Nguyên lý thu hồi năng lượng phanh trên xe ôtô lai, xe điện

Hiệu suất phanh là một yếu tố quan trọng đảm bảo tính an toàn của một chiếc xe. Một hệ thống phanh tốt luôn phải đáp ứng được yêu cầu giảm nhanh tốc độ xe và duy trì khả năng điều khiển hướng đi của xe. Yêu cầu trước hết là hệ thống phanh phải cung cấp đủ mô men phanh trên tất cả các bánh xe. Tiếp đến là phải phân bố lực phanh hợp lý trên các bánh xe. Nhìn chung, mômen hãm cần thiết lớn hơn nhiều so với mômen cản mà động cơ điện có thể tạo ra (khi làm việc ở chế độ máy phát), đặc biệt là trong lúc phanh gấp. Do đó, trên các dòng xe điện, xe lai và xe pin nhiên liệu (EVs, HEVs, FCVs) hệ thống phanh cơ khí phải cùng tồn tại với phanh tái tạo điện. Vì vậy, đây là một hệ thống phanh lai. Mặc dù, trong hệ thống động cơ của xe lai, xe điện, có rất nhiều kiểu và phương pháp điều khiển song mục tiêu cuối cùng của việc thiết kế và điều khiển các hệ thống phanh là phải đảm bảo hiệu suất phanh và khả năng thu hồi năng lượng phanh nhiều nhất có thể.

Thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh là một vấn đề tương đối phức tạp khi thiết kế hệ thống phanh của xe điện, xe lai và xe pin nhiên liệu. Có 2 vấn đề cần phải giải quyết: thứ nhất , là phải phân bố lực phanh tổng thành lực phanh tái tạo (phần sẽ thu hồi) và lực phanh ma sát (phần không thu hồi) như thế nào để có thể tái tạo năng lượng nhiều nhất có thể; hai là phải phân bố tổng lực phanh như thế nào trên trục trước, sau để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả phanh. Thông thường, lực phanh tái tạo chỉ hiệu quả trên trục chủ động. Động cơ điện sẽ phải được điều khiển để tạo ra một lượng lực phanh phù hợp sao cho năng lượng thu hồi là lớn nhất có thể, đồng thời, tổng lực phanh để làm xe giảm tốc độ cũng phải phù hợp với lệnh của người lái. Để đáp ứng những đòi hỏi trên, hệ thống phanh lai có 2 loại: hệ thống phanh lai song song và hệ thống phanh lai điều khiển toàn phần.

Hệ thống phanh lai song song ( như hình 1): đây là hệ thống phanh lai đơn giản nhất, nó có tất cả các bộ phận cơ khí của một hệ thống phanh thông thường và có thêm bộ phanh điện ở trục trước (trục truyền động chính). Hệ thống phanh cơ khí bao gồm xy lanh phanh chính và bộ khuếch đại, xy lanh phanh bánh xe, má phanh, đĩa phanh. Nó có thể có hoặc không có hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và cơ cấu chấp hành. Động cơ điện được bố trí trực tiếp ở trục trước, lực phanh do nó tạo ra được điều khiển bởi bộ xử lý trung tâm dựa trên tín hiệu tốc độ  xe và vị trí bàn đạp phanh. Dựa trên các tín hiệu này bộ xử lý trung tâm sẽ tính toán ra lực phanh theo chương trình có sẵn trong bộ xử lý trung tâm. Đặc điểm của hệ thống phanh lai song song là lực phanh do động cơ điện tạo ra được điều khiển bởi hệ thống điều khiển điện tử; lực phanh do hệ thống cơ khí tạo ra do người lái tác động vào bàn đạp phanh trước khi hệ thống chống bó cứng hoạt động. Tuy nhiên khi bánh xe bị bó cứng thì lực phanh cơ khí sẽ được hệ thống chống bó cứng điều khiển.

Hình 1. Nguyên lý cấu tạo hệ thống phanh lai song song.

Hệ thống phanh lai điều khiển toàn phần ( như hình 2): Trong những năm gần đây, những hệ thống phanh tiên tiến được sử dụng trên xe lai, xe điện, nó cho phép điều khiển lực phanh trên các bánh xe độc lập hoàn toàn với nhau. Hệ thống phanh điện thủy lực và hệ thống phanh cơ điện tử là hai ví dụ điển hình. Trên hình  2 là sơ đồ nguyên lý một hệ thống phanh lai điều khiển toàn phần. Nó bao gồm một hệ thống phanh điện thủy lực và một hệ thống phanh điện tái tạo.

Hình 2. Nguyên lý cấu tạo hệ thống phanh lai điều khiển toàn phần
 

Hệ thống phanh cơ khí bao gồm những bộ phận chủ yếu sau: Bàn đạp phanh và cảm biến vị trí bàn đạp phanh; xy lanh phanh chính; cơ cấu chấp hành điện để thực hiện phanh và điều khiển quá trình phanh; van 3 ngả điều khiển điện ; két chứa dầu thủy lực; cảm biến áp suất dầu thủy lực. Ở chế độ khai thác thông thường, cửa 1 và cửa 3 của van 3 ngả sẽ mở còn cửa 2 thì đóng. Lực phanh độc lập trên mỗi bánh xe được tạo ra bởi bộ chấp hành phanh điều khiển điện (9). Nó được điều khiển bởi bộ điều khiển phanh (13). Lực phanh trên mỗi bánh xe được bộ điều khiển phanh tính toán theo chương trình tích hợp sẵn dựa trên các tín hiệu đầu vào: tín hiệu của cảm biến áp suất dầu thủy lực, tín hiệu của cảm biến vị trí bàn đạp phanh, tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe. Dầu thủy lực lưu thông từ xy lanh phanh chính qua van 3 ngả về két chứa vừa để tạo ra áp suất cho cảm biến áp suất, vừa tạo ra cảm giác phanh cho người lái giống như hệ thống phanh thông thường. Trong trường hợp hệ thống phanh có sự cố ở bất kỳ cơ cấu chấp hành phanh (9) nào thì van ba ngả tương ứng sẽ chuyển sang chế độ mở cửa 1 và cửa 2, đóng cửa 3, khi đó dầu thủy lực đi từ xy lanh phanh chính đến xy lanh phanh bánh xe để duy trì lực phanh trên bánh xe đó. Hệ thống phanh điện tái tạo bao gồm 1 động cơ điện, bộ điều khiển và bộ tích trữ điện năng. Bộ điều khiển phanh điện tái tạo được dùng để điều khiển lực phanh điện theo chương trình lập sẵn dựa trên các tín hiệu đầu vào: tốc độ bánh xe, hành trình bàn đạp phanh và tình trạng nạp của bộ tích trữ điện năng.

Như vậy, có thể thấy chương trình tính toán lực phanh và điều khiển quá trình phanh của hệ thống phanh lai là then chốt trong cả 2 kiểu hệ thống trên. Ở hệ thống kiểu 1 thì chương trình phải tính toán, khiển hệ thống phanh điện sao cho thu hồi được nhiều năng lượng nhất có thể. Còn ở kiểu 2 thì chương trình phải tính toán, điều khiển cả hệ thống phanh cơ khí và hệ thống phanh điện để có được hiệu quả phanh tối ưu và thu hồi được nhiều năng lượng nhất.