MỘT NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM bộ THU hồi NĂNG LƯỢNG tái tạo KHI PHANH áp DỤNG CHO XE ô tô có KIỂU hệ THỐNG TRUYỀN lực TRUYỀN THỐNG

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

MỘT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
KHI PHANH ÁP DỤNG CHO XE Ô TÔ CÓ KIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
TRUYỀN THỐNG
AN EXPERIMENT RESEARCH ON BRAKING ENERGY RECOVERY ASSEMBLY
APPLY TO CONVENTIONAL VEHICLE
Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguyễn Trường Thịnh3c, Huỳnh Hữu Phúc4d
1, 2, 3
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
4
Công ty VMEP Việt Nam
a
b
; ;
c
; d ;
TÓM TẮT
Quá trình phanh trên ô tô là một quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành
nhiệt năng. Sự chuyển hóa này làm giảm tuổi thọ của các chi tiết trong hệ thống phanh, đồng
thời cũng là sự lãng phí năng lượng mà chiếc xe cần phải tiêu hao một lượng nhiên liệu nhất
định mới đạt được. Tuy nhiên, vì lý do an toàn nên hệ thống phanh truyền thống vẫn được sử
dụng mặc dù năng lượng bị tiêu tán trong quá trình phanh là không nhỏ. Nghiên cứu này sẽ
phát triển thiết kế, chế tạo và thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh được lắp
thêm vào một chiếc xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Các bộ phận thí nghiệm
được lắp thêm bao gồm: Một bộ bánh răng hành tinh kép nhằm thay đổi tỷ số truyền được
mắc song song với trục các đăng của xe để làm quay bánh đà mỗi khi quá trình phanh hay
giảm tốc được thực hiện; một máy phát điện được nối đồng trục với bánh đà nhằm biến cơ
năng thành điện năng nạp lại cho ắc quy và một bộ điều khiển điện tử giao tiếp với máy tính
nhằm điều khiển và thu thập dữ liệu từ hệ thống. Thực nghiệm cho thấy lượng năng lượng thu
hồi được phụ thuộc vào tốc độ của xe khi bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc và thời gian

diễn ra quá trình phanh. Kết quả của thực nghiệm này sẽ là cơ sở để tính toán suất tiêu hao
nhiên liệu của xe khi có lắp thêm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh.
Từ khóa: hệ thống phanh tái tạo năng lượng, tích trữ động năng được thu hồi, bộ bánh
răng hành tinh, hệ thống truyền lực truyền thống
ABSTRACT
The braking process in automotive is an energy conversion from mechanical energy into
heat. This transformation is a waste of energy and cause damage to components in braking
system. However, for safety reasons the traditional braking system is still used, although the
energy dissipated during braking is not small. This research will design, manufacture and
testing of braking energy recovery assembly which is fitted to traditional powertrain vehicle.
The experimental unit is fitted include: A double planetary gear set to change gear ratio
isparallel with the propeller shaft of the vehicle to rotate the flywheel when braking or
deceleration; a generator is connected coaxial with the flywheel to convert mechanical energy
into electrical energy and an electronic controller and computer interface to collect data. The
experiment results show that the amount of energy recovered depends on the speed of the
vehicle at starting timing of braking or deceleration and duration of braking. These results will
be the fundamental to calculate of fuel consumption for the vehicle which is installed the
braking energy recovery assembly.
Keywords: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage
(KERS),planetary gear unit, conventional powertrain system

