Nghiên cứu điều khiển mô hình thực nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng quán tính của ô tô

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH
THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG
QN TÍNH CỦA Ơ TƠ

GVHD:

ThS. DƯƠNG TUẤN TÙNG

SVTH:

LÊ NGUYỄN ANH TUẤN

MSSV: 13145315

LÊ VĂN SIÊU

MSSV: 13145218

Ngành:

CƠNG NGHỆ KĨ THUẬT Ơ TƠ

Khố:

2013 – 2017

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

BỘ MƠN KHUNG GẦM

----***----

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
1. Lê Nguyễn Anh Tuấn

MSSV: 13145315

2. Lê Văn Siêu

MSSV: 13145218

Ngành : Công nghệ kỹ thuật ô tơ

Mã ngành: 52510205

Hệ đào tạo : Chính qui
Khóa: 2013 – 2017

Lớp: 131452

1. Tên đề tài: “ Nghiên cưu xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng

qn tính trên ơ tơ”
2. Nhiệm vụ đề tài:
1) Tìm hiểu chung về hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh.
2) Thiết kế hồn chỉnh mơ hình thực nghiệm.
3) Điều khiển, thu thập dữ liệu thực nghiệm theo các chu trình chạy xe.
4) Kết luận – kiến nghị.
3. Sản phẩm đề tài: 01 tập báo cáo kết quả nghiên cứu và 2 đĩa CD.
4. Ngày gia đề tài: 27/03/2017
5. Ngày nộp đề tài: 25/07/2013
Tp.HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2017
TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Th.S Dương Tuấn Tùng
2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

BỘ MÔN KHUNG GẦM

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên:

Lê Nguyễn Anh Tuấn

MSSV: 13145315

Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên:

Lê Văn Siêu

MSSV: 13145218

Hội đồng:…………

Tên đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng qn tính
của ơ tơ”
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV hướng dẫn: Ths. Dương Tuấn Tùng
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(khơng đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................


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

2.3.Kết quả đạt được:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2.4. Những tồn tại (nếu có):
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:

TT
1.

Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài

2.

Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

3.
4.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

Điểm Điểm đạt

tối đa
được
30
10
10
10
50
5
10
15
15
5
10
10
100

4. Kết luận:

4




Được phép bảo vệ



Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2017

Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)

5


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên:

Lê Nguyễn Anh Tuấn

MSSV: 13145315

Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên:

Lê Văn Siêu

MSSV: 13145218

Hội đồng:…………

Tên đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng qn tính của ơ
tơ”
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)..................................................................................................
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

6


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

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

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

5. Câu hỏi:
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................

6. Đánh giá:

7


TT

1.

Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài

2.

Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…

Điểm
tối đa
30
10
10
10
50
5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

7.

10
15

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển

15
5
10
10
100

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

3.
4.

Điểm đạt
được

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm
Kết luận:


Được phép bảo vệ



Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2017

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)

8


LỜI CẢM ƠN
Được sự phân cơng của Cơ khí động lực, trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Thành phố Hồ Chí
Minh, cùng với sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn ThS. Dương Tuấn Tùng, nhóm chúng em đã
thực hiện đồ án với đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống thu hồi
năng lượng qn tính trên ơ tơ.”.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cơ giáo đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy
chúng em trong suốt quá trình học tập, thực hành, nghiên cứu và rèn luyện ở trường Đại học Sư
phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt nhóm em xin chân thành cảm ơn đến Thầy
Dương Tuấn Tùng vì đã tận tâm hướng dẫn chúng em trong suốt bốn tháng để hồn thiện được
đề tài này.
Trong q trình làm đề tài, do hạn chế trong kinh nghiệm và trình độ chun mơn, thời
gian thực hiện có hạn nên sai sót là khơng thể tránh khỏi nên nhóm rất mong sẽ nhận được sự ý
kiến, đóng góp của Thầy Cơ và các bạn.
Sau cùng, nhóm chúng em xin kính chúc quý Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, giữ vững niềm
tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh truyền đạt tri thức cho các thế hệ mai sau.
Trân trọng.

