Tiểu luận môn học phanh tái sinh năng lượng mới trên Ô tô

Phanh tái sinh là một hệ thống tiên tiến cho phép xe thu hồi và tái sử dụng năng lượng thay vì lãng phí dưới dạng nhiệt khi giảm tốc độ hoặc phanh gấp, như trong hệ thống phanh truyền th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VĂN LANG KHOA KỸ THUẬT Ô TÔ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC PHANH TÁI SINH NĂNG LƯỢNG MỚI TRÊN Ô TÔ

GVHD: ThS Trần Minh Kết SVTH:

1 Bùi Hồng Phúc (2175102050120)

3 Tô Hiền Phúc (2175102050145)

2 Lê Duy Anh (2175102050003)

4 Nguyễn Đức Anh Đô (2175102050024)

5 Trần Văn Sang (2175102050057)

6 Nguyễn Quân Bảo (2175102050304)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2024

MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với những thách thức nghiêm trọng về biến đổi khí hậu và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch, ngành công nghiệp ô tô đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ để hướng tới các giải pháp giao thông bền vững Xe điện và xe hybrid, với khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải, đang ngày càng trở thành lựa chọn ưu tiên của người tiêu dùng Để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các phương tiện này, công nghệ phanh tái sinh (regenerative braking) đã ra đời và nhanh chóng khẳng định vị thế quan trọng của mình Phanh tái sinh là một hệ thống tiên tiến cho phép xe thu hồi và tái sử dụng năng lượng thay vì lãng phí dưới dạng nhiệt khi giảm tốc độ hoặc phanh gấp, như trong hệ thống phanh truyền thống

Không chỉ là giải pháp giúp gia tăng hiệu quả năng lượng, phanh tái sinh còn mang đến nhiều lợi ích thiết thực, từ việc kéo dài quãng đường xe có thể di chuyển trên mỗi lần sạc, đến việc giảm hao mòn của hệ thống phanh cơ học Điều này không chỉ giảm chi phí vận hành cho người sử dụng mà còn góp phần thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang giao thông xanh, bền vững Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn đối mặt với một số thách thức và hạn chế, đòi hỏi sự cải tiến và phát triển liên tục để đạt được hiệu suất tối ưu

Tiểu luận này sẽ đi sâu vào tìm hiểu cơ chế hoạt động, cấu tạo, ưu điểm và hạn chế của phanh tái sinh, từ đó làm rõ vai trò của công nghệ này trong việc phát triển giao thông bền vững

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ 2

1.1 Khái niệm 3

1.2 Lịch sử ra đời của phanh tái sinh trên ô tô 3

1.2.1 Bước tiến trong ngành đường sắt 3

1.2.2 Sự phát triển của xe hybrid và ứng dụng phanh tái sinh 4

1.3 Phanh tái sinh trên xe điện hiện đại 4

1.4 Vai trò của phanh tái sinh trong ô tô hiện đại 6

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CỦA PHANH TÁI SINH 7

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG CỦA PHANH TÁI SINH 10

CHƯƠNG 4: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHANH TÁI SINH 12

4.1 Ưu điểm của hệ thống phanh tái sinh 12

4.2 Nhược điểm của hệ thống phanh tái sinh 12

KẾT LUẬN 14

BẢNG PHÂN CÔNG NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ

1.1 Khái niệm

Hệ thống phanh tái tạo năng lượng, hay phanh tái sinh năng lượng (Regenerative Braking System – BRS) là hệ thống chuyển đổi động năng, nhiệt năng của vật thể và lực quán tính sinh ra khi phanh thành điện năng lưu trữ trong ắc quy hay pin Đây là một công nghệ hiện đại trong ngành công nghiệp ô tô, hệ thống phanh tái sinh (Regenerative braking system) được áp dụng dành cho các dòng xe hybrid và các dòng xe thuần điện

Đây là một hệ thống phanh tiên tiến được sử dụng kết hợp với hệ thống phanh truyền thống trên xe điện/hybrid hiện đại Nó biến đổi động – nhiệt năng của quá trình phanh sinh ra thành điện để sử dụng lại

