(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU HỒI
NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
TRÊN ÔTÔ

SVTH: NGUYỄN QUỐC KHỞI
MSSV: 16145427
SVTH: PHẠM TUẤN GIÀO
MSSV: 16145369
GVHD: GV.ThS. DƯƠNG TUẤN TÙNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại
Học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh thì đồ án tốt nghiệp được xem là môn
học có ý nghĩa rất thiết thực đối với sinh viên. Bởi vì trong q trình học tập, tích lũy
kiến thức, việc bắt tay vào tính tốn, thiết kế hay chế tạo một hệ thống, một mơ hình cụ
thể là rất quan trọng, phần nào giúp cho sinh viên củng cố kiến thức đã học ở trường, thể
hiện sự am hiểu về kiến thức cơ bản và sự vận dụng lý thuyết vào thực tế tính tốn sao
cho hợp lý, cũng có nghĩa là sinh viên được làm quen với công việc của một cán bộ kỹ
thuật.
Trước khi tốt nghiệp trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Chúng em được thực hiện một đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả thu hồi
năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô”. Đây là một điều kiện rất tốt cho chúng
em có cơ hội xâu chuỗi kiến thức mà chúng em đã được học tại trường, bước đầu đi sát

vào thực tế, làm quen với công việc tính tốn thiết kế ơ tơ. Bằng sự cố gắng nỗ lực của
thành viên trong nhóm và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy GV.ThS. Dương
Tuấn Tùng. Chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng
do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của q thầy cơ để
đồ án này hồn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy GV.ThS. Dương Tuấn
Tùng cùng tồn thể giảng viên khoa cơ khí động lực đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em
thực hiện đồ án trong thời gian qua.
Chúng em chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện
Phạm Tuấn Giào
Nguyễn Quốc Khởi

i


TĨM TẮT
Hệ thống thu hồi năng lượng trên ơ tơ được coi là một trong những hệ thống tiên
tiến nhất sẽ có những đóng góp tích cực trong việc bảo vệ môi trường. Bằng cách sử
dụng phanh tái tạo trên ô tô, nó cho phép phục hồi động năng của xe đến một mức độ nào
đó bị mất trong quá trình phanh.
Phần nội dung:
- Trong giới hạn của đề tài này sẽ giới thiệu các hệ thống phanh tái sinh trên ơ tơ
thường được ứng dụng trên các dịng xe EV, HEV, và các dòng xe có kiểu truyền lực
truyền thống. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thu hồi của hệ thống thu hồi
năng lượng. Tìm hiểu rõ về hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Hybrid, xây dựng mơ
hình tính tốn hiệu quả thu hồi làm cơ sở để thực hiện mô phỏng hệ thống bằng phần
mềm Matlab-Simulink. Từ các kết quả trong quá trình mơ phỏng thực hiện đánh giá hiệu
quả thu hồi năng lượng của xe có hệ thống phanh tái sinh với xe không có phanh tái sinh.

Phương pháp nghiên cứu:
- Sử dụng tài liệu liên quan, tài liệu tham khảo trong và ngoài nước liên quan đến hệ
thống phanh tái sinh.
- Tham khảo một số mơ số mơ hình mơ phỏng trên thư viện Matlab.

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i
TÓM TẮT ........................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. v
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................................vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................... vii
Chương 1. TỔNG QUAN ....................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề…………………... ..................................................................................1
1.2. Phân loại hệ thống phanh tái sinh ..............................................................................3
1.2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng. ....................3
1.2.2. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy
lực. .................................................................................................................................5
1.2.3. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel). .............6
1.2.4. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi. ...........8
1.3. Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS ............9
1.4. Hệ thống phanh tái sinh trên xe điện lai HEV .........................................................12
1.4.1. Khái niệm về ơ tơ Hybrid. .................................................................................12
1.4.2. Ngun lí thu hồi năng lượng trên ô tô lai HEV. ..............................................13
Chương 2. PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU QUẢ THU HỒI
NĂNG LƯỢNG KHI PHANH .......................................................................................... 16

