Hiện nay, hệ thống phanh tái sinh (regenerative braking) trên xe điện là một công nghệ phổ biến được tích hợp để tối ưu hóa hiệu suất và tăng khả năng tiết kiệm năng lượng. Hệ thống này hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng từ động cơ khi xe giảm tốc hoặc phanh thành điện năng, sau đó lưu trữ lại trong pin để sử dụng lại.
Hệ thống phanh tái sinh trên xe điện được cấu tạo gồm một cảm biến vị trí bàn đạp phanh, mô tơ điện chính của xe, pin và hệ thống điều khiển.
Khi người lái đạp phanh, cảm biết vị trí bàn đạp phanh nhận được tín hiệu truyền xuống ECU, ECU tính toán thời gian đạp phanh và mức độ phanh để từ đó đưa ra tín hiệu có dùng phanh tái sinh bằng mô tơ hay chỉ dùng phanh cơ khí. Nếu lực cản cần thiết lớn hơn lực phanh tối đa mà mô tơ có thể tạo ra thì hệ thống sẽ cân nhắc dùng thêm phanh cơ khí để hỗ trợ. Việc điều khiển này tùy thuộc vào cầu chủ động là cầu trước hay cầu sau . Nếu kích hoạt phanh tái sinh thì năng lượng phanh sẽ chuyển hóa thành điện năng sạc cho bộ pin công suất cao, có thể chứa đến 300 volt. Nếu thời gian đạp phanh không đủ để nạp cho pin trên thì lượng điện năng thu được sẽ truyền đến bộ sạc để sạc cho ắc quy.
Xem thêm:
– Hệ Thống Phanh Trên Xe Ô Tô Điện
– Hệ thống phanh tái sinh xe Hybrid
Hệ thống phanh tái sinh
Nguyên lý hoạt động cũng tương tự như trên xe điện.
Hệ thống phanh tái sinh ở xe Hybrid
Nguyên lý làm viêc hệ thống phanh tái sinh
Đặc tính khi phanh:
Phanh tái sinh ở EV và HEV làm tăng thêm sự phức tạp trong thiết kế hệ thống phanh. Hai vấn đề cơ bản đặt ra: một là làm thế nào để phân bố tổng lực phanh yêu cầu giữa phanh tái sinh và phanh ma sát cơ khí để thu lại động năng của xe nhiều nhất có thể; hai là làm thế nào để phân phối tổng lực phanh trên cầu trước và cầu sau như thế nào để đạt được trạng thái phanh ổn định. Thông thường, phanh tái sinh chỉ có hiệu quả đối với cầu chủ động. Motor kéo phải được điều khiển để sinh ra một lượng lực phanh thích hợp để thu lại động năng đến mức có thể và cùng thời gian đó, phanh cơ khí phải được điều khiển để đáp ứng lực phanh được yêu cầu từ tài xế. Về cơ bản, có ba kiểu điều khiển phanh khác nhau: phanh nối tiếp với cảm giác phanh tối ưu; phanh nối tiếp với năng lượng thu lại tối ưu; và phanh song song
a) Phanh nối tiếp – cảm giác phanh tối ưu
Hệ thống phanh nối tiếp với cảm giác phanh tối ưu có một bộ điều khiển phanh, nó điều khiển lực phanh ở bánh trước và bánh sau. Mục đích điều khiển là tạo ra quãng đường phanh nhỏ nhất và cảm giác tối ưu cho tài xế. Khoảng cách phanh ngắn nhất và cảm giác phanh tốt nhất yêu cầu lực phanh ở bánh trước và bánh sau theo đường cong phân bố lực phanh lý tưởng I.
Khi điều khiển giảm tốc (được minh họa bởi vị trí bàn đạp phanh) nhỏ hơn 0.2g, chỉ có phanh tái sinh ở bánh trước được ứng dụng, điều này cạnh tranh với chức năng phanh động cơ ở xe truyền thống. Khi sự điều khiển giảm tốc lớn hơn 0.2g, lực phanh ở bánh trước và bánh sau theo sự phân bố đường cong lực phanh lý tưởng .
