Hệ thống phanh tái tạo năng lượng i-ELoop của Mazda: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động?

Hệ thống phanh tái tạo năng lượng hiện nay đang dần trở thành một trang bị quen thuộc trên các dòng xe mới nhờ tác dụng cắt giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Về cơ bản, đây là hệ thống giúp lưu trữ năng lượng điện vào cụm pin trong suốt quá trình phanh. Trong số những nhà sản xuất ô tô động cơ đốt trong theo đuổi công nghệ phanh tái sinh năng lượng, không thể bỏ qua cái tên Mazda.

I. Tổng quan về hệ thống i-ELoop:

Năm 2013, công nghệ này đã được áp dụng trên mẫu Mazda6 Grand Touring. Chữ i-ELOOP là viết tắt của Intelligent Energy Loop, hệ thống phanh tái tạo năng lượng. Với công nghệ này, mức tiêu thụ nhiên liệu của Mazda 6 khi ấy là 8,4 lít/100 km đối với đường thành phố và 5,88 lít/100 km cho đường trường, 7,35 lít/100 km trên đường hỗn hợp.

Hệ thống i-ELoop sử dụng năng lượng động lực học (động năng) trong quá trình giảm tốc để dẫn động máy phát tạo ra điện và nạp vào tụ điện. Bằng cách này sẽ cho phép lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong quá trình giảm tốc sau đó nạp lại cho bình ắc quy. Thông qua khả năng lưu trữ và sử dụng điện năng tái tạo đã cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu thực tế của xe.

Và năng lượng tái tạo mỗi lần phanh xe sẽ được sử dụng cho hệ thống điện trên xe như đèn pha, kiểm soát thời tiết và âm thanh, do đó làm giảm lượng điện sử dụng trên ắc-quy và động cơ.

II. Cấu tạo của hệ thống tái tạo năng lượng i-ELoop của Mazda:

Theo hãng Mazda, tụ điện sở hữu nhiều ưu điểm hơn so với cụm pin vì đáp ứng được nhu cầu của môtơ và có thể nạp năng lượng nhanh chóng. Thêm vào đó, tụ điện không nhanh bị hỏng sau một thời gian sử dụng.

Hệ thống I-ELOOP của Mazda gồm 3 thành phần chính:

• Một máy phát điện cung cấp hiệu điện thế từ 12 đến 25 vôn;
• Tụ điện 2 lớp có trở kháng thấp EDLC (Electric Double Layer Capacitor);
• Bộ chuyển đổi DC sang DC giúp chuyển đổi dòng điện một chiều từ 25 đến 12 volt.

1. Máy phát điện (Generator i-ELoop):

Điện áp tạo ra của máy phát điện có thể thay đổi được từ 12-25V trong khi xe giảm tốc để nạp cho tụ điện. Ở điều kiện bình thường điện áp tạo ra của máy phát là 12V, PCM theo dõi điện áp của tụ điện, và điều khiển máy phát hoạt động khi PCM nhận thấy điện áp của tụ giảm xuống.

Máy phát điện được lắp ở phía trước bên trái của động cơ, cấu tạo chi tiết như hình:

Để xử lý tối đa điện áp lên đến 25 V trong hệ thống i-ELoop, hiệu suất điện trở của diode và bộ điều chỉnh vi mạch đã được nhà sản xuất cải thiện với các chức năng bảo vệ như:

• Chức năng bảo vệ nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép: Nếu bộ điều chỉnh IC đạt đến nhiệt độ quy định, dòng điện đầu ra của máy phát điện sẽ bị hạn chế để ngăn chặn sự gia tăng nhiệt độ của máy phát điện.
• Chức năng bảo vệ điện áp quá mức: Nếu tín hiệu điều khiển dòng điện kích từ vượt mức từ PCM được đưa vào, thì điện áp đầu ra của máy phát điện bị hạn chế để triệt tiêu ứng dụng của điện áp vượt mức cho tụ điện (i-ELOOP).
• Chức năng bảo vệ quá dòng:Nếu dòng điện kích từ đạt đến giá trị quy định thì dòng điện kích từ sẽ bị ngắt để hạn chế việc phát điện của máy phát.

Dòng điện kích từ ban đầu đến rôto được cung cấp từ tụ điện (i-ELOOP). Khi dòng điện kích từ được cung cấp từ tụ điện (i-ELOOP) và máy phát điện bắt đầu tạo ra điện, thì dòng điện kích từ từ tụ điện (i-ELOOP) sẽ bị ngắt. Sau khi máy phát bắt đầu phát điện, công suất do máy phát tạo ra được sử dụng cho dòng điện kích từ.