341


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Như chúng ta đã biết, quá trình phanh trên ô tô là một quá trình làm tiêu tán năng lượng
mà chiếc xe đang có để làm cho xe giảm tốc. Năng lượng động năng của xe là rất lớn, nó phụ
thuộc vào vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh Ke = ½ mV2. Trong đó:
Ke là động năng của xe [J]; m là khối lượng của xe [kg]; V là vận tốc của xe [m/s]. Năng

lượng này được thu hồi nhiều hay ít tùy thuộc vào kết cấu của hệ thống, kỹ thuật điều khiển
bộ thu hồi năng lượng khi phanh và phương pháp tích trữ năng lượng này. Theo các nghiên
cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: ắc quy điện
cao áp, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà và lò xo đàn hồi. Với hệ thống tích trữ năng
lượng khi phanh dưới dạng điện cao áp thì cần phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, bộ
biến đổi điện áp cao phức tạp và thường được ứng dụng cho những dòng xe điện hoặc xe lai
điện với giá thành rất cao. Với kiểu hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy
lực đa phần được ứng dụng trên những xe tải trọng lớn. Trong khi đó phương án tích trữ năng
lượng bằng bánh đà là một phương thích hợp có thể áp dụng cho những dòng xe tải trọng nhỏ
như xe du lịch truyền thống. Tuy nhiên việc tích trữ năng lượng bằng bánh đà cũng có nhiều
dạng khác nhau [6]: Tích trữ dưới dạng năng lượng cơ năng: Khi phanh năng lượng được tích
trữ vào bánh đà và khi kết thúc quá trình phanh thì năng lượng này được giải phóng để tác
động trực tiếp vào hệ thống truyền lực góp phần vào việc tăng tốc xe. Với kiểu tích trữ này thì
kết cấu cơ khí rất phức tạp; Tích trữ dưới dạng điện năng: Khi quá trình phanh hoặc giảm tốc
xe diễn ra thì động năng của xe được tích trữ vào bánh đà. Năng lượng này được chuyển hoá
thành điện năng nạp lại cho ắc quy thông qua máy phát điện được gắn đồng trục với bánh đà.
Nghiên cứu gần đây nhất của tác giả Tai-Ran Hsu sử dụng một bánh đà để tích trữ năng lượng
cơ năng khi phanh và một máy phát điện để biến cơ năng thành điện năng. Tuy nhiên, nghiên
cứu này được thực hiện trên bệ thử với mô tơ điện dẫn động hệ thống, bánh đà và máy phát
điện chưa được ngắt khỏi hệ thống khi kết thúc quá trình phanh để tận dụng triệt để quán tính
của bánh đà do đó tốc độ quán tính của bánh đà trong khi thử nghiệm là thấp nên năng lượng
thu hồi được chưa lớn. Để khắc phục một số nhược điểm trên, nghiên cứu này sẽ tìm hiểu, chế
tạo và thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng khi phanh áp dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền
lực kiểu truyền thống với sơ đồ như trong hình 1.

Hình 1. Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống được trình bày như sau: Bộ truyền động xích
luôn được kết nối từ trục các đăng xuống bộ bánh răng hành tinh kép. Tuy nhiên, khi xe hoạt
động bình thường thì bộ điều khiển chưa tác động vào bộ bánh răng hành tinh kép nên năng
lượng chưa được truyền vào bánh đà. Khi có tín hiệu từ người lái báo hiệu quá trình phanh

hoặc giảm tốc bắt đầu xảy ra, bộ điều khiển kích hoạt hãm bánh răng bao của bộ bánh răng
342


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
hành tinh kép. Lúc này năng lượng truyền qua bộ bánh răng hành tinh kép làm cho bánh đà
quay dẫn động máy phát điện nạp lại cho ắc quy. Lực cản quá tính của bánh đà cũng như lực
hãm điện động của máy phát điện thông qua việc điều chỉnh dòng sạc chính là lực phanh làm
cho xe giảm tốc.
2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
2.1. Thông số cơ bản của xe thực nghiệm
Để có cơ sở tính toán các thông số của các cụm chi tiết trong bộ thu hồi năng lượng khi
phanh, trước tiên ta hãy đi phân tích và tính toán sơ bộ năng lượng sinh ra trong quá trình
phanh của ô tô. Xe thử nghiệm là xe TOYOTA HIACE 15 chỗ có kiểu hệ thống truyền lực
truyền thống với các thông số như được trình bày trong bảng 1. Điều kiện thử nghiệm trong
đường đô thị nên chỉ thử nghiệm ở giải tốc độ xe từ 70 km/h trở lại.
Bảng 1. Các thông số của xe thực nghiệm
Các thông số
Ký hiệu
Giá trị

