Cách thức hoạt động của phanh tái tạo trong xe điện

Phanh là một trong những khía cạnh quan trọng của xe. Hệ thống phanh cơ mà chúng ta sử dụng trên xe của mình có một nhược điểm lớn là lãng phí động năng của xe dưới dạng nhiệt. Điều này làm giảm hiệu suất tổng thể của xe do ảnh hưởng đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Trong chu trình lái xe trong đô thị, chúng ta có xu hướng khởi động và dừng xe thường xuyên hơn so với chu trình lái xe trên đường cao tốc. Khi chúng ta đạp phanh thường xuyên trong chu trình lái xe trong đô thị, năng lượng mất đi sẽ nhiều hơn. Các kỹ sư đã đưa ra hệ thống phanh tái tạođể phục hồi động năng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt trong quá trình phanh trong phương pháp phanh truyền thống. Theo quy luật vật lý, chúng ta không thể thu hồi tất cả động năng đã mất đi nhưng vẫn có thể chuyển đổi và lưu trữ một lượng động năng đáng kể trong pin hoặc siêu tụ điện. Năng lượng thu hồi giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu trên các phương tiện thông thường và giúp mở rộng phạm vi hoạt động của các loại xe điện. Cần lưu ý rằng quá trình phanh tái sinh có tổn thất trong khi phục hồi động năng. Trước khi đi xa hơn, bạn cũng có thể xem bài viết thú vị khác về EVs:

• Giới thiệu của một kỹ sư về Xe điện (EV)
• Các loại động cơ được sử dụng trong xe điện

Các khái niệm về phanh tái tạo có thể được thực hiện trong các phương tiện truyền thống sử dụng bánh xe Fly. Bánh đà là đĩa có quán tính cao quay với tốc độ rất cao. Chúng hoạt động như một thiết bị lưu trữ năng lượng cơ học bằng cách lấy (dự trữ) động năng của xe trong quá trình phanh. Năng lượng thu hồi trong quá trình phanh có thể được sử dụng để hỗ trợ xe trong quá trình khởi hành hoặc chuyển động lên dốc.

Trong xe điện, chúng ta có thể kết hợp phanh tái sinh theo cách điện tử hiệu quả hơn nhiều. Điều này sẽ làm giảm nhu cầu về bánh đà nặng, làm tăng thêm trọng lượng vào tổng trọng lượng của xe. Xe điện có một vấn đề cố hữu là lo lắng về phạm vi của người dùng. Mặc dù tốc độ trung bình của xe trong chu kỳ lái xe trong đô thị là khoảng 25-40 km / h, nhưng việc tăng tốc và phanh thường xuyên sẽ sớm làm hao pin. Chúng ta biết rằng động cơ có thể hoạt động như một máy phát điện trong những điều kiện nhất định. Bằng cách sử dụng tính năng này, người ta có thể ngăn không cho động năng của xe bị lãng phí. Khi chúng ta đạp phanh trong xe điện, bộ điều khiển động cơ (dựa trên đầu ra của cảm biến bàn đạp phanh) làm giảm hiệu suất hoặc dừng động cơ. Trong quá trình hoạt động này, bộ điều khiển động cơ được thiết kế đểthu hồi động năng và tích vào pin hoặc tụ điện. Phanh tái tạo giúp kéo dài phạm vi hoạt động của xe điện thêm 8-25%. Ngoài việc tiết kiệm năng lượng và nâng cao phạm vi hoạt động, nó còn giúp kiểm soát hiệu quả hoạt động phanh.

Trong hệ thống phanh cơ học, một mômen quay ngược được tác dụng lên bánh xe khi chúng ta nhấn bàn đạp phanh. Tương tự, ở chế độ phanh tái sinh, tốc độ của xe được giảm bằng cách tạo ra một mô-men xoắn âm (ngược với chuyển động) trong động cơ với sự trợ giúp của bộ điều khiển động cơ. Đôi khi mọi người bị nhầm lẫn khi họ hình dung khái niệm rằng động cơ hoạt động như một máy phát điện khi nó quay theo hướng ngược lại trong chế độ phanh tái sinh. Trong bài viết này, người ta có thể hiểu cách phục hồi động năng thông qua phương pháp phanh tái sinh trong xe điện.