Sự minh họa lực phanh ở cầu trước và sau với phanh nối tiếp-cảm giác phanh tối ưu
Lực phanh ở bánh trước (cầu chủ động) được chia thành hai phần: lực phanh tái sinh và lực phanh ma sát cơ khí. Khi lực phanh được yêu cầu nhỏ hơn lực phanh cực đại mà motor điện có thể sinh ra, sẽ chỉ có phanh tái sinh bằng điện sử dụng. Khi sự điều khiển lực phanh lớn hơn giá trị lực phanh tái sinh, motor điện sẽ hoạt động để sinh ra mômen phanh cực đại, và lực phanh còn lại nhận được nhờ hệ thống phanh cơ khí.
Một điều nên được chú ý đó là lực phanh tái sinh cực đại sinh ra bởi motor điện có quan hệ mật thiết với tốc độ motor điện. Tại tốc độ thấp (nhỏ hơn tốc độ cơ bản), mômen cực đại là hằng số. Tuy nhiên, tại tốc độ cao (cao hơn tốc độ cơ bản), mômen cực đại giảm theo đường hyperbol với tốc độ. Bởi vậy, mômen phanh cơ khí tại một gia tốc phanh cho trước phải thay đổi theo tốc độ xe.
b) Phanh nối tiếp – sự tái sinh năng lượng tối ưu
Nguyên lý của hệ thống phanh nối tiếp với sự tái sinh năng lượng tối ưu nhằm thu lại năng lượng phanh nhiều nhất có thể trong điều kiện đạt được tổng lực phanh yêu cầu đối với sự giảm tốc cho trước nhất định.
Khi xe được phanh với một tỷ lệ gia tốc j/g < µ , lực phanh ở bánh trước và bánh sau có thể thay đổi trong một giới hạn nào đó, miễn là Fbf + Fbr = Mvj được thỏa mãn. Phạm vi thay đổi này của cầu trước và sau được trình bày ở Hình 1.14 bởi đường liền nét đậm ab, với µ = 0.9 và j/g = 0.7 . Trong trường hợp này, phanh tái sinh nên được ưu tiên sử dụng. Nếu giá trị lực phanh tái sinh (lực phanh cực đại sinh ra nhờ motor điện) ở trong phạm vi này (chẳng hạn, điểm c trong Hình 1.14 ), lực phanh ở bánh trước nên được tăng lên chỉ nhờ phanh tái sinh không cần phanh cơ khí. Lực phanh ở bánh sau, được minh họa bởi điểm e, nên được tăng lên để đạt được tổng lực phanh yêu cầu. Trên đoạn đường tương tự, nếu giá trị lực phanh tái sinh nhỏ hơn giá trị tương ứng tại điểm a (e.g., điểm i ở Hình 1.14), motor điện nên được điều khiển để sinh ra lực phanh tái sinh cực đại. Lực phanh trước và sau nên được điều khiển tại điểm f nhằm tối ưu cảm giác của tài xế và giảm quãng đường phanh. Trong trường hợp này, lực phanh thêm vào bánh trước phải được tăng lên nhờ một lượng phanh cơ khí được minh họa bằng F(bf-mech), và lực phanh ở cầu sau được minh họa bởi điểm h.
Biểu diễn của phanh nối tiếp-sự tái sinh năng lượng
Khi tỷ lệ giảm tốc j/g được điều khiển nhỏ hơn hệ số bám đường (chẳng hạn j/g = 0.3 ), và lực phanh tái sinh có thể đạt được tổng lực phanh yêu cầu, chỉ có phanh tái sinh được sử dụng không có phanh cơ khí ở bánh trước và sau (điểm j).
