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

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 MƠ 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


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 TỐN LỰC VÀ CƠNG SUẤT PHANH
CẦN THIẾT..……………………………………………………………………24
2.1 Lựa chọn xe để tính tốn............................................................................................... 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


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 qn tính............................................................................................................. 42
3.3 Các thơng 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 Mơ 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 tốn 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 ơ tơ .............................. 64
4.5.1 Vấn đề phát sinh trong q 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


4.5.4 Thông số kỷ thuật cảm biến mô men ........................................................................ 65
4.5.5 Đồ thị hiển thị mơ men .............................................................................................. 66
4.5.6 Tính tốn mơ men bánh đà ảnh hưởng đến mơ 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

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


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Mơ 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 cơng 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


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cơ cấu lị xo cuộn [1] ............................................................................................. 6
Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lị xo cuộn [1] ....................................................................... 7
Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lị 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: Cơng 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: Mơ 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: Cơng suất kéo và cơng suất cản ở từng tay số ...................................................... 35
Hình 3.1: Các thơng 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 qn tính ........................................................................................................ 42
Hình 3.6: Các thông số động lực học của xe ........................................................................ 43
Hình 3.7: Sơ đồ mơ phỏng cụm thu hồi năng lượng ............................................................ 43
Hình 3.8: Sơ đồ mơ phỏng tổng qt .................................................................................... 44
Hình 3.9: Bản đồ điều khiển các chế độ mơ 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: Cơng suất máy phát điện .................................................................................... 49
Trang vi


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 cơng suất tính năng lượng ......................................................................... 60
Hình 4.8: Năng lượng thu được ............................................................................................ 62
Hình 4.9: Cảm biến đo mơ men ............................................................................................ 65
Hình 4.10: Thơng số cảm biến đo mơ men ........................................................................... 65
Hình 4.11: Đồ thị hiển thị điện áp và dịng 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, dịng điện và mơ men tái sinh .................... 69

Trang vii

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 cơng 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 lị hơi cơng
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 cơng 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 khơng tái tạo (dầu
thơ, than đá...) đang cạn kiệt dần. Nếu khơng 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 thơng qua nhiệt lượng (động cơ, q trình phanh, ma sát,…).
Các hãng sản xuất ơ tơ đã và đang nghiên cứu đưa ra nhiều phương pháp tái sử dụng năng
lượng đó như các dịng xe Hybird, xe điện…
Trang 1

Thực trạng hiện nay Việt Nam chưa có cơng trình nào nghiên cứu thu hồi năng lượng
lảng phí trên ơ tơ (nhiệt do q 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 cơng, 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 tồn bộ năng
lượng mất đi trong quá trình phanh và giảm tốc, trong khi đối với các động cơ khơng có hệ
thống phanh tái sinh sẽ lãng phí tồn 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.
Mơ phỏng tính năng động lực học của ơ tơ trên phần mềm Matlab Simulink. Đánh giá
sơ bộ cơ sở ban đầu.
Thiết kế mơ hình cơ khí bộ thu hồi năng lượng. Các chi tiết dẫn động và kết nối trên
phần mềm mơ phỏng cơ khí Catia.
Thiết kế mạch điện điều khiển, giao tiếp với máy tính thơng 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 tốn kết quả thu được, đánh giá kết quả
so với mục tiêu cần đạt được.
3. Giới hạn đề tài
Mô hình được gia cơng cơ khí tương đối chính xác, cịn giớ hạn về mặt cơng 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


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 mơ hình phanh tái sinh cụ thể trên một ô tô (Toyota Hiace).
Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để tính tốn và mơ 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, dịng điện, mơ men
phanh,…). Dựa vào đó để xây dựng cơ sỏ tính tốn và phát hoạt các thơng 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


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 ơ tơ. 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 tồn
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 dịng 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 ơ tơ có khối
lượng bản thân 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h. Ta sử dụng hệ thống phanh thơng
thường để giảm tốc xe xuống cịn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo cơng
thức E =

1
2

𝑚𝑣 2 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 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


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 ơ tơ sử dụng động cơ đốt trong thì khó có thể đạt được đến mức này bằng việc
sử dụng phanh tái sinh bởi vì khơng giống như mơ tơ điện, quá trình chuyển đổi năng lượng
trong động cơ đốt trong không thể được phục hồi. Mặt khác khối lượng của ơ tơ 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 lị 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 lị 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

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 lị xo tạo ra
một tín hiệu theo dõi dựa trên một thơng 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
mơ-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 lị 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, lị xo
khơng cung cấp mơ 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
thơng tin phản hồi chính xác. Thơng 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 lị xo chịu tải tối đa của nó, phanh bình thường sẽ được kích hoạt. Khi xe dừng lại,
lị xo sẽ được giữ lại.
Khi xe bắt đầu tăng tốc lại, thay vì sử dụng động cơ hoặc mơ tơ như các hệ thống khác,
trục dẫn động kết nối với lị xo đến các bánh xe, mơ men xoắn tăng tốc được cung cấp bởi lò
Trang 6


xo. Một lần nữa, thơng qua cảm biến kiểm sốt thông tin phản hồi, tỷ số truyền hộp số được

