Mỗi khi bạn đạp phanh xe, bạn đang lãng phí năng lượng. Vật lý cho chúng ta biết rằng năng lượng không thể bị phá hủy. Vì vậy, khi ô tô của bạn giảm tốc độ, động năng đẩy nó về phía trước phải đi đến một nơi nào đó. Hầu hết nó chỉ đơn giản là tản nhiệt và trở nên vô dụng. Năng lượng đó, có thể được sử dụng để làm việc, về cơ bản đã bị lãng phí.
Có điều gì mà bạn, người lái xe, có thể làm để ngừng lãng phí năng lượng này không? Không hẳn vậy. Trong hầu hết các xe ô tô, đó là sản phẩm phụ không thể tránh khỏi của phanh và không có cách nào bạn có thể lái xe ô tô mà không thường xuyên nhấn phanh. Nhưng các kỹ sư ô tô đã suy nghĩ rất nhiều về vấn đề này và đã đưa ra một loại hệ thống phanh có thể thu lại phần lớn động năng của ô tô và chuyển thành điện năng, để có thể sử dụng nó để sạc lại ắc quy của ô tô. Hệ thống này được gọi là phanh tái tạo.
Hiện tại, những loại phanh này chủ yếu được tìm thấy trên các loại xe hybrid như Toyota Prius và trong các mẫu xe chạy hoàn toàn bằng điện như Tesla Roadster. Trong những loại xe như thế này, việc duy trì sạc pin có ý nghĩa quan trọng. Tuy nhiên, công nghệ này lần đầu tiên được sử dụng trên xe đẩy và sau đó đã tìm thấy đường vào những nơi khó 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 trục phanh để làm chậm hoặc dừng xe. Ma sát bổ sung được tạo ra giữa các bánh xe bị chậm lại và mặt đường. Ma sát này là thứ biến động năng của ô tô thành nhiệt. Mặt khác, với hệ thống phanh tái sinh, hệ thống lái xe thực hiện phần lớn hoạt động phanh. Khi người lái đạp vào bàn đạp phanh của xe điện hoặc xe hybrid, các loại phanh này sẽ đặt động cơ điện của xe sang chế độ lùi, khiến nó chạy ngược lại, do đó bánh xe của xe sẽ chậm lại. Trong khi chạy lùi, động cơ cũng hoạt động như một máy phát điện, tạo ra điện sau đó đưa vào pin của xe. Những loại phanh này hoạt động tốt hơn ở một số tốc độ nhất định so với những loại phanh khác. Trên thực tế, chúng 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, như một loại hệ thống dự phòng trong những tình huống mà phanh tái tạo đơn giản là không cung cấp đủ công suất dừng. Trong những trường hợp này, điều quan trọng là người lái xe phải biết thực tế là bàn đạp phanh có thể phản ứng khác với áp suất. Đôi khi bàn đạp sẽ lùi xa về phía sàn nhà hơn bình thường và cảm giác này có thể gây hoảng sợ nhất thời cho người lái xe.
Trong các trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn cách thức hoạt động của hệ thống phanh tái sinh và chúng ta sẽ thảo luận về lý do tại sao phanh tái tạo lại hiệu quả hơn hệ thống phanh ma sát thông thường.
Nội dung
Phanh tái sinh được sử dụng trên các phương tiện sử dụng động cơ điện, chủ yếu là xe chạy điện hoàn toàn và xe điện hybrid. Một trong những đặc tính thú vị của động cơ điện là, khi nó chạy theo một hướng, nó chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học có thể được sử dụng để thực hiện công việc (chẳng hạn như làm quay các bánh xe ô tô), nhưng khi động cơ được chạy ngược chiều, động cơ được thiết kế phù hợp sẽ trở thành máy phát điện, biến cơ năng thành điện năng. Năng lượng điện này sau đó có thể được đưa vào hệ thống sạc pin của ô tô.
Trong hệ thống phanh tái tạo, mẹo để động cơ chạy lùi là sử dụng động lượng của xe làm cơ năng đưa động cơ chạy ngược lại. Mômen là đặc tính giữ cho xe tiến về phía trước sau khi đã đạt đến tốc độ. Khi động cơ đã được đảo chiều, điện do động cơ tạo ra sẽ được đưa trở lại pin, nơi nó có thể được sử dụng để tăng tốc xe trở lại sau khi dừng lại. Mạch điện tử phức tạp là cần thiết để quyết định thời điểm động cơ nên đảo chiều, trong khi các mạch điện chuyên dụng định tuyến dòng điện do động cơ tạo ra vào pin của xe. Trong một số trường hợp, năng lượng tạo ra bởi các loại phanh này được lưu trữ trong một loạt tụ điện để sử dụng sau này. Ngoài ra, do các xe sử dụng các loại phanh này cũng có hệ thống phanh ma sát tiêu chuẩn nên thiết bị điện tử của xe phải quyết định xem hệ thống phanh nào là phù hợp tại thời điểm đó. Bởi vì rất nhiều điều khiển bằng điện tử trong hệ thống phanh tái tạo, người lái thậm chí có thể chọn một số cài đặt trước để xác định cách xe phản ứng trong các tình huống khác nhau. Ví dụ:trong một số loại xe, người lái xe có thể chọn bắt đầu phanh tái tạo ngay lập tức bất cứ khi nào chân người lái rời khỏi bàn đạp ga và hệ thống phanh sẽ đưa xe đi hết quãng đường 0 mph (0 km / h) hay sẽ để bờ biển hơi ô tô.
