Đồ án Nghiên cứu các vấn ðề quản lý năng luợng thu hồi ðuợc từ hệ thống phanh tái tạo năng luợng trên ô tô (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu các vấn ðề quản lý năng luợng thu hồi ðuợc từ hệ thống phanh tái tạo năng luợng trên ô tô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ÐỀ QUẢN LÝ NĂNG LUỢNG THU HỒI ÐUỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LUỢNG TRÊN Ô TÔ GVHD: ThS. DƯƠNG TUẤN TÙNG SVTH: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145069 S K C0 0 4 4 7 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯƠNG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ SVTH: CHU THÁI HƯNG PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145239 12145069 Khoá : 2012-2016 Ngành : CNKT-ÔTÔ GVHD: THS. DƯƠNG TUẤN TÙNG TP. HỒ CHÍ MINH–26/07/2016 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯƠNG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ SVTH: CHU THÁI HƯNG PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145239 12145069 Khoá : 2012-2016 Ngành : CNKT-ÔTÔ GVHD: THS. DƯƠNG TUẤN TÙNG TP. HỒ CHÍ MINH–26/07/2016 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM
4. PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin sinh viên Họ và tên: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 Tel: 0903920645 Email: hungchu18610@gmail.com Họ và tên: PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145069 Tel: 01633798799 Email: huyhoang12145@gmail.com 2. Thông tin đề tài Tên của đề tài: Nghiên cứu các vấn đề quản lý năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô Mục đích của đề tài: Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Khung gầm, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: Từ ngày 25/2/2016 đến 18/7 /2016 3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài - Nghiên cứu tổng quan chung về hệ thống phanh tái sinh - Phân tích các phương án tích trữ năng lượng tự hệ thống phanh tái sinh - Tính toán, lựa chọn phương án thích hợp cho mô hình thực nghiệm - Phân tích, mô phỏng và thực nghiệm kết quả - Kết luận và đề nghị 4. Lời cam đoan của sinh viên Chúng tôi – Chu Thái Hưng và Phạm Huy Hoàng cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Dương Tuấn Tùng. Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM
5. Giáo viên hướng dẫn xác nhận về mức độ hoàn thành và cho phép được bảo vệ: Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Xác nhận của Bộ Môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị) Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM
6. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾ U NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 PHẠM HUY HOÀNG 12145069 Ngành: .CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Tên đề tài: Nghiên cứu các vấn đề quản lý năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: THS. DƯƠNG TUẤN TÙNG NHÂṆ XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thưc̣ hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghi ̣cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM
7. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾ U NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145069 Ngành: Công nghệ kỹ thuật ôtô Tên đề tài: Nghiên cứu các vấn đề quản lý năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô Họ và tên Giáo viên phản biện: NHÂṆ XÉT 1. Về nội dung đề tai & khối lượng thưc̣ hiện: ̀ 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghi ̣cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM
8. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Trang MỤC LỤC vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC HÌNH ẢNH xii LỜI CẢM ƠN xiv TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 1 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA HỆ THỐNG PHANH RBS 1 1.2 PHƯƠNG PHÁP TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG PHANH 2 1.2.1 Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn 2 1.2.2 Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV 6 1.2.2.1 Động cơ hybrid thủy lực HHV[2] 6 1.2.2.2 Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực 6 1.2.2.3 Hiệu quả của HHV 7 1.2.2.4 Các kiểu bố trí hệ thống trên xe hybrid thủy lực 8 1.2.2.5 Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực 11 1.2.2.6 Hiệu quả sử dụng 14 1.2.3 Tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện năng nạp vào ắc quy 14 1.2.4 Tích trữ năng lượng phanh bằng siêu tụ [4] 15 1.2.5 Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu bánh đà siêu tốc 16 1.2.5.1 Cơ chế của KERS bánh đà 16 1.2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hybrid bánh đà[6] 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN LỰC VÀ CÔNG SUẤT PHANH CẦN THIẾT 22 2.1 LỰA CHỌN XE ĐỂ TÍNH TOÁN 22 vii
9. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG QUÁN TÍNH CỦA XE KHI PHANH HOẶC GIẢM TỐC 26 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 40 3.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA XE 40 3.2 MÔ PHỎNG CÁC LỰC CẢN 41 3.2.1 Lực cản gió 41 3.2.2 Lực cản lăn 41 3.2.3 Lực cản dốc 44 3.2.4 Lực quán tính 45 3.3 CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE 46 3.4 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG CỤM THU HỒI NĂNG LƯỢNG 46 3.5 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TỔNG QUÁT 47 3.6 BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHẾ ĐỘ MÔ PHỎNG 47 3.7 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 48 3.7.1 Tốc độ xe 48 3.7.2 Mô men tác dụng lên trục máy phát 49 3.7.3 Tốc độ của trục Các đăng 50 3.7.4 Tốc độ của máy phát 51 3.7.5 Công suất máy phát điện 52 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 53 4.1 MÔ TẢ ĐIỀU KIỆN THỰC NGHIỆM 53 4.2 CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 53 4.2.1 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 40 km/h 55 4.2.2 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 50 km/h 57 4.2.3 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 60 km/h 60 4.3 TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG THU ĐƯỢC 63 4.4 TÍNH HIỆU SUẤT BỘ HỒI NĂNG LƯỢNG 65 CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG ĐẾN HỆ THỐNG PHANH CHÍNH 67 viii
10. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 5.1 ẢNH HƯỞNG LỰC PHANH TÁI SINH ĐẾN HỆ THỐNG PHANH CHÍNH TRÊN Ô TÔ 67 5.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM THÍ NGHIỆM 67 5.3 LỰA CHỌN CẢM BIẾN ĐO MOMENT 67 5.4 THÔNG SỐ KỶ THUẬT CẢM BIẾN MOMENT 68 5.5 ĐỒ THỊ HIỂN THỊ MOMENT 69 5.6 TÍNH TOÁN MOMENT BÁNH ĐÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MOMENT PHANH CỦA BÁNH XE TRONG QUÁ TRÌNH HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH HOẠT ĐỘNG 72 CHƯƠNG 6: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC 74 6.1 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHI PHANH 74 6.2 ỨNG DỤNG SIÊU TỤ TRONG VIỆC TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG PHANH TÁI SINH 77 6.2.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán và lựa chọn siêu tụ 77 6.2.2 Một số những ứng dụng của siêu tụ trong việc tích trữ năng lượng 79 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 88 7.1 KẾT LUẬN 88 7.2 ĐỀ NGHỊ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 ix
11. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Từ viết tắt ABS Anti-lock Braking System CVT Continuously Variable Transmission EV Electric Vehicles HCCI Homogenous Charge Compression Ignition HEV Hybrid Electric Vehicles HHV Hydraulic Hybrid Vehicles HTTL Hệ thống truyền lực HVB Hybrid Vehicle Battery ICE Internal Combustion Engine KERS Kinetic Energy Recovery System MG Motor and Generator RBS Regenerative Braking System RPM Revolutions per minute UPS Uninterruptible Power Supply x
12. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Mô tả tính chất của các kiểu tích trữ năng lượng phanh tái sinh [12] 19 Bảng 2.1: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace 22 Bảng 2.2 Hệ số cản lăn của các loại mặt đường 26 Bảng 2.3 Tính i theo công thức thực nghiệm 29 Bảng 2.4: Thông số của bệ thử 30 Bảng 2.5: Tính i 32 Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm 34 Bảng 2.7: Công suất tổn hao từ các bộ phận 36 Bảng 2.8: Tốc độ máy phát điện và các công thức tổn hao 38 Bảng 2.9: Hằng số hao tổn 38 Bảng 4.1: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 40 km/h 55 Bảng 4.2: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 50 km/h 57 Bảng 4.3: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 60 km/h 60 Bảng 4.4: Năng lượng thu được ở các tốc độ bắt đầu phanh 64 Bảng 4.5: Hiệu suất của bộ thu hồi năng lượng ở các chế độ giảm tốc 66 Bảng 5.1: Bảng số liệu moment thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 50 km/h 70 Bảng 6.1: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động liên tục 81 Bảng 6.2: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động gián đoạn 82 Bảng 6.3: Thông số lưu trữ trên ắc quy, tụ điện thường, siêu tụ và pin năng lượng 83 xi
13. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cơ cấu lò xo cuộn 3 Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn [1] 4 Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn [1] 5 Hình 1.4: Kiểu bố trí thứ 1 8 Hình 1.5: Kiểu bố trí thứ 2 9 Hình 1.6: Kiểu bố trí thứ 3 10 Hình 1.7: Kiểu bố trí thứ 4 10 Hình 1.8: Kiểu bố trí song song 11 Hình 1.9: Chế độ tăng tốc nhẹ 12 Hình 1.10: Chế độ tăng tốc nặng 12 Hình 1.11: Chế độ phanh tái tạo 13 Hình 1.12: Chế độ Cruising 13 Hình 1.13: Công nghệ siêu tụ của Maxwell 16 Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà [9] 17 Hình 1.15: Porches 918 RSR concept bố trí bánh đà ngay cạnh người lái 17 Hình 1.16: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo 18 Hình 1.17: Mô hình RBS flywheel đề xuất 21 Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe 23 Hình 2.2 Thử nghiệm trên bệ thử xe 31 Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo 31 Hình 2.4: Công suất kéo và công suất cản ở từng tay số 33 Hình 2.5: Mô phỏng bằng Matlab Simulink 35 Hình 3.1: Các thông số đầu vào của xe 40 Hình 3.2: Lực cản gió 41 Hình 3.3: Lực cản lăn 42 Hình 3.4: Lực cản dốc 44 Hình 3.5: Lực quán tính 45 Hình 3.6: Các thông số động lực học của xe 46 Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng 46 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng tổng quát 47 Hình 3.9: Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng 47 Hình 3.10: Tốc độ xe 48 Hình 3.11: Sự thay đổi mô men tác dụng lên trục máy phát 49 Hình 3.12: Tốc độ của trục Các đăng 50 Hình 3.13: Tốc độ máy phát 51 Hình 3.14: Động năng của máy phát 51 xii
14. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 3.15: Công suất máy phát điện 52 Hình 4.1: Đồ thị lý thuyết biểu diễn tốc độ bánh đà (máy phát) khi hệ thống phanh tái tạo năng lượng hoạt động 53 Hình 4.2: Đồ thị thực tế biểu diễn tốc độ bánh đà (máy phát) khi hệ thống phanh tái tạo năng lượng hoạt động được vẽ bằng LabVIEW 54 Hình 4.3: Đồ thị thực tế thể hiện sự thay đổi của điện áp và dòng điện khi hệ thống phanh tái tạo năng lượng hoạt động được vẽ bằng LabVIEW 54 Hình 4.4: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt động được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 40 km/h 57 Hình 4.5: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt động được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 50 km/h 59 Hình 4.6: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt động được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 60 km/h 62 Hình 4.7 Đồ thị công suất tính năng lượng 63 Hình 4.8: Năng lượng thu được 65 Hình 5.1: Cảm biến đo moment 68 Hình 5.2: Đồ thị hiển thị điện áp và dòng điện tái sinh 69 Hình 5.3: Đồ thị hiển thị moment bánh đà (torque sensor) 69 Hình 5.4: Đồ thị hiển thị mối liên hệ điện áp, dòng điện và moment tái sinh 72 Hình 6.1: So sánh độ ổn định điện áp 74 Hình 6.2: Khả năng chịu nhiệt của thiết bị tích trữ 75 Hình 6.3: Khả năng tích trữ năng lượng 75 Hình 6.4: Suất tiêu hao nhiên liệu của thiết bị tích trữ 76 Hình 6.5: Giá thành thiết bị tích trữ 76 Hình 6.6: Sự thay đổi hiệu quả sạc của tụ liên quan đến phí tiêu thụ điện năng và điện áp ban đầu 79 Hình 6.7: Sơ đồ mô phỏng xe Hybrid bằng matlab simulink 80 Hình 6.8: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện điều khiển 80 Hình 6.9: Tốc độ xe, tốc độ động cơ và tốc độ máy phát 80 Hình 6.10: Điện áp acquy 81 Hình 6.11: Dòng điện acquy, máy phát và động cơ 81 Hình 6.12: Ultracapacitor Engine Battery Starter Booster Car Ultra/Super Capacitor By CoolEStore 85 Hình 6.13: Mô phỏng matlab nối siêu tụ song song với acquy 85 Hình 6.14: Điện áp sạc 86 Hình 6.15: Dòng điện sạc 86 Hình 6.16: Công suất 87 xiii
15. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Được sự phân công của Khoa Cơ khí động lực Trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, và sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn ThS Dương Tuấn Tùng, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu vấn đề quản lý năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ôtô”. Chúng tôi xin cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng tôi trong suốt quá trình rèn luyện, học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Và chúng tôi xin được gửi lời cám ơn đặc biệt tới thầy Dương Tuấn Tùng đã tận tình hướng dẫn cũng như giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Một lần nữa chúng tôi xin chân thành cám ơn thầy! Trong quá trình làm đồ án, do còn thiếu kinh nghiệm và trình độ chuyên môn, thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài này cũng mới mẻ nên chúng tôi không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý chân thành từ thầy cô và các bạn. Chúng tôi xin chúc tất cả quý thầy cô dồi dào sức khoẻ, niềm tin để truyền đạt kinh nghiệm và kiến thức cho thế hệ mai sau của đất nước. Trân trọng cảm ơn! xiv
16. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 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. 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Đề tài sẽ 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. Thiết kế mạch điện điều khiển, giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm LabView để thu thập dữ liệu khi hệ thống phanh hoạt động. 3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Thực nghiệm ở dải tốc độ thấp (từ 80km/h trở xuống) do giới hạn về gia công cơ khí. Một phần thất thoát năng lượng do sự ma sát giữa các chi tiết cơ khí. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng tài liệu tham khảo, nghiên cứu, sưu tầm thêm ở các trang web, sách báo nước ngoài rồi phiên dịch, sàng lọc, chỉnh chu, sắp xếp chúng lại sao cho hợp lý, dễ hiểu. xv
17. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Dựa vào các lý thuyết nghiên cứu được để tiến hành thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm. Thiết kế, chế tạo và lắp đặt mô hình phanh tái sinh cụ thể trên một ô tô (Toyota - Hiace). Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để tính toán và mô phỏng động lực học ô tô và tầm ảnh hưởng thiết bị phanh tái sinh lên hệ thống phanh thuỷ lực. Sử dụng phần mềm LabView để thu thập số liệu (điện áp, dòng điện, moment phanh, ). Dựa vào đó để xây dựng cơ sở tính toán và phát hoạt các thông số lên biểu đồ. xvi
18. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 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 [12]. 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[12]. 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, 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 2 được tính theo công thức E = 푣 sẽ là 47, 8 KJ. Trong đó Ek là động năng của xe, 2 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 [7]. 1
19. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 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 [27,11]. 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% [12] 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 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.[12]  Các phương án tích trữ năng lượng 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 PHƯƠNG PHÁP TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG PHANH 1.2.1 Hệ thống tái tạo năng lượng 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 (hệ thống tích trữ năng động năng) 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. 2
20. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hệ thống này lưu trữ năng lượng trong quá trình phanh và cung cấp 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. Hình 1.1: Cơ cấu lò xo cuộn Khi xe giảm tốc, thay vì lãng phí thế năng, các bánh xe được kết nối với một lò xo xoắn. Điều này sẽ biến đổi năng lượng động học thành thế 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 3
21. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 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 mô tơ 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, 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 bánh cóc chạy một chiều và bánh cóc này 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 4
22. TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 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 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 bao lúc này quay bị động kết nối với lò xo cuộn bao bên ngoài thông qua bánh cóc, 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 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 năng lượng động năng giúp tiết kiệm nhiên liệu. Sau khi lò xo cuộn được phóng thích, ly 5
23. S K L 0 0 2 1 5 4