Nghiên cứu các phương án thiết kế hệ thống phanh trên xe hybrid có tính năng thu hồi một phần năng lượng của quá trình phanh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi. Những nội dung trình bày
trong luận văn này do tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm
Hữu Nam và các giảng viên trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Nội dung của luận
văn hoàn toàn phù hợp với Đề tài đã đƣợc đăng ký và phê duyệt của Hiệu trƣởng
Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung
thực.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Lƣu Tuấn Hải

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................1
MỤC LỤC ............................................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ..............................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ. ...............................................6
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................9
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. .............................10
1.1 Khái niệm Ô tô Hybrid và ý nghĩa sử dụng..............................................10
1.2. Các chế độ làm việc và các kiểu truyền lực Ô tô Hybrid. .......................15
1.2.1

Các chế độ làm việc...........................................................................15

1.2.2 Các phƣơng án bố trí cơ bản hệ thống truyền lực của Ô tô Hybrid. .17
1.3. Ý nghĩa việc thu hồi năng lƣợng quá trình phanh của Ô tô Hybrid. .......20
1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu. .............................................................................21
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG ÁN THU HỒI NĂNG LƢỢNG PHANH .........24
TRÊN Ô TÔ HYBRID. ......................................................................................24
2.1 Nguyên lý thu hồi năng lƣợng phanh trên xe Ô tô Hybrid. ......................24
2.2 Các phƣơng án thu hồi năng lƣợng quá trình phanh. ...............................26
2.2.1. Các phƣơng án phân bố, điều khiển lực phanh thu hồi và phanh cơ
khí. .....................................................................................................................26
2.2.2. Hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh ƣu tiên hiệu quả phanh. ..........27
2.2.3. Hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh ƣu tiên chế độ thu hồi. ............29
2.2.4. Hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh song song. ..............................32
2.3. Hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh trên Ô tô Toyota Prius. ..................35

2


CHƢƠNG III: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG
LƢỢNG PHANH TRÊN XE Ô TÔ HYBRID. ........................................................39
3.1 Mô hình tính toán quá trình phanh. ..........................................................39
3.2 Tính toán động lực quá trình phanh. ........................................................41
3.2.1 Hệ phƣơng trình vi phân mô tả quá trình phanh Ô tô khi chuyển động
trên đƣờng thẳng. ..............................................................................................41
3.2.2 Tính các lực dọc tại bánh trƣớc Fx1 và bánh sau Fx2 .........................42
3.2.3 Tính toán mô men phanh. .................................................................45
3.3 Thuật toán và năng lƣợng thu hồi của quá trình phanh. ...........................50


Năng lƣợng thu hồi trong quá trình phanh. ..............................................51

3.5 Nhận xét: ..................................................................................................52
CHƢƠNG IV: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG THU
HỒI NĂNG LƢỢNG PHANH .................................................................................53
4.1 Tính toán, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink. .......53
4.2 Các kết quả tính toán và đánh giá. ............................................................62
 Thông số tính toán: ...............................................................................62
 Khảo nghiệm, đánh giá. ........................................................................63
KẾT LUẬN ........................................................................................................69

TÀI LIỆU THAM KHẢO. .................................................................................70
PHỤ LỤC ...........................................................................................................71

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
TT

Ký hiệu

Giải thích

Đơn vị

1

F X

Lực bám dọc

N

2

FY

Lực bám ngang

N

3

X

Hệ số bám dọc

4

Y

Hệ số bám ngang

5

Fz

Tải trọng thẳng đứng.

6

s

Hệ số trƣợt

7

v

Tốc độ thân xe

8

bx

Vận tốc góc bánh xe

9

rbx

Bán kính bánh xe

m

10

G

Khối lƣợng ô tô

kg

11

L

Chiều dài cơ sở

m

12

a

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trƣớc

m

13

b

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu sau

m

14

Sp

Quãng đƣờng phanh

m

15

g

Gia tốc trọng trƣờng

m / s2

16

Mp

Mô men phanh tác dụng lên bánh xe

Nm

17

Pp

Lực phanh

N

18

ωcb

19

N

m/ s
rad / s

Số vòng quay cơ bản

rad / s

Jp

Gia tốc phanh.

m / s2

20

C1

Độ cứng dọc của lốp

kN/m

21

Cs

Độ cứng ngang của lốp

kN/m

22

µ0

Hệ số bám cực đại

23

Ax

Độ giảm hệ số bám

24

Mth

Mô men phanh thu hồi

Nm

25

Pth

Công suất thu hồi của máy phát

W

4


26

Ath

Công thu hồi quá trình phanh

W.s

27

Pm

Công suất cực đại của động cơ điện.

kW

28

Kv

Hệ số xét đến ảnh hƣởng vận tốc

29

Ksoc

Hệ số xét đến khả năng nạp của Ắc quy

30

Mđc

Mô men phanh của động cơ điện

31

i

32

jyc

Gia tốc phanh yêu cầu

33

kp

Hệ số tăng áp

34

rt

Bán kính tang trống

m

35

α

Góc lệch bên bánh xe.

rad

36

W

Hệ số cản không khí

37

J

Mô men quán tính

38

Ff

Lực cản lăn

N

39

Pω

Lực cản không khí

N

40

v0

Vận tốc ban đầu trƣớc khi phanh.

m/s

41

vc

Vận tốc sau khi phanh.

m/s

42

f

Nm

Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực

Hệ số cản lăn.