Có một xu hướng chung trong ngành công nghiệp ô tô hướng tới cái gọi là hệ thống phanh bằng dây, trong đó nhiều chức năng của phanh theo truyền thống được thực hiện bằng cơ học sẽ được thực hiện bằng điện tử. Xe hybrid và xe điện có thể sẽ là những người sớm sử dụng loại phanh này. Hiện tại, các kỹ sư ô tô khác nhau đã đưa ra các thiết kế mạch khác nhau để xử lý sự phức tạp của phanh tái tạo; tuy nhiên, trong mọi trường hợp, bộ phận quan trọng nhất của mạch phanh là bộ điều khiển phanh, chúng ta sẽ thảo luận trong phần tiếp theo.
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 phanh cần được áp dụng. 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 phương tiện đang kéo.
Phanh tái tạo được thực hiện 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 so với
bánh xe này sang bánh xe khác. Ở những xe sử dụng loại phanh này, bộ điều khiển phanh không chỉ theo dõi tốc độ của bánh xe mà còn có thể tính toán lượng mô-men xoắn - lực quay - có thể tạo ra điện để cung cấp trở lại cho ắc quy. Trong quá trình phanh hoạt động, bộ điều khiển phanh dẫn dòng điện do động cơ tạo ra vào ắc quy hoặc tụ điện. Nó đảm bảo rằng pin sẽ nhận được một lượng điện năng tối ưu, nhưng cũng đảm bảo rằng dòng điện vào không nhiều hơn mức mà pin có thể xử lý.
Tuy nhiên, chức năng quan trọng nhất của bộ điều khiển phanh có thể 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, tránh thảm họa có thể xảy ra. Trong các loại xe sử dụng các loại phanh này, cũng như bất kỳ thiết bị điện tử nào khác trên xe hybrid hoặc xe điện, bộ điều khiển phanh giúp toàn bộ quá trình phanh tái sinh có thể thực hiện được.
Xe hybrid khác với xe chạy hoàn toàn bằng điện như thế nào? Chà, xe điện hybrid sử dụng cả động cơ điện và động cơ đốt trong để mang lại trải nghiệm lái tốt nhất trên cả hai thế giới. Chúng kết hợp phạm vi hoạt động của động cơ đốt trong với đặc tính tiết kiệm nhiên liệu và không phát thải của động cơ điện. Nếu một chiếc hybrid muốn có hiệu suất nhiên liệu tối đa và tạo ra ít khí thải carbon nhất có thể, thì điều quan trọng là pin phải được sạc càng lâu càng tốt. Nếu pin của xe hybrid bị mất điện, động cơ đốt trong sẽ hoàn toàn chịu trách nhiệm cung cấp năng lượng cho xe. Tại thời điểm đó, phương tiện này không còn hoạt động như một chiếc hybrid mà chỉ là một chiếc xe khác đốt nhiên liệu hóa thạch.
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 các vật liệu nhẹ, nhưng có thể nói, một trong những thủ thuật quan trọng nhất là phanh tái tạo. Tuy nhiên, trong hệ thống hybrid, những loại phanh này chỉ có thể cung cấp năng lượng cho phần động cơ điện của hệ thống truyền động thông qua pin của xe. Đốt trong
động cơ không đạt được lợi thế nào từ những loại phanh này.
Một phần, những hiệu quả này là cần thiết do cực kỳ khó khăn trong việc tìm kiếm một nơi để nạp năng lượng cho hybrid. Điều này khiến những chuyến đi dài hơn trở nên khó khăn nếu không dựa vào động cơ đốt trong của hybrid, động cơ này thực sự làm mất đi một số lợi thế của việc sở hữu hybrid.
Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về một ý tưởng mới về phanh tái tạo này.
