Vì Sao Phanh Tái Sinh Giúp Xe Điện Sạc Lại Pin?

· 6 phút đọc · Thầy Thạch

Vật lý quanh taNăng lượng & môi trườngKHTN 9Lớp 12

Xe điện đang chạy thì em nhả chân ga. Xe chậm lại, đồng hồ có lúc báo điện đang chạy về pin, trong khi em không cắm sạc. Không có máy phát xăng nào quay dưới nắp capo. Vậy điện ấy lấy từ đâu?

Vì sao phanh tái sinh giúp xe điện sạc lại pin?

Xe điện đang chậm lại, bánh xe còn quay và một phần năng lượng chạy về pin

Mũi tên xanh: vận tốc xe còn hướng về phía trước nhưng đang giảm.

Ô vàng là pin. Đường nâu là điện nạp về pin khi bánh xe còn quay.

Xe không tạo năng lượng mới. Nó trả lại một phần động năng đã có.

Đoán thử trước khi đọc

Điện nạp thêm vào pin lúc xe chậm lại đến từ đâu?

  • A. Má phanh cọ mạnh, nhiệt sinh ra được thu thành điện.
  • B. Bánh xe quay động cơ như một máy phát. Dòng điện nạp pin, và cũng làm bánh xe quay chậm lại.
  • C. Phanh tái sinh tạo thêm năng lượng, nên cứ phanh nhiều là pin đầy, không cần sạc.

Chọn một đáp án trong đầu rồi đọc tiếp.

Động cơ lúc này là một máy phát

Đáp án đúng là B.

Động cơ điện trên xe có nam châm và cuộn dây. Khi pin cấp điện, từ trường đẩy rôto quay, rôto kéo bánh xe. Cùng một cái máy ấy quay ngược việc: bánh xe còn trớn kéo rôto quay trong từ trường. Từ thông qua cuộn dây đổi, nên trong dây xuất hiện suất điện động. Đó là hiện tượng cảm ứng điện từ, em gặp ở KHTN 9 và học lại ở lớp 12.

Dòng điện sinh ra chạy về pin, nên pin nhận thêm năng lượng. Chiều của dòng không tuỳ ý. Dòng cảm ứng sinh ra từ trường chống lại chính sự quay đang tạo ra nó. Lớp 12 gọi đó là định luật Lenz. Trên bánh xe, tác dụng ấy là một mômen lực ngược chiều quay: xe bị hãm. Hãm và nạp pin là một việc, không phải hai việc riêng. Nói cách khác, xe không thể vừa sạc được điện mà bánh xe vẫn lăn tự do như cũ. Dòng điện nạp vào pin lấy đi động năng của xe, và lực từ cản trở của dòng điện đó chính là thứ ghì bánh xe lại.

Bánh xe kéo máy phát, dòng điện về pin, mômen hãm ngược chiều quay

Mũi tên xanh: chiều bánh xe đang quay.

Mũi tên nâu: dòng điện về pin.

Cung nét đứt màu đỏ: mômen hãm, ngược chiều quay.

Không phải năng lượng mới

Đáp án C sai ở chữ "tạo thêm".

Xe đang chạy thì có động năng, ½·m·v². Muốn xe chậm lại, động năng ấy phải đi đâu đó. Phanh má biến nó thành nhiệt ở đĩa phanh. Phanh tái sinh chuyển một phần thành điện năng dự trong pin. Phần còn lại vẫn thành nhiệt trên dây dẫn, trong pin và ở chỗ má phanh vẫn phải làm việc.

Xe chạy đều trên đường phẳng thì không có động năng thừa để thu. Nhả ga lúc đó, xe chậm vì ma sát và lực cản, pin không đầy thêm theo kiểu vô hạn. Xuống dốc dài thì có thêm thế năng đổi thành động năng, phanh tái sinh thu được một phần. Pin đã đầy thì xe không nhận thêm điện, phanh má phải đảm nhận.

