Regenerative Braking – Công nghệ Phanh tái sinh

Regenerative Braking System – Hệ thống phanh tái sinh (RBS) là một loại hệ thống phục hồi động năng giúp chuyển động năng của một vật thể đang chuyển động thành thế năng hoặc năng lượng tích trữ để làm chậm phương tiện và kết quả là làm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Các hệ thống này còn được gọi là hệ thống thu hồi động năng. Có nhiều phương pháp chuyển đổi năng lượng trong RBS bao gồm lò xo, bánh đà, điện từ và thủy lực. Gần đây hơn, một RBS lai bánh đà điện từ cũng đã xuất hiện. Mỗi loại RBS sử dụng một phương pháp lưu trữ hoặc chuyển đổi năng lượng khác nhau, mang lại hiệu quả và ứng dụng khác nhau cho từng loại.

Regenerative braking dịch ra là phanh tái sinh hoặc phanh tái tạo – Phanh tái sinh là một cơ chế phục hồi năng lượng làm chậm phương tiện đang di chuyển bằng cách chuyển đổi động năng của nó thành dạng có thể được sử dụng ngay lập tức hoặc được lưu trữ cho đến khi cần. Trong cơ chế này, động cơ kéo điện sử dụng động lượng của xe để thu hồi năng lượng mà nếu không sẽ bị thất thoát vào đĩa phanh dưới dạng nhiệt. Trong các hệ thống phanh thông thường, động năng dư thừa được chuyển thành nhiệt không mong muốn và lãng phí do ma sát trong phanh, đối với phanh tái sinh, động lượng sẽ được chuyển đổi thành điện năng và tích lũy lưu trữ ở pin. Ngoài việc cải thiện hiệu suất tổng thể của xe, việc tái tạo có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của hệ thống phanh vì các bộ phận cơ khí sẽ không bị hao mòn nhanh chóng.

RBS được lắp dọc theo hệ truyền động hoặc lắp vào các bánh dẫn động của xe nơi chúng ức chế chuyển động của các bánh bằng cách sử dụng từ trường hoặc mô-men xoắn cơ học. Các phương pháp ức chế chuyển động này cho phép tạo ra năng lượng khi phanh, trái ngược với phanh ma sát chỉ lãng phí năng lượng để làm chậm phương tiện bằng cách biến động năng thành nhiệt năng. Do tốc độ sạc tối đa của các cơ chế lưu trữ năng lượng, lực phanh từ RBS bị hạn chế. Do đó, cần có hệ thống phanh ma sát truyền thống để duy trì hoạt động an toàn của xe khi cần phanh gấp. RBS có thể cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm tải phanh tổng thể do hệ thống phanh ma sát của xe đảm nhận, giảm độ mòn của má phanh.

Lịch sử hệ thống phanh tái sinh – Regenerative Braking

Ý tưởng về một hệ thống phanh có thể lấy động năng mà nó hấp thụ và biến nó thành thế năng để sử dụng sau này đã xuất hiện từ cuối những năm 1800. Một số nỗ lực ban đầu của công nghệ này là lắp RBS loại lò xo trên xe đạp dẫn động bánh trước hoặc xe ngựa kéo.

Phanh tái tạo đã được sử dụng rộng rãi trên đường sắt trong nhiều thập kỷ. Tuyến đường sắt Baku-Tbilisi-Batumi ( Đường sắt Transcaucasus hoặc đường sắt Gruzia) bắt đầu sử dụng phanh tái tạo vào đầu những năm 1930.

Ô tô điện đã sử dụng phanh tái tạo từ những thử nghiệm đầu tiên, nhưng điều này ban đầu yêu cầu người lái phải chuyển công tắc giữa các chế độ vận hành khác nhau để sử dụng nó. Baker Electric Runabout và Owen Magnetic là những ví dụ ban đầu, sử dụng nhiều công tắc và chế độ được điều khiển bởi một “hộp đen” hoặc “công tắc trống” đắt tiền như một phần của hệ thống điện của họ. Những thứ này, giống như thiết kế của Krieger, trên thực tế chỉ có thể được sử dụng trên các đoạn đường xuống dốc của chuyến đi và phải được thao tác thủ công.