2.1. Xe có kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực .....................16
2.2. Phương án phân bố, điều khiển lực phanh thu hồi và phanh cơ khí đối với HEV ..17
2.3. Hệ thống thu hồi năng lượng ưu tiên hiệu quả phanh .............................................20
2.4. Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên chế độ thu hồi ....................................21
2.5. Hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của ắc quy ............22
2.6. Vấn đề sử dụng năng lượng và không gian sử dụng của ắc quy ............................. 23
Chương 3. NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN
XE HYBRID ......................................................................................................................24
iii


3.1. Mô tả sơ lược về chế độ hoạt động của xe Prius .....................................................24
3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Toyota Prius .................................................28
3.2.1.Hệ thống truyền lực. ........................................................................................... 28
3.2.2. Động cơ điện. ....................................................................................................29
3.2.3. Bộ phận chuyển đổi điện. ..................................................................................30
3.2.4. Ắc quy cao áp. ...................................................................................................30
3.3. Cơ sở lí thuyết và xây dựng mơ hình thuật tốn .....................................................32
3.3.1. Tính tốn động lực q trình phanh. .................................................................33
3.3.2. Tính tốn mơ hình ắc quy. ................................................................................34
3.3.3. Mơ hình tính tốn q trình phanh. ...................................................................35
3.4. Tính tốn, mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink .......................40
3.4.1. Các mơ hình Matlab – Simulink mơ phỏng hệ thống phanh tái sinh. ...............40
3.5. Các kết quả mô phỏng………. ................................................................................54
3.5.1. Kết quả mô phỏng đối với chu trình FTP 75. ...................................................54
3.5.2. Kết quả mơ phỏng đối với chu trình NEDC. ....................................................59
3.5.3. Kết quả mơ phỏng đối với chu trình US06. ......................................................63
3.5.4. Kết quả mơ phỏng đối với chu trình Artemis Rural Road. ............................... 67
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................74
4.1. Kết luận……………………... ................................................................................74

4.2. Kiến nghị……………………. ................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................75

iv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt

Giải thích ý nghĩa

Ghi chú

PSD

Power Split Device

Thiết bị chia công suất

HSD

Hybrid Synergy Drive

Hệ thống lái Hybrid hợp lực

RBS

Regenerative Braking System

Hệ thống phanh tái sinh

HVB

Hybrid Vehicle Battery

Ắc quy cao áp

EV

Electric Vehicles

Các xe điện

HEV

Hybrid Electric Vehicles

Các xe lai điện

HHV

Hydraulic Hybrid Vehicles

Các xe lai thủy lực

ICE

Internal Combustion Engine

Động cơ đốt trong

FWB

Flywheel Battery

Bánh đà tích điện

FPT-75

Federal Test Procedure

Chu trình thử nghiệm của Mỹ

NEDC

New European Driving Cycle

Chu trình thử nghiệm Châu Âu

HCM

Hybrid Control Model

Hệ thống điều khiển Hybrid

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang
Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của xe phục vụ cho q trình tính tốn và mô phỏng

31

Bảng 3.2 Thông số sử dụng trong Matlab Simulink

53

Bảng 3.3 Kết quả thu hồi năng lượng trên các chu trình

71

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Các hướng nghiên cứu tích trữ năng lượng khi phanh

3

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng phanh tái sinh dạng điện năng

4

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter

4

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ

5

Hình 1.5. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực

6

Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà

7

Hình 1.7. Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept

7

Hình 1.8. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lị xo cuộn

8

Hình 1.9. Độ ổn định điện áp của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh

9

Hình 1.10. Khả năng chịu nhiệt của các phương án

9

Hình 1.11. Hiệu suất của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh

10

Hình 1.12. Suất tiêu hao nhiên liệu của các phương án

11

Hình 1.13. Giá thành của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh

11

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng phanh

14

Hình 1.15. Đặc tính mơ men phanh của động cơ điện

14

Hình 2.1. Đặc tính phân phối lực phanh

17

Hình 2.2. Kiểu truyền lực Hybrid nối tiếp

18

Hình 2.3. Kiểu truyền lực Hybrid song song

19

Hình 2.4. Kiểu truyền lực Hybrid hỗn hợp

19

Hình 2.5. Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh thu hồi
ưu tiên hiệu quả phanh

