NGHIÊN cứu THIẾT kế và mô PHỎNG ĐỘNG lực học bộ THU hồi NĂNG LƯỢNGTỪ hệ THỐNG PHANH TRÊN ô tô

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BỘ THU HỒI
NĂNG LƯỢNGTỪ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ
RESEARCH ON DESIGNING AND SIMULATION DYNAMIC OF BRAKING
RECOVERY ENERGY ASSEMBLY IN AUTOMOTIVE
Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguyễn Trường Thịnh3c, Huỳnh Hữu Phúc4d
1, 2, 3
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
4
Công ty VMEP Việt Nam
a
b
; ;
c
; d ;
TÓM TẮT
Hiện nay, trên ô tô nguồn năng lượng động năng từ hệ thống phanh vẫn chưa được thu
hồi để tái sử dụng một cách hiệu quả. Năng lượng này bị biến thành nhiệt năng do ma sát giữa
má phanh và trống/đĩa phanh. Trên những dòng xe hybrid, nguồn năng lượng này đã được tận
dụng một phần để biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy phục vụ quá trình tăng tốc của xe.
Đối với xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống (chỉ sử dụng động cơ đốt trong) thì
nguồn năng lượng này chưa được nghiên cứu và tận dụng một cách triệt để. Bài báo này đi
phân tích, đề xuất phương án thu hồi và tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh sử dụng cho xe
ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống. Dựa trên phương án được đề xuất, nhóm tác giả
đã sử dụng phần mềm Solidworks và MCS ADAMS/Car để thiết kế, mô phỏng động lực học
của hệ thống, tính toán lượng năng lượng tái tạo được sinh ra trong quá trình xe phanh hoặc
giảm tốc. Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm, cải tiến phương
pháp điều khiển để đạt được hiệu quả thu hồi năng lượng một cách tốt nhất.
Từ khoá: hệ thống phanh tái tạo năng lượng, tích trữ động năng được thu hồi, tự động
phân tích động lực học các hệ thống cơ khí, hệ thống truyền lực

ABSTRACT
Currently, the kinetic energy from braking system has yet to be recovered for reuse
effectively. It is transformed into heat by friction between brake pads and drum/disc brakes.
On the Hybrid Electric Vehicle (HEV), this energy source has been used to convert into
electricity to recharge for high voltage battery of the vehicle. In the conventional vehicles
(using only the internal combustion engine), this power source has not been studied and
utilized fully. This paper analyzed, proposed plan of recovery and store the kinetic energy in
braking system of the conventional vehicle. Based on the design proposal, the authors have
used SolidWorks and MCS ADAMS/Car softwares to design 3D mechanical model, simulate
dynamic of system and calculate the amount of renewable energy generated during braking or
deceleration. The simulation results will be the fundamental for experiment researches,
improve the control algorithms to achieve high efficiency of recovery energy.
Keyword: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage
(KERS), Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems (ADAMS), powertrain system

1. GIỚI THIỆU CHUNG
Như chúng ta đã biết vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang là thách thức đối
với các hãng sản xuất ô tô. Năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) đang ngày càng
cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đã và đang là những vấn đề mang tính toàn
cầu. Một trong những giải pháp để giảm thiểu vấn đề nêu trên được các hãng xe đưa ra là chế
332


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
tạo ra những dòng xe hybrid. Một chiếc xe sử dụng hai nguồn động lượng (một động cơ đốt
trong và một thiết bị tích trữ năng lượng để sử dụng cho động cơ điện) thì được gọi là hệ
thống hybrid [1]. Một trong những yếu tố giúp dòng xe này tiết kiệm nhiên liệu là nó tận dụng
được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc hoặc khi phanh thông qua hệ thống phanh tái sinh
năng lượng (Regenerative Brake System: RBS).
Để hiểu rõ hơn về điều này ta hãy lấy một ví dụ như sau: Một chiếc xe ô tô có khối