Hầu hết các xe mới nhất từ các nhà sản xuất như Tesla, Volkswagen, Mercedes-Benz, Toyota đều sử dụng công nghệ phanh này

Hình 1.1: Phanh tái sinh là một hệ thống không thể thiếu trên ô tô điện và hybrid

1.2 Lịch sử ra đời của phanh tái sinh trên ô tô

Phanh tái sinh (Regenerative Braking System) là một trong những bước đột phá quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt khi xe điện (EV) và xe hybrid (HEV) bắt đầu phát triển mạnh mẽ Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống này có liên quan chặt chẽ với xu hướng điện hóa phương tiện giao thông nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

1.2.1 Bước tiến trong ngành đường sắt

Ý tưởng thu hồi năng lượng từ quá trình phanh không phải là mới Ngay từ thế

kỷ 19, khi các hệ thống đường sắt điện đầu tiên ra đời, các kỹ sư đã suy nghĩ về cách tái sử dụng động năng thay vì lãng phí nó dưới dạng nhiệt Nhiều hệ thống đường sắt

đã thử nghiệm các hình thức phanh điện tử để tái tạo năng lượng, nhưng với sự phát triển hạn chế của công nghệ lưu trữ năng lượng vào thời điểm đó, ý tưởng này không được áp dụng rộng rãi

Phanh tái sinh bắt đầu được thử nghiệm lần đầu tiên trong các hệ thống giao thông công cộng, đặc biệt là trong ngành đường sắt vào thế kỷ 20 Đường sắt sử dụng các hệ thống điện để chạy tàu, và khi tàu phanh, động năng của tàu có thể được chuyển đổi thành điện năng và tái sử dụng hoặc đưa ngược trở lại hệ thống lưới điện

Hệ thống phanh này giúp giảm thiểu sự lãng phí năng lượng và được sử dụng thành công trong các tuyến tàu điện ngầm của nhiều thành phố lớn trên thế giới

1.2.2 Sự phát triển của xe hybrid và ứng dụng phanh tái sinh

Khái niệm phanh tái sinh trên ô tô thực sự bắt đầu khi các hãng sản xuất xe nghiên cứu các phương tiện hybrid (xe lai giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) Toyota Prius, được giới thiệu vào năm 1997, là một trong những chiếc xe đầu tiên trang bị hệ thống phanh tái sinh Đây là một cột mốc quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô,

mở đường cho việc ứng dụng rộng rãi công nghệ phanh tái sinh trên các dòng xe hybrid và xe điện sau này

Toyota Prius sử dụng động cơ điện để hỗ trợ động cơ đốt trong, và trong quá trình phanh, động cơ điện sẽ chuyển hóa động năng của xe thành năng lượng điện và sạc lại pin Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn cải thiện hiệu suất nhiên liệu, một trong những ưu điểm nổi bật của dòng xe hybrid

Hình 1.2: Toyota Prius 1997

1.3 Phanh tái sinh trên xe điện hiện đại

Với sự bùng nổ của xe điện trong thập kỷ 2010 và 2020, phanh tái sinh đã trở thành một phần không thể thiếu của mọi chiếc xe điện Tesla, một trong những hãng tiên phong trong công nghệ xe điện, đã áp dụng và cải tiến hệ thống phanh tái sinh để tối

ưu hóa hiệu suất của các mẫu xe như Model S, Model 3 Xe điện hiện đại không chỉ thu hồi năng lượng phanh để tái sử dụng mà còn cho phép người lái điều chỉnh mức

độ phanh tái sinh tùy theo nhu cầu vận hành

Phanh tái sinh trên xe điện ngày càng trở nên phức tạp và hiệu quả hơn, khi kết hợp với các công nghệ điều khiển điện tử tiên tiến để tối đa hóa khả năng lưu trữ năng lượng, giúp tăng phạm vi hoạt động của xe và giảm thiểu chi phí vận hành

