Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mô hình thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mô hình thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HỮU PHÚC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC S KC 0 0 4 8 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HỮU PHÚC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ÐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LUỢNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016
3. MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 4 1.1 Lịch sử hình thành của hệ thống phanh RBS. 4 1.2 Phương pháp tích trữ năng lượng phanh. 5 1.2.1 Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn. 5 1.2.2 Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV 9 1.2.2.1 Động cơ hybrid thủy lực HHV[2] 9 1.2.2.2 Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực 9 1.2.2.3 Hiệu quả của HHV: 10 1.2.2.4 Các kiểu bố trí hệ thống trên xe hybrid thủy lực. 11 1.2.2.5 Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực 14 1.2.2.6 Hiệu quả sử dụng 16 1.2.3 Tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện năng nạp vào ắc quy. 17 1.2.4 Tích trữ năng lượng phanh bằng siêu tụ [4] 17 1.2.5 Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu bánh đà siêu tốc 19 1.2.5.1 Cơ chế của KERS bánh đà 19 1.2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hybrid bánh đà.[6] 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN LỰC VÀ CÔNG SUẤT PHANH CẦN THIẾT 24 2.1 Lựa chọn xe để tính toán 24 2.2 Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng quán tính của xe khi phanh hoặc giảm tốc. 28 Trang i
4. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 42 3.1 Các thông số đầu vào của xe 42 3.2 Mô phỏng các lực cản 43 3.2.1 Lực cản gió 43 3.2.2 Lực cản lăn 43 3.2.3 Lực cản dốc 44 3.2.4 Lực quán tính 42 3.3 Các thông số động lực học của xe 43 3.4 Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng 43 3.5 Sơ đồ mô phỏng tổng quát 44 3.6 Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng 44 3.7 Các kết quả mô phỏng 45 3.7.1 Tốc độ xe 45 3.7.2 Mô men tác dụng lên trục máy phát 46 3.7.3 Tốc độ của trục Các đăng 47 3.7.4 Tốc độ của máy phát 48 3.7.5 Công suất máy phát điện 49 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 50 4.1 Mô tả điều kiện thực nghiệm 50 4.2 Các kết quả thực nghiệm: 50 4.2.1 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 40 km/h 52 4.2.2 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 50 km/h 54 4.2.3 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 60 km/h 57 4.3 Tính toán năng lượng thu được 60 4.4 Tính hiệu suất bộ hồi năng lượng 62 4.5 Ảnh hưởng lực phanh tái sinh đến hệ thống phanh chính trên ô tô 64 4.5.1 Vấn đề phát sinh trong quá trình phanh tái sinh hoạt động 64 4.5.2 Phương pháp đo kiểm thí nghiệm 64 4.5.3 Lựa chọn cảm biến đo mô men 64 Trang ii
5. 4.5.4 Thông số kỷ thuật cảm biến mô men 65 4.5.5 Đồ thị hiển thị mô men 66 4.5.6 Tính toán mô men bánh đà ảnh hưởng đến mô men phanh của bánh xe trong quá trình hệ thống phanh tái sinh hoạt động. 69 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 71 5.1 Kết luận 71 5.2 Đề nghị 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Trang iii
6. 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 Trang iv
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Mô tả tính chất của các kiểu tích trữ năng lượng phanh tái sinh [12] 22 Bảng 2.1: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace 24 Bảng 2.2: Hệ số cản lăn của các loại mặt đường 28 Bảng 2.3: Tính i theo công thức thực nghiệm 31 Bảng 2.4: Thông số của bệ thử: 32 Bảng 2.5: Tính i 34 Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm 36 Bảng 2.7: Công suất tổn hao từ các bộ phận 38 Bảng 2.8: Tốc độ máy phát điện và các công thức tổn hao 39 Bảng 2.9: Hằng số hao tổn 39 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 52 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 54 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 57 Bảng 4.4: Năng lượng thu được ở các tốc độ bắt đầu phanh 61 Bảng 4.5: Hiệu suất của bộ thu hồi năng lượng ở các chế độ giảm tốc 63 Bảng 4.6: Bảng số liệu mô men thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 50 km/h 67 Trang v
8. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cơ cấu lò xo cuộn [1] 6 Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn [1] 7 Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn [1] 8 Hình 1.4: Kiểu bố trí thứ 1 11 Hình 1.5: Kiểu bố trí thứ 2 12 Hình 1.6: Kiểu bố trí thứ 3 12 Hình 1.7: Kiểu bố trí thứ 4 13 Hình 1.8: Kiểu bố trí song song 13 Hình 1.9: Chế độ tăng tốc nhẹ 14 Hình 1.10: Chế độ tăng tốc nặng 15 Hình 1.11: Chế độ phanh tái tạo 15 Hình 1.12: Chế độ Cruising 16 Hình 1.13: Công nghệ siêu tụ của Maxwell 18 Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà [9] 19 Hình 1.15: Porches 918 RSR concept bố trí bánh đà ngay cạnh người lái 20 Hình 1.16: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo 20 Hình 1.17: Mô hình RBS flywheel đề xuất 23 Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe 25 Hình 2.2 : Thử nghiệm trên bệ thử xe 33 Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo 33 Hình 2.4: Công suất kéo và công suất cản ở từng tay số 35 Hình 3.1: Các thông số đầu vào của xe 43 Hình 3.2: Lực cản gió 43 Hình 3.3: Lực cản lăn 44 Hình 3.4: Lực cản dốc 44 Hình 3.5: Lực quán tính 42 Hình 3.6: Các thông số động lực học của xe 43 Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng 43 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng tổng quát 44 Hình 3.9: Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng 44 Hình 3.10: Tốc độ xe 45 Hình 3.11: Sự thay đổi mô men tác dụng lên trục máy phát 46 Hình 3.12: Tốc độ của trục Các đăng 47 Hình 3.13: Tốc độ máy phát 48 Hình 3.14: Động năng của máy phát 48 Hình 3.15: Công suất máy phát điện 49 Trang vi
9. 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 50 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 51 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 52 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 54 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 56 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 59 Hình 4.7: Đồ thị công suất tính năng lượng 60 Hình 4.8: Năng lượng thu được 62 Hình 4.9: Cảm biến đo mô men 65 Hình 4.10: Thông số cảm biến đo mô men 65 Hình 4.11: Đồ thị hiển thị điện áp và dòng điện tái sinh 66 Hình 4.12: Đồ thị hiển thị mô men bánh đà (torque sensor) 66 Hình 4.13: Đồ thị hiển thị mối liên hệ điện áp, dòng điện và mô men tái sinh 69 Trang vii
10. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Đặt vấn đề Ở Việt Nam, việc tiết kiệm năng lượng cũng đã và đang trở thành chủ đề nóng bỏng. Các mỏ dầu và khí đốt sẽ dần cạn kiệt, trong khi đó tình trạng lãng phí năng lượng trong sản xuất công nghiệp, xây dựng dân dụng, giao thông vận tải của nước ta hiện nay là rất lớn, hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng còn rất thấp so với các nước phát triển (hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện đốt than, dầu của nước ta chỉ đạt được từ 28-32%, thấp hơn so với các nước phát triển khoảng 10%; hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt khoảng 60%, thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20%. Năng lượng tiêu hao cho một đơn vị sản phẩm các ngành công nghiệp chính của nước ta cao hơn nhiều so với các nước phát triển, làm tăng giá thành sản phẩm, giảm sức cạnh tranh của nền kinh tế. Vấn đề tiết kiệm năng lượng trở nên đặc biệt quan trọng khi Việt Nam đang và sẽ trở thành nước phải nhập khẩu năng lượng. Trong khi các nguồn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời ) hầu như chưa được khai thác, sử dụng thì các nguồn năng lượng không tái tạo (dầu thô, than đá ) đang cạn kiệt dần. Nếu không có những biện pháp, chiến lược hợp lý trong vấn đề tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, thì trong thời gian không xa việc thiếu hụt năng lượng trở nên trầm trọng hơn. 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. Các quốc gia tiêng tiến, phát triển đang ngày càng ráo riết tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thay thế và các giải pháp tối ưu hóa sử dụng và tái tạo năng lượng nhằm đãm bảo ổn định nguồn năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm trong tương lai. Ta thấy rằng năng lượng trên ô tô là quá lớn, hàng ngày trên thế giới có hàng triệu xe chạy trên đường. Năng lượng được ô tô sinh ra cũng như lãng phí đi thông qua nhiệt lượng (động cơ, quá trình phanh, ma sát, ). Các hãng sản xuất ô tô đã và đang nghiên cứu đưa ra nhiều phương pháp tái sử dụng năng lượng đó như các dòng xe Hybird, xe điện Trang 1
