Báo cáo Nghiên cứu đề xuất phương án tích trữ năng lượng khi phanh trên ô tô (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu đề xuất phương án tích trữ năng lượng khi phanh trên ô tô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ÐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG KHI PHANH TRÊN Ô TÔ Mã số: T2014-60 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Dương Tuấn Tùng S K C0 0 5 5 6 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƢỢNG KHI PHANH TRÊN Ô TÔ. Mã số: T2014-60 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Dƣơng Tuấn Tùng TP. HCM, 11/2014
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƢỢNG KHI PHANH TRÊN Ô TÔ. Mã số: T2014-60 Chủ nhiệm đề tài: DƢƠNG TUẤN TÙNG Thành viên đề tài: TP. HCM, 11/2014
4. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Hiện nay các động cơ đốt trong sử dụng nguồn năng lượng để động cơ làm việc là nhờ phần lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang dần cạn kiệt và lượng khí thải từ nhiên liệu này gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống. Chính vì thế cần phải có giải pháp đúng đắn là thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch hoặc ít phụ thuộc vào chúng và điều này đã được nghiên cứu và áp dụng rất thành công, đó là sử dụng phương pháp hệ thống phanh tái sinh. Phương pháp này được lựa chọn rất thích đáng là vì sẽ thu hồi hầu như toàn bộ năng lượng mất đi trong quá trình phanh và giảm tốc, trong khi đối với các động cơ không có hệ thống phanh tái sinh sẽ lãng phí toàn bộ nguồn năng lượng nhiệt này. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay trên ô tô vẫn còn có những nguồn năng lượng chưa được tận dụng. Trong số đó phải kể tới nguồn nhiệt năng từ khí xả, cơ năng của hệ thống phanh. Việc nghiên cứu phương pháp tận dụng nguồn năng lượng khi phanh là một hướng nghiên cứu mới và phức tạp. Để có những cái nhìn tổng quát hơn làm tiền đề cho những nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Brake System) đề tài “Nghiên cứu đề xuất phương án tích trữ năng lượng khi phanh trên ô tô” được chọn để thực hiện 1.3. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu các kiểu hệ thống phanh tái sinh phổ biến và hiệu quả hiện nay cũng như cấu tạo, nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm và ứng dụng của các hệ thống. 1.4. Giới hạn đề tài - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh tái sinh. - Mô phỏng và lựa chọn phương án tích trữ năng lượng khi phanh. 1.5. Cách tiếp cận - Nghiên cứu tìm hiểu chung về hệ thống phanh tái sinh - Xây dựng mô hình toán - Thí nghiệm và phân tích kết quả. 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tham khảo tài liệu. - Thu thập số liệu - Thực nghiệm 1.7. Nội dung đề tài Chƣơng 1. Tổng quan các hệ thống phanh tái sinh Mã số: T2014-60 Trang 1
5. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Chƣơng 2.Những nghiên cứu trên thế giới về hệ thống phanh tái sinh sử dụng bánh đà Chƣơng 3.Đề xuất hướng nghiên cứu và xây dựng mô hình thử nghiệm ảo Chƣơng 4.Kết luận và hướng phát triển Mã số: T2014-60 Trang 2
6. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô PHẦN 2: NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH 1.1 Lịch sử hình thành của hệ thống phanh RBS. Như chúng ta đã biết vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang là thách thức đối với các hãng sản xuất ô tô. Năng lượng truyền thống (năng lựợng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đã và đang là những vấn đề mang tính toàn cầu. Một trong những giải pháp để giảm thiểu vấn đề nêu trên được các hãng xe đưa ra là chế tạo ra những dòng xe hybrid (lai). Một chiếc xe sử dụng hai nguồn động lượng (một động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine: ICE) và một thiết bị tích trữ năng lượng) thì được gọi là hệ thống Hybrid [25]. Hiện