Regenerative braking – Phanh tái tạo (phanh tái sinh) là một công nghệ tiên tiến được sử dụng phổ biến trong các phương tiện điện (EV) và xe hybrid, cho phép chuyển hóa năng lượng khi phanh thành năng lượng tái tạo để sạc lại pin. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giúp kéo dài tuổi thọ của pin, cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm lượng khí thải ra môi trường. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, lợi ích của hệ thống phanh tái tạo và cách hệ thống này được ứng dụng trên các dòng xe phổ biến.
Ngoài việc chạy điện thay vì xăng, xe hybrid và xe điện (EVs) còn tự hào về một thành phần tiết kiệm năng lượng khác: phanh tái sinh. Phanh hãm tái sinh thu năng lượng thường bị mất dưới dạng nhiệt khi người lái phanh e. Khi xe chạy chậm lại, tất cả năng lượng được sử dụng để đi về phía trước sẽ tiêu tan vào má phanh dưới dạng nhiệt – góp phần làm mòn má phanh – trong các hệ thống phanh dựa trên ma sát. Các hệ thống truyền thống này tạo ra ma sát dừng bằng cách sử dụng đĩa phanh và má phanh, kết nối khi bàn đạp bị đè xuống, cũng như giữa các bánh xe và đường.
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng động cơ EV để chuyển đổi động năng bị mất trong quá trình giảm tốc trở lại thành năng lượng được lưu trữ vào pin xe. Năng lượng điện được lưu trữ này sẽ được sử dụng khi xe tăng tốc. Khi phanh, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện để sản xuất ra điện năng.
Phanh tái sinh là hữu ích nhất trong các điều kiện lái xe nhất định. Chúng hoạt động tốt nhất trong các tình huống dừng và đi, chẳng hạn như giao thông đông đúc hoặc điều hướng thành phố. Tất cả các hệ thống phanh xe hybrid và điện cũng đi kèm với phanh ma sát dự phòng để hoạt động khi phanh tái sinh không cung cấp đủ năng lượng để dừng xe, chẳng hạn như dừng khẩn cấp. Bàn đạp phanh có vẻ như sẽ hạ xuống nhiều hơn bình thường trong những trường hợp này nhưng điều này không có nghĩa là xe sẽ không dừng lại.
Nguyên lý cơ bản của hệ thống phanh tái tạo
Khi ô tô truyền thống phanh lại, năng lượng động lực (năng lượng chuyển động của xe) sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng và phát tán ra môi trường qua hệ thống phanh ma sát. Tuy nhiên, với hệ thống phanh tái tạo, khi tài xế nhấn phanh hoặc giảm tốc, năng lượng động lực này sẽ được thu hồi và chuyển đổi thành điện năng để sạc lại pin.
Cơ bản, khi xe đang chạy, động cơ sẽ hoạt động ở chế độ động cơ (motor mode) để tạo ra năng lượng và truyền lực tới các bánh xe. Tuy nhiên, khi tài xế đạp phanh hoặc giảm ga, hệ thống sẽ chuyển đổi động cơ sang chế độ máy phát (generator mode) và sử dụng lực quay của bánh xe để quay ngược động cơ, tạo ra điện năng. Điện năng này sau đó được dẫn vào bộ pin để lưu trữ, giúp tái sử dụng trong các lần di chuyển tiếp theo.
Cấu tạo của hệ thống phanh tái tạo
Hệ thống phanh tái tạo thường bao gồm các thành phần chính như:
- Động cơ điện (Electric Motor): Động cơ này có khả năng hoạt động như một máy phát điện khi phanh, thu hồi năng lượng động và chuyển đổi nó thành điện năng.
- Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit – ECU): Bộ điều khiển này chịu trách nhiệm điều phối quá trình phanh tái tạo. Khi phát hiện lực phanh hoặc lực giảm tốc, nó sẽ chuyển đổi động cơ từ chế độ động cơ sang chế độ máy phát để sản sinh năng lượng.