Những cải tiến trong lĩnh vực điện tử cho phép quá trình này hoàn toàn tự động, bắt đầu với chiếc ô tô điện thử nghiệm AMC Amitron năm 1967. Được thiết kế bởi Gulton Industries bộ điều khiển động cơ tự động bắt đầu sạc pin khi đạp phanh. Nhiều xe hybrid và xe điện hiện đại sử dụng kỹ thuật này để mở rộng phạm vi sử dụng của bộ pin. Toyota là nhà sản xuất ô tô đầu tiên thương mại hóa công nghệ RBS trong dòng xe Hybrid Prius của họ.

Kể từ đó, RBS đã phát triển để được sử dụng trong hầu hết các loại xe điện và xe hybrid, cũng như một số loại xe chạy bằng xăng.

Nguyên tắc cơ bản Regenerative Braking

Hình thức phanh tái tạo phổ biến nhất hiện nay liên quan đến một động cơ điện có chức năng hoạt động như một máy phát điện. Điện năng tạo ra được đưa trở lại nguồn cung cấp năng lượng kéo. Trong xe điện chạy bằng pin và xe điện hybrid, năng lượng được lưu trữ về mặt hóa học trong pin, bằng điện trong dãy tụ điện hoặc cơ học trong một bánh đà đang quay. Xe hybrid thủy lực sử dụng động cơ thủy lực để lưu trữ năng lượng dưới dạng khí nén. Trong xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro, năng lượng điện do động cơ tạo ra được lưu trữ về mặt hóa học trong pin, tương tự như xe chạy bằng pin và hybrid.

Phương pháp chuyển đổi và lưu trữ năng lượng

Có nhiều phương pháp chuyển đổi năng lượng trong RBS bao gồm lò xo, bánh đà, điện từ và thủy lực. Gần đây hơn, RBS lai bánh đà điện từ cũng đã xuất hiện electromagnetic-flywheel hybrid RBS. Mỗi loại RBS sử dụng một phương pháp lưu trữ hoặc chuyển đổi năng lượng khác nhau, mang lại hiệu quả và ứng dụng khác nhau cho từng loại. Hiện nay, loại được sử dụng phổ biến nhất là hệ thống điện từ.

Điện từ – Electromagnetic

Trong hệ thống điện từ, trục truyền động của xe được kết nối với một máy phát điện, sử dụng từ trường để hạn chế chuyển động quay của trục truyền động, làm chậm phương tiện và tạo ra điện. Trong trường hợp xe điện và xe hybrid, điện được tạo ra sẽ được gửi đến pin để chúng được sạc lại. Trong các phương tiện chạy bằng xăng dầu, điện có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử của ô tô hoặc được gửi đến một cục pin, nơi sau này nó có thể được sử dụng để tăng thêm công suất cho phương tiện. Kỹ thuật này hiện đang được sử dụng trong một số xe đua Le Mans Prototype.

Bánh đà – Flywheel

Trong RBS bánh đà, hệ thống thu động năng của xe để làm quay bánh đà được nối với trục truyền động thông qua hộp số. Sau đó, bánh đà quay có thể cung cấp mô-men xoắn cho trục truyền động, giúp tăng sức mạnh cho xe.

Điện từ – Bánh đà

Phanh tái tạo bánh đà điện từ là một mô hình lai giữa RBS điện từ và bánh đà. Nó chia sẻ các phương pháp phát điện cơ bản với hệ thống điện từ; tuy nhiên, năng lượng được lưu trữ trong bánh đà chứ không phải trong pin. Theo nghĩa này, bánh đà đóng vai trò như một cục pin cơ học, nơi có thể lưu trữ và phục hồi năng lượng điện. Do tuổi thọ của pin bánh đà so với pin lithium-ion, RBS bánh đà điện là phương pháp lưu trữ điện hiệu quả hơn về chi phí.

Lò xo – Spring

Hệ thống phanh tái tạo tải bằng lò xo thường được sử dụng trên các phương tiện chạy bằng sức người, chẳng hạn như xe đạp hoặc xe lăn. Ở RBS lò xo, một cuộn lò xo được quấn quanh một hình nón trong quá trình phanh để tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng đàn hồi. Năng lượng sau đó có thể được quay trở lại để hỗ trợ người lái khi lên dốc hoặc vượt qua địa hình gồ ghề.

