Hcmute nghiên cứu vấn đề quản lí năng lượng thu hồi và phân phối lực phanh trong hệ thống phanh tái sinh trên ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU
HỒI VÀ PHÂN PHỐI LỰC PHANH TRONG HỆ THỐNG
PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ

MÃ SỐ: T2018-97TĐ

SKC 0 0 6 5 4 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM
NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI VÀ
PHÂN PHỐI LỰC PHANH TRONG HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
TRÊN Ô TÔ

Mã số: T2018-97TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Dương Tuấn Tùng

TP. HCM, Tháng 04 Năm 2019

Luan van


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

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM
NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI VÀ
PHÂN PHỐI LỰC PHANH TRONG HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
TRÊN Ô TÔ

Mã số: T2018-97TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Dương Tuấn Tùng

TP. HCM, Tháng 04 Năm 2019

Luan van


DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

Luan van


MỤC LỤC
MỤC LỤC

TRANG

Mục lục

i

Danh sách các chữ viết tắt

ii

Danh sách các hình

iii

I.

Giới thiệu chung ...................................................................................................... 1

II. Tổng Quan................................................................................................................. 3
2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng .......................... 4
2.2. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực .. 7
2.3. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel) .................. 9
2.4. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi ................. 12
2.5. Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS .......... 13
III. Tình Hình Nghiên Cứu Trong Và Ngồi Nước .................................................... 17
3.1. Các nghiên cứu về hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên thế giới ....................... 17
3.2. Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV và EV ............................................ 17
3.3. Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên các dịng xe có kiểu hệ thống truyền lực
3.4. truyền thống ............................................................................................................ 18
3.5. Các nghiên cứu trong nước ..................................................................................... 19
3.6. Các câu hỏi nghiên cứu và đề xuất phương án nghiên cứu ..................................... 20
IV. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 22
V. Nội dung và đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 23
5.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 24

5.2. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................... 24
VI. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 28
VII. Phương pháp tiếp cận ........................................................................................... 28
VIII. Kết quả hướng đến ................................................................................................ 29
IX. Kế hoạch thực hiện................................................................................................. 29
PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 30

Luan van


I.

Xác định công suất và lực phanh cần thiết ................................................................ 30

II. Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh của hệ thống xe thuần cơ khí ..................... 29
Ổn định động học của ơ tơ trong q trình chuyển động .......................................... 31
Sự phân bố lực phanh và điều kiện đảm bảo lực phanh tối ưu ................................. 33
Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh .................................................................... 36
III. Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh của hệ thống tích hợp (Kết hợp giữa phanh tái sinh
và phanh cơ khí) ........................................................................................................ 41
IV. Các phương pháp phân phối lực phanh tái sinh ......................................................... 44
V. Phươg pháp điều khiển phanh tái sinh ...................................................................... 46
CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN PHỐI LỰC PHANH THEO CÁC CHU
TRÌNH LÁI XE TIÊU CHUẨN ...................................................................................... 50
Xây dựng bộ điều khiển mô hình mô phỏng ................................................................... 50
Kết quả mơ phỏng ............................................................................................................ 53
Tính tốn năng lượng thu được ........................................................................................ 56
PHẦN III: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 58

Luan van

DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu về cơng nghệ tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh .......4
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng .......5
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter .............................................................6
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ ...........................................................7
Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp .................8
Hình 1.6: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song ..............9
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà .............................10
Hình 1.8: Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept .........................................10
Hình 1.9: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo .........................................10
Hình 1.10: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lị xo cuộn ................................12
Hình 1.11: Độ ổn định điện áp của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh .............13
Hình 1.12: Khả năng chịu nhiệt của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh ...........13
Hình 1.13: Hiệu suất của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh ............................14
Hình 1.14: Suất tiêu hao nhiên liệu của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh ......15
Hình 1.15: Giá thành so sánh giữa các phương án tích trữ năng lượng khi phanh .............15
Hình 1.16: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman ..............................19
Hình 1.17 : Sơ đồ thử nghiệm của của tác giả R.J.Hayes ....................................................20
Hình 1.18: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh ZI .............................................21
Hình 1.19: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng cơ khí ..............................22
Hình 1.20: Bánh đà siêu tốc của hãng Flybird ....................................................................23
Hình 1.21: Sơ đồ thử nghiệm trong hệ thống SJSU-RBS ..................................................24
Hình 1.22: Mơ hình RBS đề xuất .......................................................................................26
Hình 2.1:

Các lực tác dụng lên xe ....................................................................................26