5

m/s2


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ.
Hình 1.1: Đặc tính lý tưởng của nguồn động lực trên Ô tô. ..............................13
Hình 1.2: Đặc tính động cơ đốt trong. ...............................................................13
Hình 1.3: Đặc tính động cơ điện. .......................................................................14
Hình 1.4: Các chế độ làm việc của Ô tô Hybrid ................................................15
Hình 1.5: Các kiểu truyền lực Hybrid ................................................................17
Hình 1.6: Kiểu Ô tô Hybrid truyền lực nối tiếp. ................................................18
Hình 1.7: Ô tô Hybrid kiểu truyền lực song song. .............................................19
Hình 1.8: Quan hệ năng lượng phanh và tốc độ khi chạy trong thành phố.......21
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng phanh. ......................................24
Hình 2.2: Đặc tính mô men phanh của động cơ điện.........................................25
Hình 2.3: Đường phân bố lực phanh lý tưởng cầu trước và cầu sau. ...............26
Hình 2.4: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau .....................27
Hình: 2.5: Thuật toán điều khiển ưu tiên hiệu quả phanh. ................................28
Hình 2.6: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh
thu hồi lực phanh ưu tiên chế độ thu hồi. ...........................................................30
Hình 2.7: Sơ đồ thuật toán điều khiển ưu tiên thu hồi năng lượng. ..................31
Hình 2.8: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh
thu hồi lực phanh song song. ..............................................................................32

Hình 2.9: Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống phanh song song.....................33
Hình 2.10: Các phương án phân bố lực phanh thu hồi và phanh cơ khí. ..........34
Hình 2.11: Động cơ điện của hệ thống thu hồi lực phanh. ................................35
Hình 2.12: Đặc tính động cơ điện trên xe Toyota Prius.....................................35
Hình 2.13. Màn hình hiển thị trên bảng điều khiển. .........................................36

6


Hình 2.14 . Bộ chuyển đổi điện. ........................................................................36
Hình 2.15: Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius .............................................37
Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thu hồi năng lượng phanh Toyota Prius .........38
Hình 3.1 : Mô hình tính toán quá trình phanh ô tô trên đường thẳng. ..............40
Hình 3.2 : Sơ đồ thuật toán tính lực dọc theo mô hình Dugoff ..........................44
Hình 3.3: Sơ đồ tính toán cơ cấu phanh guốc. ...................................................45
Hình 3.4: Đặc tính động cơ điện 1 chiều. ..........................................................47
Hình 3.5 : Quan hệ giữa Kv vận tốc của Ô tô. ...................................................47
Hình 3.6 :Quan hệ giữa hệ số Ksoc và % SOC ..................................................48
Hình 3.7. Các pha làm việc của ABS điều khiển theo độ trƣợt. ........................48
Hình 3.8 Thuật toán điều khiển ABS ................................................................49
Hình 3.9: Thuật toán điều khiển quá trình thu hồi năng lượng phanh. .............51
Hình 4.1 Mô hình tính vận tốc, gia tốc, quãng đường phanh. ...........................53
Hình 4.2 Mô hình tính Fx1, Fy1 .........................................................................54
Hình 4.3 Mô hình tính fz1 ...................................................................................54
Hình 4.4 Mô hình tính hệ số muy1 ....................................................................55
Hình 4.5 Mô hình tính Fz1 và Fmuy1 ...............................................................55
Hình 4.7 Mô hình tính Fx2, Fy2 .........................................................................55
Hình 4.8 Mô hình tính fz2 ..................................................................................56
Hình 4.9 Mô hình tính Fz2 và Fmuy2 ................................................................56
Hình 4.10: Mô hình tính mô men phanh và độ trượt bánh trước .......................57

Hình 4.11: Mô hình tính mô men phanh thu hồi. ..............................................58
Hình 4.12: Mô hình tính hệ số Ksoc ..................................................................58
Hình 4.13: Mô hình tính hệ số Kv. .....................................................................59

7


Hình 4.14: Mô hình tính mô men động cơ điện..................................................59
Hình 4.15 Mô phỏng mô men phanh và độ trượt bánh sau. ..............................60
Hình 4.16 Mô hình tính năng lượng thu hồi. ....................................................61
Hình 4.17 Mô hình điều khiển chương trình. .....................................................61
Hình 4.18: Quãng đường phanh và vận tốc Ô tô khi chỉ có phanh thu hồi. ......63
Hình 4.19 Mô men phanh trên các cầu trước và sau. ........................................64
Hình 4.20: Vận tốc và quãng đường phanh khi phanh với gia tốc 2 m/s2 .........64
Hình 4.21: Năng lượng của cả hệ thống khi phanh với jyc = 2m/s2. .................65
Hình 4.22: Công và công suất thu hồi năng lượng khi phanh với jyc = 2m/s2 ...65
Hình 4.23: Mô men phanh cơ khí của các bánh xe khi jyc = 4 m/s2. ..................66
Hình 4.24: Vận tốc và quãng đường phanh khi chỉ dùng phanh cơ khí.............66
Hình 4.25: Vận tốc và quãng đường phanh khi có hệ thống thu hồi với jyc = 4
m/s2 .....................................................................................................................67
Hình 4.27: Năng lượng thu được của cả hệ thống phanh vơi jyc = 4m/s2……..68