2. Tụ điện (Capacitor i-ELoop):

Tụ điện i-ELoop

Tụ điện trong hệ thống i-ELoop có đến 10 tụ. Đây là loại tụ điện 2 lớp điên tích, mắc nối tiếp với nhau có thể phóng và nạp với cường độ cao, điện áp có thể lưu trữ được là 25V. Các phần tử ION lưu trữ dòng điện sạc, có thể bị suy yếu do nạp điện và phóng điện. Nó có thể tồn tại sau 1 triệu lần phóng nạp.

Vật liệu sử dụng làm bản cực trong tụ điện loại 2 lớp điên tích là các-bon hoạt tính, có rất nhiều lỗ nhỏ trên bề mặt để tăng diện tích tiếp xúc. Giữa 2 bản cực cacbon được đổ đầy chất điện phân, quá trình nạp và phóng điện chỉ thông thường là hấp thụ và giải phóng ion từ bề mặt các bản cực.

• Khi sạc thì điện tích bám trên bề mặt của các điện cực.
• Khi xả thì điện tích tách ra và di chuyển khỏi bề mặt điện cực.

Tụ điện (i-ELOOP) được lắp ngay bên dưới cụm đèn kết hợp phía trước (Combination Light), được trang bị giắc bảo dưỡng tụ điện (Service Plug) để có thể ngăn ngừa đoản mạch. Rút phích cắm, nguồn điện liên quan đến điện áp 25 V bị ngắt. Điểm lưu ý khi tháo lắp: trước thi tháo các giắc điện phải tháo “service plug” trước. Các giắc điện đó bao gồm:

• Giắc nối bình ắc quy với tụ điện (Capacitor’s battery cable terminal).
• Giắc nối động cơ với tụ điện (Capacitor’s engine harness terminal).
• Giắc nối bộ chuyển đổi DC-DC với bình ắc quy (DC-DC converter’s battery cable terminal).
• Chân B của máy phát (Generator B terminal).

Bên trong tụ điện có một cảm biến nhiệt độ loại nhiệt điện trở. Cảm biến nhiệt độ phát hiện nhiệt độ của tụ điện (i-ELOOP) và đưa tín hiệu vào bộ chuyển đổi DC-DC.

Hộp xả tụ kiểu cưỡng bức (Discharge Box) được trang bị trong tụ điện (i-ELOOP) có mục đích đảm bảo an toàn khi tụ điện không dùng. Nếu tụ điện (i-ILOOP) được tháo trong khi vẫn còn điện, nó thể phóng điện gây cháy do điện năng được lưu trữ trong tụ điện.

3. Bộ chuyển đổi DC-DC (DC-DC CONVERTER):

Khi máy phát tạo ra điện áp lớn nhất 25V, nhờ bộ chuyển đổi DC-DC sẽ được giảm xuống 12V để cung cho các phụ tải điện, đồng thời hệ thống này cũng sẽ bắt đầu sạc cho bình ác quy của chiếc xe khi cần thiết nhất. Bộ chuyển đổi DC-DC được lắp ngay dưới ghế lái trước.

• Trong quá trình lưu hồi lực phanh: Điện áp 14-25V được lưu trữ trong tụ điện được chuyển đổi thông qua bộ chuyển đổi DC-DC.
• Khi hoạt động:Khi I-Stop hoạt động, bộ chuyển đổi DC-DC sẽ chuyển đổi điện áp của tụ điện thành 11,5V-12,5V. Khi động cơ khởi động lại, relay i-stop chuyển sang vị trí OFF. Bộ chuyển đổi DC-DC duy trì nguồn điện cung cấp cho đồng hồ taplo, hệ thống âm thanh … Nguồn cung cấp cho các thiết bị điện khác như là máy để được cung cấp bởi bình điện.
• Khi dòng điện tiêu thụ lớn hơn 50A: Nếu dòng tiêu thụ cho các tải điện trên xe lớn hơn 50A, relay bypass sẽ chuyển sang vị trí ON để cung cấp điên áp từ máy phát (14,8V) trực tiếp cho các thiết bị điện.Trong trường hợp này, hoạt động của đồng hồ I-ELOOP trên bảng đồng hồ táp lô xảy ra chậm, đây không phải là hư hỏng.

III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống i-ELoop:

Quá trình tái tạo năng lượng từ hệ thống i-ELoop của Mazda

Chế độ hoạt động của hệ thống I-ELOOP thay đổi tùy thuộc vào tình trạng hoạt động của xe và tình trạng hoạt động của các phụ tải điện liên quan đến hệ thống I-STOP.

Khi tài xế nhấc chân ra khỏi bàn đạp ga, máy phát điện hoạt động để tạo ra dòng điện nạp vào tụ Điện áp từ tụ điện qua bộ chuyển đổi DC-DC giảm xuống 12V để cung cấp cho các phụ tải điện khác nhau.