Hình 2.2: Sự dịch chuyển trong tâm của ô tô trong quá trình phanh ..................................30
Hình 2.3: Sự thay đổi phản lực thẳng đứng khi ô tơ quay vòng ..........................................32
Hình 2.4: Lực tác dụng lên ơ tô khi phanh ..........................................................................33

Luan van


Hình 2.5: Đồ thị chỉ quan hệ giữa momen phanh với hệ số bám φ ....................................37
Hình 2.6: Đồ thị chỉ quan hệ giữa Mp1và Mp2 -1-Đầy tải,-2- Không tải ..........................38
Hình 2.7: Đồ thị chỉ quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau và dẫn động phanh trước
để đảm bảo sự phanh lý tưởng -1- Đầy tải,-2- Không tải ...................................................39
Hình 2.8: Đường đặc tính thực tế của bộ điều hòa lực phanh -1- Đầy tải,-2- Không tải ...40
Hình 2.9: Chùm đường đặc tính của bộđiều hịa lực phanh -1- Đầy tải, -2- Khơng tải .....41
Hình 2.10: Tính tốn phanh với giới hạn ma sát ................................................................43
Hình 2.11: Sơ đồ hoạt động của hệ thống phanh tái sinh ...................................................45
Hình 2.12: Cấu trúc của hệ thống phanh tái sinh ................................................................46
Hình 2.13: Sơ đồ các phương pháp điều khiển phanh tái sinh ...........................................49
Hình 2.14: Sơ đồ khối mơ phỏng hệ thống .........................................................................50
Hình 2.15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mơ hình mơ phỏng .........................................53
Hình 2.16: Điều khiển đầu ra của bộ điều khiển phanh ......................................................53
Hình 2.17: Đồ thị mô men tại các bánh xe chủ động theo các chu trình thử nghiệm ........54
Hình 2.18: Biểu đồ năng lượng thu hồi được trên chu trình FTP 75 ..................................54
Hình 2.19: Biểu đồ năng lượng thu hồi được trên chu trình ECE R15 ..............................55
Hình 2.20: Biểu đồ năng lượng thu hồi được trên chu trình EUDC ...................................55
Hình 2.21: Biểu đồ năng lượng thu hồi được dựa trên chu trình NEDC ............................56
Hình 2.22: Năng lượng thu được trên tồn chu trình NEDC ..............................................57

Luan van


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt

Giải thích ý nghĩa

Ghi chú

RBS

Regenerative Braking System

Hệ thống phanh tái sinh

CVT

Continuously Variable Transmission

Hộp số vô cấp

Electric Vehicles

Các xe điện

HEV

Hybrid Electric Vehicles

Các xe lai điện

HHV

Hydraulic Hybrid Vehicles

Các xe lai thủy lực

CICE

Conventional Internal Combustion
Engine

Động cơ đốt trong truyền thống

KERS

Kinetic Energy Recovery System

Hệ thống thu hồi năng lượng
động năng

FCV

Fuel Cell Vehicles

Các xe sử dụng pin nhiên liệu

FWB

Flywheel Battery

Bánh đà tích điện

EV

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

Tp. HCM, ngày

tháng

năm

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1 Thơng tin chung:
- Tên đề tài: “ Nghiên cứu vấn đề quản lý năng lượng thu hồi và phân phối lực
phanh trong hệ thống phanh tái sinh trên ô tô”
- Mã số:
- Chủ nhiệm:

T2018-97TĐ

Dương Tuấn Tùng

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 12 tháng
2 Mục tiêu:
-

Tính tốn, mơ hình hóa và mô phỏng hệ thống thu hồi năng lượng quán tính ơ tơ.
Phân tích được cơ sở phân phối lực phanh trên ô tô và phương pháp phân phối lực
phanh cơ khí và lực phanh tái sinh
Sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển mơ hình hệ thống theo các chu trình lái xe
tiêu chuẩn.
Tính tốn lượng năng lượng tái tạo được khi xe phanh hoặc giảm tốc.

3 Tính mới và sáng tạo:
Đã xây dựng được bệ thử điều khiển hệ thống thu hồi năng lượng quán tính của ô tô theo
các chu trình lái xe tiêu chuẩn
4 Kết quả nghiên cứu:
-

Tính tốn được các thơng số của các bộ phận trong hệ thống thu hồi năng lượng quán
tính của xe dựa trên mô hình và đối tượng nghiên cứu đã được đề xuất.
Xây dựng được mơ hình tốn thể hiện quan hệ giữa vận tốc tại thời điểm bắt đầu phanh
hoặc giảm tốc của xe và năng lượng thu hồi được dưới dạng cơ năng và điện năng.
Tính tốn và mơ phỏng và thực nghiệm được các thơng số ảnh hưởng tới quá trình thu
hồi năng lượng khi phanh.
Đã xây dựng được bệ thử điều khiển hệ thống thu hồi năng lượng qn tính của ơ tơ

theo các chu trình lái xe tiêu chuẩn
Thực nghiệm đánh giá hệ thống.

