Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ ðiều 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 ðiều 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 ÐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 0 4 8 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
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 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 6052116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
3. 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 – 6052116 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HUỲNH HỮU PHÚC Giới tính: Nam
4. Ngày, tháng, năm sinh: 06/06/1986 Nơi sinh: Gò Dầu – Tây Ninh Quê quán: Thị xã - Tây Ninh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 57 Thành Tân – Châu Thành – Tây Minh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0985.330.603 Fax: E-mail: huuphuc0606@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: chính qui Thời gian đào tạo từ 08/2008 đến 08/2012 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐHSPKT - TPHCM Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Mô hình hệ thống phanh ABS Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2012 – Trường ĐHSPKT -TPHCM Người hướng dẫn: Ths. Dương Tuấn Tùng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2013 - Hiện Quản lý khu vực (chất lượng thị Công ty VMEP tại trường, bảo hành, ) LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
5. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN ưới sự chỉ đạo, hướng dẫn và hỗ trợ chân tình của quý thầy. Em xin gửi lòng kính Dtr ọng cùng lời biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng – Hiệu trưởng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Mặc dù thầy rất bận rộn trong công tác nhà trường. Nhưng Thầy đã sắp
6. xếp thời gian và hết lòng quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện luận văn trong thời gian vừa qua. Để em có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong Ban Giám Hiệu, phòng Đào Tạo Sau Đại Học, quý Thầy khoa cơ khí động lực (Bộ môn khung gầm) và cùng những học viên trong lớp CKD14B – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và động viên trong suốt quá trình học. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Dương Tuấn Tùng (Bộ môm khung gầm) đã nhiệt tình hỗ trợ về mặt kỹ thuật, tính toán thực nghiệm cũng như các thiết bị tại khoa Cơ Khí Động Lực tạo điều kiện tốt nhất cho em thực hiện luận văn này. Con xin gửi lời kính trọng và lòng yêu thương đến Cha Mẹ cùng với Anh Chị Em trong gia đình không ngừng quan tâm, chăm sóc và tạo điều kiện về mặt kinh tế để con có thể thực hiện tốt nguyện vọng và trách nhiệm của mình. Mặc dù trong quá trình thực hiện luận văn, em đã cố gắng tìm kiếm thông tin, thiết kế mô hình một cách tốt nhất có thể, xong không thể tránh những thiếu xót. Kính mong được sự phản hồi và đóng góp ý kiến của quý Thầy, Cô cùng các Anh Chị trong lớp để đề tài có hướng phát triển hoàn thiện ở cấp độ cao hơn. Em chân thành cảm ơn ! Học viên thực hiện
7. 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 3 1.1 Lịch sử hình thành của hệ thống phanh RBS. 3 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 8 1.2.2.1 Động cơ hybrid thủy lực HHV[2] 8 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. 10 1.2.2.5 Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực 13 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. 16 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 18 1.2.5.1 Cơ chế của KERS bánh đà 18 1.2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hybrid bánh đà.[6] 20 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 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 41 3.1 Các thông số đầu vào của xe 41 Trang i
8. 3.2 Mô phỏng các lực cản 42 3.2.1 Lực cản gió 42 3.2.2 Lực cản lăn 42 3.2.3 Lực cản dốc 43 3.2.4 Lực quán tính 43 3.3 Các thông số động lực học của xe 44 3.4 Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng 44 3.5 Sơ đồ mô phỏng tổng quát 44 3.6 Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng 45 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 59 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 63 4.5.1 Vấn đề phát sinh trong quá trình phanh tái sinh hoạt động 63 4.5.2 Phương pháp đo kiểm thí nghiệm 64 4.5.3 Lựa chọn cảm biến đo mô men 64 4.5.4 Thông số kỷ thuật cảm biến mô men 65 4.5.5 Đồ thị hiển thị mô men 65 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 70 Trang ii
9. 5.1 Kết luận 70 5.2 Đề nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Trang iii
10. 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
11. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Mô tả tính chất của các kiểu tích trữ năng lượng phanh tái sinh [12] 21 Bảng 2.1: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace 24 Bảng 2.2: Hệ số cản lăn của các loại mặt đường 27 Bảng 2.3: Tính i theo công thức thực nghiệm 31 Bảng 2.4: Thông số của bệ thử: 31 Bảng 2.5: Tính i 33 Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm 35 Bảng 2.7: Công suất tổn hao từ các bộ phận 37 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 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 66 Trang v
12. 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 19 Hình 1.16: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo 20 Hình 1.17: Mô hình RBS flywheel đề xuất 22 Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe 25 Hình 2.2 : Thử nghiệm trên bệ thử xe 32 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 41 Hình 3.2: Lực cản gió 42 Hình 3.3: Lực cản lăn 43 Hình 3.4: Lực cản dốc 43 Hình 3.5: Lực quán tính 44 Hình 3.6: Các thông số động lực học của xe 44 Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng 44 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng tổng quát 44 Hình 3.9: Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng 45 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 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 Trang vi
13. 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 68 Trang vii
14. 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
15. 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. 4. Phương pháp nghiên cứu Trang 2
16. 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. 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 Trang 3
17. 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 1 2 theo công thức E = 푣 sẽ là 47, 8 KJ. Trong đó Ek là động năng của xe, m là khối 2 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]. 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 [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 Trang 4
18. 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. 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. Trang 5
19. 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 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, Trang 6
20. 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 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. Trang 7
21. 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. 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 Trang 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4