8


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội là nhu cầu về sự gia tăng về
phƣơng tiện, đặc biệt là Ô tô. Điều đó dẫn đến hệ quả là ô nhiễm môi trƣờng và cạn
kiệt nguồn nhiêu liệu dầu mỏ. Điều đó đặt ra cho những nhà nghiên cứu yêu cầu
phải tìm ra nguồn năng lƣợng thay thế. Đã có rất nhiều nguồn năng lƣợng đƣợc

nghiên cứu và thí nghiệm nhƣ, năng lƣợng mặt trời, gió, nhiên liệu sinh học… đó là
những năng lƣợng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trƣờng. Nhƣng chúng có
những nhƣợc điểm mà chƣa khắc phục đƣợc nhƣ công nghệ chế tạo phức tạp, giá
thành cao…
Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu truyền thống do hoạt động ở các chế độ
tải khác nhau nên gây ra tốn nhiên liệu và ô nhiễm môi trƣờng. Trong khi đó với
động cơ điện có rất nhiều ƣu điểm cho nguồn động lực Ô tô nhƣng lại có nhƣợc
điểm là ắc quy rất lớn, độ bền chƣa cao và thời gian nạp lâu.. Vì vậy các hãng đã
đƣa ra những chiếc xe Hybrid sử dụng cả 2 nguồn năng lƣợng là điện và nhiệt để
tận dụng những ƣu điểm của 2 nguồn năng lƣợng này. Trên xe Ô tô Hybrid có rất
nhiều ƣu điểm trong đó có một tính năng thu hồi 1 phần năng lƣợng quá trình phanh
nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trƣờng. Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên
cứu trong luận văn này là: Nghiên cứu các phƣơng án thiết kế hệ thống phanh
trên xe Hybrid có tính năng thu hồi một phần năng lƣợng của quá trình
phanh.
Trong quá trình thực hiện đề tài, học viên đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn tận
tình của các thầy giáo trong viện Cơ khí Động lực Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
Nội, và đặc biệt là PGS. TS Phạm Hữu Nam. Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn
còn hạn chế, cũng nhƣ thời gian có hạn, nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong
nhận đƣợc sự góp ý của các Thầy giáo cùng các đồng nghiệp để đề tài đƣợc hoàn
thiện hơn.
Hà nội, ngày 30 tháng 09 năm 2013
Lƣu Tuấn Hải

9


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

Hệ thống phanh là hệ thống an toàn bắt buộc phải có trên xe Ô tô. Tuy nhiên

quá trình phanh Ô tô là quá trình tiêu tốn năng lƣợng của động cơ để chuyển thành
nhiệt năng một cách vô ích. Ngoài ra nhiệt năng đó còn gây ra những biến xấu
không tốt cho các chi tiết của hệ thống phanh. Vì vậy có thể thu hồi đƣợc năng
lƣợng đó thì sẽ góp phần đáng kể trong việc tiết kiệm nhiên liệu. Hiện nay hệ thống
thu hồi thƣờng đƣợc sử dụng trên Ô tô Hybrid.
1.1 Khái niệm Ô tô Hybrid và ý nghĩa sử dụng..
Ô tô Hybrid là một chiếc xe có nguồn động lực từ 2 nguồn năng lƣợng trở
lên.
Hiện nay đa số Ô tô đang sử dụng nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ
là xăng và dầu Diesel. Đây là nguồn năng lƣợng có trữ lƣợng lớn nhƣng không phải
là nguồn năng lƣợng tái tạo. Và với mức sử dụng nhƣ hiện nay thì nguồn năng
lƣợng này đang có nguy cơ cạn kiệt trong vài chục năm tới. Đã có nhiều những biện
pháp công nghệ thay đổi hoặc điều chỉnh nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu nhƣ
hệ thống phun xăng điện tử, phân phối khí thông minh, hay giải pháp thay đổi tỉ số
nén của động cơ tùy chế độ làm việc… Tuy nhiên đó chỉ là những giải pháp tình
thế và chỉ tiết kiệm đƣợc phần nào trong khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ vẫn dần cạn
kiệt do nhu cầu sử dụng của con ngƣời ngày càng lớn. Hơn nữa động cơ đốt trong
có nhƣợc điểm là hiệu suất thấp và phát thải gây ô nhiễm môi trƣờng.
Từ thực tế đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu để tìm ra loại nhiên liệu
mới có thể tái tạo đƣợc nhằm thay thế cho loại nhiên liệu truyền thống.
Các loại nhiên liệu đang đƣợc nghiên cứu thay thế cho nhiên liệu dầu mỏ:
- Nhiên liệu sinh học.
- Năng lƣợng mặt trời, gió, thủy lực.
- Năng lƣợng nguyên tử.
- Pin nhiên liệu.

10


 Nhiên liệu sinh học.

Đây là nguồn năng lƣợng có thể tái tạo. Ethanol thay thế cho nhiên liệu xăng.
Bios diesel thay thế cho nhiên liệu diesel. Đây là 2 loại nhiên liệu thay thế có nhiều
ƣu điểm so với nhiên liệu truyền thống. Tuy nhiên để tạo ra loại nhiên liệu này cần
sử dụng nguyên vật liệu là các loại ngũ cốc, dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Điều
này gây ra mâu thuẫn với nguồn thực phẩm để nuôi sống con ngƣời. Chúng ta
không thể chế biến thực phẩm thành chất đốt trong khi vẫn còn rất nhiều ngƣời dân
trên thế giới không có thực phẩm để ăn. Loại thứ 2 có thể dùng nguyên liệu có
nguồn gốc thực vật có nhiều chất sơ. Tuy nhiên, đối với loại này công nghệ sản xất
chƣa đƣợc hoàn thiện và phải dùng một nguồn năng lƣợng khác để chuyển thành
nhiên liệu sinh học. Hơn nữa, việc sử dụng nguyên vật liệu này cũng làm ảnh hƣởng
đến cơ cấu cây trồng và cuối cùng cũng gây ra mâu thuẫn với ngành thực phẩm.
Vì vậy đây cũng chƣa phải là nguồn nhiên liệu thay thế cho Ô tô bởi những
nhƣợc điểm khó có thể khắc phục đƣợc của chúng.
 Năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy lực.
Đây là những dạng năng lƣợng vô hạn. Tuy nhiên chúng không thể sử dụng
trực tiếp làm năng lƣợng cho Ô tô mà cần phải chuyển đổi sang 1 dạng năng lƣợng
khác là điện năng. Ngoài ra, các dạng năng lƣợng này thƣờng có nhƣợc điểm về vị
trí địa lý và điều kiện thời tiết. Vì vậy đây cũng không phải là nguồn năng lƣợng
thay thế hoàn toàn trên Ô tô.
 Năng lƣợng hạt nhân.
Đây là một dạng năng lƣợng không thể trực tiếp sử dụng trên Ô tô. Nó phải
đƣợc chuyển đổi sang 1 dạng năng lƣợng khác là điện năng. Đã có rất nhiều những
nhà máy điện hạt nhân trên thế giới. Tuy nhiên, hiện nay các nƣớc nhƣ Pháp, Nhật
… cũng đang loại bỏ dần các nhà máy này vì khi có thiên tai thì nó sẽ gây ra hậu
quả rất nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời.
 Pin nhiên liệu.
Nguyên liệu cho dạng năng lƣợng này là Hydro và Oxy đƣợc lấy trong tự
nhiên. Quá trình biến đổi hóa học theo phản ứng sau:

11

Đây là một dạng năng lƣợng sạch, rất thân thiện với môi trƣờng và là nguồn
năng lƣợng vô tận. Nhƣng công nghệ chế tạo ra loại nhiên liệu này vẫn chƣa hoàn
thiện và cần nhiều thời gian và những công trình nghiên cứu hoàn thiện để đƣa vào
sử dụng trên Ô tô.
Nhƣ vậy đã có nhiều loại nhiên liệu đƣợc nghiên cứu để thay thế nhiên liệu
truyền thống. Tuy nhiên, các loại nhiên liệu thay thế đó chƣa hoàn thiện công nghệ
sản xuất hoặc gây ra những mâu thuẫn với nguồn thực phẩm nuôi sống con ngƣời.
Vì vậy trƣớc khi tìm đƣợc loại nhiên liệu thay thế cần phải giải quyết vấn đề cấp
bách hiện tại. Nếu chƣa tìm đƣợc nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu dầu
mỏ thì có thể thay thế một phần để tiết kiệm nhiêu liệu dầu mỏ. Một giải pháp cho
vấn đề này là kết hợp 2 nguồn động lực để tận dụng những ƣu điểm của nguồn động
lực này khắc phục nhƣợc điểm của nguồn động lực kia. Có nhiều cách kết hợp các
nguồn động lực nhƣ động cơ đốt trong với động cơ điện, động cơ đốt trong với
động cơ khí nén… Tuy nhiên, trên Ô 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 1 động cơ điện làm cho động cơ đốt trong
chỉ cần công suất nhỏ. Vì khi đó sẽ có 2 nguồn động lực cùng kéo Ô tô chuyển
động. Ngoài ra, động cơ đốt trong có thể chỉ phải làm việc trong 1 chế độ nhất định
để quay máy phát cung cấp điện cho động cơ điện.
Nguồn động lực lý tƣởng trên Ô tô có các yêu cầu sau:
- Thực hiện truyền mô men ngay khi tốc độ động cơ ω = 0 và đặc tính có dạng
hypecbon.
- Sử dụng ở chế độ công suất lớn nhất Nemax.

12


- Tiết kiệm năng lƣợng và không gây ô nhiễm môi trƣờng.

Hình 1.1: Đặc tính lý tưởng của nguồn động lực trên Ô tô.
 Nguồn động lực động cơ đốt trong:

Hình 1.2: Đặc tính động cơ đốt trong.
Động cơ xăng và động cơ Diesel còn tồn tại một số nhƣợc điểm:
- Hiệu suất chuyển hoá năng lƣợng thấp.
- Đặc tính của động cơ là dạng parabon.
- Không làm việc hoặc làm việc không ổn định ở tốc độ thấp.
- Tiêu thụ nhiên liệu cao khi dùng ở vùng  lớn (sử dụng ở tốc độ cao) và
vùng  nhỏ (sử dụng ở tải trọng lớn).
- Sử dụng nhiên liệu nguồn gốc từ dầu mỏ có khả năng gây ô nhiễm môi
trƣờng và là nhiên liệu không thể tái sử dụng trong khi lƣợng dầu mỏ đang dần cạn
kiệt.

13


Tuy nhiên hiện nay đây vẫn là nguồn động lực chính đƣợc sử dụng trên Ô tô.
Mặc dù đã có rất nhiều những biện pháp công nghệ nhằm khắc phục những nhƣợc
điểm trên. Nhƣng vẫn chƣa đáp ứng đƣợc những yêu cầu của con ngƣời.
 Nguồn động lực động cơ điện:
- Động cơ điện có nhiều ƣu điểm phù hợp đối với điều kiện vận hành của Ô
tô. Đƣờng đặc tính của động cơ điện có dạng gần giống với nguồn động lực lý
tƣởng nhƣ hình 1.3.
- Động cơ điện cũng thỏa mãn tốt những tiêu chí về môi trƣờng. Ngoài ra
động cơ điện cũng dễ chế tạo và dễ điều khiển.