5 Sản phẩm:
01 bài báo “Research on braking force distribution in regenerative braking system apply
to conventional vehicle” IEEE International Conference on Green Technology and
Sustainable Development (GTSD) December 2018

Luan van


6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Kết quả nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về hệ thống thu hồi
năng lượng qn tính của ơ tô. Đây cũng là tài liệu hỗ trợ sinh viên, học viên cao học và
các nghiên cứu sinh muốn nghiên cứu về lĩnh vực phanh tái sinh trên ô tô.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

Luan van


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: “Research on energy management and braking force distribution based on
regenerative braking system”

Code number: T2018-97TĐ
Coordinator:
Duong Tuan Tung
Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
Duration: 12 Months
2. Objective(s):
- Calculation, modeling and simulation of detailed cluster is fitted with regenerative braking
systems of energy.
- Analyze the braking force distribution strategies and built the control
- Use the PID controller to control the model match to the standard driving cycles.
- Calculation of renewable energy when the vehicle brakes or slow down.
3. Creativeness and innovativeness:
- Designed the inertia energy recovery model of the automotive while braking and
deceleration
- Built a test band for the inertial energy recovery system based on standard driving cycle
4. Research results:
- Calculation of the parameters of components of the energy recovery system based on
the inertia of the vehicle and the study model have been proposed.
- Develop a mathematical model showing the relationship between the velocity at the
beginning braking or deceleration and energy recovery
- Calculations and simulations and experimental parameters affect to braking energy
recovery.
- The inertia control system of the car has been built in accordance with the standard
driving cycle
- Experimental evaluation system.
5. Products:
01 paper published on IEEE International Conference on Green Technology and Sustainable
Development (GTSD) December 2018 “Research on braking force distribution in regenerative
braking system apply to conventional vehicle”
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The results of this study will be the fundamental for further studies on inertial energy recovery
systems. This is also a document to support students, graduate students and PhD students who
want to research on regenerative braking system in automobile.

Luan van


PHẦN I: MỞ ĐẦU
I.

Giới thiệu chung
Hệ thống phanh trên ô tơ là một hệ thống an tồn chủ động. Q trình phanh là q trình

chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh. Quá 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: Regenerative
Braking System) ra đời với mục đích thu hồi để tái sử dụng lại năng lượng qn tính của xe
trong q trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu
phanh [1].
Theo các nghiên cứu gần đây thì hệ thống phanh tái sinh được nghiên cứu, tính tốn và
áp dụng trên các dòng xe điện (EV: Electric Vehicle), xe lai điện (HEV: Hybrid Electric
Vehicle) và một số dòng xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV: Fuel Cell Vehicle) [18]. Đặc điểm
của hệ thống phanh tái sinh được áp dụng trên các dòng xe này là năng lượng cơ năng được
chuyển hóa thành điện năng để dẫn động các mô tơ điện hoạt động phục vụ cho quá trình tăng
tốc của xe. Với xe ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong (CICE: Convetional Internal
Combustion Engine) thì hệ thống phanh tái sinh cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng dưới
các dạng khác nhau như: năng lượng cơ năng thu hồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm
tốc được tích trữ dưới dạng thủy lực được áp dụng cho các xe tải trọng lớn có kiểu hệ thống
truyền lực thủy lực (Hydraulic Powertrain); sử dụng bánh đà làm một thiết bị tích trữ năng

lượng dưới dạng cơ năng sau đó sử dụng cơ năng này để phục vụ quá trình tăng tốc được áp
dụng trên các xe đua F1và các xe du lịch tải trọng nhỏ [18]… Riêng xe ơ tơ có kiểu hệ thống
truyền lực truyền thống thì việc thu hồi năng lượng qn tính trong q trình phanh hoặc giảm
tốc chưa được nghiên cứu nhiều trong khi số lượng xe này trên thị trường khá phổ biến.
Đề tài “Nghiên cứu vấn đề quản lý năng lượng thu hồi và phân phối lực phanh trong
hệ thống phanh tái sinh trên ô tô” được thực hiện với mục đích thu hồi năng lượng qn
tính của xe trong q trình phanh hoặc giảm tốc bằng sự kết hợp giữa thiết bị tích trữ năng
lượng cơ năng là bánh đà quán tính và máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nạp lại
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------1

