thì động cơ luôn được kết nối với hệ thống truyền lực đễ dẫn động bánh xe. Kết cấu kiểu này có tác dụng khi hệ thống thủy lực bị hỏng xe vẫn hoạt động được.
Bộ phân phối công suất thủy cơ (Hydromechanical) bao gồm 2 bộ phận thủy tĩnh có hành trình thay đổi, một thiết bị phân phối công suất và một bộ tích năng. Kết cấu này cho phép thuận lợi trong việc tích trữ năng lượng phanh tái sinh và có thể khởi động động cơ xăng ở những thời điểm hiệu quả nhất.
3. Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà:
Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức: E=1/2 J* ω2 trong đó J là mô men quán tính và ω là tốc độ góc của bánh đà. Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn. Do đó một bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng phải được quay với tốc độ rất cao và phải đặt trong môi trường chân không để giảm lực cản gió.
Hiện nay trên thế giới có 2 hãng sản xuất bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó là hãng Flybrid và Williams Hybrid Power.
![]()
![]()
Williams Hybrid Power dành cho xe đua F1.
Bánh đà của Flybrid là một hệ thống cơ khí đơn thuần. Có thể được gắn với một số bộ phận quay trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ động cơ cho tới vi sai, bánh đà kết hợp với hộp số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ của động cơ.
Loại bánh đà này thường ứng dụng với xe du lịch khi sử dụng hộp số vô cấp CVT (Continuously Variable Transmission); để giảm chi phí cũng có thể sử dụng hộp số truyền thống với các bánh răng và ly hợp thay thế.
Ngược lại với Flybird, hệ thống của Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng điện để tích hoặc rút điện năng khỏi bánh đà, lợi dụng composite từ tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao. Do có giá thành cao hơn, hệ thống này được ứng dụng cho xe cao cấp. Chiếc xe đua 918 RS R Hybrid của Porsche sử dụng hệ thống của WHP, và nó hoạt động thông qua các mô-tơ điện đặt ở bánh trước.
Theo nghiên cứu mới đây nhất thì bánh đà bằng sợi carbon KERS của hãng Volvo được trang bị cho cầu sau. Nó chỉ nặng 6 kg và đường kính 20 cm, có khả năng quay với tốc độ 60.000 vòng/phút. Với công suất tăng thêm 80 mã lực, xe này có thể tăng tốc lên 100 km/h chỉ trong 5.5 giây.
Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục cho những nơi mà động lực được cung cấp bị ngắt quãng. Khi phanh xe, bánh đà có tác dụng thu hồi năng lượng, sau đó “góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có thể làm giảm tiêu hao 25% nhiên liệu. Động cơ 4 xi-lanh vận hành sẽ sinh ra lực tương đương với động cơ 6 xi-lanh.
4. Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi:
Phương pháp này được ứng dụng mô phỏng trên dòng xe Mercedes Benz với kết cấu được mô tả như dưới đây. Trên mỗi trục bánh xe được lắp một bộ tích trữ năng lượng KERS (Kinetic Energy Recovery System) bao gồm một bộ bánh răng hành tinh, bộ lò xo đàn hồi để tích trữ năng lượng và các khớp một chiều.
Trên bán trục của mỗi bánh xe được lắp một bộ bánh răng hành tinh. Khi xe chuyển động trên đường bình thường thì hệ bánh răng hành tinh này quay lồng không (quay trơn). Khi bàn đạp phanh được tác dụng áp suất dầu phanh được đưa tới một xy lanh phanh được lắp trên cần dẫn của bộ bánh răng hành tinh. Lúc này cần dẫn được hãm cố định làm cho lực được truyền từ trục bánh xe qua bánh răng mặt trời tới bánh răng hành tinh và làm cho bánh răng bao quay ngược chiều kim đồng hồ.
Trên bánh răng bao được lắp một cụm lò xo cuộn và các khớp một chiều. Lúc này năng lượng làm cho xe giảm tốc được tích trữ vào cụm lò xo cuộn. Khi bàn đạp phanh được nhả ra lò xo giải phóng năng lượng tác dụng lên trục bánh xe làm cho xe chuyển động.
Với kết cấu này thì năng lượng khi phanh đã được tích trữ và sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe nên giảm tiêu hao nhiên liệu. Trong trường hợp phanh khẩn cấp để đảm bảo an toàn thì hệ thống phanh chính trên xe sẽ làm việc.
Bài viết liên quan:
- Tìm hiểu hệ thống phanh tái sinh (Regenerative braking system)
- Phanh tái sinh – Trái tim của hệ thống phanh trên Porsche Taycan
- Xe tải điện sử dụng năng lượng từ phanh tái sinh
