Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng động lực học bộ thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh trên ô tô

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng động lực học bộ thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh trên ô tô

1. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNGTỪ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ RESEARCH ON DESIGNING AND SIMULATION DYNAMIC OF BRAKING RECOVERY ENERGY ASSEMBLY IN AUTOMOTIVE Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguyễn Trường Thịnh3c, Huỳnh Hữu Phúc4d 1, 2, 3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM 4Công ty VMEP Việt Nam a tungdt@hcmute.edu.vn; b dodzung@hcmute.edu.vn; c thinhnt@hcmute.edu.vn; d huuphuc0606@yahoo.com; TÓM TẮT Hiện nay, trên ô tô nguồn năng lượng động năng từ hệ thống phanh vẫn chưa được thu hồi để tái sử dụng một cách hiệu quả. Năng lượng này bị biến thành nhiệt năng do ma sát giữa má phanh và trống/đĩa phanh. Trên những dòng xe hybrid, nguồn năng lượng này đã được tận dụng một phần để biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy phục vụ quá trình tăng tốc của xe. Đối với xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống (chỉ sử dụng động cơ đốt trong) thì nguồn năng lượng này chưa được nghiên cứu và tận dụng một cách triệt để. Bài báo này đi phân tích, đề xuất phương án thu hồi và tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh sử dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống. Dựa trên phương án được đề xuất, nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm Solidworks và MCS ADAMS/Car để thiết kế, mô phỏng động lực học của hệ thống, tính toán lượng năng lượng tái tạo được sinh ra trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc. Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm, cải tiến phương pháp điều khiển để đạt được hiệu quả thu hồi năng lượng một cách tốt nhất. Từ khoá: hệ thống phanh tái tạo năng lượng, tích trữ động năng được thu hồi, tự động phân tích động lực học các hệ thống cơ khí, hệ thống truyền lực ABSTRACT Currently, the kinetic energy from braking system has yet to be recovered for reuse effectively. It is transformed into heat by friction between brake pads and drum/disc brakes. On the Hybrid Electric Vehicle (HEV), this energy source has been used to convert into electricity to recharge for high voltage battery of the vehicle. In the conventional vehicles (using only the internal combustion engine), this power source has not been studied and utilized fully. This paper analyzed, proposed plan of recovery and store the kinetic energy in braking system of the conventional vehicle. Based on the design proposal, the authors have used SolidWorks and MCS ADAMS/Car softwares to design 3D mechanical model, simulate dynamic of system and calculate the amount of renewable energy generated during braking or deceleration. The simulation results will be the fundamental for experiment researches, improve the control algorithms to achieve high efficiency of recovery energy. Keyword: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage (KERS), Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems (ADAMS), powertrain system 1. GIỚI THIỆU CHUNG 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 lượng 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 332
2. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV tạo ra những dòng xe hybrid. Một chiếc xe sử dụng hai nguồn động lượng (một động cơ đốt trong và một thiết bị tích trữ năng lượng để sử dụng cho động cơ điện) thì được gọi là hệ thống hybrid [1]. Một trong những yếu tố giúp dòng xe này tiết kiệm nhiên liệu là nó tận dụng được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc hoặc khi phanh thông qua hệ thống phanh tái sinh năng lượng (Regenerative Brake 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 2 thức Ek = ½ mV sẽ là 47,8 kJ. Trong đó Ek là động năng của xe; m là khối lượng của xe và V là tốc độ của xe. Do đó nếu như năng lượng này được thu hồi 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 = 11,95 kJ). Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [2]. Như vậy, năng lượng động năng khi phanh của ô tô là rất lớn. Nó tỷ lệ thuận với khối lượng của xe và bình phương vận tốc tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh. Tuy nhiên, việc thu hồi và tích trữ nguồn năng lượng này như thế nào thì còn nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu. Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: ắc quy điện cao áp, siêu tụ, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà hay là lò xo đàn hồi [1]. Với hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện cao áp thì cần phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, bộ biến đổi điện áp cao phức tạp và thường được ứng dụng cho những dòng xe điện hoặc xe lai điện với giá thành rất cao. Với kiểu hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy lực đa phần được ứng dụng trên những xe tải trọng lớn. Trong khi đó phương án tích trữ năng lượng bằng bánh đà là một phương thích hợp có thể áp dụng cho những dòng xe tải trọng nhỏ như xe du lịch truyền thống [1]. Dựa trên nền tảng của các nghiên cứu trước, tác giả đề ra phương án tích trữ năng lượng sử dụng kết hợp giữa bánh đà và máy phát điện áp dụng cho xe du lịch truyền thống với sơ đồ thử nghiệm nghiên cứu như sau: Hình 1. Mô hình thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Khi xe hoạt động trên đường ở chế độ tăng tốc lực kéo chủ động truyền tới bộ bánh răng hành tinh quay không tải. Khi xe phanh hoặc khi giảm tốc (xuống dốc dài), cơ cấu phanh trên bộ bánh răng hành tinh được kích hoạt hãm bánh răng bao làm cho lực truyền tới hệ thống và làm cho bánh đà quay. Động năng của xe lúc này được tích trữ vào bánh đà để dẫn động máy phát phát điện nạp lại cho ắc quy. 333
3. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 2.1. Cơ sở lý thuyết để tính toán lực và công suất phanh cần thiết Để có cơ sở tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh, trước tiên ta hãy đi phân tích động lực học cũng như công suất phanh cần thiết đối với một chiếc xe khi phanh hặc giảm tốc. Giả sử xe đang phanh với vận tốc V(t) thì có các lực tác dụng lên xe như sau hình vẽ [4]. Hình2. Các lực tác dụng lên xe khi phanh F = (F + F + R + R + F + mg. sin θ) = m. a (1) 2 Trong đó: mf là khr ối lưfợng crủa xea [kg]; g là gia tốc trọng trường[m/s ]; θ là góc dốc [độ]; mg.sinθ là trọng lực theo phương thẳng đứng; a là gia tốc [m/s2]. Rf,Rr: lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]; R + R = µmg cos θ. Trong đó µ là hệ số cản lăn có giá trị trong khoảng 0.02 đến 0.04 tuỳ theo tình trạng mặt đường [4]. f r F = 0.5ρ. A. C . (V + V ) (2) 2 3 Trong đó:a Fa là lực cDản gió [N];windρ là mật độ không khí (kg/m ); Cd là hệ số cản gió; V là vận tốc của xe [m/s]; Vwind là vận tốc của gió chống lại sự di chuyển của xe [m/s]. Ff, Fr: là lực phanh tác dụng lên cầu trước, cầu sau [N]; Khi xe bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc thì lực làm cho xe đang chuyển động là lực quán tính tại thời điểm đó trừ đi các lực cản gió, lực cản lăn Lúc này mô men đặt vào bánh xe chủ động sẽ là [5]: ω Tω(t) = Rω R + ρAC (V(t) + V) + + m V(t) (3) 1 J ω d 2 2 Công suất phanh t�ại thr ời 2điểm Dbất kì được tính �theoR công� dtthức [4�]: P (t) = (F + F )V(t) (4) Trong đó:b Pb(t) làf côngr suất phanh yêu cầu [W]; V(t) là vận tốc xe tạo thời điểm t [m/s] Công suất phanh của các bánh xe trước, sau [4]: P (t) = F V(t); P (t) = F V(t) (5) f f r r 334
4. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Đối với các xe được thiết kế có hệ thống phanh tái tạo năng lượng thì để đảm bảo an toàn xe phải sử dụng đến hệ thống phanh cơ khí ở bánh xe chủ động. Vì thế, Fr có thể tính theo công thức (7) [4]: F = F _ á + F _ ơ í (6) Công surất phanhr t i sinh tái sinh rđcốith với cầu sau chủ động P (t) = (ma mg. sin θ F F µmg. cos θ F )V(t) (7) Giả sử xe đang phanh với vận tốc đầu là U và vận tốc cuối là V. Do đó, sự biến đổi về R − − f − r−mech − − a động năng được tính theo công thức (8) [4]: E = E E = m(U V ) (8) 1 2 2 Trong∆ đó: ΔEU là− sự Vgiảm2 của độ−ng năng [J]; EU, EV là động năng tại thời điểm U và V Năng lượng động năng của xe trong quá trình phanh là rất lớn. Tuy nhiên, việc thu hồi năng lượng này được nhiều hay ít còn tùy thuộc vào kỹ thuật điều khiển và phương pháp biến đổi và tích trữ năng lượng. Trong nghiên cứu này sẽ đi nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bộ thu hồi năng lượng được lắp trên xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Điều kiện thực hiện mô phỏng đó là xe tăng tốc đến một tốc độ nhất định (khoảng 65 km/h, tương ứng với tốc