Đơn vị

Chiều dài cơ sở

L

2570

mm

Chiều rộng cơ sở

B

1655

mm

Khối lượng của xe

m

1905

Kg

Bán kính bánh xe

Rω

0,33

m

Mô men quán tính khối lượng của bánh đà

Jf

0,04

kg.m2

2.2. Thông số của bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh
Các định luật nhiệt động lực học và động lực học của ô tô được sử dụng để tính toán
công suất cần thiết trong quá trình phanh hoặc giảm tốc của xe tại thời điểm t bất ký được tính
theo công thức [1]:

Trong đó:

𝑑𝑑

P (t) =𝑑𝑑𝑑𝑑 [𝐾𝐾𝐾𝐾(𝑡𝑡) + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡)] + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡) + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡)+ P loss

(1)

Pe (t) là thế năng của xe tại thời điểm t, thế năng của xe có ý nghĩa lớn trong khi xe thả
dốc đèo. Pe (t) = (mg)Δy vớiΔy là độ dốc của mặt đường; g là gia tốc trọng trường.
Pa (t) là công suất cản gió. Pa = 0.5ρACD (V(t) + Vwind )3 với ρ là mật độ không khí
[kg/m3]; Cd là hệ số cản gió; V(t) là vận tốc của xe [m/s]; Vwind là vận tốc của gió chống lại
sự di chuyển của xe [m/s].
P(f) là công suất cản lăn.
Ploss: là công suất tiêu hao cho quá trình giảm tốc của xe bao gồm cả ma sát giữa các
chi tiết cơ khí và của hệ thống truyền lực.
Trong nghiên cứu thực nghiệm này, xe được thử trên đường bằng nên độ dốc coi như
bằng không. Do đó mô men và tốc độ góc của trục các đăng tại thời điểm bắt đầu phanh hoặc
giảm tốc được tính như sau [5]:
1

J

d

Tω (t) = R ω �R r + 2 ρACD (V(t) + Vwind )2 + �Rω2 + m� dt v(t)�
1

ωt = ωω
i0

ω

(2)
(3)

Trong đó: Tω (t) là mô men tác dụng lên trục các đăng; ω t là tốc độ góc của trục các
đăng [rad/s]; i 0 là tỷ số truyền của bộ truyền lực cuối ; và ω ω là tốc độ góc của bánh xe [rad/s].
343


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Dựa trên thông số cơ bản của xe và tốc độ xe tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình
phanh là khoảng 70 km/h trở xuống, các thông số của bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh
được sử dụng để thực nghiệm được lắp đặt trên xe với các thông như sau: bộ truyền động xích
có tỷ số truyền 0,85; bộ bánh răng hành tinh kép có tỷ số truyền là 0,11; ly hợp; bộ phanh
thủy lực tác động để hãm bánh răng bao làm quay bánh đà dẫn động máy phát điện; bánh đà
có khối lượng là 4kg và một máy phát điện có công suất 1 mã lực.

Hình 2. Các bộ phận của hệ thống phanh tái tạo năng lượng được lắp trên xe
Trên hình 2 là vị trí các bộ phận trong mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng
lượng được lắp trên xe và đưa xe vào bệ thử để kiểm tra thử nghiệm các kết cấu cơ khí cũng

như chương trình điều khiển trước khi được thử nghiệm trên đường.