Thủy lực – Hydraulic

RBS thủy lực làm chậm phương tiện bằng cách tạo ra điện sau đó được sử dụng để nén chất lỏng. Khí nitơ thường được chọn làm chất lỏng làm việc. RBS thủy lực có khả năng lưu trữ năng lượng lâu nhất so với bất kỳ hệ thống nào, vì chất lỏng nén không tiêu hao năng lượng theo thời gian. Tuy nhiên, việc nén khí bằng máy bơm là một quá trình chậm và hạn chế nghiêm trọng sức mạnh của RBS thủy lực.

Ứng dụng

Xe hybrid và xe điện

Cả ô tô hybrid và ô tô điện hiện đại đều sử dụng động cơ điện để cung cấp năng lượng cho ô tô, điều này giúp cho việc áp dụng phanh tái tạo trở nên rất đơn giản và hiệu quả. Trong phần lớn những chiếc ô tô này, hệ thống truyền động của ô tô được thiết lập sao cho khi người lái đạp phanh, động cơ điện sẽ tự đảo chiều và biến thành máy phát tác dụng lực cản lên các bánh xe. Quá trình này tạo ra điện sạc lại bộ pin.

Ở ô tô điện hiệu suất cao, việc cải thiện cảm giác lái là rất quan trọng đối với các nhà sản xuất ô tô. Nhiều khách hàng ủng hộ siêu xe điện nhưng lại phản đối việc mua chúng vì không mang lại cảm giác hiệu suất cao. Một khía cạnh quan trọng của cảm giác này là phanh động cơ. Trong động cơ đốt trong tiêu chuẩn, một khi động cơ không được cung cấp năng lượng, ma sát tự nhiên bên trong động cơ sẽ hoạt động để giảm tốc độ xe. Trong ô tô điện, lực ma sát này không áp dụng; tuy nhiên, các công ty xe hơi như Mercedes và Porsche đã bắt đầu sử dụng hệ thống phanh tái tạo năng lượng để mang lại cho người lái cảm giác giống như xe chạy bằng xăng trong khi phục hồi năng lượng cho pin.

Đua xe ô tô

Năm 2009, Công thức 1 (một loại xe đua phổ biến) đã giới thiệu một hệ thống phanh tái tạo được gọi là Hệ thống Phục hồi Năng lượng Động học (KERS). Ban đầu, hệ thống tiếp thu chậm và không có đội nào sử dụng nó trong mùa giải 2010; tuy nhiên, những cải tiến đối với hệ thống trong mùa giải 2011 đã khiến nó trở nên cực kỳ hữu ích đối với ô tô và hầu như tất cả các đội đều áp dụng một số dạng hệ thống. Những chiếc xe công thức một sử dụng bốn bánh đà hoặc hệ thống máy phát điện để tích trữ năng lượng khi phanh. Năng lượng dự trữ này sau đó có thể được người lái sử dụng bằng cách nhấn một nút trên vô lăng. FIA giới hạn thời gian sử dụng ở mức 6,67 giây mỗi vòng, trong thời gian đó hệ thống cung cấp cho chiếc xe thêm 81 mã lực.

Giới hạn của phan tái sinh

Do tốc độ sạc lại tối đa của mạch và dung lượng của pin, lực hãm từ RBS loại điện từ luôn bị hạn chế. Do đó, cần phải có hệ thống phanh ma sát truyền thống để chuyển hóa năng lượng thừa từ xe. Phanh ma sát cũng có thể ngăn ngừa mất khả năng phanh trong trường hợp RBS bị hỏng.

RBS chỉ có thể được lắp đặt trên các bánh xe dẫn động vì cần có bộ truyền động để phục hồi năng lượng. Nhiệt thải không giảm đáng kể trừ khi xe là kiểu dẫn động bốn bánh toàn thời gian.

Việc thêm RBS vào phương tiện có nghĩa là tăng trọng lượng của phương tiện đó. Mặc dù RBS có thể cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong điều kiện lái xe khởi động và dừng, nhưng nó có thể có tác động tiêu cực đến mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy trên đường cao tốc.

Thiết kế của RBS bao gồm nhiều loại cảm biến và bộ điều khiển logic để điều chỉnh hoạt động của RBS. Do đó, hệ thống rất phức tạp, và điều đó cho thấy rằng mức độ tin cậy sẽ giảm.