20

Hình 3.1. Các chế độ hoạt động của xe Prius

24

Hình 3.2. Mô tả chế độ vận hành ở điều kiện lái bình thường

25

Hình 3.3. Mơ tả chế độ vận hành khi xe tăng tốc

26

Hình 3.4. Mơ tả chế độ vận hành ở điều kiện lái bình thường và ắc quy được sạc

27

Hình 3.5. Mơ tả chế độ vận hành khi xe giảm tốc hoặc phanh

27

Hình 3.6. Mơ hình hệ thống tuyền lực trên xe Toyota Prius

28

Hình 3.7. Động cơ điện trên xe Toyota Prius

29
vii


Hình 3.8. Đặc tính động cơ điện trên xe Toyota Prius

29

Hình 3.9. Bộ chuyển đổi điện

30

Hình 3.10. Ắc quy cao áp trên xe Toyota Prius

30

Hình 3.11. Sơ đồ lực tác dụng lên ơ tơ khi phanh

32

Hình 3.12. Mơ hình ắc quy

34

Hình 3.13. Cấu tạo phanh đĩa

35

Hình 3.14. Đường đặc tính của động cơ điện ba pha có chổi than

37

Hình 3.15. Quan hệ giữ Kv và vận tốc ơ tơ

38

Hình 3.16. Quan hệ giữa hệ số Ksoc và %SOC

38

Hình 3.17. Thuật tốn điều khiển hệ thống phanh

39

Hình 3.18. Mơ hình mơ tả hệ thống thu hồi năng lượng trên xe điện lai HEV

40

Hình 3.19. Mơ hình tổng thể của mơ phỏng

40

Hình 3.20. Mơ hình tổng thể của mơ phỏng

41

Hình 3.21. Mơ hình hệ thống điều khiển lái xe

42

Hình 3.22. Chu trình thử FTP 75

43

Hình 3.23. Chu trình thử NEDC

44

Hình 3.24. Chu trình thử US06

44

Hình 3.25. Chu trình chạy thử Artemis Rural Road

45

Hình 3.26. Mơ hình tính tốn mơ men thu hồi chiến lược phanh nối tiếp

46

Hình 3.27. Mơ hình động cơ điện (MG2)

46

Hình 3.28. Mơ hình thơng số mơi trường

47

Hình 3.29. Mơ hình hộp số liên kết với động cơ, MG1, MG2

47

Hình 3.30. Mơ hình phanh thủy lực

48

Hình 3.31. Mơ hình hệ thống truyền động

48

Hình 3.32. Mơ hình tính tốn động lực học của xe

49

Hình 3.33. Mơ hình ắc quy và bộ chuyển đổi điện

49

Hình 3.34. Khối điều khiển chế độ lái EV – HEV

50

Hình 3.35. Mơ hình tính tốn lượng nhiên liệu tiêu hao

51

Hình 3.36. Mơ men thu hồi của mơ tơ khi mơ phỏng theo chu trình FTP 75

55

Hình 3.37. Lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

56

Hình 3.38. Hệ số nạp khi được mơ phỏng theo chu trình FTP 75

57
viii


Hình 3.39. Kết quả cơng suất mơ tơ khi mơ phỏng theo chu trình FTP 75

58

Hình 3.40. Mơ men thu hồi của mơ tơ khi mơ phỏng theo chu trình NEDC

59

Hình 3.41. Lực phanh tại cầu chủ động khi mơ phỏng theo chu trình NEDC

60

Hình 3.42. Hệ số nạp khi mơ phỏng theo chu trình NEDC

61

Hình 3.43. Cơng suất của mơ tơ khi mơ phỏng theo chu trình NEDC

62

Hình 3.44. Mô men thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình US06

63

Hình 3.45. Lực phanh tại cầu chủ động khi mơ phỏng theo chu trình US06

64

Hình 3.46. Hệ số nạp khi mơ phỏng theo chu trình US06

65

Hình 3.47. Công suất của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình US06