điều chỉnh liên tục để duy trì tốc độ tăng tốc. Khi lị xo được phóng thích tồn 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 cơng 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, lị 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, lị xo bị biến dạng và
tác dụng một lực phanh trên các bánh xe. Khi phanh khơng kích hoạt, các bánh xe được dẫn
động về phía trước bởi lị xo khi nó bung ra.
 Ngun 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


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 lị xo cuộn bao bên ngồi thơng 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 khơng cho lị 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 lị xo cuộn được phóng thích, truyền mơ men qua trục bánh xe. Xe được dẫn
động bởi việc tích trữ năng lượng động năng giúp tiết kiệm nhiên liệu. Sau khi lị 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


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: Cơng nghệ này khơng địi 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 thơng 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.
Cơng nghệ sáng tạo đằng sau những chiếc xe nguyên mẫu rất đơn giản. Các thành phần
chính của hệ thống bao gồm:
Trang 9


 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 q trình phanh. Điều này cũng làm
giảm độ mòn ma sát trên phanh.
 Tắt động cơ khi khơng cần thiết.
Khơng có kết nối từ hộp số thơng thường và trục dẫn động động cơ đến bánh xe cho
phép động cơ được tắt hồn tồn khi khơng 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 khơng 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


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/mơ tơ tích hợp vào trục sau. Máy bơm/mơ 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 khơng q 180 psi. Tồn 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 mơi
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/mơ tơ duy nhất kết hợp với một máy tính điều
khiển bốn tốc độ truyền qua ly hợp khơng hộp số. Chiếc xe này có động cơ bơm/mô tơ thủy
Trang 11

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. Cơng 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 khơng có tích hợp trực tiếp bơm/mơ tơ vào bộ vi sai sau chúng có thể được tích hợp
vào một vị trí nào đó của xe mà khơng gian được tối ưu hóa.

Hình 1.6:

Kiểu bố trí thứ 3
Trang 12


Bố trí này cho thấy tính linh hoạt của cơng nghệ HHV bởi vì nó đã hoặc đang được áp
dụng cho các phương tiện giao hàng đô thị, xe buýt đưa đón... Ngồi ra, nó có khả năng
tương tự như các động cơ tiên tiến đang được sử dụng. Nó hiện đang được đánh giá với một
động cơ HCCI của xe buýt. Hệ thống này cũng làm giảm độ mòn ma sát trên phanh.
 Kiểu bố trí thứ 4

Hình 1.7:

Kiểu bố trí thứ 4

Kiểu bố trí này rất tiện lợi, mô tơ động cơ và mô tơ bơm được lắp đặt ở cầu trước, rất
thích hợp để sử dụng trên các dòng xe du lịch.
Trên đây là hệ thống được bố trí theo kiểu nối tiếp, ngồi ra hệ thống cịn được bố trí
theo kiểu song song:

Hình 1.8:

Kiểu bố trí song song

Trang 13


Thay vì động cơ truyền cơng suất trực tiếp tới bơm dẫn động thông qua bơm động cơ như
kiểu nối tiếp, thì ở hệ thống này động cơ truyền cơng suất thông qua hợp số rồi mới tới bơm
dẫn động. Các kiểu bố trí bơm dẫn động cũng tương tự như kiểu nối tiếp.
1.2.2.5

Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực

Trong một chiếc xe thông thường, năng lượng được cung cấp cho các bánh xe bằng
động cơ thông qua hộp số và trục dẫn động. Trong một hệ thống hybrid thủy lực song song
có một động cơ thơng thường và hệ thống truyền động thủy lực với công nghệ hybrid gắn
vào trục dẫn động. Trong hệ thống HHV, động cơ không được kết nối trực tiếp với bánh xe,
mà thông qua một máy bơm/mô tơ, hoạt động như một động cơ, sử dụng chất lỏng áp lực
cao từ bình chứa để đẩy xe. Hệ thống hybrid thủy lực hoạt động ở 4 chế độ sau:

 Tăng tốc nhẹ / Short Cruising
 Tăng tốc nặng / Extended Cruising
 Phanh tái tạo
 Chế độ Cruising
a. Tăng tốc nhẹ / Short Cruising
Khi chân ga được nhấn, dẫn động máy bơm/mô tơ sử dụng chất lỏng áp lực cao từ bình
chứa áp suất cao để quay bánh xe. Các chất lỏng đã được sử dụng để quay các bánh xe sau
đó áp suất trở nên thấp hơn và được chuyển vào bình chứa áp suất thấp.

Hình 1.9:

Chế độ tăng tốc nhẹ
Trang 14


b. Tăng tốc nặng (Extended Cruising).
Khi tăng tốc đến mức nào đó làm áp suất giảm xuống đến điểm nhất định của áp suất
lúc này động cơ đốt trong sẽ hỗ trợ thêm và bắt đầu đưa chất lỏng từ bình chứa, tạo áp lực
chuyển chất lỏng vào bơm dẫn động. Bất kỳ chất lỏng áp lực cao dư thừa từ động cơ máy
bơm không cần thiết cho bơm/mô tơ dẫn động sẽ được lưu trữ trong bình chứa, sau đó khơng
được kết nối với các bánh xe, mà động cơ sẽ hoạt động ở thời điểm tốt nhất, nơi mà hiệu quả
nhất. Động cơ sẽ tắt khi nó khơng cịn cần thiết.