Hình 3. Bảng điều khiển và giao diện hiển thị trên máy tính các thông số thực nghiệm
Hệ thống điều khiển và thu thập số liệu thực nghiệm bao gồm các bộ phận chính như sau:
- Bộ điều khiển phanh và mạch công suất có nhiệm vụ điều khiển phanh bánh răng bao
của bộ bánh răng hành tinh kép một cách tự động dựa trên các tín hiệu từ người lái.
- Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến điện xoay chiều từ máy phát thành điện một chiều
cung cấp cho phụ tải điện (máy phát được sử dụng là máy phát xoay chiều 3 pha).
- Bộ điều chỉnh dòng điện có tác dụng thay đổi dòng điện của phụ tải tác dụng lên máy
phát để sinh ra lực phanh làm cho xe giảm tốc.
- Bộ giao tiếp với máy tính có tác dụng thu thập các số liệu như: tốc độ xe, tốc độ máy
phát (tốc độ bánh đà); điện áp của máy phát phát ra và dòng điện của phụ tải.
- Giao diện hiển thị và giao tiếp với máy tính được thiết kế dựa trên phần mềm
LabVIEW.

344


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
3.1. Mô tả điều kiện thực nghiệm
Sau khi lắp đặt các bộ phận cơ khí, kết nối các cảm biến và các bộ chấp hành với mạch
điều khiển thu thập dữ liệu nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm kiểm tra kết cấu cơ khí và
chương trình điều khiển trên băng thử sau đó thực nghiệm trên đường với quy trình như sau:
Lần lượt tăng tốc xe lên từng tốc độ khác nhau. Khi xe đạt được tốc độ mong muốn nhất định,
bộ điều khiển bắt đầu kích hoạt cho hãm bánh răng bao trên bộ truyền bánh răng hành tinh
kép. Cùng lúc đó ly hợp được ngắt để hạn chế phanh bằng động cơ. Các tín hiệu về tốc độ xe;
tốc độ máy phát; điện áp; dòng điện được truyền liên tục lên máy tính.

Hình 4. Lưu đồ điều khiển và đồ thị tổng quát tốc độ của máy phát theo thời gian

Dựa trên lưu đồ giải thuật điều khiển được lập trình cho vi xử lý, nhóm tiến hành làm
thực nghiệm ở các tốc độ xe tại thời điểm bắt đầu phanh là 30km/h; 40km/h; 50 km/h và
60km/h. Các thông số dữ liệu thu hồi được như tốc độ xe, tốc độ máy phát, dòng điện và điện
áp phát ra được cập nhật một cách liên tục. Sau khi thu thập được các số liệu nhóm tiến hành
phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm và thu được kết quả như hình 4b và hình 5.

Hình 5. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện theo thời gian phanh
ở các tốc độ xe khác nhau
345


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Theo như kết quả thu được thì khi bắt đầu quá trình phanh, tốc độ máy phát (bánh đà)
tăng lên rất nhanh làm cho dòng điện và điện áp máy phát tăng theo tuyến tính. Sau khoảng
thời gian phanh, bánh đà quay tự do theo quán tính của nó với tốc độ giảm dần theo thời gian.
Điều này làm cho điện áp và dòng điện sinh ra cũng giảm theo.
3.2. Tính toán năng lượng thu được
Dựa trên các thông số thực nghiệm thu được như trên hình 5 ta sẽ tính năng lượng thu
hồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc. Tại một thời điểm bất kì, công suất thu
được được tính theo công thức: P=U * I[W]
Trong đó: U, I lần lượt là dòng điện và điện áp của máy phát phát ra tại thời điểm t bất
kỳ. Theo kết quả thực nghiệm thu được ta đi xây dựng được đồ thị công suất như trên hình 6.
Dựa trên đường cong công suất ta sẽ tính được năng lượng tái tạo khi phanh của xe trong
khoảng thời gian bộ thu hồi năng lượng tái tạo hoạt động.
Năng lượng tạo ra được từ hệ thống được tính chính xác theo công thức:
t

E = ∫t n P(t)dt

(3)

E = P.△ t = P. �t n – t 0 �

(4)

0

Nếu công suất thu được là hằng số, có đồ thị là một đường thẳng song song với trục thời
gian thì năng lượng thu được được tính như sau:
Tuy nhiên, dựa theo các bảng số liệu thu được thì các giá trị thay đổi liên và đường
công suất là đường cong nên ta sử dụng phương pháp tính gần đúng các giá trị năng lượng thu
được.