Hình 1.3: Tesla Model S

Hình 1.4: Tesla Model 3

Mục đích chính của hệ thống phanh tái sinh là thu hồi và tái sử dụng động năng của xe khi giảm tốc, thay vì lãng phí nó dưới dạng nhiệt như trong hệ thống phanh truyền thống Khi xe phanh, động năng được chuyển hóa thành điện năng và lưu trữ

trong pin, từ đó có thể sử dụng lại để vận hành xe hoặc cung cấp năng lượng cho các thiết bị phụ trợ

Lợi ích lớn nhất của phanh tái sinh là tiết kiệm năng lượng, giúp tăng hiệu suất tổng thể của xe, đặc biệt là đối với xe điện và hybrid Ngoài ra, phanh tái sinh còn giảm hao mòn hệ thống phanh cơ học, từ đó kéo dài tuổi thọ của phanh và giảm chi phí bảo trì

Một lợi ích khác là giảm phát thải khí CO2, giúp xe điện và hybrid thân thiện hơn với môi trường Phanh tái sinh cũng góp phần tăng phạm vi hoạt động của xe điện bằng cách tận dụng năng lượng tái tạo từ quá trình phanh, từ đó giảm tần suất sạc pin và nâng cao trải nghiệm người dùng

1.4 Vai trò của phanh tái sinh trong ô tô hiện đại

Phanh tái sinh đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của ô tô hiện đại Đối với xe điện và hybrid, phanh tái sinh giúp thu hồi động năng khi xe giảm tốc độ, chuyển đổi nó thành điện năng và lưu trữ trong pin Điều này giúp xe tận dụng lại năng lượng thay vì lãng phí dưới dạng nhiệt, góp phần tăng hiệu suất hoạt động tổng thể Đây là một yếu tố then chốt, đặc biệt với các dòng xe chạy điện, vì phạm vi di chuyển của chúng phụ thuộc vào lượng năng lượng có sẵn trong pin Việc tái sử dụng động năng giúp xe đi được quãng đường dài hơn sau mỗi lần sạc, giảm tần suất sạc pin và cải thiện trải nghiệm người dùng

Bên cạnh việc tối ưu hóa năng lượng, phanh tái sinh còn giúp giảm sự hao mòn của hệ thống phanh truyền thống Thay vì dựa hoàn toàn vào ma sát để giảm tốc, phanh tái sinh phân phối tải công việc giữa động cơ điện và hệ thống phanh cơ khí, từ

đó kéo dài tuổi thọ của các thành phần phanh và giảm thiểu chi phí bảo trì

Phanh tái sinh còn đóng góp vào việc giảm phát thải khí CO2, một trong những

ưu điểm quan trọng của công nghệ này Khi phanh tái sinh được tích hợp vào xe điện

và hybrid, nó không chỉ giúp xe tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm lượng khí thải trong quá trình vận hành, góp phần làm giảm tác động tiêu cực đến môi trường Điều này rất phù hợp với xu hướng toàn cầu trong việc phát triển các giải pháp giao thông xanh

và bền vững

Ngoài ra, phanh tái sinh còn hỗ trợ tích hợp với các công nghệ điều khiển thông minh và hệ thống quản lý năng lượng của xe Hệ thống điều khiển có thể điều chỉnh mức độ tái sinh năng lượng dựa trên điều kiện lái xe, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống phanh và cung cấp một trải nghiệm lái xe mượt mà hơn Sự kết hợp giữa phanh tái sinh và các công nghệ tiên tiến khác giúp cải thiện hiệu suất tổng thể và đảm bảo tính an toàn trong vận hành

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CỦA PHANH TÁI SINH

Cấu tạo của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện hay hybrid bao gồm một số thành phần quan trọng, giúp chuyển đổi động năng của xe thành điện năng và lưu trữ

nó trong pin Các thành phần chính trong hệ thống này bao gồm:

a) Động cơ điện

Động cơ điện trên xe hybrid hay xe điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phanh tái sinh Khi ô tô giảm tốc độ, động cơ này sẽ hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi động năng của xe thành điện năng Trong quá trình phanh tái sinh, động cơ điện tạo ra một lực điện từ ngược chiều với hướng di chuyển của xe, giúp làm chậm tốc độ của xe mà không cần sử dụng phanh ma sát cơ học