11. Thực trạng hiện nay Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu thu hồi năng lượng lảng phí trên ô tô (nhiệt do quá trình phanh) để tái tạo lại nguồn năng lượng này một cách triệt để. 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. Mô phỏng tính năng động lực học của ô tô trên phần mềm Matlab Simulink. Đánh giá sơ bộ cơ sở ban đầu. Thiết kế mô hình cơ khí bộ thu hồi năng lượng. Các chi tiết dẫn động và kết nối trên phần mềm mô phỏng cơ khí Catia. 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. Dùng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để tính toán kết quả thu được, đánh giá kết quả so với mục tiêu cần đạt được. 3. Giới hạn đề tài Mô hình được gia công cơ khí tương đối chính xác, còn giớ hạn về mặt công nghệ và thiết bị, vật liệu chi tiết. Hệ thống thực nghiệm ở dải tốc độ thấp (từ 80km/h trở xuống) do giới hạn về gia công cơ khí, hiệu suất làm việc của thiết bị chưa cao. Năng lượng điện năng thu hồi và năng lượng tích trữ trong bánh đà chưa cao. Một phần thất thoát năng lượng do sự ma sát giữa các chi tiết cơ khí. Ma sát càng tăng khi tốc độ hoạt động của thiết bị tăng. Trang 2
12. 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. 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, mô men phanh, ). Dựa vào đó để xây dựng cơ sỏ tính toán và phát hoạt các thông số lên biểu đồ. Phân tích số liệu thu được dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tế đánh giá hiệu quả của bộ thiết bị thử nghiệm. Trang 3
13. 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 [5]. 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 [5]. 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 được tính theo công 1 2 thức E = 푣 sẽ là 47, 8 KJ. Trong đó Ek là động năng của xe, m là khối lượng của xe và v 2 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]. 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 Trang 4
14. các máy phát điện trong khi tác động phanh [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. 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. Trang 5
15. 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 [1] 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 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 Trang 6
16. 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 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 Trang 7
17. 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 hợp cảo 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. Trang 8
18. 1.2.2 Hệ thống tích trữ năng lượng 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/mô tơ 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, có thể được sản xuất với các kỹ thuật và cơ sở sản xuất đã có sẵn ở Mỹ. Sạch: 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 %. Chi phí thấp: Chi phí sản xuất thấp kết hợp với giảm bảo trì phanh và làm tăng hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu, 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 tại 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, 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: Trang 9
19. 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. Một bình chứa áp lực thấp để lưu trữ chất lỏng thủy lực sau khi nó đã được sử dụng bởi các máy bơm/mô tơ. Một máy bơm/mô tơ 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/mô tơ 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 dụng 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, 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. Trang 10
20. 1.2.2.4 Các 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/mô tơ tích hợp vào trục sau. Máy bơm/mô tơ này thực hiện việc tái tạo phanh. Có một bơm/mô tơ 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. 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/mô tơ 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/mô tơ thủy Trang 11
21. 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. 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/mô tơ 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/mô tơ 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 Trang 12