Hình 6. Đồ thị công suất thu được theo thời gian
Theo đồ thị trên, ta có thể tính gần đúng năng lượng thu được theo các điểm giá trị như
trên hình:

=

E = E1 + E2 + ⋯ + E4 = Ptb1 (t1 − t 0 ) + Ptb2 (t 2 − t1 ) + ⋯ + Ptb4 (t 5 − t 4 )

P1 + P0
2

(t1 − t 0 ) +

P2 + P1
2

(t 2 − t1 ) + ⋯ +

P5 + P4
2

(t 5 − t 4 )

(5)

Các điểm giá trị lấy được càng nhiều và khoảng thời gian lấy mẫu các giá trị đó càng
nhỏ thì năng lượng tính được càng chính xác. Ta có công thức tổng quát sau:
E = ∑n−1
i=1 �

Pi +Pi+1

� (t i+1 − t i )

(6)

E = ∑n−1
i=1 �

Pi +Pi+1

�

(7)

2

Do khoảng thời gian giãn cách để tính toán là△t = 1s nên ta có:
2

346


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Dựa vào công thức trên và các bảng số liệu có được ta tính được gần đúng năng lượng
thu được ứng với các tốc độ bắt đầu phanh khác nhau:
Bảng 2. Bảng giá trị năng lượng thu được theo vận tốc xe tại thời điểm phanh
Tốc độ bắt đầu phanh (km/h)

Năng lượng thu được (J)

30

1528,47

40

1922,35

50

2496,96

60

3293,98

E (J)
3500
3000
2500
Năng lượng thu được
(J)

2000
1500
1000
500

v (km/h)

0
0

20

40

60

80

Hình 7. Đồ thị năng lượng thu được theo vận tốc xe
Vận tốc xe tại thời điểm bắt đầu phanh càng cao thì động năng chuyển động của xe càng
lớn, do đó năng lượng thu được bằng hệ thống RBS càng nhiều. Động năng chuyển động của
xe là một hàm số bậc 2 theo vận tốc. Do đó, đồ thị năng lượng thu được cũng gần giống một
hàm bậc 2 theo tốc độ xe. Trong nghiên cứu này, do khả năng gia công chính xác các kết cấu

cơ khí chưa cao nên năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh là chưa lớn. Để năng
lượng tái tạo khi phanh được thu hồi lớn hơn nữa, các nghiên cứu tiếp theo sẽ đi tính toán tối
ưu hoá các cụm chi tiết của hệ thống đặc biệt là bánh đà sẽ được đặt trong môi trường chân
không để giảm lực cản gió, sử dụng các ổ bi từ để giảm tổn hao do ma sát.
4. KẾT LUẬN
Bài báo này đã trình bày được phương án thiết kế, xây dựng được mô hình thực nghiệm,
các bộ điều khiển và thu thập dữ liệu hệ thống phanh tái tạo năng lượng dựa trên xe ô tô có
kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Thực nghiệm và tính toán năng lượng tái tạo được khi
phanh ở các tốc độ khác nhau. Kết quả thực nghiệm này sẽ là cơ sở cho việc tính toán tối ưu
hóa kết cấu của hệ thống, tính toán sức tiêu hao nhiên liệu của xe khi trang bị thêm bộ thu hồi
năng lượng tái tạo khi phanh khi phanh. Hướng phát triển tiếp theo sẽ đi tính toán cân bằng
công suất, mô men khi phanh giữa hệ thống phanh tái tạo năng lượng và hệ thống phanh cơ
khí từ đó đưa ra giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tai-Ran Hsu, On a Flywheel-Based Regenerative Braking System for Regenerative
Energy Recovery, Department of Mechanical Engineering, San Jose State University, San
Jose, Canada, 2013.
[2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144
347


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS)
for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC
ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas
[4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid
Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011.
[5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental
Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands
[6] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System. Institute of Transport Studies,

University of Leeds
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Dương Tuấn Tùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
; 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

348