Luan van


cho ắc quy để sử dụng cho các phụ tải điện. Đề tài sẽ đi thiết kế, tính tốn các thơng số của bộ
thu hồi năng lượng, mơ hình hóa, mơ phỏng và thực nghiệm trên xe để từ đó đưa ra giải thuật
điều khiển phù hợp giữa lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí nhằm nâng cao hiệu suất của
bộ thu hồi năng lượng mà vẫn đảm bảo tính an tồn và ổn định của ơ tơ trong q trình phanh
hoặc giảm tốc. Tính tốn năng lượng thu hồi được nhằm hướng tới thay thế năng lượng do
máy phát điện chính trên xe để cung cấp cho các phụ tải điện giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và
tăng tuổi thọ cho cơ cấu phanh.
II.

Tổng quan.
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 lựợng 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 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 [1]. 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
[1]. 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 và máy phát điện (Motor and Generator: MG) và ắc
quy cao áp (Hybrid Vehicle Battery: HVB). Một trong những yếu tố giúp dòng xe này tiết
kiệm nhiên liệu đó là nó tận dụng được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc thông qua hệ thống
phanh tái sinh năng lượng (Regenerative Brake 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 thông thường
để giảm tốc xe xuống cịn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo cơng thức: Ek
= 1/2 mv2 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 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
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------2

Luan van


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 [17].
Thật ra thì ý tưởng về hệ thống phanh tái sinh năng lượng đã có từ rất lâu và được sử
dụng rộng rãi trên tàu điện bằng việc sử dụng các mô tơ điện hoạt động với chức năng như là
các máy phát điện trong khi tác động phanh [2, 3]. 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% [1] năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh.
Đối với ô tô sử dụng động cơ đốt trong thì khó có thể đạt được đến mức này bằng việc
sử dụng phanh tái sinh bởi vì khơng giống như mơ tơ điện q trình chuyển đổi năng lượng
trong động cơ đốt trong không thể được phục hồi [1]. Mặt khác khối lượng của ô tơ nhỏ hơn
tàu điện do đó năng lượng qn tính của nó nhỏ hơn tàu điện nên lượng năng lượng thu hồi

và tích trữ khi phanh được 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 [5].

Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu về cơng nghệ tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh [5].
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

Luan van


Sau đây tác giả sẽ đi phân tích một số những tính năng cơ bản và ưu/nhược điểm của các hệ
thống RBS đặc trưng.
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 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 [1]. 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 mô mem phanh. Trong khi phanh tái sinh mô tơ
điện hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy [4] 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.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng [19].
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 có thể là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai [19]. 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) [19].

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------4

Luan van


Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter [19].
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
dòng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật điều khiển phức tạp và tuổi thọ của
ắc quy ngắn [1]. Do đó giá thành của các xe này 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 qúa 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
[19].

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------5

Luan van


Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ [19].
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 [1]. Một bộ tích trữ thủy lực hình trụ 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) [34]. Khí này nhẹ, rẻ mà lại cung cấp năng lượng tốt. Một hệ thống hybrid
thủy lực thường có một bộ tích năng, một bình chứa dầu, và một bơm/mơ tơ thủy lực (bơm
thủy lực có thể hoạt động như một mô 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
quan tâm cải thiện về trọng lượng bản thân của nó. Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truyền lực

Hybrid thủy lực [1]. Kiểu thủy tĩnh thuần túy (tích hợp hay nối tiếp) được dựa trên hộp số thủy
tĩnh thuần túy và yêu cầu một bơm và bơm/mô tơ bơm. Chức năng của mô tơ/bơm thì hoạt
động phụ thuộc vào xe và sẽ dẫn động xe khi phanh tái sinh được tác dụng [34].

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------6

Luan van


Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp [34].
Kết cấu này cho phép phanh tái sinh và tích trữ năng lượng vào bộ tích năng và năng
lượng này sẽ dẫn động xe khi tăng tốc thông qua hộp số [34].
Kiểu tiếp theo là kiểu song song u cầu chỉ có một bơm/mơ tơ đơn cộng với hộp số loại
tỷ số truyền thay đổi liên tục CVT. Nếu sử dụng hộp số thì động cơ luôn được kết nối với hệ
thống truyền lực đễ dẫn động bánh xe. Kết cấu kiểu này có tác dụng khi hệ thống thủy lực bị
hỏng xe vẫn hoạt động được. Bộ phân phối công suất thủy cơ (Hydromechanical) bao gồm 2
bộ phận thủy tĩnh có hành trình thay đổi, một thiết bị phân phối công suất và một bộ tích năng.
Kết cấu này cho phép thuận lợi trong việc tích trữ năng lượng phanh tái sinh và có thể khởi
động động cơ xăng ở những thời điểm hiệu quả nhất. Nếu được điều khiển tốt hệ thống song
song này có thể tiết kiệm nhiên liệu hơn hệ thống nối tiếp. Hệ thống hybrid thủy lực song song
gồm có các bơm/mơ tơ thủy lực được gắn trên hộp số của một xe thông thường. Hệ thống này
cho phép hỗ trợ động cơ xăng khi tăng tốc. Nó khơng cho phép động cơ xăng tắt máy khi xe
không di chuyển. Điều này có nghĩa là động cơ ln ln làm việc. Hệ thống hybrid thủy lực
song song khơng có những ưu điểm đáng kể về tính kinh tế nhiên liệu. Hệ thống này được sử
dụng một số ít trên các xe tải nặng, không được sử dụng nhiều trên xe du lịch [34].