nay, hệ thống xe hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được sử dụng khá phổ biến. Hệ thống này thường được chia làm 3 kiểu truyền lực: kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp[25]. Dù là kiểu hệ thống truyền lực nào đi nữa thì hệ thống Hybrid đều phải có các bộ phận như động cơ đốt trong ICE, mô tơ điện và máy phát điện (Motor and Generator: MG) và ắc quy cao áp (Hybrid Vehicle Battery: HVB). Một trong những yếu tố giúp dòng xe này tiết kiệm nhiên liệu đó là nó tận dụng được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc thông qua hệ thống phanh tái sinh năng lượng (Regenerative Braking System : RBS). Để hiểu rõ hơn về điều này ta hãy lấy một ví dụ như sau: Một chiếc xe ô tô có khối lượng bản thân 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h. Ta sử dụng hệ thống phanh thông thường để giảm tốc xe xuống còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn 1 được tính theo công thức E = 푣2 sẽ là 47, 8 KJ. Trong đó E là động năng của xe, 2 k m là khối lượng của xe và v là tốc độ của xe. Do đó nếu như năng lượng này được thu gom và tích trữ để sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe thay vì làm tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng ồn ở cơ cấu phanh. Giả sử ta thu hồi lại được chỉ cần 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47,8 KJ = 11,95KJ). Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [26]. Thật ra thì ý tưởng về hệ thống phanh tái sinh năng lượng đã có từ rất lâu và được sử dụng rộng rãi trên tàu điện bằng việc sử dụng các mô tơ điện hoạt động với chức năng như là các máy phát điện trong khi tác động phanh [27,28]. Với việc cải tiến công nghệ chế tạo các chi tiết và kỹ thuật điều khiển đã làm tăng hiệu suất của hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện. Một nghiên cứu cho thấy giảm được 37% [25] năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh. Đối với ô tô sử dụng động cơ đốt trong thì khó có thể đạt được đến mức này bằng việc sử dụng phanh tái sinh bởi vì không giống như mô tơ điện quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ đốt trong không thể được phục hồi. Mặt khác khối lượng của ô tô nhỏ hơn tàu điện do đó năng lượng tích trữ khi phanh ít hơn. Thêm vào đó cần phải có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lượng. Theo các nghiên cứu gần đây thì Mã số: T2014-60 Trang 3
7. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: Ắc quy điện, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà hay là lò xo đàn hồi.[25]  Các phƣơng án tích trữ năng lƣợng phanh hiện nay : Tích trữ năng lượng kiểu pin điện. Tích trữ năng lượng kiểu bánh đà. Tích trữ năng lượng kiểu lò xo cuộn. Tích trữ năng lượng kiểu thủy lực. Tích trữ năng lượng kiểu tụ điện. Tích trữ năng lượng kiểu pin điện và tụ điện. Tích trữ năng lượng kiểu khí nén. Sau đây chúng ta cùng phân tích về các phương pháp tích trữ năng lượng trên. 1.2 Phƣơng pháp tích trữ năng lƣợng phanh. 1.2.1 Hệ thống tái tạo năng lƣợng động học bằng lò xo cuộn. Hệ thống này có thể phục hồi năng lượng động năng, nguyên tắc làm việc cơ bản của nó giống như hệ thống KERS bánh đà ở F1. Nó có thể được lắp đặt ở bên trong trung tâm bánh xe (đùm), nó có kết cấu nhỏ gọn và dễ dàng để hoạt động, tiết kiệm không gian. Hệ thống này lưu trữ năng lượng trong quá trình phanh và cung c ấp năng lượng trong quá trình tăng tốc, điều này giúp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu và tăng công suất động cơ. Hệ thống bao gồm một lò xo cuộn lưu trữ năng lượng, có một đầu vào để nạp năng lượng lưu trữ và một đầu ra để giải phóng năng lượng lưu trữ, trong đó hệ thống lò xo tạo ra một tín hiệu theo dõi dựa trên một thông số trạng thái đang hoạt động của hệ thống lò xo và do đó hệ thống này giải phóng năng lượng lưu trữ phù hợp với tín hiệu điều khiển đầu ra (cảm biến tăng tốc). Một lò xo cuộn nạp năng lượng lưu trữ và phản ứng tới tín hiệu điều khiển nạp. Một mô-đun điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển nạp và tín hiệu điều khiển đầu ra, dựa trên tín hiệu theo dõi. Mã số: T2014-60 Trang 4
8. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-1 : Cơ cấu lò xo cuộn [1] Khi xe giảm tốc, thay vì lãng phí năng lượng tiềm năng, các bánh xe được kết nối với một lò xo xoắn. Điều này sẽ biến đổi năng lượng động học thành năng lượng tiềm năng của lò xo. Tuy nhiên, lò xo không cung cấp mô-men xoắn liên tục. Để thực hiện giảm tốc độ ổn định, cảm biến kiểm soát hộp số thay đổi tỉ số truyền thông qua CVT. Tỷ lệ giảm tốc mong muốn được quyết định bởi người lái. Các cảm biến gia tốc cảm nhận tỷ lệ giảm tốc độ thực tế và cung cấp cho thông tin phản hồi chính xác. Thông qua giá trị điều khiển phản hồi, do tỷ số truyền được điều chỉnh liên tục và tỷ lệ giảm tốc có thể được duy trì ở mức độ mong muốn. Trong trường hợp khi lò xo chịu tải tối đa của nó, phanh bình thường sẽ được kích hoạt. Khi xe dừng lại, lò xo sẽ được giữ lại. Khi xe bắt đầu tăng tốc lại, thay vì sử dụng động cơ hoặc motor như các hệ thống khác, trục dẫn động kết nối với lò xo đến các bánh xe, mô-men xoắn tăng tốc được cung cấp bởi lò xo. Một lần nữa, thông qua cảm biến kiểm soát thông tin phản hồi, tỷ số truyền hộp số được điều chỉnh liên tục để duy trì tốc độ tăng tốc. Khi lò xo được phóng thích toàn bộ năng lượng, hệ thống sẽ sẵn sàng kích hoạt lại khi phanh. Sau mỗi chu kỳ tích trữ năng lượng, năng lượng đạt đến công suất tối đa của nó và người lái có thể bấm vào một nút nhấn sẽ có được 6,5s tăng tốc tăng thêm 82 mã lực cho công suất danh định của động cơ. Cấu tạo Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, hiệu quả, chi phí thấp. Gồm các bộ phận chính sau : bộ bánh răng hành tinh, lò xo cuộn, ly hợp một chiều, ly-off, ly-on, Mã số: T2014-60 Trang 5
9. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-2 : Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn [1] Bộ bánh răng hành tinh kết nối với trục đầu vào (bán trục). Một lò xo cuộn được đặt ở trung tâm của bánh xe. Một đầu của lò xo cuộn được kết nối với một ratchet và ratchet gắn vào một chốt được kết nối với trung tâm này. Một phanh ma sát cũng được đặt ở trung tâm. Trống của phanh được kết nối với đầu kia của lò xo cuộn và má phanh được kết nối với trục của bánh xe. Khi phanh được kích hoạt, lò xo bị biến dạng và tác dụng một lực phanh trên các bánh xe. Khi phanh không kích hoạt, các bánh xe được dẫn động về phía trước bởi lò xo khi nó bung ra. Nguyên lý làm việc Bằng cách sử dụng cảm biến gia tốc điều khiển hộp số, tăng tốc và giảm tốc độ có thể được thực hiện bởi việc chuyển giao năng lượng cơ học giữa xe và bộ lưu trữ năng lượng của nó lò xo cuộn. Thiết kế gồm ba phần cơ bản: một bộ điều khiển, bộ truyền biến thiên liên tục và một hệ thống lưu trữ năng lượng. Hình 1-3 : Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn [1] Khi xe đang chạy trên đường cao tốc, bánh răng hành tinh quay chậm, khi đèn đỏ người lái nhấn bàn đạp phanh, lúc này hệ thống tích trữ năng lượng động năng đang bắt đầu làm việc. Piston thủy lực làm việc khóa cần dẫn lại làm đứng yên, bánh răng Mã số: T2014-60 Trang 6
10. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô bao lúc này quay bị động kết nối với lò xo cuộn bao bên ngoài thông qua ratchet (trống), ban đầu phanh đĩa của xe làm việc cùng thời điểm với việc phanh cần dẫn. Bên cạnh đó ly-on (cảo) đang xiết ly hợp một chiều lại ngăn không cho lò xo cuộn quay ngược lại (giữ lại). Khi đèn xanh, người lái đạp chân ga, áp lực dầu làm cho ly- off đóng lại gắn chặt với ly hợp một chiều và ly-on (cảo) sẽ mở ra. Sau đó lò xo cuộn được phóng thích, truyền mô-men qua trục bánh xe. Xe được dẫn động bởi việc tích trữ nẳng lượng động năng giúp tiết kiệm nhiên liệu. Sau khi lò xo cuộn được phóng thích, ly hợp ly-on sẽ được hồi về và cũng ngăn chặn lò xo cuộn gặp sự cố trong khi phóng thích năng lượng. Tích trữ năng lượng động năng không gây ảnh hưởng khi xe lùi. 1.2.2 Hệ thống tích trữ năng lƣợng thủy lực HHV. 1.2.2.1 Động cơ hybrid thủy lực HHV[2] Xe hybrid sử dụng hai nguồn năng lượng để dẫn động các bánh xe. Trong một chiếc xe hybrid động cơ thủy lực (HHV) thường có động cơ đốt trong và động cơ thủy lực được sử dụng để cấp năng lượng cho bánh xe. Hệ thống hybrid thủy lực bao gồm hai thành phần chính: bình chứa chất lỏng thủy lực và bơm / motor dẫn động thủy lực. Điểm mấu chốt của công nghệ hybrid thủy lực là đơn giản, sạch, hiệu quả và chi phí thấp. Đơn giản - công nghệ này không đòi hỏi những đột phá để có chi phí thấp hoặc được sản xuất, và có thể được sản xuất với các kỹ thuật và cơ sở sản xuất đã có sẵn ở Mỹ. Sạch - Nó đã được chứng minh để giảm lượng khí thải lên đến 40%. Hiệu quả - HHV tăng đáng kể hiệu quả nhiên liệu từ 60 % đến hơn 100 %. Hiệu quả - Chi phí sản xuất thấp kết hợp với giảm bảo trì phanh và làm tăng lên đáng kể hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu trong hàng ngàn đô, tuổi thọ của xe cũng được tăng thêm. Điều này làm cho HHVs là một trong những công nghệ xanh tốt nhất để đầu tư. Công nghệ này được phát triển cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA và các đối tác của mình. 1.2.2.2 Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực Tương tự như một chiếc xe điện hybrid, động cơ hybrid thủy lực bao gồm một động cơ diesel và một hệ thống năng lượng thủy lực, trong nghiên cứu đã đạt được tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với năng lượng truyền thống UPS (uninterruptible power supply) tiết kiệm nhiên liệu 70%, lượng phát thải giảm 40% . Công nghệ hybrid thủy lực bao gồm hai nguồn lực chính để đẩy chiếc xe - một động cơ đốt trong diesel tiết kiệm nhiên liệu và các bộ phận thủy lực. Công nghệ này thay thế cho một hệ thống truyền lực cơ khí thông thường bằng một hệ thống truyền lực thủy lực. Những chiếc xe này có thể lưu trữ năng lượng từ hệ thống thủy lực, ngay cả sau khi chiếc xe bị tắt máy. Lưu trữ này cho phép chiếc xe khởi động từ năng lượng này, thay vì dựa vào động cơ điện để khởi động. Công nghệ sáng tạo đằng sau những chiếc xe nguyên mẫu rất đơn giản. Các thành phần chính của hệ thống bao gồm : Một bình chứa cao áp để dự trữ năng lượng, giống như cơ cấu pin trong một chiếc xe điện hybrid, bằng cách sử dụng chất lỏng thủy lực để nén khí nitơ được lưu trữ bên trong mỗi bình chứa. Mã số: T2014-60 Trang 7
11. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Một bình chứa áp lực thấp để lưu trữ chất lỏng thủy lực sau khi nó đã được sử dụng bởi các máy bơm / motor. Một máy bơm / motor chuyển đổi chất lỏng thủy lực cao áp làm quay các bánh xe và truyền năng lượng tái tạo phanh lại cho bình chứa áp suất cao. Một máy bơm động cơ truyền chất lỏng thủy lực áp suất cao sang máy bơm / motor phía sau, hoặc bình chứa áp suất cao, hoặc cả hai. Một bộ điều khiển hybrid giám sát sự tăng tốc và khi phanh của người lái và ra lệnh cho các bộ phận hệ thống hybrid hoạt động. 1.2.2.3 Hiệu quả của HHV: Tái tạo phanh. Khi phanh, HHV thu hồi và dự trữ năng lượng từ bánh xe. Khi xe bắt đầu tăng tốc, năng lượng được lưu trữ này được sử dụng để tăng tốc độ xe. Quá trình này thu hồi và tái sử hơn 70 % năng lượng thường bị lãng phí trong quá trình phanh. Điều này cũng làm giảm độ mòn ma sát trên phanh. Tắt động cơ khi không cần thiết. Không có kết nối từ hộp số thông thường và trục dẫn động động cơ đến bánh xe cho phép động cơ được tắt hoàn toàn khi không cần thiết. Động cơ được kích hoạt bởi một bộ điều khiển hybrid chỉ khi cần thiết. Kết quả là, sử dụng động cơ gần như giảm đi một nửa trong