độ thực tế trên đường) sau đó thực hiện quá trình phanh theo 2 giai đoạn. Trong khoảng thời gian đầu của quá trình phanh thì chỉ có hệ thống phanh tái tạo năng lượng hoạt động sau đó hệ thống phanh cơ khí sẽ hoạt động cho tới khi xe dừng hẳn. 2.2. Thiết kế các cụm chi tiết trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng Dựa trên mô hình thử nghiệm đã được đề xuất, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Solidwoks để xây dựng mô hình 3D của các chi tiết trong hệ thống như trong hình 3. Hình 3. Mô hình được thết kế bằng Solidworks Theo như mô hình thiết kế, mỗi khi phanh năng lượng được tích trữ vào bánh đà dưới dạng cơ năng được tính theo công thức: E = J *ω2 1 Trong đó: ω là vận tốc góc của bánh đàf [rad/s];2 f Jf là mô men quán tính của bánh đà [kgm2]. Theo công thức trên ta thấy rằng năng lượng được tích trữ trong bánh đà tỉ lệ với mô men quán tính và bình phương vận tốc góc của nó. Mô men quán tính của bánh đà có thể được tính như sau: J = 2 W(r)r dr π R2 3 f β �R1 335
5. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Trong đó: β là mật độ khối lượng vật liệu; W(r) là độ dày của bánh đà; R là bán kính bánh đà. Do đó khối lượng của bánh đà được tính theo công thức: M = 2 W(r)rdr π R2 f Dựa trên cơ sở tính toán nhóm nghiênβ �cRứ1u đã thiết kế các bộ phận trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng với các thông số như trong bảng 1: Bảng 1. Các thông cơ bản của bộ thu hồi năng lượng Thông số kích thước Số Tên chi tiết lượng Số răng Bước răng Đường kính Z M (mm) D (mm) Bánh răng bao trước 1 65 2.5 162,5 Bánh răng mặt trời trước 1 27 2.5 67,5 Bánh răng hành tinh trước 4 19 2.5 47,5 Bánh răng bao sau 1 73 2.5 182,5 Bánh răng mặt trời sau 1 39 2.5 97,5 Bánh răng hành tinh sau 4 17 2.5 42,5 Bánh răng quả dứa (bộ truyền lực chính) 1 13 4 52 Bánh răng vành chậu (bộ truyền lực chính) 1 43 4 172 Bánh răng chủ động lắp trên trục các đăng 1 73 2.5 182,5 Bánh răng chủ động lắp trên bộ BRHT 1 62 2.5 155 Bánh đà Đường kính 255mm; khối lượng 1 4043,63 gram 2.3. Mô phỏng động lực học của hệ thống Sau khi thiết kế các cụm chi tiết của hệ thống, mô hình được chạy mô phỏng thử va chạm bằng phần mềm Solidworks sau đó được chuyển sang ADAMS/View và ADAMS/Car để mô phỏng động lực học của xe. Các thông số sử dụng cho việc mô hình hóa và mô phỏng hệ thống dựa trên thông số cơ bản của xe TOYOTA Fortuner được trình bày như trong bảng 2. Bảng 2. Các thông số mô phỏng Các thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài cơ sở L 2750 mm Chiều rộng cơ sở B 1540 mm Khối lượng của xe m 1950 kg Bán kính bánh xe Rω 0,33 m Hệ số cản không khí Cd 0.3 - Diện tích cản chính diện A 2,15 m2 Lực cản lăn Fr 133 N Mật độ không khí ở 30 0 C ρ 1,25 kg/m3 2 Mô men quán tính khối lượng của bánh đà Jf 0,04 kgm 336
6. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Điều kiện thực hiện mô phỏng phanh: Động cơ hoạt động ở chế độ ổn định. Đầu vào bao gồm các thông số động lực học của xe và các thông số từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (các thông số về mặt đường được thiết lập trong ADAMS/Car theo tiêu chuẩn ISO). Đầu ra bao gồm các thông số vận tốc, gia tốc, năng lượng tích trữ vào bánh đà và mô men phanh tại các bánh xe. Các chế độ điều khiển được thiết lập trong ADAMS/Control. Ban đầu cho xe hoạt động ổn định ở tốc độ 63 km/h, khi tín hiệu giảm tốc từ bàn đạp ga bộ thu hồi năng lượng được kích hoạt, động năng của xe được tích trữ vào bánh đà làm quay máy phát điện để nạp lại cho ắc quy. Lực phanh của hệ thống phanh tái tạo năng lượng tùy thuộc vào việc điều chỉnh dòng sạc (trong nghiên cứu mô phỏng này chưa tính toán tới sự chuyển hóa năng lượng cũng như những tổn hao từ việc chuyển hóa từ cơ năng sang điện năng). Sau khoảng thời gian 2 giây thì có thêm sự tác động của hệ thống phanh cơ khí tác dụng lên xe cho tới khi dừng hẳn để đảm bảo an toàn. Hình4. Sơ đồ khối các thông số mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng Hình 5. Mô hình mô phỏng trên ADAMS 337
7. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Kết quả mô phỏng và phân tích kết quả: Hình 6. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc và gia tốc góc của bánh xe theo thời gian Như ta thấy trên đồ thị hình 6, tốc độ góc của bánh xe giảm nhẹ trong 2 giây đầu tiên là do lực phanh từ bộ thu hồi năng lượng sinh ra làm cho xe giảm tốc. Từ giây thứ 2 trở đi do sự tác động của hệ thống phanh cơ khí nên tốc độ bánh xe giảm rất nhanh. Hình 7. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc, gia tốc góc và năng lượng của bánh đà theo thời gian Ngược lại với tốc độ bánh xe, bánh đà được kết nối với trục các đăng thông qua bộ bánh răng hành tinh kép với tỉ số truyền tăng do đó trong 2 giây đầu tiên tốc độ của bánh đà được tăng lên rất nhanh. Đến khi hệ thống phanh cơ khí hoạt động thì bánh đà quay theo quán tính của nó với tốc độ giảm dần theo thời gian. Năng lượng tích trữ vào bánh đà tỷ lệ với bình phương tốc độ được biểu diễn bằng đường màu xanh trên hình 7. Hình 8. Đồ thị biểu diễn mô men phanh của cầu trước và cầu sau 338
8. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, mô men phanh tại các bánh xe tăng chậm do hệ thống phanh cơ khí chưa hoạt động. Càng về cuối quá trình phanh mô men phanh tại các bánh xe tăng nhanh do hệ thống phanh cơ khí hoạt động. Lúc này lực phanh phải phân bố theo quy luật phân bố tải trọng. Thông qua phân tích và xử lý các số liệu mô phỏng thu thập được từ phần mềm ADAMS/Car. Kết quả cụ thể được mô tả trong bảng 3. Bảng 3. Bảng kết quả mô phỏng Mô men Mô Tốc độ bánh xe Tốc độ xe Tốc độ bánh đà Năng phanh men lượng tại các phanh tích trữ STT bánh xe tại các vào cầu bánh xe Độ/giây v/ph m/s km/h Độ/giây v/ph bánh đà trước cầu sau (J) (N.m) (N.m) 1 3000 500 17,29 62,24 37500 6250 5000 5,00 3,30 2 2950 492 17,00 61,20 75000 12500 31500 10,00 5,50 3 2850 475 16,42 59,13 115000 19167 75000 14,50 8,50 4 2700 450 15,56 56,02 125000 20833 156215 35,00 20,25 5 2300 383 13,26 47,72 115000 19167 80000 44,50 26,50 6 1900 317 10,95 39,42 96000 16000 67000 53,50 32,50 7 1820 303 10,49 37,76 75000 12500 58000 60,00 35,00 8 1350 225 7,78 28,01 55000 9167 45000 67,50 39,50 9 900 150 5,19 18,67 37500 6250 25000 73,50 41,45 10 500 83 2,88 10,37 27000 4500 12500 77,50 45,50 11 150 25 0,86 3,11 5000 833 3560 80,00 48,00 12 0 0 0 0 0 0 0 82,00 50,00 Theo bảng số liệu kết quả mô phỏng thì năng lượng động năng thu được càng lớn khi tốc độ quay của bánh đà càng lớn. Trong nghiên cứu mô phỏng này tốc độ bánh đà đạt tới trên 20.000 vòng/phút. Tuy nhiên trên thực tế để đạt được tốc độ này thì cần phải cải tiến kết cấu cơ khí đặc biệt là ổ bi (Ổ bi từ và buồng chân không được đề xuất sử dụng để giảm ma sát và làm tăng thời gian quay tự do của bánh đà). 3. KẾT LUẬN Bài báo này đã đi phân tích cơ sở lý thuyết và thiết kế các cụm chi tiết tổng thành trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng. Đã sử được Solidworks trong thiết kế mô hình 3D các chi tiết cũng như lắp ráp hệ thống. Liên kết được giữa Solidworks và MSC ADAMS/Car để mô phỏng động lực học của hệ thống. Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn và thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng. Hướng phát triển tiếp theo sẽ đi phân tích tính toán tới sự tổn hao của quá trình chuyển hóa từ cơ năng thành điện năng nạp lại cho ắc quy. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System. Institute of Transport Studies, University of Leeds. 339
9. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV [2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144 [3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS) for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas [4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011 [5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands THÔNG TIN TÁC GIẢ 1. Dương Tuấn Tùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tungdt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0914805623 2. Đỗ Văn Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM dodzung@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903644706 3. Nguyễn Trường Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM thinhnt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903675673 4. Huỳnh Hữu Phúc, Công ty VMEP Việt Nam; huuphuc0606@yahoo.com; Điện thoại: 0985330603 340
10. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV MỘT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHI PHANH ÁP DỤNG CHO XE Ô TÔ CÓ KIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRUYỀN THỐNG AN EXPERIMENT RESEARCH ON BRAKING ENERGY RECOVERY ASSEMBLY APPLY TO CONVENTIONAL VEHICLE Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguyễn Trường Thịnh3c, Huỳnh Hữu Phúc4d 1, 2, 3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM 4Công ty VMEP Việt Nam a tungdt@hcmute.edu.vn; b dodzung@hcmute.edu.vn; c thinhnt@hcmute.edu.vn; d huuphuc0606@yahoo.com; TÓM TẮT Quá trình phanh trên ô tô là một quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng. Sự chuyển hóa này làm giảm tuổi thọ của các chi tiết trong hệ thống phanh, đồng thời cũng là sự lãng phí năng lượng mà chiếc xe cần phải tiêu hao một lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được. Tuy nhiên, vì lý do an toàn nên hệ thống phanh truyền thống vẫn được sử dụng mặc dù năng lượng bị tiêu tán trong quá trình phanh là không nhỏ. Nghiên cứu này sẽ phát triển thiết kế, chế tạo và thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh được lắp thêm vào một chiếc xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Các bộ phận thí nghiệm được lắp thêm bao gồm: Một bộ bánh răng hành tinh kép nhằm thay đổi tỷ số truyền được mắc song song với trục các đăng của xe để làm quay bánh đà mỗi khi quá trình phanh hay giảm tốc được thực hiện; một máy phát điện được nối đồng trục với bánh đà nhằm biến cơ năng thành điện năng nạp lại cho ắc quy và một bộ điều khiển điện tử giao tiếp với máy tính nhằm điều khiển và thu thập dữ liệu từ hệ thống. Thực nghiệm cho thấy lượng năng lượng thu hồi được phụ thuộc vào tốc độ của xe khi bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc và thời gian diễn ra quá trình phanh. Kết quả của thực nghiệm này sẽ là cơ sở để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu của xe khi có lắp thêm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh. Từ khóa: hệ thống phanh tái tạo năng lượng, tích trữ động năng được thu hồi, bộ bánh răng hành tinh, hệ thống truyền lực truyền thống ABSTRACT The braking process in automotive is an energy conversion from mechanical energy into heat. This transformation is a waste of energy and cause damage to components in braking system. However, for safety reasons the traditional braking system is still used, although the energy dissipated during braking is not small. This research will design, manufacture and testing of braking energy recovery assembly which is fitted to traditional powertrain vehicle. The experimental unit is fitted include: A double planetary gear set to change gear ratio isparallel with the propeller shaft of the vehicle to rotate the flywheel when braking or deceleration; a generator is connected coaxial with the flywheel to convert mechanical energy into electrical energy and an electronic controller and computer interface to collect data. The experiment results show that the amount of energy recovered depends on the speed of the vehicle at starting timing of braking or deceleration and duration of braking. These results will be the fundamental to calculate of fuel consumption for the vehicle which is installed the braking energy recovery assembly. Keywords: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage (KERS),planetary gear unit, conventional powertrain system 341
11. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV 1. GIỚI THIỆU CHUNG Như chúng ta đã biết, quá trình phanh trên ô tô là một quá trình làm tiêu tán năng lượng mà chiếc xe đang có để làm cho xe giảm tốc. Năng lượng động năng của xe là rất lớn, nó phụ thuộc vào vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh Ke = ½ mV2. Trong đó: Ke là động năng của xe [J]; m là khối lượng của xe [kg]; V là vận tốc của xe [m/s]. Năng lượng này được thu hồi nhiều hay ít tùy thuộc vào kết cấu của hệ thống, kỹ thuật điều khiển bộ thu hồi năng lượng khi phanh và phương pháp tích trữ năng lượng này. Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: ắc quy điện cao áp, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà và lò xo đàn hồi. Với hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện cao áp thì cần phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, bộ biến đổi điện áp cao phức tạp và thường được ứng dụng cho những dòng xe điện hoặc xe lai điện với giá thành rất cao. Với kiểu hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy lực đa phần được ứng dụng trên những xe tải trọng lớn. Trong khi đó phương án tích trữ năng lượng bằng bánh đà là một phương thích hợp có thể áp dụng cho những dòng xe tải trọng nhỏ như xe du lịch truyền thống. Tuy nhiên việc tích trữ năng lượng