66

Hình 3.48. Mơ men thu hồi của mơ tơ khi mơ phỏng theo chu trình Artemis Rural
Road

67

Hình 3.49. Lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình Artemis Rural
Road

68

Hình 3.50. Hệ số nạp khi mơ phỏng theo chu trình Artemis Rural Road

69

Hình 3.51. Cơng suất của mơ tơ khi mơ phỏng theo chu trình Artemis Rural Road

70

ix


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
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 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 điện (EV: Electric Vehicle) và xe lai điện
(HEV: Hybrid Electric Vehicle). 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. 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. 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 ICE,
mô tơ điện/máy phát điện (Motor/Generator: MG) và ắc quy cao áp (HVB: Hybrid
Vehicle Battery). 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
(Regenerative Brake System: RBS).
Như vậy, hệ thống phanh trên ô tơ là một hệ thống an tồn. Q trình phanh là quá

trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh. Q trình
chuyển hóa này làm tổn hao năng lượng động năng mà xe ô tô phải tiêu tốn một lượng
nhiên liệu nhất định mới đạt được. Tuy nhiên, vì lý do an tồn mà hệ thống phanh cơ khí
vẫn được sử dụng mặc dù năng lượng tiêu tán này là không hề nhỏ. Hệ thống phanh tái
sinh RBS ra đời với mục đích thu hồi để tái sử dụng lại năng lượng quán tính của xe
trong q trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu
phanh
Đã có nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Một chiếc xe ơ tơ có khối lượng bản thân 300kg
đang di chuyển với vận tốc 72km/h, sử dụng hệ thống phanh thơng thường để giảm tốc xe

1
2

2
xuống cịn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo cơng thức: E k = mv sẽ

là 47, 8 kJ. Trong đó Ek là động năng của xe; m là khối lượng của xe và v là vận tốc của
1


xe. Nếu như năng lượng này được thu hồi và tích trữ để sử dụng lại cho việc tăng tốc của
xe thay vì tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng ồn ở cơ cấu phanh. Giả sử thu hồi lại được
25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47, 8 kJ = 11,95kJ). Năng lượng này đủ để gia tốc
chiếc xe đó lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h.
Trên thực tế, ý tưởng về hệ thống phanh tái sinh năng lượng đã được nghiên cứu và
được sử dụng 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. 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 cho thấy có thể giảm được 37% năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng
phanh tái sinh.

Ơ tơ sử dụng động cơ đốt trong khó có thể đạt được đến mức nêu trên bằng việc sử
dụng phanh tái sinh bởi vì khơng giống như mơ tơ điện, q 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 qn tính của nó nhỏ hơn và lượng năng lượng thu hồi và tích
trữ khi phanh sẽ 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 khác nhau được mơ tả như trong hình 1.1.

2


Hình 1.1. Các hướng nghiên cứu tích trữ năng lượng khi phanh
1.2. Phân loại hệ thống phanh tái sinh
1.2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng.
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 lưu trữ
điện. Hệ thống này biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để
có thể sử dụng lại. 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. Trong khi phanh
tái sinh mô tơ điện hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy 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.

3


Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng phanh tái sinh dạng điện năng
Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động
ở các chế độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chiều hoặc xoay chiều. Các
thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai. Hệ
thống RBS với thiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụng cho các xe EV

và HEV và cần phải có các bộ biến đổi điện (Inverter và Converter).

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter
Nhược điểm của kiểu tích trữ năng lượng bằng ắc quy là ắc quy 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
4


tạp và tuổi thọ của ắc quy ngắn. Do đó giá thành rất cao. Ngoài ra, khi sử dụng ắc quy thì
mật độ tích trữ năng lượng trong một thời gian ngắn là thấp trong khi quá trình giảm tốc
hoặc phanh của xe yêu cầu thời gian nạp điện lại ngắn có thể tính bằng giây trong khi
thời gian nạp của ắc quy lại tính bằng giờ. Đó là lý do cần thiết phải có sự phối hợp giữa
ắc quy và siêu tụ.