quá trình lái xe trong đô thị. Điều khiển động cơ tối ưu. Khi động cơ không kết nối cơ khí để dẫn động bánh xe, có một bộ điều khiển hybrid có thể ra lệnh cho động cơ hoạt động khi cần thiết, để hoạt động với hiệu quả tối đa và đạt được tiết kiệm nhiên liệu tối ưu. Ba tính năng thiết kế chính này trong hệ thống thủy lực hybrid cho phép nó cung cấp tiết kiệm nhiên liệu tối đa. 1.2.2.4Các kiểu bố trí hệ thống trên xe hybrid thủy lực. Có 4 kiểu bố trí hệ thống truyền lực trên xe hybrid thủy lực. Kiểu bố trí thứ 1 Bố trí đầu tiên bao gồm một bộ thủy lực hybrid lắp ráp phía sau. Lắp ráp ở cầu sau bao gồm hai máy bơm thủy lực / motor tích hợp vào trục sau. Máy bơm / motor này thực hiện việc tái tạo phanh. Có một bơm/ motor thủy lực để sản xuất áp lực chất lỏng khi cần thiết. Hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm hai bình chứa lưu trữ chất lỏng thủy lực. Một bình chứa chất lỏng thủy lực áp suất cao có thể lên đến 5000 psi, bình kia chứa chất lỏng thủy lực áp suất thấp không quá 180 psi. Toàn bộ hệ thống trong mạch kín và chứa khoảng 22 gallon chất lỏng thủy lực, với khả năng của hệ thống có thể lưu trữ nhỏ hơn. Chất lỏng thủy lực về cơ bản là không khác nhau từ hệ thống truyền lực và hiện đang được sử dụng trong hầu hết các xe. Mã số: T2014-60 Trang 8
12. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-4 :Kiểu bố trí thứ 1 Kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy chiếc xe này có sự cải thiện lớn khoảng 70% hiệu quả nhiên liệu với một lượng khí thải CO2 tương ứng giảm 40%. Cơ quan Bảo vệ môi trường của Mỹ EPA ước tính rằng với 2.75$/gal chi phí nhiên liệu và chi phí sản xuất hệ thống là 7000$, hệ thống hybrid này sẽ sử dụng trong vòng 20 năm cho một đời xe, ước tính tiết kiệm nhiên liệu và bảo dưỡng phanh là hơn 50.000 USD. Chiếc xe này đã bắt đầu thử nghiệm trên đường của UPS vào năm 2006. Kiểu bố trí thứ 2 Đối với dạng này chỉ có động cơ bơm / motor duy nhất kết hợp với một máy tính điều khiển bốn tốc độ truyền qua ly hợp không hộp số. Chiếc xe này có động cơ bơm / motor thủy lực để sản xuất áp lực chất lỏng khi cần thiết và hệ thống lưu trữ năng lượng tương tự như bố trí đầu tiên. Ban đầu thiết kế này được áp dụng với một động cơ diesel tiêu chuẩn với kết quả đáng khích lệ. Công việc trên chiếc xe này tiếp tục vào giai đoạn 2 với nỗ lực là một động cơ nhiên liệu cồn. Động cơ sử dụng E85 (Ethanol) hoặc M85 (Methanol) hoặc xăng. Điều này sẽ loại bỏ khí NOx. Một động cơ cồn tối ưu có khả năng cải thiện 40 % hiệu suất. Mã số: T2014-60 Trang 9
13. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-5 : Kiểu bố trí thứ 2 Kiểu bố trí thứ 3 Thiết kế này sử dụng một hệ thống dẫn động tương tự như cách bố trí đầu tiên. Tuy nhiên trong thiết kế này, các máy bơm / motor dẫn động được xoay 90 độ và gắn kết với khung gầm và sử dụng một trục dẫn động để cung cấp năng lượng cho vi sai cầu sau. Bằng cách không có tích hợp trực tiếp bơm / motor vào bộ vi sai sau chúng có thể được tích hợp vào một vị trí nào đó của xe mà không gian được tối ưu hóa. Hình 1-6 :Kiểu bố trí thứ 3 Bố trí này cho thấy tính linh hoạt của công nghệ HHV bởi vì nó đã hoặc đang được áp dụng cho các phương tiện giao hàng đô thị, xe buýt đưa đón Ngoài ra, nó có khả năng tương tự như các động cơ tiên tiến đang được sử dụng. Nó hiện đang được đánh giá với một động cơ HCCI của xe buýt. Hệ thống này cũng làm giảm độ mòn ma sát trên phanh. Mã số: T2014-60 Trang 10
14. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Kiểu bố trí thứ 4 Hình 1-7 :Kiểu bố trí thứ 4 Kiểu bố trí này rất tiện lợi, motor engine và motor bơm được lắp đặt ở cầu trước, rất thích hợp để sử dụng trên các dòng xe du lịch. Trên đây là hệ thống được bố trí theo kiểu nối tiếp, ngoài ra hệ thống còn được bố trí theo kiểu song song: Hình 1-8 : Kiểu bố trí song song Thay vì động cơ truyền công suất trực tiếp tới bơm dẫn động thông qua bơm engine như kiểu nối tiếp, thì ở hệ thống này động cơ truyền công suất thông qua hợp số rồi mới tới bơm dẫn động. Các kiểu bố trí bơm dẫn động cũng tương tự như kiểu nối tiếp. 1.2.2.5 Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực Trong một chiếc xe thông thường, năng lượng được cung cấp cho các bánh xe bằng động cơ thông qua việc hộp số và trục dẫn động. Trong một hệ thống hybrid thủy lực song song có một động cơ thông thường và hệ thống truyền động thủy lực với công nghệ hybrid gắn vào trục dẫn động. Trong hệ thống HHV (HydraulicHybrid Vehicles) , động cơ không được kết nối trực tiếp với bánh xe, mà thông qua một máy Mã số: T2014-60 Trang 11
15. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô bơm / motor, hoạt động như một động cơ, sử dụng chất lỏng áp lực cao từ bình chứa để đẩy xe. Hệ thống hybrid thủy lực hoạt động ở 4 chế độ sau: Tăng tốc nhẹ / Short Cruising Tăng tốc nặng / Extended Cruising Phanh tái tạo Chế độ Cruising a. Tăng tốc nhẹ / Short Cruising Khi chân ga được nhấn, dẫn động máy bơm / motor sử dụng chất lỏng áp lực cao từ bình chứa áp suất cao để quay bánh xe. Các chất lỏng đã được sử dụng để quay các bánh xe sau đó áp suất trở nên thấp hơn và được chuyển vào bình chứa áp suất thấp. Hình 1-9 : Chế độ tăng tốc nhẹ b. Tăng tốc nặng ( Extended Cruising). Khi tăng tốc đến mức nào đó làm áp suất giảm xuống đến điểm nhất định của áp suất lúc này động cơ đốt trong sẽ hỗ trợ thêm và bắt đầu đưa chất lỏng từ bình chứa, tạo áp lực chuyển chất lỏng vào bơm dẫn động. Bất kỳ chất lỏng áp lực cao dư thừa từ động cơ máy bơm không cần thiết cho bơm / motor dẫn động sẽ được lưu trữ trong bình chứa, sau đó không được kết nối với các bánh xe, mà động cơ sẽ hoạt động ở thời điểm tốt nhất, nơi mà hiệu quả nhất. Động cơ sẽ tắt khi nó không còn cần thiết. Mã số: T2014-60 Trang 12
16. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-10 : Chế độ tăng tốc nặng c. Phanh tái tạo Hình 1-11 : Chế độ phanh tái tạo Khi vận hành trong thành phố việc sử dụng hệ thống phanh là thường xuyên. Lúc xe bắt đầu phanh, bơm / motor sử dụng động lực học chuyển động của xe để gây ra áp suất chất lỏng từ bình chứa và lưu trữ nó trong đó. Sau đó khi xe tăng tốc, chất lỏng áp lực mới này được sử dụng. Quá trình này thu giữ và tái sử dụng hơn 70% năng lượng thường bị mất đi trong quá trình phanh. d. Chế độ Cruising Khi hệ thống HHV ở chế độ chạy tự động lúc này một mình động cơ đốt trong cung cấp đầy đủ năng lượng cho các bánh xe thông qua hộp số và trục truyền động. Mã số: T2014-60 Trang 13
17. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-12 : Chế độ Cruising 1.2.2.6 Hiệu quả sử dụng Tiến bộ gần đây trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng thuỷ lực đã cho phép giảm chi phí. Những tiến bộ trong các bộ phận thủy lực đã cho thấy rằng hiệu quả tổng thể của hệ thống truyền động thủy lực có khả năng cạnh tranh với hiệu quả của hệ thống truyền lực cơ khí thông thường trên đường bộ trong môi trường đô thị. Những động cơ bơm / motor tất cả các van và bộ điều khiển nó hoạt động hiệu quả và an toàn được tích hợp vào trong máy bơm / motor. Ví dụ, van chế độ trong bơm / motor dẫn động thủy lực có thể nhanh chóng chuyển đổi hệ thống từ motor dẫn động (lái xe) sang bơm thủy lực hoạt động trường hợp phanh để lấy lại năng lượng động học của xe. Nếu trong quá trình phanh, sử dụng hệ thống phanh chống bó cứng (ABS) trên xe tải phát hiện trượt lết hoặc trượt trên băng, sau đó hệ thống điều khiển máy bơm /motor nhanh chóng chấm dứt hoạt động phanh thủy lực, để hệ thống phanh ABS có thể điều khiển độc lập bằng cách sử dụng phanh chính của nó. Những tiến bộ trong hệ thống tích trữ thủy lực đã góp phần vào hiệu quả sử dụng cho các phương tiện. Các bình chứa thủy lực được làm bằng sợi carbon chịu được áp lực 5000 psi. Nó nhẹ hơn so với thép khoảng 90%. 