lượng bản thân 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h. Ta sử dụng hệ thống phanh thông
thường để giảm tốc xe xuống còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo công
thức E k = ½ mV2 sẽ là 47,8 kJ. Trong đó E k là động năng của xe; m là khối lượng của xe và V
là tốc độ của xe. Do đó nếu như năng lượng này được thu hồi và tích trữ để sử dụng lại cho
việc tăng tốc của xe thay vì làm tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng ồn ở cơ cấu phanh. Giả sử
ta thu hồi lại được chỉ cần 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47,8 kJ = 11,95 kJ). Năng
lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [2].
Như vậy, năng lượng động năng khi phanh của ô tô là rất lớn. Nó tỷ lệ thuận với khối
lượng của xe và bình phương vận tốc tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh. Tuy nhiên,
việc thu hồi và tích trữ nguồn năng lượng này như thế nào thì còn nhiều vấn đề cần phải
nghiên cứu. Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ
dưới các dạng như: ắc quy điện cao áp, siêu tụ, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà hay là
lò xo đàn hồi [1]. Với hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện cao áp thì cần
phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, bộ biến đổi điện áp cao phức tạp và thường được
ứng dụng cho những dòng xe điện hoặc xe lai điện với giá thành rất cao. Với kiểu hệ thống
tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy lực đa phần được ứng dụng trên những xe tải
trọng lớn. Trong khi đó phương án tích trữ năng lượng bằng bánh đà là một phương thích hợp
có thể áp dụng cho những dòng xe tải trọng nhỏ như xe du lịch truyền thống [1].
Dựa trên nền tảng của các nghiên cứu trước, tác giả đề ra phương án tích trữ năng lượng
sử dụng kết hợp giữa bánh đà và máy phát điện áp dụng cho xe du lịch truyền thống với sơ đồ
thử nghiệm nghiên cứu như sau:

Hình 1. Mô hình thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng
Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Khi xe hoạt động trên đường ở chế độ tăng tốc lực
kéo chủ động truyền tới bộ bánh răng hành tinh quay không tải. Khi xe phanh hoặc khi giảm
tốc (xuống dốc dài), cơ cấu phanh trên bộ bánh răng hành tinh được kích hoạt hãm bánh răng
bao làm cho lực truyền tới hệ thống và làm cho bánh đà quay. Động năng của xe lúc này được
tích trữ vào bánh đà để dẫn động máy phát phát điện nạp lại cho ắc quy.

333

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO
NĂNG LƯỢNG
2.1. Cơ sở lý thuyết để tính toán lực và công suất phanh cần thiết
Để có cơ sở tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh,
trước tiên ta hãy đi phân tích động lực học cũng như công suất phanh cần thiết đối với một
chiếc xe khi phanh hặc giảm tốc. Giả sử xe đang phanh với vận tốc V(t) thì có các lực tác
dụng lên xe như sau hình vẽ [4].

Hình2. Các lực tác dụng lên xe khi phanh
F = (Ff + Fr + R f + R r + Fa + mg. sin θ) = m. a

(1)

Trong đó: m là khối lượng của xe [kg]; g là gia tốc trọng trường[m/s2]; θ là góc dốc
[độ]; mg.sinθ là trọng lực theo phương thẳng đứng; a là gia tốc [m/s2].
R f ,R r : lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]; R f + R r = µmg cos θ. Trong đó µ là hệ
số cản lăn có giá trị trong khoảng 0.02 đến 0.04 tuỳ theo tình trạng mặt đường [4].
Fa = 0.5ρ. A. CD . (V + Vwind )2

(2)

Trong đó: F a là lực cản gió [N];ρ là mật độ không khí (kg/m3); C d là hệ số cản gió; V là
vận tốc của xe [m/s]; V wind là vận tốc của gió chống lại sự di chuyển của xe [m/s].
F f , F r : là lực phanh tác dụng lên cầu trước, cầu sau [N];
Khi xe bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc thì lực làm cho xe đang chuyển động là
lực quán tính tại thời điểm đó trừ đi các lực cản gió, lực cản lăn… Lúc này mô men đặt vào
bánh xe chủ động sẽ là [5]:

