HỆ THỐNG PHANH TRÊN XE HYBRID CÓ GÌ MỚI VÀ ĐẲNG CẤP ?

1.Các dòng xe Hybrid phổ biến ở Việt Nam

Ở Việt Nam, các dòng xe Hybrid bao gồm: Lexus RX400h, Lexus LS600hL, Mercedes-Benz S400, Toyota Prius,… Dòng xe này là phân khúc cao cấp có giá từ 5 đến 10 tỷ này ra mắt với những ưu điểm vượt trội và ưu việt. Một số mẫu xe Hybrid nổi bật tại Việt Nam như Hình 1.

hình 1

Hình 1. Một số hình ảnh xe Hybird

Thiết bên ngoài sang trọng, nội thất cao cấp, tính năng an toàn cao và công nghệ hiện đại được trang bị trên mỗi chiếc xe khiến dòng xe này trở nên đẳng cấp. Trong đó, hệ thống phanh được thiết kế có tính năng vượt trội so với hệ thống phanh trên các dòng xe thông thường.

2.Hệ thống phanh trên xe hybrid

Trên các dòng xe Hybrid có tích hợp nhiều hệ thống mới, hiện đại như: Hệ thống chống bó cứng phanh (Anti-lock Braking System), hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp (Emergency Brake Assist), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (Electronic Brakeforce Distribution), hệ thống kiểm soát độ bám đường (Traction Control), hệ thống cân bằng thân xe điện tử (Vehicle Stability Control), hệ thống điều khiển tích hợp ổn định thân xe (Vehicle Dynamics Intergrated Management), hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Brake System).

2

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lí hệ thống phanh

1-cảm biến tốc độ, 2-đĩa phanh, 3-càng phanh, 4-đường dẫn điện,

 5-bàn đạp phanh, 6- đường dẫn dầu

Hệ thống phanh trên xe Hybrid gồm các thành phần chính: Cơ cấu phanh sử dụng phanh đĩa cho cả bánh trước và bánh sau, sử dụng hệ thống dẫn động phanh thủy lực, trợ lực bằng mô tơ bơm và bình tích năng, bộ điều chỉnh lực phanh kiểu hạn chế áp suất cùng với các hệ thống ABS, EBD, TRC, VSC, VIDM. Hình ảnh thực tế một số bộ phận của hệ thống phanh trên xe Hybrid:

3

Hình 2.2. Một số bộ phận của hệ thống phanh trên xe Hybrid

2.1. Hệ thống chống bó cứng bánh xe – Anti-lock Braking System (ABS):

Hiện nay, hầu hết các xe đều trang bị hệ thống chống bó cứng bánh xe để tránh tình trạng trượt lết trên đường trong quá trình phanh. Khi xe bị trượt lết, hướng chuyển động có khả năng mất kiểm soát gây nguy hiểm cho người lái. Thêm vào đó khi trang bị ABS quãng đường phanh được rút ngắn do tận dụng tối đa được lực bám (Hình 2.3).

4

Hình 2.3. So sánh giữa có ABS và không có ABS

Để điều khiển chống bó cứng bánh xe, trên xe được trang bị bốn cảm biến tốc độ bánh xe, ECU chứa chương trình chống bó cứng và bộ chấp hành ABS. Bộ chấp hành được bố trí trên đường dầu thủy lực đóng vai trò trung gian giữa bàn đạp phanh và cơ cấu phanh. Khi phát hiện bó cứng, ECU có nhiệm vụ điều khiển bộ chấp hành thay đổi giá trị áp lực dầu đến cơ cấu phanh theo 3 chế độ:

Giai đoạn tăng áp lực phanh: ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý và điều khiển bộ chấp hành ABS mở các van điện số 10, 11, 12, 13, 20, 21. Đường đi của dầu như Hình 2.4.