bằng bánh đà cũng có nhiều dạng khác nhau [6]: Tích trữ dưới dạng năng lượng cơ năng: Khi phanh năng lượng được tích trữ vào bánh đà và khi kết thúc quá trình phanh thì năng lượng này được giải phóng để tác động trực tiếp vào hệ thống truyền lực góp phần vào việc tăng tốc xe. Với kiểu tích trữ này thì kết cấu cơ khí rất phức tạp; Tích trữ dưới dạng điện năng: Khi quá trình phanh hoặc giảm tốc xe diễn ra thì động năng của xe được tích trữ vào bánh đà. Năng lượng này được chuyển hoá thành điện năng nạp lại cho ắc quy thông qua máy phát điện được gắn đồng trục với bánh đà. Nghiên cứu gần đây nhất của tác giả Tai-Ran Hsu sử dụng một bánh đà để tích trữ năng lượng cơ năng khi phanh và một máy phát điện để biến cơ năng thành điện năng. Tuy nhiên, nghiên cứu này được thực hiện trên bệ thử với mô tơ điện dẫn động hệ thống, bánh đà và máy phát điện chưa được ngắt khỏi hệ thống khi kết thúc quá trình phanh để tận dụng triệt để quán tính của bánh đà do đó tốc độ quán tính của bánh đà trong khi thử nghiệm là thấp nên năng lượng thu hồi được chưa lớn. Để khắc phục một số nhược điểm trên, nghiên cứu này sẽ tìm hiểu, chế tạo và thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng khi phanh áp dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống với sơ đồ như trong hình 1. Hình 1. Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống được trình bày như sau: Bộ truyền động xích luôn được kết nối từ trục các đăng xuống bộ bánh răng hành tinh kép. Tuy nhiên, khi xe hoạt động bình thường thì bộ điều khiển chưa tác động vào bộ bánh răng hành tinh kép nên năng lượng chưa được truyền vào bánh đà. Khi có tín hiệu từ người lái báo hiệu quá trình phanh hoặc giảm tốc bắt đầu xảy ra, bộ điều khiển kích hoạt hãm bánh răng bao của bộ bánh răng 342
12. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV hành tinh kép. Lúc này năng lượng truyền qua bộ bánh răng hành tinh kép làm cho bánh đà quay dẫn động máy phát điện nạp lại cho ắc quy. Lực cản quá tính của bánh đà cũng như lực hãm điện động của máy phát điện thông qua việc điều chỉnh dòng sạc chính là lực phanh làm cho xe giảm tốc. 2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 2.1. Thông số cơ bản của xe thực nghiệm Để có cơ sở tính toán các thông số của các cụm chi tiết trong bộ thu hồi năng lượng khi phanh, trước tiên ta hãy đi phân tích và tính toán sơ bộ năng lượng sinh ra trong quá trình phanh của ô tô. Xe thử nghiệm là xe TOYOTA HIACE 15 chỗ có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống với các thông số như được trình bày trong bảng 1. Điều kiện thử nghiệm trong đường đô thị nên chỉ thử nghiệm ở giải tốc độ xe từ 70 km/h trở lại. Bảng 1. Các thông số của xe thực nghiệm Các thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài cơ sở L 2570 mm Chiều rộng cơ sở B 1655 mm Khối lượng của xe m 1905 Kg Bán kính bánh xe Rω 0,33 m 2 Mô men quán tính khối lượng của bánh đà Jf 0,04 kg.m 2.2. Thông số của bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh Các định luật nhiệt động lực học và động lực học của ô tô được sử dụng để tính toán công suất cần thiết trong quá trình phanh hoặc giảm tốc của xe tại thời điểm t bất ký được tính theo công thức [1]: P (t) = [ ( ) + ( )] + ( ) + ( )+ Ploss (1) 𝑑𝑑 Trong đó: 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑡𝑡 𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑡𝑡 𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑡𝑡 𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑡𝑡 Pe (t) là thế năng của xe tại thời điểm t, thế năng của xe có ý nghĩa lớn trong khi xe thả dốc đèo. Pe (t) = (mg)Δy vớiΔy là độ dốc của mặt đường; g là gia tốc trọng trường. Pa (t) là công suất cản gió. P = 0.5ρAC (V(t) + V ) với ρ là mật độ không khí 3 [kg/m ]; Cd là hệ số cản gió; V(t) là vận tốc của xe [m/s]; Vwind3 là vận tốc của gió chống lại a D wind sự di chuyển của xe [m/s]. P(f) là công suất cản lăn. Ploss: là công suất tiêu hao cho quá trình giảm tốc của xe bao gồm cả ma sát giữa các chi tiết cơ khí và của hệ thống truyền lực. Trong nghiên cứu thực nghiệm này, xe được thử trên đường bằng nên độ dốc coi như bằng không. Do đó mô men và tốc độ góc của trục các đăng tại thời điểm bắt đầu phanh hoặc giảm tốc được tính như sau [5]: T (t) = R R + AC (V(t) + V ) + + m v(t) (2) 1 Jω d 2 2 ω ω � r 2 ρ D wind �Rω � dt � ωt = ωω (3) 1 ( ) Trong đó: Tω t i0 là mô men tác dụng lên trục các đăng; ωt là tốc độ góc của trục các đăng [rad/s]; i0 là tỷ số truyền của bộ truyền lực cuối ; và ωωlà tốc độ góc của bánh xe [rad/s]. 343
13. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Dựa trên thông số cơ bản của xe và tốc độ xe tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh là khoảng 70 km/h trở xuống, các thông số của bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh được sử dụng để thực nghiệm được lắp đặt trên xe với các thông như sau: bộ truyền động xích có tỷ số truyền 0,85; bộ bánh răng hành tinh kép có tỷ số truyền là 0,11; ly hợp; bộ phanh thủy lực tác động để hãm bánh răng bao làm quay bánh đà dẫn động máy phát điện; bánh đà có khối lượng là 4kg và một máy phát điện có công suất 1 mã lực. Hình 2. Các bộ phận của hệ thống phanh tái tạo năng lượng được lắp trên xe Trên hình 2 là vị trí các bộ phận trong mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng được lắp trên xe và đưa xe vào bệ thử để kiểm tra thử nghiệm các kết cấu cơ khí cũng như chương trình điều khiển trước khi được thử nghiệm trên đường. Hình 3. Bảng điều khiển và giao diện hiển thị trên máy tính các thông số thực nghiệm Hệ thống điều khiển và thu thập số liệu thực nghiệm bao gồm các bộ phận chính như sau: - Bộ điều khiển phanh và mạch công suất có nhiệm vụ điều khiển phanh bánh răng bao của bộ bánh răng hành tinh kép một cách tự động dựa trên các tín hiệu từ người lái. - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến điện xoay chiều từ máy phát thành điện một chiều cung cấp cho phụ tải điện (máy phát được sử dụng là máy phát xoay chiều 3 pha). - Bộ điều chỉnh dòng điện có tác dụng thay đổi dòng điện của phụ tải tác dụng lên máy phát để sinh ra lực phanh làm cho xe giảm tốc. - Bộ giao tiếp với máy tính có tác dụng thu thập các số liệu như: tốc độ xe, tốc độ máy phát (tốc độ bánh đà); điện áp của máy phát phát ra và dòng điện của phụ tải. - Giao diện hiển thị và giao tiếp với máy tính được thiết kế dựa trên phần mềm LabVIEW. 344
14. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV 3. THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 3.1. Mô tả điều kiện thực nghiệm Sau khi lắp đặt các bộ phận cơ khí, kết nối các cảm biến và các bộ chấp hành với mạch điều khiển thu thập dữ liệu nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm kiểm tra kết cấu cơ khí và chương trình điều khiển trên băng thử sau đó thực nghiệm trên đường với quy trình như sau: Lần lượt tăng tốc xe lên từng tốc độ khác nhau. Khi xe đạt được tốc độ mong muốn nhất định, bộ điều khiển bắt đầu kích hoạt cho hãm bánh răng bao trên bộ truyền bánh răng hành tinh kép. Cùng lúc đó ly hợp được ngắt để hạn chế phanh bằng động cơ. Các tín hiệu về tốc độ xe; tốc độ máy phát; điện áp; dòng điện được truyền liên tục lên máy tính. Hình 4. Lưu đồ điều khiển và đồ thị tổng quát tốc độ của máy phát theo thời gian Dựa trên lưu đồ giải thuật điều khiển được lập trình cho vi xử lý, nhóm tiến hành làm thực nghiệm ở các tốc độ xe tại thời điểm bắt đầu phanh là 30km/h; 40km/h; 50 km/h và 60km/h. Các thông số dữ liệu thu hồi được như tốc độ xe, tốc độ máy phát, dòng điện và điện áp phát ra được cập nhật một cách liên tục. Sau khi thu thập được các số liệu nhóm tiến hành phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm và thu được kết quả như hình 4b và hình 5. Hình 5. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện theo thời gian phanh ở các tốc độ xe khác nhau 345
15. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Theo như kết quả thu được thì khi bắt đầu quá trình phanh, tốc độ máy phát (bánh đà) tăng lên rất nhanh làm cho dòng điện và điện áp máy phát tăng theo tuyến tính. Sau khoảng thời gian phanh, bánh đà quay tự do theo quán tính của nó với tốc độ giảm dần theo thời gian. Điều này làm cho điện áp và dòng điện sinh ra cũng giảm theo. 3.2. Tính toán năng lượng thu được Dựa trên các thông số thực nghiệm thu được như trên hình 5 ta sẽ tính năng lượng thu hồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc. Tại một thời điểm bất kì, công suất thu được được tính theo công thức: P=U * I[W] Trong đó: U, I lần lượt là dòng điện và điện áp của máy phát phát ra tại thời điểm t bất kỳ. Theo kết quả thực nghiệm thu được ta đi xây dựng được đồ thị công suất như trên hình 6. Dựa trên đường cong công suất ta sẽ tính được năng lượng tái tạo