Hình 1.3: Đặc tính động cơ điện.
Tuy nhiên yêu cầu đặt ra đối với động cơ điện là phải có 1 nguồn điện là ắc

quy. Ắc quy của loại xe này không phải ắc quy axit hay ắc quy chì nhƣ những xe
thông thƣờng. Yêu cầu đối với ắc quy cho Ô tô Hybird là có điện áp cao, dung
lƣợng lớn cũng nhƣ việc nạp điện phải nhanh chóng để phù hợp với điều kiện vận
hành. Do đó cần phải có một ắc quy rất lớn làm tăng trọng lƣợng của xe và làm
giảm công suất động cơ. Hơn nữa do công nghệ về ắc quy chƣa hoàn thiện nên độ
bền của ắc quy chƣa cao và giá thành đắt. Để có thể khắc phục nhƣợc điểm đó trên
xe Hybrid động cơ đốt trong và động cơ điện đƣợc kết hợp với nhau để tận dụng
những ƣu điểm và khắc phục những nhƣợc điểm của nhau.

14


1.2. Các chế độ làm việc và các kiểu truyền lực Ô tô Hybrid.

1.2.1 Các chế độ làm việc.
Có nhiều kiểu kết hợp nguồn năng lƣợng đáp ứng yêu cầu sử dụng của Ô tô
Hybrid đƣợc mô tả dƣới đây:

Hình 1.4: Các chế độ làm việc của Ô tô Hybrid
- Chế độ 1: Năng lƣợng từ nguồn 1 qua bộ chuyển đổi năng lƣợng đến tải.
- Chế độ 2: Năng lƣợng từ nguồn 2 qua bộ chuyển đổi năng lƣợng đến tải.
- Chế độ 3: Năng lƣợng từ cả nguồn 1 và 2 đến tải đồng thời.
- Chế độ 4: Năng lƣợng có đƣợc từ tải.
- Chế độ 5: Năng lƣợng từ nguồn 2 có đƣợc từ nguồn năng lƣợng 1.
- Chế độ 6: Năng lƣợng từ nguồn 2 có đƣợc từ nguồn năng lƣợng 1 tùy từng thời
điểm.
- Chế độ 7: Năng lƣợng từ nguồn 1 cung cấp cho tải và nguồn năng lƣợng 2 cùng 1
thời gian.
- Chế độ 8: Năng lƣợng nguồn 1 cung cấp năng lƣợng cho nguồn 2 và nguồn năng
lƣợng 2 cung cấp năng lƣợng cho tải.

- Chế độ 9: Nguồn năng lƣợng 1 cung cấp cho tải và tải cung cấp năng lƣợng cho
nguồn năng lƣợng 2.

15


Các chế độ này của Ô tô Hybrid có ý nghĩa:
 Chế độ 1: Chế độ này động cơ đốt trong cung cấp năng lƣợng cho bánh
xe qua hệ thống truyền lực để xe Ô tô chuyển động. Ở chế độ này có
thể ắc quy gần nhƣ hết điện hoàn toàn, động cơ đốt trong không có
năng lƣợng dƣ để nạp điện cho ắc quy, hoặc khi ắc quy đã đƣợc sạc
đầy và động cơ có thể cung cấp đủ công suất để đáp ứng nhu cầu năng
lƣợng của chiếc xe.
 Chế độ 2: Chế độ này chỉ có động cơ điện hoạt động và động cơ đốt
trong không hoạt động. Chế độ này có thể đƣợc dùng ở những thời
điểm mà động cơ đốt trong hoạt động không hiệu quả nhƣ ở tốc độ
thấp hoặc ở những nơi yêu cầu về mức độ khí thải nhỏ.
 Chế độ 3: Chế độ này là chế độ sử dụng cả 2 nguồn lực kéo là động cơ
điện và động cơ đốt trong để có thể sử dụng một năng lƣợng lớn để
tăng tốc hoặc leo dốc. Chế độ này có ở trên Ô tô Hybrid có hệ thống
truyền lực kiểu song song và hỗn hợp.
 Chế độ 4: Chế độ này là chế độ thu hồi một phần năng lƣợng khi
phanh nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Động năng hoặc thế năng của xe
đƣợc thu hồi thông qua 1 động cơ điện có chế độ hoạt động nhƣ 1 máy
phát điện. Năng lƣợng thu hồi đƣợc sạc vào ắc quy để tái sử dụng.
 Chế độ 5: Chế độ này là chế độ động cơ đốt trong sạc cho ắc quy khi
đứng yên, xuống dốc hoặc khi giảm dần tốc độ. Ở chế độ này động cơ
đốt trong thừa năng lƣợng so với yêu cầu lực kéo của Ô tô. Trong đó
không có năng lƣợng đi vào hoặc từ tải đến. Tức là không có năng
lƣợng từ hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh.

 Chế độ 6: Chế độ này là cả 2 chế độ thu hồi năng lƣợng phanh và động
cơ đốt trong sạc cho ắc quy cùng 1 lúc. Tức là động cơ đốt trong dƣ
năng lƣợng và nạp cho ắc quy trong khi hệ thống thu hồi năng lƣợng
của quá trình phanh cũng làm việc.

16


 Chế độ 7: Chế độ này là chế độ động cơ đốt trong vừa kéo cho xe chạy
vừa sạc ắc quy cùng 1 lúc.
 Chế độ 8: Chế độ này là chế độ động cơ đốt trong sạc cho ắc quy và ắc
quy cung cấp điện cho tải. Chế độ này thƣờng gặp trên Ô tô Hybrid có
kiểu hệ thống truyền lực ghép nối tiếp.
 Chế độ 9: Chế độ này là chế độ mà trong đó năng lƣợng đƣa vào ắc
quy từ động cơ đốt trong qua khối lƣợng của xe. Hình dạng điển hình
của loại này là hai hệ thống truyền lực tách biệt nhau phía trƣớc và
phía sau của Ô tô.
1.2.2 Các phƣơng án bố trí cơ bản hệ thống truyền lực của Ô tô Hybrid.
Trên cơ sở có 2 nguồn động lực là động cơ điện và động cơ đốt trong nên sẽ
có nhiều kiểu truyền lực cho Ô tô Hybrid. Có các kiểu truyền lực cho Ô tô Hybrid là
truyền lực kiểu nối tiếp, truyền lực kiểu song song và truyền lực kiểu hỗn hợp đƣợc
mô tả nhƣ trên hình 1.5.