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------7

Luan van

Hình 1.6: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song [34]]
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 khơng cao khi áp dụng cho các xe tải trọng nhỏ. Hệ thống này thường được
áp dụng cho các xe tải trọng lớn [19].
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=1/2 J* ω2 trong 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 [1]. Do đó một bánh
đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng phải được quay với tốc độ rất cao và
phải đặt trong môi trường chân khơng để giảm lực cản gió. Hiện nay trên thế giới có 2 hãng
sản xuất 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); để giảm chi phí cũng
có thể sử dụng hộp số truyền thống với các bánh răng và ly hợp thay thế.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------8

Luan van


Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà [36]
Ngược lại với Flybird, hệ thống của Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng điện để tích
hoặc rút điện năng khỏi bánh đà, lợi dụng composite từ tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyển
đổi rất cao. Do có giá thành cao hơn, hệ thống này được ứng dụng cho xe cao cấp. Chiếc xe
đua 918 RS R Hybrid của Porsche sử dụng hệ thống của WHP, và nó hoạt động thơng qua các
mơ-tơ điện đặt ở bánh trước [36].

Hình 1.8: Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept [36].
Theo nghiên cứu mới đây nhất thì bánh đà bằng sợi carbon KERS của hãng Volvo được
trang bị cho cầu sau. Nó chỉ nặng 6 kg và đường kính 20 cm, có khả năng quay với tốc độ
60.000 vịng/phút. Với cơng suất tăng thêm 80 mã lực, xe này có thể tăng tốc lên 100 km/h
chỉ trong 5.5 giây [35].
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------9

Luan van


Hình 1.9: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo [35].
Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục cho những nơi mà động
lực được cung cấp bị ngắt quãng. Khi phanh xe, 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 [35]
Trong một cơ cấu bánh đà được lắp trên cầu sau như hình 2.9. Khi phanh, hệ thống truyền
lực ngắt kết nối từ động cơ tới bánh xe, quán tính của xe được chuyển hóa thành động năng
“dồn” sang quay bánh đà, tốc độ xe khi đó giảm xuống và năng lượng đó được tích trữ trên
bánh đà. Khi xe di chuyển tiếp, năng lượng tích lũy trong bánh đà được truyền tới bánh xe
thơng qua cơ cấu truyền động. Nhờ đó xe tăng tốc tốt hơn so với động cơ không có bánh đà.
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 không
cần các thiết bị chuyển đổi do đó ít tổn hao; q trình nạp năng lượng nhanh. 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 [19].
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 mô tả như hình 2.10. Trên mỗi trục bánh xe được lắp một bộ tích trữ năng lượng KERS
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------10

Luan van


(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 1.10: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lò xo cuộn [36].
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 lị xo giải phóng năng lượng tác dụng lên trục bánh xe làm cho xe
chuyển động. Với kết cấu này thì 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.
2.5

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.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------11

Luan van

Hình 1.11: Độ ổn định điện áp của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh [5].
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% [5].

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------12

Luan van


Hình 1.12: Khả năng chịu nhiệt của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh [5].
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 [5]

Hình 1.13: Hiệu suất của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh [5].
Xét về hiệu suất của các cơng nghệ tích trữ năng lượng có nghĩa là lượng năng lượng
được tích trữ lớn nhất trong q trình phanh hoặc giảm tốc và sẵn sàng cho việc giải phóng
năng lượng phục vụ cho việc tái sử dụng 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 thì nhanh nhưng khả năng nạp thì lại rất
lâu [5]
Xét về suất tiêu hao nhiên liệu thì theo kết quả nghiên cứu của tác giả Radhika Kapoor
áp dụng trên xe Hybrid HEV trong hình 2.13 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%.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------13

Luan van