5

Hình 2.4. Sơ đồ thủy lực khi tăng áp lực phanh

1 – Bình dầu phanh, 2 – Công tắc báo mức dầu phanh, 3 – Bình chứa dầu phanh, 4 – Xylanh phanh chính, 5 – Cảm biến bàn đạp phanh, 6 – Bàn đạp phanh, 7 – Xylanh phụ, 8 – Cảm biến áp suất xylanh phanh chính 1, 9 – Cảm biến áp suất xylanh phanh chính 2, 10 – Van điện từ (SMC1), 11 – Van điện từ (SMC2), 12 – Van điện từ (SLAFL), 13 – Van điện từ (SLARR), 14 – Van điện từ (SLRFL), 15 – Van điện từ (SLRRR), 16 – Cảm biến áp suất xylanh bánh xe, 17 – Xylanh bánh xe, 18 – Van điện từ (SLRFR), 19 – Van điện từ (SLRRL), 20 – Van điện từ (SLAFR), 21 – Van điện từ (SLARL), 22 – Cảm biến áp bình chứa, 23 – Van an toàn, 24 – Bơm dầu

Giai đoạn giữ áp lực phanh: ECU điều khiển bộ chấp hành ABS đóng tất cả van điện để giữ áp lực dầu không đổi (Hình 2.5).

6

Hình 2.5. Sơ đồ thủy lực khi giữ áp lực phanh

Giai đoạn giảm áp lực phanh: Các van điện 14, 15, 18, 19 sẽ được mở ra. Đường đi của dầu như Hình 2.6.

7

Hình 2.6. Sơ đồ thủy lực khi giảm áp lực phanh

Các giai đoạn trên được lặp đi lặp lại liên tục cho đến khi kết thúc quá trình phanh. Với các dòng xe cao cấp như hybrid thì vấn đề an toàn được đặt lên hàng đầu. Vì vậy, cần thiết phải có thêm các hệ thống khác để giúp tăng mức độ an toàn và hỗ trợ người lái trong quá trình phanh.

2.2. Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp – Emergency Brake Assist (EBA) kết hợp trợ lực phanh:

Khi phát hiện người lái có hành động phanh gấp, hệ thống EBA sẽ tự động tăng nhanh áp lực dầu để làm giảm thời gian chậm tác dụng của cơ cấu phanh. Lúc này, ECU điều khiển mở van điện 12, 13, 20, 21 để áp lực dầu từ bơm và bình tích năng trực tiếp đến các bánh xe. Đường đi của dầu như Hình 2.7.

8

Hình 2.7. Sơ đồ thủy lực khi EBA hoạt động

Trợ lực phanh giúp người lái điều khiển phanh êm dịu, thoải mái, giảm năng lượng khi lái xe.

2.3. Hệ thống phân phối lực phanh điện tử – Electronic Brakeforce Distribution (EBD):

Trong tình huống xe chở một khối lượng lớn, lực quán tính sẽ làm cho trọng lượng dồn về cầu trước khi phanh, dẫn đến quãng đường phanh sẽ lớn hơn. Hoặc khi đánh lái, trọng lượng của xe sẽ dồn sang 2 bánh xe phía ngoài. Hệ thống EBD sẽ giúp phân bố lực phanh một cách tối ưu nhất dựa trên sự phân bố tải trọng lên các bánh xe (Hình 2.8).

9

Hình 2.8. Ảnh minh họa

Hệ thống EBD có thể tính được trọng lượng tác động lên từng bánh xe và thay đổi lực phanh ngay lập tức để thích ứng với sự thay đổi trọng lượng đột ngột giúp xe hoạt động ổn định. Đường đi của dầu như Hình 2.9.

11

Hình 2.9. Sơ đồ thủy lực khi hệ thống EBD tăng lực phanh lên cầu trước

2.4. Hệ thống kiểm soát lực kéo – Traction Control (TRC):

Hệ thống TRC giúp xe hạn chế trượt khi tăng tốc trên các mặt đường trơn. Khi có một bánh xe quay nhanh hơn các bánh còn lại, hệ thống TRC sẽ tự động điều khiển lực phanh thích hợp để giảm tốc độ của nó, giúp tăng độ bám đường. Đường đi của dầu khi hệ thống TRC tăng lực phanh ở cầu sau như Hình 2.10.

12

Hình 2.10. Sơ đồ thủy lực khi hệ thống TRC hoạt động

Trong nhiều trường hợp, việc tự động tăng lực phanh của hệ thống TRC là đủ để giảm sự trượt ở các bánh xe. Tuy nhiên, trên một số xe hiện đại thì hệ thống TRC còn có khả năng giảm động năng truyền từ động cơ đến bánh xe bị trượt. Trong quá trình đó, người lái có thể cảm nhận được sự rung động của bàn đạp ga, cũng giống như sự rung động của bàn đạp phanh khi hệ thống ABS làm việc (Hình 2.11).