1

J

d

Tω (t) = R ω �R r + 2 ρACD (V(t) + V)2 + �Rω2 + m� dt V(t)�

(3)

Pb (t) = (Ff + Fr )V(t)

(4)

Pf (t) = Ff V(t); Pr (t) = Fr V(t)

(5)

ω

Công suất phanh tại thời điểm bất kì được tính theo công thức [4]:
Trong đó: P b (t) là công suất phanh yêu cầu [W]; V(t) là vận tốc xe tạo thời điểm t [m/s]
Công suất phanh của các bánh xe trước, sau [4]:

334


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Đối với các xe được thiết kế có hệ thống phanh tái tạo năng lượng thì để đảm bảo an
toàn xe phải sử dụng đến hệ thống phanh cơ khí ở bánh xe chủ động. Vì thế, F r có thể tính

theo công thức (7) [4]:
Fr = Fr_tái sinh + Fr_cơ thí

(6)

Công suất phanh tái sinh đối với cầu sau chủ động
PR (t) = (ma − mg. sin θ − Ff − Fr−mech − µmg. cos θ − Fa )V(t)

(7)

Giả sử xe đang phanh với vận tốc đầu là U và vận tốc cuối là V. Do đó, sự biến đổi về
động năng được tính theo công thức (8) [4]:
1

∆E = EU − EV = 2 m(U 2 − V 2 )

(8)

Trong đó: ΔE là sự giảm của động năng [J]; E U , E V là động năng tại thời điểm U và V
Năng lượng động năng của xe trong quá trình phanh là rất lớn. Tuy nhiên, việc thu hồi
năng lượng này được nhiều hay ít còn tùy thuộc vào kỹ thuật điều khiển và phương pháp biến
đổi và tích trữ năng lượng. Trong nghiên cứu này sẽ đi nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bộ
thu hồi năng lượng được lắp trên xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Điều kiện thực
hiện mô phỏng đó là xe tăng tốc đến một tốc độ nhất định (khoảng 65 km/h, tương ứng với
tốc độ thực tế trên đường) sau đó thực hiện quá trình phanh theo 2 giai đoạn. Trong khoảng
thời gian đầu của quá trình phanh thì chỉ có hệ thống phanh tái tạo năng lượng hoạt động sau
đó hệ thống phanh cơ khí sẽ hoạt động cho tới khi xe dừng hẳn.
2.2. Thiết kế các cụm chi tiết trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng
Dựa trên mô hình thử nghiệm đã được đề xuất, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm
Solidwoks để xây dựng mô hình 3D của các chi tiết trong hệ thống như trong hình 3.

Hình 3. Mô hình được thết kế bằng Solidworks
Theo như mô hình thiết kế, mỗi khi phanh năng lượng được tích trữ vào bánh đà dưới
dạng cơ năng được tính theo công thức:
1

Ef = 2 Jf *ω2

Trong đó: ω là vận tốc góc của bánh đà [rad/s]; J f là mô men quán tính của bánh đà
[kgm2].
Theo công thức trên ta thấy rằng năng lượng được tích trữ trong bánh đà tỉ lệ với mô
men quán tính và bình phương vận tốc góc của nó. Mô men quán tính của bánh đà có thể
được tính như sau:
R2

Jf = 2πβ � W(r)r 3 dr
R1

335


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong đó: β là mật độ khối lượng vật liệu; W(r) là độ dày của bánh đà; R là bán kính
bánh đà. Do đó khối lượng của bánh đà được tính theo công thức:
R2

Mf = 2πβ � W(r)rdr
R1

Dựa trên cơ sở tính toán nhóm nghiên cứu đã thiết kế các bộ phận trong hệ thống phanh

tái tạo năng lượng với các thông số như trong bảng 1:
Bảng 1. Các thông cơ bản của bộ thu hồi năng lượng
Thông số kích thước
Số
Tên chi tiết
lượng Số răng Bước răng Đường kính
M (mm)
D (mm)
Z
Bánh răng bao trước