Cách Động cơ hoạt động như Máy phát điện

Đầu tiên, chúng ta sẽ tập trung vào việc tìm hiểu cách động cơ có thể hoạt động như một máy phát điện. Tất cả chúng ta đều đã sử dụng động cơ DC nam châm vĩnh cửu trong các ứng dụng robot như người theo dõi đường dây. Khi bánh xe của rô bốt kết nối với động cơ quay tự do (quay bên ngoài bằng tay), đôi khi IC điều khiển động cơ bị hỏng. Điều này xảy ra do động cơ hoạt động như một máy phát điện và EMF phía sau được tạo ra (điện áp ngược có cường độ lớn hơn) được áp dụng trên IC điều khiển, điều này làm hỏng nó. Khi chúng ta quay phần ứng trong các động cơ này, nó sẽ cắt từ thông từ các nam châm vĩnh cửu. Kết quả là, EMF được tạo ra để chống lại sự thay đổi trong thông lượng. Do đó, chúng ta có thể đo điện áp ở các cực của động cơ. Đó là vì EMF phía sau là một hàm của tốc độ rôto (vòng / phút). Khi vòng / phút lớn hơn và nếu emf phía sau được tạo ra nhiều hơn điện áp cung cấp, thì động cơ hoạt động như một máy phát. Bây giờ hãy để chúng tôi xemnguyên lý này hoạt động như thế nào trong xe điện để tránh thất thoát năng lượng do phanh.

Khi động cơ tăng tốc cho xe, động năng liên kết với nó tăng theo bình phương vận tốc. Trong lúc dừng xe, xe dừng lại khi động năng bằng không. Khi chúng ta áp dụng phanh trong xe điện, bộ điều khiển động cơ hoạt động theo cách để đưa động cơ nghỉ hoặc giảm tốc độ của nó. Điều này liên quan đến việc đảo ngược hướng của mô-men xoắn động cơ thành chiều quay. Trong quá trình này, rôto của động cơ được kết nối với trục truyền động tạo ra EMF trong động cơ (tương tự như động cơ / tuabin chính dẫn động rôto của máy phát điện). Khi EMF tạo ra lớn hơn điện áp của tụ điện, thì dòng điện từ động cơ sang tụ điện. Do đó năng lượng thu hồi được sẽ được lưu trữ trong pin hoặc tụ điện.

Cách hoạt động của Phanh tái tạo trong Xe điện

Chúng ta hãy coi rằng một chiếc ô tô có động cơ cảm ứng xoay chiều ba pha làm động cơ cho động cơ đẩy của nó. Từ đặc điểm động cơ, ta biết rằng khi động cơ cảm ứng ba pha chạy trên tốc độ đồng bộ của nó, thì độ trượt trở thành âm và động cơ đóng vai trò như một máy phát điện (máy phát điện). Trong các trường hợp thực tế, tốc độ của động cơ cảm ứng luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ. Các tốc độ đồng bộlà tốc độ của từ trường quay của stato sinh ra do sự tương tác của nguồn cung cấp ba pha. Tại thời điểm khởi động động cơ, EMF cảm ứng trong rôto là cực đại. Khi động cơ bắt đầu quay, cảm ứng EMF giảm như một hàm trượt. Khi tốc độ rôto đạt đến tốc độ đồng bộ, EMF cảm ứng bằng không. Tại thời điểm này, nếu chúng ta cố gắng quay rôto trên tốc độ này, EMF sẽ được tạo ra. Trong trường hợp này, động cơ cung cấp năng lượng hoạt động trở lại nguồn điện lưới hoặc nguồn cung cấp. Chúng tôi áp dụng phanh để giảm tốc độ của xe. Trong trường hợp này, chúng ta không thể mong đợi tốc độ rôto vượt quá tốc độ đồng bộ. Đây là nơi mà vai trò của bộ điều khiển động cơ xuất hiện trong hình. Để hiểu rõ, chúng ta có thể hình dung như ví dụ dưới đây.