13

Hình 2.11. Ảnh minh họa

2.5. Hệ thống cân bằng thân xe điện tử (Vehicle Stability Control – VSC):

VSC là một trong những hệ thống an toàn tiến bộ bậc nhất. Hệ thống được thiết kế đặc biệt giúp cho người lái có thể điều chỉnh được hướng chuyển động của xe khi xe bị trượt ngang ngoài ý muốn.

15

 

Hình 2.12 Ảnh minh họa

Làm cách nào hệ thống VSC có thể tự động ngăng chặn được sự trượt ngang?

16

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống VSC

Hệ thống VSC liên tục theo dõi độ trượt ngang của xe, nhằm điều khiển giữ cho xe chuyển động theo một quỹ đạo ổn định. Khi xảy ra hiện tượng quay vòng thừa hoặc thiếu thì hệ thống VSC sẽ tự động đóng bướm ga đồng thời tăng lực phanh trên từng bánh xe riêng biệt, ở thời điểm thích hợp để giúp khắc phục hiện tượng trượt ngang.

17

Hình 2.14. Sơ đồ thủy lực khi Hệ thống VSC hoạt động

Khi ECU điều khiển trượt phát hiện có hiện tượng trượt ngang xảy ra nhờ các cảm biến: Cảm biến góc lái, cảm biến tốc độ, cảm biến xoay xe, cảm biến gia tốc và cảm biến áp suất dầu phanh, sau đó sẽ tính toán giá trị áp lực phanh thích hợp và cung cấp đến bánh xe cần phanh. Quá trình này được diễn ra một cách tự động, tức là người lái không đặt chân lên bàn đạp phanh.

Hệ thống VSC hiếm khi hoạt động và không phải là hệ thống giúp người lái đi qua khúc cua với tốc độ cao hơn mà phải lái xe đúng với vận tốc quy định là yếu tố hàng đầu quyết định cho sự an toàn.

2.6. Phanh tái sinh (Regenerative brake system):

Với cơ cấu hoạt động như những hệ thống phanh trước đó nhưng ở hệ thống phanh tái sinh có thể chuyển đổi động năng của xe thành năng lượng điện đến acquy, giúp tăng hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu.

18

Hình 2.15. Ảnh minh họa

Khi bắt đầu đạp phanh, cầu trước sẽ được kết nối với động cơ điện, lúc này động cơ điện trở thành máy phát cung cấp điện sạc cho acquy đồng thời làm giảm tốc độ của xe. Khi cần gia tốc phanh lớn để dừng xe trong quãng đường ngắn nhất thì ECU sẽ tính toán và điều khiển tăng áp lực dầu phanh thích hợp tác động lên các bánh xe.

19

Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lí phanh tái sinh

Hai vấn đề cơ bản xảy ra khi sử dụng phanh tái sinh: 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, cầu sau và các bánh xe sao cho đạt được trạng thái phanh tôt nhất. Điều này đã được lập trình và điều khiển hoàn toàn tự động bởi ECU. Công nghệ phanh tái sinh là công nghệ mới, thông minh và hiện đại được trang bị trên dòng xe cao cấp như Hybrid.

2.7. Hệ thống điều khiển điện tử tích hợp – Vehicle Dynamics Integrated Management (VDIM):

Đây là một hệ thống xử lý và điều khiển xe tích hợp, thông minh, hiện đại và mang tính công nghệ rất cao được trang bị trên xe Hybrid.

20

Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lí của hệ thống VDIM

Hệ thống VDIM tích hợp phanh điều khiển điện tử (ECB), hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD), hệ thống điều khiển lực kéo (TRC), hệ thống điều khiển ổn định thân xe (VSC), hệ thống treo biến đổi thích ứng (AVS), trợ lực lái điện tử (EPS) và hệ thống điều khiển góc lái điện tử (VGRS) hoạt động đồng thời cùng nhau chứ không còn ưu tiên trước sau và hoạt động độc lập như trước đây. Hệ thống này là giải pháp giúp nó ngăn chặn các sự cố trượt của lốp xe trước khi xảy ra thay vì can thiệp để khắc phục sau khi đã xảy ra rồi như hệ thống VSC, điều này chứng tỏ VDIM là một hệ thống an toàn hiện đại bậc nhất được lắp đặt trên xe.