Gần lúc dừng hẳn, bánh xe quay chậm, suất điện động nhỏ, mômen hãm của máy phát yếu. Những mét cuối và những cú phanh gấp vẫn cần má phanh.

Thử ước lượng bằng số

Lấy xe khối lượng 1 500 kg, đang chạy 50 km/h tức 13,9 m/s, rồi chậm lại đến dừng.

Động năng lúc đầu: ½×1 500×13,9² ≈ 1,45×10⁵ J ≈ 0,040 kWh.

Một bóng đèn 40 W sáng một giờ cũng tốn chừng ấy. So với một pin khoảng 50 kWh, một lần dừng từ 50 km/h chưa tới một phần nghìn dung lượng pin, dù thu lại được hết.

Trong phố, xe tăng tốc rồi phanh rất nhiều lần. Năng lượng của cả chuyến chủ yếu đi vào những lần tăng tốc ấy. Mô phỏng theo quãng đường đô thị thật cho thấy điện thu từ phanh có thể khoảng 20% năng lượng cả chuyến. Chu trình hỗn hợp thành phố và cao tốc, Phòng thí nghiệm Oak Ridge ước lượng phần bù nhờ phanh tái sinh khoảng 5–13%, vì trên cao tốc ít lúc phải phanh.

Tự thử ở nhà

Thí nghiệm mô-tơ đồ chơi và đèn LED: quay trục bằng tay thì đèn sáng và cảm nhận lực cản

Quay trục bằng tay biến mô-tơ thành máy phát điện nhỏ.

Dòng điện sinh ra thắp sáng đèn LED, đồng thời định luật Lenz tạo lực từ ghì ngón tay lại.

  1. Lấy một mô-tơ điện nhỏ trong đồ chơi, loại chạy pin, không cắm điện lưới.
  2. Nối hai cực của mô-tơ với một đèn LED. LED chỉ sáng theo một chiều, nên nếu chưa sáng thì đổi hai dây.
  3. Quay trục mô-tơ bằng ngón tay, quay nhanh và đều.

Em sẽ thấy đèn loé sáng. Đồng thời ngón tay cảm thấy trục bị hãm hơn là lúc hai dây để hở.

Vì sao? Trục quay làm mô-tơ thành máy phát tí hon. Dòng qua đèn tiêu thụ năng lượng, và dòng ấy chống lại chiều em đang quay. Đó là cùng một cặp việc với phanh tái sinh, chỉ nhỏ hơn rất nhiều. Không nối mô-tơ với ổ điện.

Hiểu lầm hay gặp

  • ❌ Phanh tái sinh tạo ra năng lượng mới. → ✅ Nó đổi một phần động năng xe đang có thành điện. Không phanh, không có khoản ấy.
  • ❌ Cứ đi là pin tự đầy, khỏi cắm sạc. → ✅ Chỉ thu lại được lúc giảm tốc hoặc xuống dốc, và không thu đủ 100%.
  • ❌ Má phanh trên xe điện là thừa. → ✅ Lúc gần dừng và lúc phanh gấp, máy phát không hãm đủ. Má phanh vẫn phải có.

Em đã học ở đâu?

Định luật Lenz nằm trong bài cảm ứng điện từ lớp 12. Ở KHTN 9, em chỉ cần nhớ: dòng điện sinh ra khi từ thông đổi, và dòng ấy cản trở nguyên nhân sinh ra nó.

Nghĩ tiếp

Xe đạp có đinamô gắn vào lốp. Bật đèn bằng đinamô thì đạp nặng hơn một chút. Tắt đèn, có khi trục đinamô vẫn tì vào lốp.

Gợi ý: lúc nào thì công em đạp thêm thật sự biến thành ánh sáng, và lúc nào thì chỉ thành nhiệt vì ma sát?

Nguồn

← Xem tất cả bài viết