Hình 1.5: Các kiểu truyền lực Hybrid
a. Kiểu Hybrid nối tiếp b. Kiểu Hybrid song song. c,d. Kiểu Hybid hỗn hợp

17


 Ô tô Hybrid truyền lực kiểu nối tiếp :

Trong kiểu truyền lực này động cơ đốt trong hoạt động chỉ để kéo máy phát
sinh ra điện năng. Dòng điện sinh ra đƣợc chia làm 2 phần, một để sạc cho ắc quy
và một cung cấp cho động cơ điện kéo cho xe chuyển động. Động cơ điện ở đây có
thể làm việc ở 2 chế độ là động cơ điện và chế độ máy phát. Chế độ động cơ để kéo
cho xe chuyển động, chế độ máy phát dùng ở chế độ thu hồi một phần năng lƣợng
khi phanh. Do động cơ điện truyền lực kéo tới bánh xe nên lực kéo trên bánh xe có
đặc tính của động cơ điện. Hệ thống truyền lực kiểu này đƣợc mô tả nhƣ trên hình
1.6.
Ƣu điểm: Động cơ đốt trong có thể chọn làm việc trong vùng ổn định nên suất
tiêu hao nhiên liệu nhỏ giảm đƣợc ô nhiễm môi trƣờng. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ
hoạt động nếu xe chạy đƣờng dài quá quãng đƣờng đã quy định dùng cho ăcquy.

Hình 1.6: Kiểu Ô tô Hybrid truyền lực nối tiếp.
Nhƣợc điểm: Tuy nhiên, Ô tô Hybrid nối tiếp còn tồn tại những nhƣợc điểm
nhƣ: Kích thƣớc và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ
đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên
dễ bị quá tải.

18


 Ô tô Hybrid truyền lực kiểu song song :
Ở kiểu này dòng năng lƣợng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả
động cơ nhiệt và mô tơ điện cùng truyền lực tới trục bánh xe với mức độ tuỳ theo
các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là
nguồn năng lƣợng truyền mômen chính còn môtơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi
tăng tốc hoặc vƣợt dốc.
Ở hệ thống Hybrid này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện
có tính năng giao hoán lƣỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các
chế độ hoạt động bình thƣờng, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó

có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng nhƣ một máy phát điện để nạp điện cho
ắc quy. Kiểu Hybrid này đƣợc mô tả nhƣ ở hình 1.7.

Hình 1.7: Ô tô Hybrid kiểu truyền lực song song.
Ƣu điểm: Công suất của ôtô sẽ lớn hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lƣợng,
mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lƣợng bình ắc

19


quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lƣợng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp
và hỗn hợp.
Nhƣợc điểm: Động cơ điện cũng nhƣ bộ phận điều khiển mô tơ điện có kết cấu
phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu Hybrid
nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trƣờng cũng nhƣ tính kinh tế nhiên liệu không cao.
Ngoài ra, để tận dụng ƣu điểm của từng kiểu truyền lực Hybrid còn có kiểu
truyền lực kết hợp cả 2 kiểu truyền lực Hybrid nối tiếp và song song. Kiểu truyền
lực Hybrid hỗ hợp đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.5 (c,d)
1.3. Ý nghĩa việc thu hồi năng lƣợng quá trình phanh của Ô tô Hybrid.
Yêu cầu đối với hệ thống phanh là quãng đƣờng phanh phải ngắn nhất và
đảm bảo ổn định hƣớng khi phanh. Để quãng đƣờng phanh ngắn cần cung cấp đủ
mô men phanh cho các bánh xe. Để đảm bảo ổn định hƣớng cho phƣơng tiện cần
phân phối lực phanh các bánh xe ở các cầu là bằng nhau và nằm trong giới hạn bám
của bánh xe với mặt đƣờng. Với hệ thống phanh truyền thống khi trong quá trình
phanh động năng đƣợc chuyển thành nhiệt năng thoát ra môi trƣờng. Đây là một
năng lƣợng làm tiêu tốn công suất của động cơ một cách vô ích. Ví dụ nhƣ khi
phanh Ô tô nặng 1500 kg ở tốc độ 100 km/h về 0 km/h cần phải tiêu tốn 1 năng
lƣợng là 0.16 Kwh. Nếu năng lƣợng này dùng làm nguồn động lực để cho xe đó
chạy thì Ô tô có thể chạy đƣợc khoảng 2 km. Nhƣ vậy năng lƣợng vô ích tiêu hao
trong quá trình phanh là rất lớn. Ngoài ra, nhiệt sinh ra có thể làm giảm hiệu quả

của hệ thống phanh khi phanh liên tục và làm cho các chi tiết của hệ thống nhanh
hỏng nhƣ mòn má phanh, đĩa phanh, dầu phanh. Vì vậy nếu có thể thu hồi đƣợc
phần năng lƣợng này thì có thể tiết kiệm nhiên liệu đáng kể.
Một trong những tính năng quan trọng để Ô tô Hybrid tiết kiệm nhiên liệu là
khả năng thu hồi một lƣợng đáng kể năng lƣợng trong quá trình phanh. Một động cơ
điện có thể đƣợc điều khiển và hoạt động nhƣ một máy phát điện để chuyển động
năng của Ô tô thành năng lƣợng điện nạp cho ắc quy và đƣợc tái sử dụng.
Trong quá trình phanh, lực phanh lên cầu trƣớc thƣờng lớn hơn cầu sau. Do

20


đó năng lƣợng phanh ở bánh trƣớc lớn hơn bánh sau. Hình 1.8 chỉ ra rằng bánh
trƣớc dùng khoảng 65% của tổng lƣợng năng lƣợng quá trình phanh khi chạy trong
thành phố. Vì vậy nếu chỉ thu hồi năng lƣợng phanh ở trên 1 cầu thì việc thu hồi
năng lƣợng phanh ở bánh trƣớc sẽ có hiệu quả nhiều hơn.