Khi tỷ lệ giảm tốc j/g được điều khiển bằng hệ số bám đường µ điểm hoạt động của lực phanh trước và sau phải nằm trên đường cong I. Trên đường có hệ số bám cao (chẳng hạn µ = 0.7 , điểm hoạt động f), lực phanh tái sinh cực đại được ứng dụng và còn lại được cung cấp bởi phanh cơ khí. Trên đường với hệ số bám thấp (chẳng hạn µ = 0.4 , điểm hoạt động k), một mình phanh tái sinh được sử dụng để tăng lực phanh bánh trước.
Khi tỷ lệ giảm tốc j/g được điều khiển lớn hơn hệ số bám đường µ, sự điều khiển tỷ lệ giảm tốc này sẽ không bao giờ đạt được do sự hạn chế độ bám của đường. Sự giảm tốc cực đại mà xe có thể đạt được là (a/g)max = µ . Điểm hoạt động của lực phanh trước và sau nằm trên đường cong I , tương ứng với µ (chẳng hạn µ=0.4 và j/g >0.4 ); điểm hoạt động là điểm k và hệ số giảm tốc cực đại là j/g = 0.4
Một điều nên được chú ý rằng phanh nối tiếp với cảm giác tối ưu và tái sinh năng lượng tối ưu cần hoạt động điều khiển của cả lực phanh điện tái sinh và lực phanh cơ khí ở bánh trước và sau. Hiện nay, hệ thống phanh như vậy đang được nghiên cứu và phát triển.
c) Phanh song song
Hệ thống phanh song song bao gồm cả phanh điện (phanh tái sinh) và phanh cơ khí, chúng sinh ra lực phanh song song và đồng thời. Nguyên lý hoạt động được minh họa ở, chỉ có phanh tái sinh được sử dụng ở bánh trước.
Hệ thống phanh song song có một phanh cơ khí truyền thống, phanh này có hệ số phân bố lực phanh cố định ở bánh trước và bánh sau. Phanh tái sinh làm tăng thêm lực phanh tới bánh trước, kết quả làm sự phân bố tổng lực phanh theo đường cong. Lực phanh cơ khí ở cầu trước và cầu sau tương ứng với áp suất thủy lực trong xy lanh chính. Lực phanh tái sinh tăng lên nhờ motor điện là một hàm của áp suất thủy lực ở xy lanh chính, và vì vậy là hàm giảm tốc xe. Bởi vì giá trị lực phanh tái sinh là một hàm số của tốc độ motor và bởi vì hầu hết động năng không thể được thu lại tại tốc độ motor thấp, lực phanh tái sinh ở mức giảm tốc độ xe cao (e.g., a/g = 0.9 ) được thiết kế bằng 0 để duy trì trạng thái phanh cân bằng.
Khi sự giảm tốc được yêu cầu nhỏ hơn sự giảm tốc này, phanh tái sinh sẽ có hiệu quả. Khi điều khiển phanh giảm tốc nhỏ hơn một giá trị cho trước, chọn 0.15 g, thì chỉ có phanh tái sinh được sử dụng. Điều này giống với sự phanh động cơ ở xe truyền thống. Hình vẽ minh họa lực phanh tái sinh F(bf – regen), và lực phanh cơ khí ở bánh trước F(bf – mech) và bánh sau F(bf – mech*).
Hình vẽ cho biết tổng lực phanh, lực phanh tái sinh, và lực phanh cơ khí ở bánh trước cũng như lực phanh ở bánh sau trong hệ thống phanh song song của một xe du lịch.
Hệ thống phanh song song không cần bộ điều khiển điện tử hệ thống phanh cơ khí. Một cảm biến áp suất nhận biết áp suất thủy lực trong xy lanh chính, nó tượng trưng cho yêu cầu giảm tốc. Tín hiệu áp suất được điều chỉnh và gởi tới bộ điều khiển motor điện để điều khiển motor điện sinh ra mômen phanh theo yêu cầu. So với phanh nối tiếp của cả cảm giác phanh tối ưu và tái sinh năng lượng tối ưu, hệ thống phanh song song có kết cấu và hệ thống điều khiển đơn giản hơn nhiều. Tuy nhiên, cảm giác phanh của tài xế, và một lượng năng lượng thu lại thì có thể chấp nhận được.