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ
1.2.2. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy
lực.
Các hệ thống tích trữ năng lượng dưới dạng thủy lực đã được nghiên cứu và ứng
dụng trong công nghiệp ô tơ trong nhiều năm. Một bộ tích trữ thủy lực có thể tích trữ
được một lượng dầu áp suất lớn. Thiết bị này tích trữ năng lượng bằng việc nén một chất
khí (thường là khí Nitơ). Một hệ thống hybrid thủy lực thường có một bộ tích năng, một
bình chứa dầu, và một bơm/mô tơ thủy lực (bơm thủy lực có thể hoạt động như một mơ
tơ thủy lực).
Cũng giống như xe điện, hệ thống hybrid thủy lực này cũng ít hiệu quả ở tốc độ
thấp bởi vì tổn hao cơ lớn. Thêm vào đó, dung lượng và kết cấu của bộ tích trữ thủy lực
cũng cần được cải thiện về trọng lượng bản thân. Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truyền lực
Hybrid thủy lực. Kiểu thủy tĩnh thuần túy (tích hợp hay nối tiếp) được dựa trên hộp số
thủy tĩnh thuần túy và cần một bơm và bơm/mô tơ bơm. Chức năng của mô tơ/bơm hoạt

động phụ thuộc vào xe và sẽ dẫn động xe khi phanh tái sinh được tác dụng.
5


Hình 1.5. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực
Ưu điểm của hệ thống tích trữ năng lượng kiểu thủy lực là dễ vận hành, công suất
thu hồi cao. Tuy nhiên, kết cấu của các bộ chấp hành thủy lực thường lớn do đó hiệu suất
về tiết kiệm nhiên liệu không cao khi áp dụng cho các xe tải trọng nhỏ. Hệ thống này
thường được áp dụng cho các xe tải trọng lớn.
1.2.3. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel).
Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo cơng thức E =

1
J.ω2 trong
2

đó J là mơ men qn tính và ω là tốc độ góc của bánh đà. Năng lượng này tỷ lệ với bình
phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn. Do đó
một bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng. Hiện nay có hai kiểu
bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu
tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó là hãng Flybird và Williams Hybrid Power. Bánh đà
của Flybrid là một hệ thống cơ khí đơn thuần. Có thể được gắn với một số bộ phận quay
trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ động cơ cho tới vi sai, bánh đà kết hợp với hộp
số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ của động cơ. Trong các ứng dụng với
xe du lịch người ta sử dụng hộp số vô cấp CVT (Continuously Variable Transmission).

6


Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà

Ngoài ra, hệ thống bánh đà Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng composite từ
tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao nên có giá thành cao hơn, hệ thống này
được ứng dụng cho xe cao cấp.

Hình 1.7. Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept
Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục cho những bộ phận
mà động lực được cung cấp bị ngắt quãng. Khi phanh, bánh đà có tác dụng thu hồi năng
lượng, sau đó “góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có thể làm
giảm tiêu hao 25% nhiên liệu. Động cơ 4 xi-lanh vận hành sẽ sinh ra lực tương đương với
động cơ 6 xi-lanh.
Các ưu điểm của phương pháp tích trữ năng lượng bằng bánh đà là: Mật độ tích trữ
năng lượng cao; tích trữ và giải phóng năng lượng một cách trực tiếp dưới dạng cơ năng
mà khơng cần các thiết bị chuyển đổi do đó ít tổn hao; quá trình nạp năng lượng nhanh.

7


Tuy nhiên, phương pháp này lại khơng tích trữ năng lượng được trong một khoảng thời
gian dài do đó cần phải kết hợp với một số thiết bị khác để tích trữ năng lượng lâu hơn.
1.2.4. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi.
Phương pháp này được ứng dụng mơ phỏng trên dịng xe Mercedes Benz với kết
cấu được mơ tả như hình 1.8. Trên mỗi trục bánh xe được lắp một bộ tích trữ năng lượng
KERS (Kinetic Energy Recovery System) bao gồm một bộ bánh răng hành tinh, bộ lò xo
đàn hồi để tích trữ năng lượng và các khớp một chiều.