1.2.3 Tích trữ năng lƣợng khi phanh dƣới dạng điện năng nạp vào ắc quy. Kiểu tích trữ năng lượng này được áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe lai điện (HEV). Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bị điều khiển. Chúng có thể biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để có thể sử dụng lại [25]. Mô tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại sự quay của bánh xe có tác dụng như mô mem phanh. Trong khi phanh tái sinh mô tơ điện hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy [29] do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ thấp nên ở dải tốc độ này thường dùng hệ thống phanh bằng cơ khí. Nhược điểm của kiểu tích trữ năng lượng bằng ắc quy đó là ắc quy thì cung cấp điện DC trong khi các mô tơ điện lại sử dụng điện AC do đó cần phải sử dụng một bộ biến đổi (inverter và converter). Điện áp và dòng điện sử dụng lớn nên cần phải có các Mã số: T2014-60 Trang 14
18. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô linh kiện công suất dẫn dòng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật điều khiển phức tạp và tuổi thọ của ắc quy ngắn[25]. Do đó giá thành của các xe này rất cao. 1.2.4 Tích trữ năng lƣợng phanh bằng siêu tụ[24] Các siêu tụ sử dụng một cơ chế lưu trữ khác nhau. Trong siêu tụ, năng lượng được lưu trữ dạng tĩnh điện trên bề mặt của vật liệu, và không liên quan đến phản ứng hóa học. Với cơ chế cơ bản như vậy, siêu tụ có thể nạp một cách nhanh chóng, một mật độ năng lượng rất cao, hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ rộng từ 65°C đến - 40°C, và không bị mất khả năng lưu trữ theo thời gian. Siêu tụ có thể kéo dài hàng triệu chu kỳ sạc / xả mà không làm mất khả năng lưu trữ năng lượng. Tụ điện lưu trữ và cung cấp năng lượng nhanh hơn so với pin, cho nên được ứng dụng nhiều trên xe hybrid như trong hệ thống phanh tái sinh. Hệ thống phanh tái sinh thu hồi năng lượng động lực và chuyển đổi nó thành điện - năng lượng thường được chuyển thành nhiệt do ma sát trong các má phanh, trên hệ thống phanh truyền thống. Hệ thống phanh tái tạo thường được tìm thấy trong xe hybrid hoặc xe điện, và lượng năng lượng điện được sử dụng để sạc pin hoặc hệ thống hybrid. Ngoài ra tụ có thể đạt được hiệu quả nhiên liệu lớn hơn trong công nghệ khởi động / tắt động cơ khi xe dừng đèn đỏ. Tụ điện là công nghệ duy nhất có đủ công suất và tuổi thọ theo chu kỳ nạp/thải dài để cung cấp nhanh chóng năng lượng tái khởi động chiếc xe. Các nhược điểm chính của siêu tụ là mật độ năng lượng của nó thấp, có nghĩa là lượng năng lượng siêu tụ có thể lưu trữ trên mỗi đơn vị trọng lượng là rất nhỏ, đặc biệt là khi so sánh với pin. Ngoài ra, chi phí vật liệu siêu tụ thường cao hơn chi phí vật liệu pin do những khó khăn trong việc tạo ra vật liệu tăng hiệu suất siêu tụ, chẳng hạn như graphic. Tuy nhiên, tiến bộ gần đây trong việc tạo ra vật liệu siêu tụ mới và cải thiện các phương pháp sản xuất vật liệu có thể sớm thu hẹp khoảng cách mật độ năng lượng cho một số ứng dụng thương mại. Siêu tụ từ Maxwell Technologies hiện đang được sử dụng trong xe buýt hybrid của Trung Quốc. Các siêu tụ điện được nạp khi các xe phanh và xả để giúp xe tăng tốc. Tuy nhiên, các siêu tụ điện một mình không thể duy trì nhu cầu năng lượng của xe buýt. Xe điện Tesla hoạt động hoàn toàn bằng pin, nhưng trọng lượng của pin hạn chế đáng kể phạm vi của chiếc xe và hầu hết năng lượng được sử dụng trong quá trình tăng tốc. Nếu hai công nghệ được kết hợp, một chiếc xe điện được cải thiện sẽ đẩy nhanh tiến độ sử dụng siêu tụ, trong đó sẽ giảm số lượng pin được yêu cầu, làm giảm trọng lượng của xe và do đó mở rộng phạm vi hoạt động. Mã số: T2014-60 Trang 15
19. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-13 : Công nghệ siêu tụ của Maxwell 1.2.5 Hệ thống tích trữ năng lƣợng kiểu bánh đà siêu tốc 1.2.5.1 Cơ chế của KERS bánh đà Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức : E = 1 Jω2 2 Trong đó J là mô men quán tính và ω là tốc độ góc. Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn. Do đó, bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng phải được quay với tốc độ rất cao và phải đặt trong môi trường chân không để giảm lực cản gió. Hiện nay trên thế giới có 2 hãng sản xuất bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó là hãng Flybird và Williams Hybrid Power. Bánh đà của Flybrid là một hệ thống cơ khí đơn thuần. Có thể được gắn với một số bộ phận quay trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ động cơ cho tới vi sai, bánh đà kết hợp với hộp số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ của động cơ. Trong các ứng dụng với xe du lịch người ta sử dụng hộp số vô cấp CVT (Continuously Variable Transmission ), để giảm chi phí cũng có thể sử dụng hộp số truyền thống với các bánh răng và ly hợp thay thế. Mã số: T2014-60 Trang 16
20. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-14 : Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà[5] Ngược lại với Flybird, hệ thống của Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng điện để tích hoặc rút điện năng khỏi bánh đà, lợi dụng vật liệu composite có tính từ để đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao. Do có giá thành cao hơn, hệ thống này được ứng dụng cho xe cao cấp. Chiếc xe đua 918 RSR Hybrid của Porsche sử dụng hệ thống của WHP, và nó hoạt động thông qua các mô-tơ điện đặt ở bánh trước [30]. Hình 1-15 : Porches 918 RSR concept bố trí bánh đà ngay cạnh người lái Theo nghiên cứu mới đây nhất thì bánh đà bằng sợi carbon KERS của hãng Volvo được trang bị cho cầu sau. Nó chỉ nặng 6 kg và đường kính 20 cm, có khả năng quay với tốc độ 60.000 vòng/phút. Với công suất tăng thêm 80 mã lực, xe này có thể tăng tốc lên 100 km/h chỉ trong 5.5 giây.[30] Mã số: T2014-60 Trang 17
21. Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-16 : Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục cho những nơi mà động lực được cung cấp bị ngắt quãng. Khi phanh xe, bánh đà có tác dụng thu hồi năng lượng, sau đó “góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có thể làm giảm tiêu hao 25% nhiên liệu động cơ 4 xi-lanh vận hành sẽ sinh ra lực tương đương với động cơ 6 xi-lanh [30]. Trong một cơ cấu bánh đà được lắp trên cầu sau như hình 1.16. Khi phanh, hệ thống truyền lực ngắt kết nối từ động cơ tới bánh xe, động năng của xe chuyển hóa thành động năng “dồn” sang quay bánh đà, tốc độ xe khi đó giảm xuống và năng lượng đó được tích trữ trên bánh đà. Khi xe di chuyển tiếp, năng lượng tích lũy trong bánh đà được truyền tới bánh xe thông qua cơ cấu truyền động đặc biệt. Nhờ đó xe tăng tốc tốt hơn so với động cơ không có bánh đà siêu tốc. 1.2.5.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống hybrid bánh đà.[27] Như với tất cả các công nghệ mới, hệ thống bánh đà KERS có những lợi thế và bất lợi. Ưu điểm là có hiệu suất cao, tiêu thụ nhiên liệu thấp, và chi phí thấp so với các xe hybrid điện . Do thiết kế trọng lượng nhẹ của các thành phần bánh đà và bộ phận kèm theo, việc thêm trọng lượng là không đáng kể khi phân tích hiệu quả nhiên liệu. Hơn nữa, hệ thống này được chứa trong một bộ phận nhỏ gọn, làm cho nó dễ dàng để lắp đặt vào phía sau của một chiếc xe. Khả năng của bánh đà là lưu trữ năng lượng hiệu quả. Điều này là do không có chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác như pin nên làm giảm đáng kể tổn thất năng lượng trong hệ thống. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng KERS bánh đà dựa trên có thể phục hồi và lưu trữ trên 70% năng lượng của xe. Mã số: T2014-60 Trang 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4