Hình 1.8: Quan hệ năng lượng phanh và tốc độ khi chạy trong thành phố.
a. Bánh trước
b. Bánh sau.
Vì vậy hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh sẽ có hiệu quả cao khi thu hồi
năng lƣợng phanh ở cầu trƣớc với cầu trƣớc chủ động.
Tuy nhiên hệ thống phanh Ô tô cần phải bố trí trên cả cầu trƣớc và cầu sau
để đảm bảo hiệu quả và an toàn. Vì vậy trên xe Hybrid hệ thống thu hồi năng lƣợng
phanh cần phải kết hợp với hệ thống phanh cơ khí thông thƣờng. Điều đó đặt ra vấn
đề là phải đặt hệ thống thu hồi ở đâu, phân bố giữa lực phanh thu hồi và phanh cơ
khí thông thƣờng nhƣ thế nào để có thể đảm bảo các yêu tố về hiệu quả phanh cũng
nhƣ hiệu quả năng lƣợng thu hồi.
1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu.
Đối với hệ thống thu hồi năng lƣợng của quá trình phanh trên xe Ô tô

Hybrid trên thế giới đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu của nhiều tác giả
và của hãng lớn nghiên cứu chế tạo trên những chiếc Ô tô Hybrid của mình.
Nghiên cứu “Design of an Anti-Lock Regenerative Braking System for a
Series Hybrid Electric Vehicle” của M. M. Tehrani, M. R. Hairi -Yazdi, B.
Haghpanah-Jahromi, V. Esfahanian, M. Amiri and A. R. Jafari. Nghiên cứu thiết kế
hệ thống thu hồi năng lƣợng quá trình phanh trên xe Hybrid kiểu nối tiếp có ABS.

21


Đây là nghiên cứu về hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh đƣợc dùng trên cầu sau
của xe Bus. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để tính toán thiết kế trên xe Bus.
Nghiên cứu “Effect of Different Regenerative Braking Strategies on Braking
Performance and Fuel Economy in a Hybrid Electric Bus Employing CRUISE
Vehicle Simulation”. Của Farhad Sangtarash,Vahid Estahanlan, Hassan Nehzati,
Samaneh Haddadi, Meisam Amiri Bavanpour and Babak Haghpanah. Trong nghiên
cứu này tác giả đã xây dựng mô hình tính toán và đánh giá hệ thống thu hồi năng
lƣợng phanh cho xe Bus với cầu sau chủ động nên hệ thống thu hồi đƣợc đặt trên
cầu sau. Với hệ thống thu hồi đặt trên cầu sau sẽ phù hợp với xe có tốc độ nhỏ và
cầu sau chủ động nhƣ xe Bus.
Nghiên cứu Modern Electric Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles 2nd
Edition của Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi là nghiên cứu về các chế độ
làm việc của Hybrid. Các phƣơng án thu hồi lực phanh trên Ô tô Hybrid. Tuy nhiên
trong nghiên cứu này chƣa đánh giá cụ thể kết quả của từng phƣơng án mà chỉ là lý
thuyết định tính phục vụ cho giảng dạy.
Ở trong nƣớc, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về xe Hybrid nhƣ hệ thống
truyền lực hay Ắc quy. Nhƣng chƣa có đề tài nào nghiên cứu về các phƣơng án thu
hồi năng lƣợng trong quá trình phanh.
Trong thực tế, hệ thống phanh có thu hồi năng lƣợng phanh đã đƣợc các
hãng nghiên cứu thiết kế và đƣa lên những chiếc Ô tô Hybrid của mình. Tuy nhiên,

chƣa có những tài liệu giảng dạy cho các trƣờng về vấn đề này cũng nhƣ những tài
liệu về hƣớng dẫn sửa chữa ở trong nƣớc. Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài nghiên cứu
là: “Nghiên cứu các phƣơng án thiết kế hệ thống phanh trên xe Hybrid có tính năng
thu hồi một phần năng lƣợng của quá trình phanh.”
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là:
- Nghiên cứu ý nghĩa của việc thu hồi một phần năng lƣợng trong quá trình phanh
của Ô tô Hybrid.
- Phân tích các phƣơng án thu hồi một phần năng lƣợng của quá trình phanh.
- Xây dựng mô hình tính toán và đánh giá hiệu quả thu hồi năng lƣợng phanh.