- Pin sạc (Battery): Pin là nơi lưu trữ năng lượng điện được thu hồi. Năng lượng này sẽ được sử dụng để hỗ trợ động cơ khi xe cần tăng tốc hoặc trong các tình huống cần thiết khác, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu hoặc điện năng chính.
- Bộ chuyển đổi điện (DC-DC Converter): Bộ điều hòa này giúp điều chỉnh điện áp của năng lượng thu hồi để đảm bảo an toàn khi sạc lại pin.
Lợi ích của hệ thống phanh tái tạo
a. Tăng hiệu quả năng lượng
Với phanh tái tạo, một phần năng lượng thường bị mất đi khi phanh được tái sử dụng, giúp tăng cường hiệu suất của xe. Trong các thành phố đông đúc, nơi xe liên tục phanh và di chuyển, phanh tái tạo trở thành một công cụ tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
b. Kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh truyền thống
Do phanh tái tạo giảm thiểu lực tác động lên phanh cơ khí truyền thống, nó làm giảm độ mài mòn và hao mòn của hệ thống phanh, kéo dài tuổi thọ của các bộ phận phanh như đĩa phanh và má phanh.
c. Cải thiện phạm vi di chuyển của xe điện
Phanh tái tạo giúp sạc lại pin trong quá trình lái, giúp xe có thể di chuyển xa hơn so với các xe không có hệ thống này. Đây là một lợi ích đặc biệt quan trọng cho các phương tiện điện, giúp tăng phạm vi di chuyển giữa các lần sạc.
d. Giảm lượng khí thải CO₂
Đối với xe hybrid, hệ thống phanh tái tạo có thể giúp xe sử dụng ít nhiên liệu hơn, từ đó giảm thiểu lượng khí thải CO₂ ra môi trường. Điều này góp phần bảo vệ môi trường và giảm bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Ví dụ cụ thể về ứng dụng phanh tái tạo
Tesla Model S
Tesla Model S là một trong những ví dụ điển hình về xe điện sử dụng công nghệ phanh tái tạo. Khi người lái nhả bàn đạp ga, phanh tái tạo ngay lập tức được kích hoạt, giúp sạc lại pin và giảm tốc xe một cách tự nhiên. Người lái có thể cảm nhận lực phanh từ hệ thống này, và thậm chí trong nhiều trường hợp, không cần sử dụng phanh chân. Tesla còn cho phép người dùng điều chỉnh mức độ phanh tái tạo để phù hợp với nhu cầu lái.
Toyota Prius
Toyota Prius, một trong những mẫu xe hybrid nổi tiếng, cũng sử dụng hệ thống phanh tái tạo. Hệ thống này sẽ chuyển đổi động cơ điện thành máy phát khi tài xế đạp phanh, thu hồi năng lượng để sạc lại pin hybrid. Điều này giúp xe tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, đặc biệt là khi di chuyển trong các khu vực đô thị đông đúc, nơi xe phải phanh và khởi động lại thường xuyên.
Hạn chế của hệ thống phanh tái tạo
Mặc dù phanh tái tạo mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số hạn chế:
- Khả năng tái tạo năng lượng có giới hạn: Hệ thống phanh tái tạo chỉ có thể thu hồi một phần năng lượng từ quá trình phanh. Ở tốc độ cao, hiệu suất phanh tái tạo giảm đi, do đó cần có hệ thống phanh cơ khí hỗ trợ để đảm bảo an toàn.
- Hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp: Nhiệt độ môi trường thấp có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, làm giảm khả năng sạc và lưu trữ năng lượng thu hồi được từ phanh tái tạo.
- Chi phí đầu tư ban đầu cao: Việc tích hợp hệ thống phanh tái tạo vào phương tiện sẽ tăng chi phí sản xuất. Điều này có thể làm tăng giá bán của xe, mặc dù chi phí này có thể được bù đắp qua hiệu suất năng lượng và tiết kiệm nhiên liệu trong thời gian dài.