khi phanh của xe trong khoảng thời gian bộ thu hồi năng lượng tái tạo hoạt động. Năng lượng tạo ra được từ hệ thống được tính chính xác theo công thức: E = P(t)dt (3) tn Nếu công suất thu∫t 0được là hằng số, có đồ thị là một đường thẳng song song với trục thời gian thì năng lượng thu được được tính như sau: E = P. t = P. t – t (4) Tuy nhiên, dựa theo△ các b�ảngn số0 �liệu thu được thì các giá trị thay đổi liên và đường công suất là đường cong nên ta sử dụng phương pháp tính gần đúng các giá trị năng lượng thu được. Hình 6. Đồ thị công suất thu được theo thời gian Theo đồ thị trên, ta có thể tính gần đúng năng lượng thu được theo các điểm giá trị như trên hình: E = E + E + + E4 = P (t t ) + P (t t ) + + P (t t ) 1 2 tb1 1 0 tb2 2 1 tb4 5 4 ⋯ − − ⋯ − = (t t ) + (t t ) + + (t t ) (5) P1+ P0 P2+ P1 P5+ P4 Các 2điểm 1giá− tr0ị lấy đư2ợc càng2 − nhi1 ều ⋯và khoả2ng thờ5i− gian4 lấy mẫu các giá trị đó càng nhỏ thì năng lượng tính được càng chính xác. Ta có công thức tổng quát sau: E = (t t ) (6) n−1 Pi+Pi+1 Do khoảng thời gian∑i=1 giãn� cách2 � để itính+1 − toáni là△t = 1s nên ta có: E = (7) n−1 Pi+Pi+1 ∑i=1 � 2 � 346
16. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV Dựa vào công thức trên và các bảng số liệu có được ta tính được gần đúng năng lượng thu được ứng với các tốc độ bắt đầu phanh khác nhau: Bảng 2. Bảng giá trị năng lượng thu được theo vận tốc xe tại thời điểm phanh Tốc độ bắt đầu phanh (km/h) Năng lượng thu được (J) 30 1528,47 40 1922,35 50 2496,96 60 3293,98 E (J) 3500 3000 2500 2000 Năng lượng thu được (J) 1500 1000 500 v (km/h) 0 0 20 40 60 80 Hình 7. Đồ thị năng lượng thu được theo vận tốc xe Vận tốc xe tại thời điểm bắt đầu phanh càng cao thì động năng chuyển động của xe càng lớn, do đó năng lượng thu được bằng hệ thống RBS càng nhiều. Động năng chuyển động của xe là một hàm số bậc 2 theo vận tốc. Do đó, đồ thị năng lượng thu được cũng gần giống một hàm bậc 2 theo tốc độ xe. Trong nghiên cứu này, do khả năng gia công chính xác các kết cấu cơ khí chưa cao nên năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh là chưa lớn. Để năng lượng tái tạo khi phanh được thu hồi lớn hơn nữa, các nghiên cứu tiếp theo sẽ đi tính toán tối ưu hoá các cụm chi tiết của hệ thống đặc biệt là bánh đà sẽ được đặt trong môi trường chân không để giảm lực cản gió, sử dụng các ổ bi từ để giảm tổn hao do ma sát. 4. KẾT LUẬN Bài báo này đã trình bày được phương án thiết kế, xây dựng được mô hình thực nghiệm, các bộ điều khiển và thu thập dữ liệu hệ thống phanh tái tạo năng lượng dựa trên xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Thực nghiệm và tính toán năng lượng tái tạo được khi phanh ở các tốc độ khác nhau. Kết quả thực nghiệm này sẽ là cơ sở cho việc tính toán tối ưu hóa kết cấu của hệ thống, tính toán sức tiêu hao nhiên liệu của xe khi trang bị thêm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh khi phanh. Hướng phát triển tiếp theo sẽ đi tính toán cân bằng công suất, mô men khi phanh giữa hệ thống phanh tái tạo năng lượng và hệ thống phanh cơ khí từ đó đưa ra giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tai-Ran Hsu, On a Flywheel-Based Regenerative Braking System for Regenerative Energy Recovery, Department of Mechanical Engineering, San Jose State University, San Jose, Canada, 2013. [2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144 347
17. Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV [3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS) for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas [4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011. [5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands [6] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System. Institute of Transport Studies, University of Leeds THÔNG TIN TÁC GIẢ 1. Dương Tuấn Tùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tungdt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0914805623 2. Đỗ Văn Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM dodzung@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903644706 3. Nguyễn Trường Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM thinhnt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903675673 4. Huỳnh Hữu Phúc, Công ty VMEP Việt Nam; huuphuc0606@yahoo.com; Điện thoại: 0985330603 348
18. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.