Một hệ thống phanh tái sinh thay thế đang được phát triển bởi Ford Motor Company và Eaton Corporation. Nó được gọi là Trợ lực thủy lực hoặc HPA . Với HPA, khi người lái đạp phanh, động năng của xe được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bơm đảo chiều, bơm chất lỏng thủy lực từ bộ tích tụ áp suất thấp (một loại bình chứa) bên trong xe vào bộ tích lũy áp suất cao. Áp suất được tạo ra bởi khí nitơ trong bình tích áp, được nén lại khi chất lỏng được bơm vào không gian mà khí đã chiếm trước đó. Điều này làm cho xe chậm lại và giúp dừng lại. Chất lỏng vẫn chịu áp suất trong bình tích áp cho đến khi người lái xe nhấn ga một lần nữa, lúc này bơm được đảo chiều và chất lỏng có áp suất được sử dụng để tăng tốc xe, biến động năng mà xe có trước khi phanh thành cơ năng. giúp xe trở lại tốc độ. Người ta dự đoán rằng một hệ thống như thế này có thể lưu trữ 80% động lượng bị mất đi bởi một chiếc xe trong quá trình giảm tốc và sử dụng nó để đưa xe di chuyển trở lại [nguồn:HybridCars.com]. Tỷ lệ phần trăm này thể hiện mức tăng thậm chí còn ấn tượng hơn những gì được tạo ra bởi các hệ thống phanh tái tạo hiện tại. Giống như phanh tái tạo điện tử, những loại phanh này - hệ thống HPA - được sử dụng tốt nhất cho việc lái xe trong thành phố, nơi giao thông dừng và đi phổ biến.
Cho đến nay, hệ thống HPA chủ yếu được sử dụng làm bằng chứng khái niệm và chỉ trong các dự án trình diễn. Họ vẫn chưa hoàn toàn sẵn sàng cho các mô hình sản xuất. Hiện tại, các phanh thủy lực này ồn ào và dễ bị rò rỉ; tuy nhiên, một khi tất cả các chi tiết được ủi phẳng, những hệ thống như vậy có thể sẽ hữu ích nhất ở những xe tải lớn nặng 10.000 pound (4.536 kg) trở lên, nơi những loại phanh này có thể chứng minh là một hệ thống tối ưu hơn phanh tái sinh được điều khiển điện tử.
Cuối cùng, công nghệ này có thể phân tán xuống các loại xe nhỏ hơn. Một công ty, Hybrid-Drive Systems, LLC, ở Michigan, đã trang bị thêm cho chiếc Volkswagen Beetle 1968 hệ thống phanh phục hồi thủy lực. Tuy nhiên, các bộ tích điện chiếm một lượng không gian đáng kể và các kế hoạch sản xuất trong tương lai tập trung nhiều hơn vào việc sử dụng công nghệ trên các phương tiện lớn hơn, như xe tải. Trong khi đó, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã hợp tác với Tập đoàn Eaton để lắp đặt hệ thống phanh tái tạo thủy lực trên các xe tải chuyển hàng của UPS.
Hiệu suất năng lượng của một chiếc ô tô thông thường chỉ khoảng 20%, với 80% năng lượng còn lại được chuyển hóa thành nhiệt thông qua ma sát. Điều kỳ diệu về phanh tái tạo là nó có thể thu lại một nửa năng lượng bị 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 sinh thủy lực có thể mang lại mức tăng ấn tượng hơn nữa, có khả năng giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 25 đến 45% [nguồn:HybridCars.com]. Trong một thế kỷ có thể thấy sự kết thúc
trữ lượng nhiên liệu hóa thạch khổng lồ đã cung cấp cho chúng ta năng lượng cho ô tô và các công nghệ khác trong nhiều năm, và trong đó nỗi lo về lượng khí thải carbon đang lên đến đỉnh điểm, thì hiệu quả gia tăng này ngày càng trở nên quan trọng.
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 đang hướng tới các nhà cung cấp năng lượng thay thế,
chẳng hạn như pin điện, nhiên liệu hydro và thậm chí cả khí nén. Phanh tái tạo là một bước nhỏ, nhưng rất quan trọng, hướng tới sự độc lập cuối cùng của chúng ta khỏi 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. Các loại phanh này cũng giúp mở rộng phạm vi lái của xe chạy hoàn toàn bằng điện. Trên thực tế, công nghệ này đã giúp mang lại cho chúng ta những chiếc xe như Tesla Roadster, chạy hoàn toàn bằng 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 chúng ra đường, chúng có thể hoạt động mà không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch và đó là một bước tiến lớn.
Hiệu quả bổ sung của phanh tái sinh cũng đồng nghĩa với việc bơm ít đau hơn, vì xe hybrid với động cơ điện và phanh tái tạo có thể di chuyển xa hơn đáng kể trên một gallon khí, một số đạt được hơn 50 dặm / gallon vào thời điểm này. Và đó là điều mà hầu hết các trình điều khiển có thể thực sự đánh giá cao.
Sơ đồ đơn giản này cho thấy cách một hệ thống phanh tái sinh có thể thu hồi một phần động năng của xe và chuyển nó thành điện năng. Điện này sau đó được sử dụng để sạc lại ắc quy của xe.
Để tìm hiểu thêm về hệ thống phanh và các chủ đề liên quan đến ô tô, hãy xem các liên kết trên trang tiếp theo.
Xuất bản lần đầu:23 tháng 1, 2009
Cách hệ thống phanh của bạn hoạt động
Cách sửa chữa răng không sơn hoạt động
Phanh tái tạo:Cách hoạt động và những gì bạn có thể làm để duy trì và nâng cấp chúng
Cách hoạt động của đồng hồ tốc độ