1

65

2.5

162,5

Bánh răng mặt trời trước

1

27

2.5

67,5

Bánh răng hành tinh trước

4

19

2.5

47,5

Bánh răng bao sau

1

73

2.5

182,5

Bánh răng mặt trời sau

1

39

2.5

97,5

Bánh răng hành tinh sau

4

17

2.5

42,5

Bánh răng quả dứa (bộ truyền lực chính)

1

13

4

52

Bánh răng vành chậu (bộ truyền lực chính)

1

43

4

172

Bánh răng chủ động lắp trên trục các đăng

1

73

2.5

182,5

Bánh răng chủ động lắp trên bộ BRHT

1

62

2.5

155

Bánh đà

1

Đường kính 255mm; khối lượng
4043,63 gram

2.3. Mô phỏng động lực học của hệ thống
Sau khi thiết kế các cụm chi tiết của hệ thống, mô hình được chạy mô phỏng thử va
chạm bằng phần mềm Solidworks sau đó được chuyển sang ADAMS/View và ADAMS/Car
để mô phỏng động lực học của xe. Các thông số sử dụng cho việc mô hình hóa và mô phỏng

hệ thống dựa trên thông số cơ bản của xe TOYOTA Fortuner được trình bày như trong bảng 2.
Bảng 2. Các thông số mô phỏng
Các thông số
Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị

Chiều dài cơ sở

L

2750

mm

Chiều rộng cơ sở

B

1540

mm

Khối lượng của xe

m

1950

kg

Bán kính bánh xe

Rω

0,33

m

Hệ số cản không khí

Cd

0.3

-

Diện tích cản chính diện

A

2,15

m2

Lực cản lăn

Fr

133

N

Mật độ không khí ở 30 C

ρ

1,25

kg/m3

Mô men quán tính khối lượng của bánh đà

Jf

0,04

kgm2

0

336


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Điều kiện thực hiện mô phỏng phanh: Động cơ hoạt động ở chế độ ổn định. Đầu vào
bao gồm các thông số động lực học của xe và các thông số từ mặt đường tác dụng lên bánh xe
(các thông số về mặt đường được thiết lập trong ADAMS/Car theo tiêu chuẩn ISO). Đầu ra

bao gồm các thông số vận tốc, gia tốc, năng lượng tích trữ vào bánh đà và mô men phanh tại
các bánh xe. Các chế độ điều khiển được thiết lập trong ADAMS/Control. Ban đầu cho xe
hoạt động ổn định ở tốc độ 63 km/h, khi tín hiệu giảm tốc từ bàn đạp ga bộ thu hồi năng
lượng được kích hoạt, động năng của xe được tích trữ vào bánh đà làm quay máy phát điện để
nạp lại cho ắc quy. Lực phanh của hệ thống phanh tái tạo năng lượng tùy thuộc vào việc điều
chỉnh dòng sạc (trong nghiên cứu mô phỏng này chưa tính toán tới sự chuyển hóa năng lượng
cũng như những tổn hao từ việc chuyển hóa từ cơ năng sang điện năng). Sau khoảng thời gian
2 giây thì có thêm sự tác động của hệ thống phanh cơ khí tác dụng lên xe cho tới khi dừng hẳn
để đảm bảo an toàn.

Hình4. Sơ đồ khối các thông số mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng

Hình 5. Mô hình mô phỏng trên ADAMS
337


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Kết quả mô phỏng và phân tích kết quả:

Hình 6. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc và gia tốc góc của bánh xe theo thời gian
Như ta thấy trên đồ thị hình 6, tốc độ góc của bánh xe giảm nhẹ trong 2 giây đầu tiên là
do lực phanh từ bộ thu hồi năng lượng sinh ra làm cho xe giảm tốc. Từ giây thứ 2 trở đi do sự
tác động của hệ thống phanh cơ khí nên tốc độ bánh xe giảm rất nhanh.