Hình 1.8. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lò xo cuộn
Trên bán trục của mỗi bánh xe được lắp một bộ bánh răng hành tinh. Khi xe chuyển
động trên đường bình thường thì hệ bánh răng hành tinh này quay lồng không (quay
trơn). Khi bàn đạp phanh được tác dụng áp suất dầu phanh được đưa tới một xy lanh
phanh được lắp trên cần dẫn của bộ bánh răng hành tinh. Lúc này cần dẫn được hãm cố

định làm cho lực được truyền từ trục bánh xe qua bánh răng mặt trời tới bánh răng hành
tinh và làm cho bánh răng bao quay ngược chiều kim đồng hồ. Trên bánh răng bao được
lắp một cụm lò xo cuộn và các khớp một chiều. Lúc này năng lượng làm cho xe giảm tốc
được tích trữ vào cụm lị xo cuộn. Khi bàn đạp phanh được nhả ra, lò xo giải phóng năng
lượng tác dụng lên trục bánh xe làm cho xe chuyển động. Với kết cấu này, năng lượng
khi phanh đã được tích trữ và sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe nên giảm tiêu hao
nhiên liệu. Trong trường hợp phanh khẩn cấp để đảm bảo an tồn thì hệ thống phanh
chính trên xe sẽ làm việc.

8


1.3. Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS
Qua phân tích các nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh năng lượng RBS ta thấy
rằng: tất cả các phương án tích trữ năng lượng khi phanh đều giúp cho xe tiết kiệm nhiên
liệu hơn những dòng xe truyền thống. Tuy nhiên, mỗi kiểu hệ thống có những ưu và
nhược điểm riêng của nó.

Hình 1.9. Độ ổn định điện áp của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh
Xét về độ ổn định điện áp thì bánh đà là phương án cho độ ổn định cao nhất không
phụ thuộc vào tải, nhiệt độ và trạng thái sạc. Tiếp theo là ắc quy Li-ion, ắc quy axit-chì.
Siêu tụ đạt mức độ ổn định thấp nhất với 30%.

Hình 1.10. Khả năng chịu nhiệt của các phương án

9


Khi các thiết bị tích trữ năng lượng phóng nạp sẽ sinh nhiệt. Do đó xét về khả năng
chịu nhiệt thì bánh đà có khả năng chịu nhiệt tốt nhất từ -400C đến 1500C; kế tiếp là đến

siêu tụ và sau cùng là ắc quy axit-chì với giải nhiệt độ từ -150C đến 500C.

Hình 1.11. Hiệu suất của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh
Xét về hiệu suất của các cơng nghệ tích trữ năng lượng thì Hydro-Electric là
phương án có hiệu suất lớn nhất, kế đến là siêu tụ có hiệu suất tương đương với phương
án tích trữ bằng thủy lực. Ắc quy có hiệu suất thấp nhất bởi vì khả năng phóng của nó
nhanh nhưng khả năng nạp lại rất lâu.
Xét về suất tiêu hao nhiên liệu, theo kết quả nghiên cứu của tác giả Radhika Kapoor
áp dụng trên xe Hybrid HEV trong hình 1.12 cho thấy siêu tụ cho phép giảm 40% suất
tiêu hao nhiên liệu, kế tiếp là bánh đà với 27%, phương án tích trữ bằng thủy lực và ắc
quy lần lượt là 18% và 15%.

10


Hình 1.12. Suất tiêu hao nhiên liệu của các phương án
Giá thành luôn là nhược điểm của xe Hybrid. Các nguyên nhân làm cho giá thành
tăng cao đó là các vật liệu sử dụng để chế tạo các thiết bị tích trữ năng lượng có giá rất
cao. Cũng theo nghiên cứu của tác giả Radhika Kapoor cho thấy trong hình 1.13. Bánh đà
là phương án rẻ nhất với 15% sau ắc quy là 6% kế tiếp đến là siêu tụ 32% và sau cùng là
thủy lực 47%.