Có 8 chế độ hoạt động của hệ thống i-ELoop:

1. Chế độ tái tạo lực phanh (Regenerative braking mode):

Trong khi nhiên liệu được ngắt khi nhả bàn đạp phanh và li hợp khóa biến mô hoạt động (ở trạng thái hợp), máy phát điện hoạt động. Điện năng tạo ra được lưu trữ trong tụ điện, điện áp từ tụ điện qua bộ chuyển đổi DC-DC được giảm xuống để cung cấp cho các phụ tải điện trên xe. Để ngăn chặn điện áp tăng quá cao khi giảm tốc, máy phát điện được điều khiển bởi PCM.

2. Chế độ máy phát thông thường – Không phải chế độ tái tạo lực phanh (Conventional power generation mode – no regenerative braking):

Khi điện áp bình ắc quy nhỏ hơn hoặc bằng 14V trong khi động cơ đang nổ. Khi đó máy phát sẽ hoạt động điện áp tạo ra trong khoảng 12 -25V được lưu trữ trong tụ điện. Nhờ bộ chuyển đổi DC-DC điện áp từ tụ điện sẽ được giảm xuống và cấp cho các phụ tải điện.

Ở chế độ này điện áp được tạo ra thấp hơn so với chế độ tái tạo lực phanh.

3. Chế độ tụ điện cấp nguồn (Capacitor i-Eloop power supply mode):

Nếu điện áp của tụ điện lớn hơn điện áp của bình ắc quy, điện áp từ tụ điện qua bộ chuyển đổi DC-DC cung cấp cho các phụ tải điện (thông qua nguồn IG1 và IG2) trên xe.

4. Chế độ bình điện cấp nguồn (Battery power supply mode):

Trong trường hợp điện áp tụ điện thấp hơn một giá trị điện áp thiết kế nhỏ nhất (14 – 17,5V * thay đổi tùy thuộc vào tình trạng của tụ điện). Trong khi I-Stop hoạt động, hoặc trong trường hợp đề máy, điện áp từ bình ắc quy được cấp cho các phụ tải điện trên xe.

5. Chế độ i-Stop (i-Stop mode):

Relay I-Stop trong bộ chuyển đổi DC-DC OFF trong khi động cơ khởi động lại để tránh ngăn chặn nguồn cung cấp từ tụ điện cấp đến bình ắc quy, tại thời điểm điện áp bình ắc quy giảm xuống do đề máy. Nguồn điện từ bình ắc quy và tụ điện được tách rời độc lập với nhau. Để đảm bảo nguồn cung cấp cho các phụ tải điện như đồng hồ hiển thị, hệ thống âm thanh không bị tụt áp.

6. Chế độ By-Pass (By-pass mode):

Khi dòng tiêu thụ các tải điện trên xe lơn hơn 50A, relay bypass sẽ ON để cung cấp trực tiếp nguồn điện từ máy phát tới các phụ tải điện trên xe. Tuy nhiên, trong trường hợp mạch giảm điện thế trong bộ chuyển đổi DC-DC bị lỗi hoặc trong trường hợp điện áp bình ắc quy nhỏ hơn 11V thì chế độ By-Pass sẽ hoạt động.

Lưu ý thêm: .

7. Chế độ sạc lại cho tụ điện (Pre-charge mode):

Nếu xe đang ở trạng thái lưu kho (không hoạt động) trong một thời gian dài mà động cơ không hoạt động hoặc hiện tượng tự phóng điện của tụ điện (dòng rò) xảy ra liên tục. Trong trường hợp này nguồn điện từ bình ắc quy hoặc từ máy phát sẽ cấp cho tụ điện với 2 lí do sau đây:

• Để đảm bảo dòng kích cho máy phát (cấp từ tụ điện).
• Do các phụ tải được cấp nguồn từ tụ điện, do đó điện áp tụ điện phải cao hơn bình ắc quy.

Tùy thuộc vào điều kiện mà chế động hoạt động (Chế độ sạc lại cho tụ điện) có sự khác nhau:

Chế độ sạc lại cho tụ điện sẽ ngưng hoạt động khi điện áp tụ điện tăng lên với điện áp cung cấp từ bộ chuyển đổi DC-DC.

8. Chế độ tụ điện cấp nguồn (Capacitor i-ELOOP power generation mode):

Khi điện áp tụ điện lớn hơn hoặc bằng 20V (lơn hơn hoặc bằng 16V với điện áp bình ắc quy giảm xuống) với động cơ OFF và nắp ca pô đóng, điện áp của tụ điện được nạp cho bình ắc quy.

Bình luận bài viết