Giả sử rằng động cơ đang quay với tốc độ 5900 vòng / phút và tần số cung cấp là 200 Hz khi chúng ta đạp phanh, chúng ta phải giảm vòng / phút hoặc đưa nó xuống không. Bộ điều khiển hoạt động theo đầu vào từ cảm biến bàn đạp phanh và thực hiện hoạt động đó. Trong quá trình này, bộ điều khiển sẽ đặt tần số cung cấp nhỏ hơn 200 Hz như 80 Hz. Do đó tốc độ đồng bộ của động cơ trở thành 2400 vòng / phút. Từ góc độ bộ điều khiển động cơ, tốc độ của động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ của nó. Khi chúng ta giảm tốc độ trong quá trình hoạt động phanh, động cơ bây giờ hoạt động như một máy phát điện cho đến khi vòng tua máy giảm xuống 2400. Trong giai đoạn này, chúng ta có thể trích xuất điện từ động cơ và lưu trữ trong pin hoặc tụ điện.Cần lưu ý rằng ắc quy tiếp tục cung cấp năng lượng cho động cơ cảm ứng ba pha trong quá trình hãm tái sinh. Đó là do các động cơ cảm ứng không có nguồn từ thông khi nguồn cung cấp TẮT. Do đó động cơ khi hoạt động như một máy phát điện sẽ lấy công suất phản kháng từ nguồn cung cấp để thiết lập liên kết từ thông và cung cấp năng lượng hoạt động trở lại cho nó. Đối với các động cơ khác nhau, nguyên tắc phục hồi động năng trong quá trình hãm tái sinh là khác nhau. Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động như một máy phát điện mà không cần bất kỳ nguồn điện nào vì nó có nam châm trong rôto để tạo ra từ thông. Tương tự như vậy, một số động cơ có từ tính dư trong đó loại bỏ kích thích bên ngoài cần thiết để tạo ra từ thông.Đó là bởi vì các động cơ cảm ứng không có nguồn từ thông khi nguồn cung cấp TẮT. Do đó động cơ khi hoạt động như một máy phát điện sẽ lấy công suất phản kháng từ nguồn cung cấp để thiết lập liên kết từ thông và cung cấp năng lượng hoạt động trở lại cho nó. Đối với các động cơ khác nhau, nguyên tắc phục hồi động năng trong quá trình hãm tái sinh là khác nhau. Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động như một máy phát điện mà không cần bất kỳ nguồn điện nào vì nó có nam châm trong rôto để tạo ra từ thông. Tương tự như vậy, một số động cơ có từ tính dư trong đó loại bỏ kích thích bên ngoài cần thiết để tạo ra từ thông.Đó là do các động cơ cảm ứng không có nguồn từ thông khi nguồn điện TẮT. Do đó, động cơ khi hoạt động như một máy phát điện sẽ lấy công suất phản kháng từ nguồn cung cấp để thiết lập liên kết từ thông và cung cấp năng lượng hoạt động trở lại cho nó. Đối với các động cơ khác nhau, nguyên tắc phục hồi động năng trong quá trình hãm tái sinh là khác nhau. Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động như một máy phát điện mà không cần bất kỳ nguồn điện nào vì nó có nam châm trong rôto để tạo ra từ thông. Tương tự như vậy, một số động cơ có từ tính dư trong đó loại bỏ kích thích bên ngoài cần thiết để tạo ra từ thông.nguyên tắc phục hồi động năng trong quá trình phanh tái sinh là khác nhau. Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động như một máy phát điện mà không cần bất kỳ nguồn điện nào vì nó có nam châm trong rôto để tạo ra từ thông. Tương tự như vậy, một số động cơ có từ tính dư trong đó loại bỏ kích thích bên ngoài cần thiết để tạo ra từ thông.nguyên tắc phục hồi động năng trong quá trình phanh tái sinh là khác nhau. Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể hoạt động như một máy phát điện mà không cần bất kỳ nguồn điện nào vì nó có nam châm trong rôto để tạo ra từ thông. Tương tự như vậy, một số động cơ có từ tính dư trong đó loại bỏ kích thích bên ngoài cần thiết để tạo ra từ thông.

Trong hầu hết các loại xe điện, động cơ điện chỉ được kết nối với trục dẫn động duy nhất (chủ yếu là với trục dẫn động cầu sau). Trong trường hợp này, chúng ta cần sử dụng hệ thống phanh cơ học (phanh thủy lực) cho bánh trước. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển phải duy trì sự phối hợp giữa cả hệ thống phanh cơ khí và điện tử trong khi áp dụng phanh.

Phanh tái sinh có đáng được thực hiện trên tất cả các Xe điện không?