Động cơ điện này có thể hoạt động ở cả hai chế độ:

 Chế độ truyền động: Khi xe tăng tốc, động cơ điện sử dụng năng lượng từ pin

để di chuyển xe

 Chế độ tái sinh: Khi xe phanh hoặc giảm tốc, động cơ điện thu hồi động năng

và chuyển đổi thành điện năng để sạc lại pin

Hình 2.1: Động cơ điện

b) Pin

Pin trong xe điện hoặc xe hybrid là nơi lưu trữ năng lượng thu hồi từ quá trình phanh tái sinh Điện năng sinh ra từ động cơ điện được truyền đến pin và lưu trữ để sử dụng lại sau này

Pin thường là loại pin lithium-ion, có khả năng sạc và xả nhanh chóng, đáp ứng tốt yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh

Hình 2.2: Pin lithium-ion

c) Bộ chuyển đổi năng lượng

Trong xe Hybrid và xe ô tô điện nhiệm vụ chính của bộ chuyển đổi năng lượng

là quản lý nguồn năng lượng trên xe Bộ chuyển đổi năng lượng được bao gồm 2 thành phần quan trọng là bộ chuyển đổi nguồn DC/AC và bộ chuyển đổi điện áp

DC-DC hoạt động song song với nhau

Bộ chuyển đổi năng lượng là một thiết bị duy nhất chứa cả Bộ chuyển đổi năng lượng DC/AC và bộ chuyển đổi điện áp Đây là những thiết bị cùng được ô tô điện (EVs) và xe Hybrid sử dụng để quản lý hệ thống truyền động điện của xe

Hình 2.3: Bộ chuyển đổi năng lượng

d) Hệ thống điều khiển điện tử (ECU)

Hệ thống điều khiển điện tử (Electronic Control Unit - ECU) là “bộ não” của hệ thống phanh tái sinh ECU giám sát và điều chỉnh hoạt động của các thành phần trong

hệ thống, bao gồm động cơ điện, pin, và bộ biến tần, để đảm bảo rằng quá trình phanh tái sinh diễn ra một cách hiệu quả nhất

ECU nhận tín hiệu từ bàn đạp phanh của người lái và xác định mức độ phanh cần thiết, sau đó điều chỉnh động cơ điện và hệ thống phanh tái sinh để đáp ứng yêu cầu Ngoài ra, ECU còn theo dõi tình trạng của pin để đảm bảo pin không bị quá tải hoặc quá nhiệt trong quá trình sạc

e) Bàn đạp phanh và cảm biến phanh

Bàn đạp phanh trên xe được trang bị các cảm biến để ghi nhận lực nhấn từ người lái và gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển phanh Cảm biến phanh sẽ đo lực phanh yêu cầu và truyền tín hiệu này đến ECU Dựa vào dữ liệu này, ECU sẽ quyết định mức độ phanh tái sinh và khi nào cần kết hợp với hệ thống phanh cơ học để đảm bảo xe giảm tốc an toàn và hiệu quả

Hình 2.4: Cảm biến phanh

f) Bộ điều khiển phối hợp phanh (Brake Blending System)

Bộ điều khiển phối hợp phanh đảm bảo sự hòa hợp giữa hệ thống phanh tái sinh và phanh cơ học Trong các tình huống phanh thông thường, hệ thống sẽ ưu tiên

sử dụng phanh tái sinh để tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, nếu cần nhiều lực phanh hơn, hệ thống phanh cơ học sẽ được kích hoạt bổ sung Bộ điều khiển này giúp quá trình chuyển đổi giữa hai hệ thống diễn ra mượt mà, mang lại trải nghiệm phanh êm ái

và an toàn cho người lái

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG CỦA

PHANH TÁI SINH

Trong xe điện hoặc xe hybrid, động cơ điện không chỉ có chức năng truyền động mà còn có thể hoạt động như một máy phát điện