Hình 1.13. Giá thành của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh
11


Tóm lại, hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện năng cần phải sử
dụng ắc quy và siêu tụ với dung lượng lớn, bộ biến đổi điện áp cao và chỉ ứng dụng được
cho những dòng xe điện hoặc xe lai điện với giá thành rất cao và hệ thống điều khiển
phức tạp. Kiểu hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy lực chỉ ứng dụng

trên những xe tải trọng lớn với kết cấu phức tạp. Trong khi đó, phương án tích trữ năng
lượng bằng bánh đà là một phương án tốt và hiệu quả càng cao khi tốc độ của bánh đà
được nâng lên càng cao. Các hướng nghiên cứu mới hiện nay đang tập trung vào dòng xe
lai xăng - điện sử dụng bánh đà như là một thiết bị tích trữ cơ năng để rồi sau đó sử dụng
các bộ biến đổi chuyển hóa thành điện năng nạp lại cho ắc quy mỗi khi quá trình phanh
xảy ra. Bên cạnh đó cũng có hướng nghiên cứu về phương án tích trữ năng lượng khi
phanh sử dụng bánh đà áp dụng cho các dòng xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền
thống.
1.4. Hệ thống phanh tái sinh trên xe điện lai HEV
Có nhiều phương án thu hồi năng lượng được đưa ra để áp dụng trên xe điện lai
HEV như thu hồi bằng bánh đà và thu hồi bằng động cơ điện. Tuy nhiên việc thu hồi
bằng bánh đà không đạt hiệu quả cao và năng lượng thu hồi khơng được tích trữ lâu dài
như việc thu hồi năng lượng bằng động cơ điện. Ngoài ra trên các xe điện lai còn có các
kiểu bố trí hệ thống truyền lực khác nhau, tùy thuộc vào cách bố trí để có thể đưa ra
phương án thu hiệu quả nhất.
1.4.1. Khái niệm về ô tơ Hybrid.
Ơ tơ Hybrid là loại ơ tơ có hai nguồn động lực từ hai nguồn năng lượng trờ lên.
Hiện nay đa phần các xe đều sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ là xăng và dầu
diesel, đây là nguồn năng lượng có dự trữ lớn nhưng không phải là nguồn năng lượng tái
tạo. Với mức sử dụng như hiện tại nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang có nguy cơ cạn
kiệt trong vài chục năm tới. Đã có những biện pháp được đưa ra nhằm giảm tiêu hao
lượng nhiên liệu như hệ thống phun xăng điện tử, phân phối khi thông minh, giải pháp
thay đổi tỉ số nén của động cơ tùy chế độ làm việc,… Tuy nhiên đó là giải pháp tình thế
và chỉ tiết kiệm được phần nào trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch vẫn đang dần cạn
kiệt do nhu cầu sử dụng của con người càng tăng. Hơn nữa là động cơ đốt trong có nhược
điểm là hiệu suất thấp và phát thải khí độc hại gây ơ nhiễm mơi trường. Từ những vấn đề
thực tế đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu để tìm ra các loại nhiên liệu mới có thể
12

tái tạo nhằm thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống. Các loại nhiên liệu đang được
nghiên cứu thay thế cho nhiên liệu dầu mỏ:
- Nhiên liệu sinh học
- Nhiên liệu mặt trời, gió, thủy lực
- Năng lượng nguyên tử
- Pin hiên liệu
Như vậy đã có nhiều loại nhiên liệu được nghiên cứu để thay thế cho nhiên liệu
truyền thống. Tuy nhiên, các loại nhiên liệu thay thế đó chưa hoàn thiện được công nghệ
sản xuất hoặc gây ra các mâu thuẫn với nguồn thực phẩm ni sống con người. Vì vậy
trước khi tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế ta cần phải giải quyết vấn đề cấp bách hiện tại.
Nếu chưa tìm được nguồn nhiên liệu thay thế hồn tồn nhiên liệu dầu mỏ thì có thể thay
thế một phần để tiết kiệm nhiên liệu dầu mỏ. Một giải pháp cho vấn đề này là kết hợp hai
nguồn động lực để tận dụng ưu điểm của nguồn động lực này để khắc phục nhược điểm
của nguồn động lực kia. Có nhiều cách kết hợp các nguồn động lực như động cơ đốt
trong với động cơ điện, động cơ đốt trong với động cơ khí nén,… Tuy nhiên, trên xe ơ tô
Hybrid hiện nay chủ yếu dùng loại kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện. Việc kết
hợp động cơ đốt trong với một động cơ điện làm cho động cơ đốt trong chỉ cần cơng suất
nhỏ. Vì khi đó sẽ có hai nguồn động lực cùng kéo ơ tơ chuyển động. Ngoài ra động cơ
đốt trong có thể chỉ phải làm việc trong một chế độ nhất định để quay máy phát cung cấp
điện cho động cơ điện.
1.4.2. Ngun lí thu hồi năng lượng trên ơ tơ lai HEV.
Trên ô tô lai HEV hệ thống truyền lực có bố trí một động cơ điện làm nguồn động
lực để cho xe chuyển động. Động cơ điện được sử dụng có thể hoạt động ở chế độ máy
phát.
Nguyên lí hoạt động của hệ thống thu hồi năng lượng dựa trên đặc tính làm việc của
động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát.