 

Những vấn đề phát triển ô tô điện

  1. Những tiến bộ của ắc quy Hybrid

Điểm yếu của ắc quy điện là khả năng tích lũy thấp, thời gian sạc lâu và giá sản xuất còn quá cao, nhưng ưu điểm là điện có mặt ở khắp nơi và dễ tạo một mạng lưới phân phối cho nhu cầu ôtô.  Các chương trình nghiên cứu tập trung giải quyết ba điểm yếu chính của ắc quy.

Tăng mật độ năng lượng

Hiện tại, các bình Lithium-ion sản xuất trên thị trường chỉ có mật độ cao nhất khoảng 150 Wh/kg. Với dung tích và khối lượng thích ứng với một chiếc ôtô con, bình điện có mật độ này chỉ đủ cung cấp năng lượng cho một quãng đường 100 – 150 cây số, tùy theo điều kiện giao thông.  Những phòng thí nghiệm đang làm việc trên các cực điện mới có khả năng tích lũy nhiều ions lithium hơn như ôxít mangan (LiMnO2) hay lithium sulfide (Li2S),…. Những công nghệ này đang được nghiên cứu để đưa mật độ các bình Li-ion lên đến 200 trong ngắn hạn rồi 300 và có thể tới 500Wh/kg hay cao hơn nữa, như vậy tự trị ôtô có thể đạt 400/500 cây số.

image001

 Giảm thời gian sạc

Với các phích bình thường, sạc đầy một bình điện phải đợi tới 6-7 giờ, hai phương pháp đã được nghiên cứu để giảm thời gian sạc: Phát triển các trạm sạc nhanh và rất nhanh

       Nhanh: khoảng 1 giờ: điện 3 pha với công suất 24kW,  điện áp  400V và cường độ 32A  

       Rất nhanh: điện 3 pha – 43kW – 400V – 64A

Nhưng dùng điện mạnh có hậu quả làm pin quá nóng và giảm tuổi thọ. Đổi bình thay vì sạc: Renault đang thực hiện cuộc thử nghiệm đại trà tại Đan Mạch và Do Thái phương pháp thay bình điện Quick Drop. Chỉ cần 3 phút để thay, nhưng hiện tại chỉ có một mẫu xe Fluence Renault được thiết kế cách này    

image005

–   Giảm giá bình điện

Giống như pin nhiên liệu, giá sản xuất các ắc quy sẽ giảm nhanh khi đi vào sản xuất dây chuyền. Theo dự đoán, giá một kWh ở thập niên 2020/2030 sẽ giảm hơn 10 lần so với 2010, khoảng 100 USD (xem hình 5). Lúc đó thị trường ôtô điện sẽ cạnh tranh được với thị trường xăng dầu.

 image003

Dự kiến về giá bình điện Li-ion

2. Các loại xe Hybrid

Để bước vào giai đoạn chuyển tiếp từ xăng dầu sang điện năng, các tập đoàn ôtô đã phát minh nhiều loại xe lai. Bắt đầu bằng Stop&Start và Mild hybrid, những loại hybrid với máy điện chỉ có chức năng phát điện điều hành các thiết bi để giảm từ 5 đến 10% lượng xăng tiêu thụ. Các loại xe lai đang bán trên thị trường được tóm tắt trong hình 6 dưới đây

image006

–  Full hybrid (HEV) dùng hai động cơ điện, động cơ thứ nhất cung cấp lực kéo phụ trợ khi cần và động cơ thứ hai giữ chức năng máy phát điện nhưng không dùng nguồn điện cung cấp từ bên ngoài mà chỉ sử dụng điện chuyển từ năng lượng cơ khí thu hồi khi xe giảm tốc độ và cung cấp bởi động cơ xăng. Toyota Prius I là xe đầu tiên bán trên thị trường. Loại xe này tiết kiệm khoảng 30-35% nhiên liệu xăng.

     –  Plug-in hybrid, (PHEV-xe lai sạc) có cùng nguyên tắc điều hành với full hybrid nhưng có thể cung cấp điện từ bên ngoài. Prius 3 là Plug-in hybrid đầu tiền bán trên thị trường, theo sau là   Honda (Accord), Huyndai (i30), Mercedes S500, Volvo, Ford (Fusion), Nissan 2015,…Theo Toyota, Prius 3 có thể tiết kiệm xăng từ 31 đến 67% tùy theo số lần sạc điện mỗi ngày (xem hình 7).