Khi người lái đạp phanh, thay vì động năng của xe bị mất đi, động cơ điện sẽ chuyển sang chế độ ngược, tức là hoạt động như một máy phát để chuyển động năng thành điện năng

Hình 3.1: Khi đạp phanh động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện

Điện năng được tạo ra từ quá trình phanh sẽ được nạp lại vào bộ pin của xe Năng lượng này sau đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe khi cần, giúp giảm bớt lượng năng lượng từ động cơ hoặc pin chính

Hình 3.2: Điện năng được nạp lại vào pin

Lượng năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tốc

độ và khối lượng của xe Xe chạy ở tốc độ cao và có khối lượng lớn sẽ có nhiềđộng năng hơn, do đó khả năng thu hồi năng lượng sẽ lớn hơn

Hiệu suất của hệ thống phanh tái sinh cũng đóng vai trò quan trọng, các hệ thống có thiết kế tối ưu với động cơ điện và pin hiệu suất cao sẽ thu hồi nhiều năng lượng hơn

Điều kiện phanh cũng ảnh hưởng, phanh mềm và dần dần sẽ thu hồi năng lượng tốt hơn so với phanh gấp

CHƯƠNG 4: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHANH TÁI SINH

4.1 Ưu điểm của hệ thống phanh tái sinh

 Tiết kiệm năng lượng:

Phanh tái sinh cho phép thu hồi động năng khi xe giảm tốc và chuyển đổi nó thành điện năng, giúp tiết kiệm nhiên liệu Điều này đặc biệt quan trọng trong xe điện

và hybrid, nơi hiệu suất năng lượng quyết định phạm vi di chuyển của xe

 Tăng cường phạm vi hoạt động của xe điện:

Bằng cách sử dụng năng lượng tái thu hồi từ quá trình phanh, phạm vi hoạt động của

xe điện được mở rộng Người lái có thể đi xa hơn mà không cần sạc pin thường xuyên

 Giảm hao mòn hệ thống phanh cơ học:

Phanh tái sinh làm giảm sự phụ thuộc vào phanh cơ học, dẫn đến giảm hao mòn của má phanh và đĩa phanh Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh và giảm chi phí bảo trì

 Giảm phát thải khí CO2:

Phanh tái sinh góp phần giảm lượng khí thải CO2 và ô nhiễm môi trường bằng cách cải thiện hiệu suất năng lượng của xe điện và hybrid Khi xe sử dụng ít nhiên liệu hơn, lượng khí thải từ quá trình vận hành cũng giảm

 Tăng cường hiệu suất lái xe:

Phanh tái sinh có thể cung cấp lực phanh mượt mà và kiểm soát tốt hơn, giúp cải thiện cảm giác lái cho người điều khiển Hệ thống điều khiển thông minh cho phép điều chỉnh mức độ phanh tái sinh dựa trên điều kiện lái xe

 Khả năng tích hợp với công nghệ thông minh:

Hệ thống phanh tái sinh có thể tích hợp với các công nghệ điều khiển điện tử và

tự động hóa, cho phép tối ưu hóa hiệu suất và cải thiện trải nghiệm người lái Việc sử dụng AI trong quản lý phanh tái sinh có thể giúp cải thiện hiệu quả tổng thể

4.2 Nhược điểm của hệ thống phanh tái sinh

Nhược điểm là phanh tái tạo năng lượng chỉ hiệu quả khi giảm tốc ở tốc độ thấp Đồng thời do tốc độ sạc lại tối đa của mạch và dung lượng của pin, lực hãm từ kiểu điện từ RBS luôn bị giới hạn, do đó người ta thường kết hợp cả 2 loại phanh để tối ưu hóa hiệu quả cho hệ thống phanh trên xe Thêm vào đó, trang bị thêm RBS đồng nghĩa với việc tăng trọng lượng của toàn bộ chiếc xe Mặc dù RBS có thể cải