Không có nghi ngờ gì về tiềm năng thu hồi năng lượng trong khái niệm của phương pháp phanh tái sinh, nhưng nó cũng có một số hạn chế. Như đã nói ở trên, tốc độ sạc pin chậm hơn so với tốc độ nó có thể phóng điện. Điều này hạn chế lượng năng lượng phục hồi mà pin có thể lưu trữ trong quá trình phanh đột ngột (giảm tốc nhanh). Không nên sử dụng phanh phục hồi trong điều kiện đã sạc đầy. Đó là vì sạc quá mức có thể làm hỏng pin, nhưng vi mạch điện tử ngăn không cho sạc quá mức. Trong trường hợp này, tụ điện có thể lưu trữ năng lượng và giúp mở rộng phạm vi. Nếu nó không ở đó, thì phanh cơ được áp dụng để dừng xe.

Chúng ta biết rằng động năng là 0,5 * m * v ². Lượng năng lượng mà chúng ta có thể thu được phụ thuộc vào khối lượng của chiếc xe và cả tốc độ mà nó đang di chuyển. Tổng khối lượng nhiều hơn ở các loại xe hạng nặng như ô tô điện, xe buýt điện và xe tải. Trong chu trình lái xe trong đô thị, những chiếc xe hạng nặng này sẽ có được động lượng lớn sau khi tăng tốc mặc dù đang bay ở tốc độ thấp. Vì vậy, trong quá trình phanh, động năng có được nhiều hơn khi so với một xe máy điện đi cùng vận tốc. Do đó, hiệu quả của phanh tái tạo cao hơn trên ô tô điện, xe buýt và các loại xe hạng nặng khác. Mặc dù rất ít xe máy điện có tính năng phanh tái sinh, tác động của nó lên hệ thống (lượng năng lượng thu vào hoặc phạm vi mở rộng) không hiệu quả như ở ô tô điện.

Sự cần thiết đối với các ngân hàng tụ điện hoặc siêu tụ điện

Trong quá trình phanh, chúng ta cần phải dừng hoặc giảm tốc độ xe ngay lập tức. Do đó, hoạt động phanh tại thời điểm đó chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn. Pin có giới hạn về thời gian sạc, chúng ta không thể nạp thêm năng lượng vào một lúc vì nó sẽ làm pin bị suy giảm chất lượng. Ngoài ra, việc sạc và xả pin thường xuyên cũng làm giảm tuổi thọ của pin. Để tránh những điều này, chúng tôi thêm một bộ tụ điện hoặc các cực tụ điện vào hệ thống. Tụ điện siêu hay Tụ điện siêu tụ có thể xả và sạc trong nhiều chu kỳ mà không bị suy giảm hiệu suất, giúp tăng tuổi thọ của pin. Tụ điện cực có phản ứng nhanh, giúp thu nhận các đỉnh / tăng năng lượng một cách hiệu quả trong quá trình phanh tái tạo.Lý do để chọn một tụ cực là vì nó có thể lưu trữ năng lượng gấp 20 lần so với tụ điện. Hệ thống này chứa một bộ chuyển đổi DC sang DC. Trong quá trình tăng tốc, hoạt động tăng cường cho phép tụ điện phóng điện đến giá trị ngưỡng. Trong quá trình giảm tốc (tức là phanh) hoạt động buck cho phép tụ điện sạc. Các tụ cực có phản ứng thoáng qua tốt, rất hữu ích trong quá trình khởi động xe. Bằng cách lưu trữ năng lượng phục hồi ngoài pin, nó có thể giúp mở rộng phạm vi hoạt động của xe và cũng có thể hỗ trợ tăng tốc đột ngột với sự trợ giúp của mạch tăng tốc.hãm) hoạt động buck cho phép tụ điện sạc. Các tụ điện cực có phản ứng thoáng qua tốt, rất hữu ích trong quá trình khởi động xe. Bằng cách lưu trữ năng lượng đã phục hồi ngoài pin, nó có thể giúp mở rộng phạm vi hoạt động của xe và cũng có thể hỗ trợ tăng tốc đột ngột với sự trợ giúp của mạch tăng tốc.hãm) hoạt động buck cho phép tụ điện sạc. Các tụ điện cực có phản ứng thoáng qua tốt, rất hữu ích trong quá trình khởi động xe. Bằng cách lưu trữ năng lượng đã phục hồi ngoài pin, nó có thể giúp mở rộng phạm vi hoạt động của xe và cũng có thể hỗ trợ tăng tốc đột ngột với sự trợ giúp của mạch tăng tốc.