13

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng phanh
Khi đạp phanh động cơ điện sẽ làm việc ở chế độ máy phát sẽ sinh ra một mô men
phanh bánh xe. Mô men phanh của của động cơ phụ thuộc vào kết cấu, dịng kích từ và
tốc độ của động cơ điện, được điều khiển bởi bộ điều khiển của hệ thống. Động năng của
xe khi phanh sẽ chuyển thành điện năng và được nạp cho ắc quy. Do đó hệ thống phanh
thu hồi thường đặt trên cầu chủ động, nơi có sẵn động cơ điện vừa có nhiệm vụ kéo cho
xe chạy vừa thu hồi năng lượng khi phanh.
Mô men phanh do động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát thường có dạng
đường đặc tính như hình 1.15.

Hình 1.15. Đặc tính mơ men phanh của động cơ điện
14


Với đặc tính của động cơ điện như vậy, mơ men phanh sinh ra sinh sẽ lớn dần khi
tốc độ ô tô giảm dần trong khi công suất luôn lớn nhất và khơng đổi. Vì vậy mơ men này
phù hợp với q trình phanh ơ tơ. Mơ men thu hồi của máy phát bằng mô men lớn nhất
của động cơ điện khi tốc độ trục của máy phát nhỏ hơn số vịng quay cơ bản tức là ơ tơ
chạy với vận tốc nhỏ. Như vậy khi phanh ô tô ở tốc độ nhỏ thì mơ men phanh động cơ
điện sẽ lớn. Tuy nhiên trong vùng này công suất máy phát sẽ thay đổi theo quy luật bậc
nhất. Do đó trong vùng làm việc này nếu sử dụng hệ thống thu hồi sẽ không đáp ứng
được yêu cầu về công suất. Vì vậy trong vùng tốc độ thấp sẽ khơng dùng hệ thống phanh
thu hồi. Trên xe điện lai HEV cần có một ắc quy để lưu trữ điện năng từ quá trình nạp
của động cơ đốt trong và hệ thống thu hồi. Khi ắc quy đã được nạp đầy mà vẫn tiếp tục
nạp sẽ làm cho ắc quy nhanh hỏng do quá nạp. Vì vậy khi thu hồi lực phanh cần phải tính
đến khả năng nạp của ắc quy. Nếu ắc quy đã được nạp đầy thì hệ thống thu hồi sẽ không
làm việc . Như vậy hệ thống thu hồi năng lương phanh không phải lúc nào cũng hoạt
động. Hơn nữa từ đường đặc tính của động cơ điện, ta thấy rằng tốc độ tăng mô men của
máy phát không lớn nên chỉ phanh bằng động cơ điện sẽ làm cho quãng đường phanh lớn
dẫn đến hiệu quả phanh không cao gây mất an toàn khi phanh. Do đó cần phải kết hợp

với hệ thống phanh thông thường như phanh thủy lực, phanh khí nén, để cung cấp đủ mơ
men phanh cho q trình phanh ở mọi chế độ và khi hệ thống thu hồi không làm việc.
Khi kết hợp hai hệ thống phanh cơ khí và phanh thu hồi sẽ có nhiều phương án sao cho
đảm bảo yêu cầu về hiệu quả phanh.

15