–   Plug-in hybrid Range Extender (PHREV) là xe lai với nguyên tắc máy điện là lực đẩy xe và sử dụng một động cơ đốt trong nhỏ để phát điện. Mẫu xe điện BMW i3 Range Extender có quãng đường vận hành khoảng 300 km mỗi lần mỗi lần sạc đầy pin và tiêu thụ 1,2 lít xăng/100km (động cơ xăng có 2 xy lanh 650 cm³) thay vì 7 lít của cùng mẫu xe thiết bị động cơ đốt trong, tiết kiệm được 85% xăng tiêu thụ.

Hiện tại trên thị trường có Opel Ampera, Chevrolet Volt, BMWi3 và thêm 14 mẫu xe từ đây tới 2018 (theo Frost & Sullivan)

  Ôtô điện 100% hay Zero emission vehicle(ZEV): Với phát minh “thay bình thay vì sạc”, Renault đã tăng tiềm năng phát triển của ôtô điện. Liên minh Renault-Nissan vừa đưa ra thị trường 5 mẫu xe điện, Renault Kangoo, Twizy, Zoé, Fluence và Nissan Leaf.

 

3. Vai trò chiến lược của các quốc gia

 Nhận định rằng ôtô điện là giải pháp lâu dài duy nhất để giải quyết hàng loạt các vấn đề cố hữu của ngành giao thông: từ việc nhiên liệu dần cạn kiệt cho đến bảo vệ môi trường đến giảm thiểu khí thải,…., các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật và các nước châu Âu đã đặt phát triển ôtô điện trong kế hoạch chiến lược, một mặt hỗ trợ các chương trình nghiên cứu và mặt khác trực tiếp tham gia vào các chương trình xây dựng những mạng lưới phân phối điện và hydrogen.

 Xây dựng các trạm nạp điện và “Lưới điện thông minh”.

Thị trường ôtô điện bắt đầu khích động bởi sự ra mắt của nhiều mẫu xe của tất cả các tập đoàn quốc tế và sự phát triển nhanh chóng của mạng lưới sạc điện. Châu Âu đã chính thức giới thiệu kế hoạch xây dựng 500.000 trạm sạc điện, tới năm 2015, tất cả các bãi đỗ xe của các tòa nhà mới xây và ở những khu vực hành chính sẽ được trang bị trạm sạc. Thành phố Newyork sẽ được trang bị 10.000 điểm sạc và Nhật sẽ có 12.000 trong dó có 8000 sạc nhanh.

Sự phát triển thị trường ôtô điện sẽ đặt vấn đề cân bằng cung-cầu năng lượng, quản lý những thời gian cao điểm và tối ưu một hệ thống phân phối đại trà. Ngoài việc tăng cường sản xuất, vấn đề sử dụng các nguồn lực một cách “thông minh” hơn là căn bản. Các quốc gia đang xây dựng “mạng lưới thông minh” (smart grid) hàm ý chỉ một giải pháp quản lý tối ưu việc sử dụng điện, từ khâu sản xuất, truyền dẫn, phân bố đến người tiêu thụ điện dựa trên cơ sở của các tiến bộ công nghệ thông tin, dùng kỹ thuật số để kết nối và thông tin cho tất cả các thiết bị năng lượng qua mạng máy tính với nhiều mục đích: quản lý sản lượng điện trong thời gian cao điểm một cách có hiệu quả, điều chỉnh giá bán điện một cách linh hoạt; nâng cao hiệu suất của lưới phân phối và tích hợp nguồn phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Để đáp ứng nhu cầu trong tương lai, châu Âu đã xây dựng một chương trình khai thác các nguồn năng lặng tái tạo ở châu Phi, đặc biệt là mặt trời và gió, để sản xuất điện và chuyển về châu Âu.

  1. Kết luận

Để kết thúc một Hội nghị về Công nghệ Xe sạch ở Paris, ban tổ chức đã chiếu slide dưới đây để xác định mục đích (hay giấc mơ) của những người nghiên cứu trong ngành ôtô: thay thế dầu khí bằng năng lượng tái tạo để – giảm ô nhiễm môi trường, giảm sa thải khí nhà kính CO2,  – ngừng hoang phí nguồn năng lượng mà thiên nhiên đã cần hàng triệu năm để chế biến từ các chất hữu cơ thành dầu khí mà chỉ hơn nửa thế kỷ qua, chúng ta đã tháo cạn hơn một nửa tài nguyên này của thế giới!

TS Khương Quang Đồng

oto-thongtintraodoi.com