Hình 1.10:

Chế độ tăng tốc nặng

Hình 1.11:

Chế độ phanh tái tạo

c. Phanh tái tạo

Khi vận hành trong thành phố việc sử dụng hệ thống phanh là thường xuyên. Lúc xe
bắt đầu phanh, bơm/mô tơ sử dụng động lực học chuyển động của xe để gây ra áp suất chất
lỏng từ bình chứa và lưu trữ nó trong đó. Sau đó khi xe tăng tốc, chất lỏng áp lực mới này

Trang 15


được sử dụng. Quá trình này thu giữ và tái sử dụng hơn 70% năng lượng thường bị mất đi
trong quá trình phanh.
d. Chế độ Cruising
Khi hệ thống HHV ở chế độ chạy tự động lúc này một mình động cơ đốt trong cung
cấp đầy đủ năng lượng cho các bánh xe thơng qua hộp số và trục truyền động.

Hình 1.12:
1.2.2.6

Chế độ Cruising

Hiệu quả sử dụng

Tiến bộ gần đây trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng thuỷ lực đã cho phép giảm chi
phí. Những tiến bộ trong các bộ phận thủy lực đã cho thấy rằng hiệu quả tổng thể của hệ
thống truyền động thủy lực có khả năng cạnh tranh với hiệu quả của hệ thống truyền lực cơ
khí thông thường trên đường bộ trong môi trường đô thị.
Những động cơ bơm/mô tơ tất cả các van và bộ điều khiển nó hoạt động hiệu quả và
an tồn được tích hợp vào trong máy bơm/mơ tơ. Ví dụ, van chế độ trong bơm/mơ tơ dẫn
động thủy lực có thể nhanh chóng chuyển đổi hệ thống từ mơ tơ dẫn động (lái xe) sang bơm

thủy lực hoạt động trường hợp phanh để lấy lại năng lượng động học của xe.
Nếu trong quá trình phanh, sử dụng hệ thống phanh chống bó cứng (ABS) trên xe tải
phát hiện trượt lết hoặc trượt trên băng, sau đó hệ thống điều khiển máy bơm/mô tơnhanh

Trang 16


chóng chấm dứt hoạt động phanh thủy lực, để hệ thống phanh ABS có thể điều khiển độc lập
bằng cách sử dụng phanh chính của nó.
Những tiến bộ trong hệ thống tích trữ thủy lực đã góp phần vào hiệu quả sử dụng cho
các phương tiện. Các bình chứa thủy lực được làm bằng sợi carbon chịu được áp lực 5000
psi. Nó nhẹ hơn so với thép khoảng 90%.
1.2.3

Tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện năng nạp vào ắc quy.

Kiểu tích trữ năng lượng này được áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe lai điện
(HEV). Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bị điều khiển.
Chúng có thể biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để có thể sử
dụng lại [12]. Mơ tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản
trở lại sự quay của bánh xe có tác dụng như mơ men phanh. Khi phanh tái sinh, mô tơ điện
hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy [10] do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ
thấp nên ở dải tốc độ này thường dùng hệ thống phanh bằng cơ khí.
Nhược điểm của kiểu tích trữ năng lượng bằng ắc quy đó là ắc quy thì cung cấp điện
DC trong khi các mô tơ điện lại sử dụng điện AC do đó cần phải sử dụng một bộ biến đổi
(Inverter và Converter). Điện áp và dòng điện sử dụng lớn nên cần phải có các linh kiện
cơng suất dẫn dịng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật điều khiển phức tạp
và tuổi thọ của ắc quy ngắn [12]. Do đó giá thành của các xe này rất cao.
1.2.4

Tích trữ năng lượng phanh bằng siêu tụ [4]

Các siêu tụ sử dụng một cơ chế lưu trữ khác nhau. Trong siêu tụ, năng lượng được lưu
trữ dạng tĩnh điện trên bề mặt của vật liệu, và khơng liên quan đến phản ứng hóa học. Với cơ
chế cơ bản như vậy, siêu tụ có thể nạp một cách nhanh chóng, một mật độ năng lượng rất
cao, hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ rộng từ 65°C đến - 40°C, và không bị mất khả
năng lưu trữ theo thời gian. Siêu tụ có thể kéo dài hàng triệu chu kỳ sạc/xả mà không làm
mất khả năng lưu trữ năng lượng. Tụ điện lưu trữ và cung cấp năng lượng nhanh hơn so với
pin, cho nên được ứng dụng nhiều trên xe hybrid như trong hệ thống phanh tái sinh. Hệ
thống phanh tái sinh thu hồi năng lượng động lực và chuyển đổi nó thành điện - năng lượng
thường được chuyển thành nhiệt do ma sát trong các má phanh, trên hệ thống phanh truyền
thống. Hệ thống phanh tái tạo thường được tìm thấy trong xe hybrid hoặc xe điện, và lượng
Trang 17