22


Nội dung của luận văn đƣợc trình bày qua các chƣơng.
Chƣơng I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Trong chƣơng này trình bày các phân tích về ý nghĩa của hệ thống thu hồi
năng lƣợng phanh trên xe Hybrid. Nhiên liệu truyền thống là dầu mỏ đang dần cạn
kiệt nên cần phải tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế. Tuy nhiên chƣa có nguồn nhiên
liệu nào thay thế đƣợc hoàn toàn dầu mỏ. Vì vậy, có thể thay thế 1 phần bằng cách
kết hợp động cơ đốt trong với một nguồn năng lƣợng khác trên xe Hybrid để tiết
kiệm nhiên liệu. Ô tô Hybrid có 1 chế độ làm việc là thu hồi năng lƣợng phanh sẽ
tiết kiệm nhiên liệu rất hiệu quả.
Chƣơng II: Các phƣơng án thu hồi năng lƣợng phanh trên Ô tô Hybrid.
Trong chƣơng này trình bày nguyên lý của hệ thống thu hồi năng lƣợng
phanh và các phƣơng án thu hồi. Nguyên lý của hệ thống thu hồi làm việc dựa trên
chế độ máy phát của động cơ điện. Do đó hệ thống thu hồi sẽ áp dụng với cầu chủ
động. Hệ thống thu hồi không làm việc độc lập mà kết hợp cùng hệ thống phanh cơ
khí để đảm bảo về yêu cầu phanh Ô tô. Vì vậy, có các phƣơng án kết hợp 2 hệ
thống này là hệ thống phanh nối tiếp và hệ thống phanh song song. Hệ thống phanh
nối tiếp có loại ƣu tiên hiệu quả phanh và loại ƣu tiên năng lƣợng thu hồi.

Chƣơng III: Mô hình động lực học hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh trên
Ô tô Hybid.
Trong chƣơng này trình bày mô hình tính toán ½ trên đƣờng bằng của quá
trình phanh với hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh kết hợp với phanh thủy lực có
hệ thống chống bó cứng ABS. Lập hệ phƣơng trình toán học mô tả động lực học
của quá trình phanh theo thuật toán điều khiển.
Chƣơng IV: Tính toán, đánh giá hiệu quả hệ thống thu hồi lực phanh trên xe
Ô tô Hybrid.
Trên cơ sở hệ phƣơng trình vi phân tính đƣợc ở chƣơng 3. Trong chƣơng này
sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để giải các phƣơng trình đƣợc thiết lập trong
chƣơng 3. Tính toán với một thông số cụ thể và khảo sát với các trƣờng hợp gia tốc
phanh khác nhau để từ đó đƣa ra các đánh giá và kết luận cho các phƣơng án.

23


CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG ÁN THU HỒI NĂNG LƢỢNG PHANH
TRÊN Ô TÔ HYBRID.

Có nhiều phƣơng án thu hồi năng lƣợng phanh trên Ô tô Hybrid đƣợc đƣa ra
nhƣ thu hồi bằng bánh đà hoặc thu hồi bằng động cơ điện. Tuy nhiên việc thu hồi
bằng bánh đà đạt hiệu quả không cao và không tích lũy lâu dài nhƣ thu hồi bằng
động cơ điện. Trên Ô tô Hybrid hiện nay chủ yếu dùng hệ thống thu hồi bằng động
cơ điện. Ngoài ra trên Ô tô Hybrid cũng có nhiều kiểu truyền lực khác nhau. Vì vậy
đối với từng kiểu truyền lực cần nghiên cứu để thiết kế các phƣơng án thu hồi khác
nhau.
2.1 Nguyên lý thu hồi năng lƣợng phanh trên xe Ô tô Hybrid.
Trên Ô tô Hybrid hệ thống truyền lực có bố trí một động cơ điện làm nguồn
động lực để cho xe chuyển động. Động cơ điện đƣợc dùng là động cơ điện một
chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng phanh.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh loại này dựa
trên đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ máy phát. Khi
đạp phanh động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát sẽ sinh ra 1 mô men để phanh
bánh xe. Mô men phanh của động cơ điện phụ thuộc vào kết cấu, dòng kích từ của

24


động cơ và tốc độ của động cơ điện, đƣợc điều khiển bởi bộ điều khiển của hệ
thống. Nhƣ vậy động năng của xe khi phanh sẽ đƣợc chuyển thành điện năng của
máy phát và đƣợc nạp vào ắc quy. Do đó hệ thống phanh thu hồi thƣờng đặt trên
cầu chủ động, nơi có sẵn động cơ điện vừa có nhiệm vụ kéo cho xe chạy và vừa có
nhiệm vụ thu hồi năng lƣợng phanh.
Mô men phanh do động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát có dạng đƣờng
đặc tính nhƣ trên hình 2.2.

Hình 2.2: Đặc tính mô men phanh của động cơ điện.
Với đặc tính của động cơ điện nhƣ vậy mô men phanh sinh ra sẽ lớn dần khi
tốc độ Ô tô giảm dần trong khi công suất luôn lớn nhất và không đổi. Vì vậy mô
men này phù hợp với quá trình phanh Ô tô. Mô men thu hồi của máy phát bằng mô
men lớn nhất của động cơ điện khi tốc độ của trục máy phát nhỏ hơn số vòng quay
cơ bản tức là khi Ô tô chạy với vận tốc nhỏ. Nhƣ vậy khi phanh ô tô ở tốc độ nhỏ
mô men phanh của động cơ điện sẽ lớn. Tuy nhiên trong vùng này công suất của
máy phát 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 đƣợc yêu cầu về công suất. Vì vậy trong
vùng tốc độ thấp sẽ không dùng hệ thống phanh thu hồi.
Trên xe Hybrid cần có 1 Ắc quy để dự trữ điện năng từ quá trình nạp của
động cơ đốt trong và hệ thống thu hồi. Khi Ăc quy đã đƣợc nạp đầy mà vẫn tiếp tục

nạp điện sẽ làm cho Ắc quy nhanh hỏng. Vì vậy khi thu hồi lực phanh cần phải tính

25