Hình 7. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc, gia tốc góc và năng lượng của bánh đà theo
thời gian
Ngược lại với tốc độ bánh xe, bánh đà được kết nối với trục các đăng thông qua bộ bánh
răng hành tinh kép với tỉ số truyền tăng do đó trong 2 giây đầu tiên tốc độ của bánh đà được
tăng lên rất nhanh. Đến khi hệ thống phanh cơ khí hoạt động thì bánh đà quay theo quán tính
của nó với tốc độ giảm dần theo thời gian. Năng lượng tích trữ vào bánh đà tỷ lệ với bình

phương tốc độ được biểu diễn bằng đường màu xanh trên hình 7.

Hình 8. Đồ thị biểu diễn mô men phanh của cầu trước và cầu sau

338


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, mô men phanh tại các bánh xe tăng chậm do
hệ thống phanh cơ khí chưa hoạt động. Càng về cuối quá trình phanh mô men phanh tại các
bánh xe tăng nhanh do hệ thống phanh cơ khí hoạt động. Lúc này lực phanh phải phân bố theo
quy luật phân bố tải trọng.
Thông qua phân tích và xử lý các số liệu mô phỏng thu thập được từ phần mềm
ADAMS/Car. Kết quả cụ thể được mô tả trong bảng 3.
Bảng 3. Bảng kết quả mô phỏng
Tốc độ bánh xe

Tốc độ xe

Tốc độ bánh đà

STT
Độ/giây

v/ph

1

3000

500

2

2950

3

Năng
lượng
tích trữ
vào
bánh đà
(J)

Mô men
phanh
tại các
bánh xe
cầu
trước
(N.m)

Mô
men
phanh
tại các
bánh xe
cầu sau
(N.m)

Độ/giây

v/ph

17,29 62,24

37500

6250

5000

5,00

3,30

492

17,00 61,20

75000

12500

31500

10,00

5,50

2850

475

16,42 59,13

115000

19167

75000

14,50

8,50

4

2700

450

15,56 56,02

125000

20833

156215

35,00

20,25

5

2300

383

13,26 47,72

115000

19167

80000

44,50

26,50

6

1900

317

10,95 39,42

96000

16000

67000

53,50

32,50

7

1820

303

10,49 37,76

75000

12500

58000

60,00

35,00

8

1350

225

7,78

28,01

55000

9167

45000

67,50

39,50

9

900

150

5,19

18,67

37500

6250

25000

73,50

41,45

10

500

83

2,88

10,37

27000

4500

12500

77,50

45,50

11

150

25

0,86

3,11

5000

833

3560

80,00

48,00

12

0

0

0

0

0

0

0

82,00

50,00

m/s

km/h

Theo bảng số liệu kết quả mô phỏng thì năng lượng động năng thu được càng lớn khi
tốc độ quay của bánh đà càng lớn. Trong nghiên cứu mô phỏng này tốc độ bánh đà đạt tới trên
20.000 vòng/phút. Tuy nhiên trên thực tế để đạt được tốc độ này thì cần phải cải tiến kết cấu
cơ khí đặc biệt là ổ bi (Ổ bi từ và buồng chân không được đề xuất sử dụng để giảm ma sát và
làm tăng thời gian quay tự do của bánh đà).
3. KẾT LUẬN
Bài báo này đã đi phân tích cơ sở lý thuyết và thiết kế các cụm chi tiết tổng thành trong
hệ thống phanh tái tạo năng lượng. Đã sử được Solidworks trong thiết kế mô hình 3D các chi
tiết cũng như lắp ráp hệ thống. Liên kết được giữa Solidworks và MSC ADAMS/Car để mô
phỏng động lực học của hệ thống. Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn và
thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng. Hướng phát triển tiếp theo sẽ đi phân tích tính
toán tới sự tổn hao của quá trình chuyển hóa từ cơ năng thành điện năng nạp lại cho ắc quy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System. Institute of Transport Studies,
University of Leeds.
339

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144
[3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS)
for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC
ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas
[4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid
Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011
[5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental
Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Dương Tuấn Tùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
; Điện thoại: 0914805623

2.

Đỗ Văn Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
; Điện thoại: 0903644706

3.

Nguyễn Trường Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
; Điện thoại: 0903675673

4.

Huỳnh Hữu Phúc, Công ty VMEP Việt Nam;
; Điện thoại: 0985330603

340