9


10

MỤC LỤC
TRANG
Trang phụ bìa......................................................................................................................i
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp.................................................................................................ii
Trang phiếu nhận xét của giáo viên hướng dẫn..............................................................iii
Trang phiếu nhận xét của giáo viên phản biện.................................................................v
Lời cảm ơn....................................................................................................................... viii
Mục lục .............................................................................................................................. ix
Danh mục các chữ viết tắt ..............................................................................................xii
Danh mục các bảng biểu ................................................................................................xiii
Danh mục các hình ảnh, biểu đồ....................................................................................xiv
Tổng quan về đề tài.......................................................................................................xviii

PHẦN I: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài ……………………………………………………………….
2. Nội dung đề tài ………………………………………………………………….
3. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………..
PHẦN II: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH................................1
1.1. Giới thiệu chung....................................................................................................1
1.2. Tổng quan..............................................................................................................2
1.2.1.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng………………3
1.2.2.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy
lực……………………………………………………………………………………...4
1.2.3.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel)………….6
1.2.4.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi………...8
11

1.2.5.Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS…....9
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.......................................................12
1.3.1.Các nghiên cứu về hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên thế giới...................12
1.3.2.Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV và EV.........................................12
1.3.3.Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên các dịng xe có kiểu hệ thống truyền lực
truyền thống..................................................................................................................13
1.3.4.Các nghiên cứu trong nước……………………………………………………..18
1.3.5.Các câu hỏi nghiên cứu và đề xuất phương án nghiên cứu……………………..18
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT……………………………………………………..21
2.1. Xác định công suất và lực phanh cần thiết ……………………………………..21
2.2. Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng quán tính của xe khi phanh.
……………………………………………………………………………………..25
2.2.1.Xác định mơ men qn tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc............26
2.2.2.Sử dụng Matlab simulink để mô phỏng lựa chọn các thông số bộ thu hồi năng
lượng..............................................................................................................................28
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG…………………..39
3.1. Các nội dung được cải thiện trong mơ hình xây dựng lại ……………………..39
3.2. Mơ hình mới được mơ phỏng bằng Matlab Simulink………………………….39
3.3. Chi tiết các nội dung được cải thiện……………………………………………..47
3.3.1.Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh
xe chủ động của mô hình mơ phỏng. ……………………………………………… 47
3.3.2.Tính tốn và đưa được các giá trị tổn hao vào mơ hình mơ phỏng:……………..50
3.3.3.Xây dựng mơ phỏng được theo chu trình………………………………………..52
3.3.4.Sử dụng bộ điều khiển PID trong Matlab Simulink để điều khiển mơ hình mơ
phỏng
theo
chu
trình
FTP

–
75………………………………………………………………..61
3.3.5.Mơ phỏng hộp số CVT để giới hạn tốc độ máy phát không vượt quá 2000 - 3000
rpm.84…………………………………………………………………………………63
3.3.6.Các kết quả mô phỏng……………………………………………………………
72
3.3.7.Tính tốn năng lượng thu được………………………………………………….76

12


3.3.8.So sánh năng lượng thu được từ phanh tái sinh với năng lượng tiêu thụ của các
phụ
tải
điện
trên
ô
tô……………………………………………………………………….78
CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
4.1 Tính tốn lựa chọn các thơng số của mơ hình thực nghiệm………………………79
4.2 Cơ sở tính tốn các thơng số của mơ hình thí nghiệm.............................................79
4.3 Đưa vào mơ phỏng trên Matlab Simulink…………………………………............80
4.4 Kết quả tính tốn lựa chọn động cơ phục vụ thực nghiệm……………………….82
4.5 Xây dựng mô hình thực tế…………………………………………………………….
4.5.1 Cấu tạo………………………………………………………………………….86
4.5.2 Ngun lý hoạt động……………………………………………………………
89
4.5.3 Mơ tả q trình thí nghiệm……………………………………………………90
4.5.4 Kết quả thu được……………………………………………………………....92
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................

1. Kết luận..................................................................................................................105
2. Hướng phát triển tiếp theo:..................................................................................105

TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................106

13


DANH MỤC CÁC CHỮ 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

EV

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

14


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Hệ số cản lăn của các loại mặt đường.
Bảng 2.2: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace.
Bảng 2.3: Tính i theo cơng thức thực nghiệm.
Bảng 2.4: Thông số của bệ thử.
Bảng 2.5: Bảng kết quả tính i theo thực nghiệm.
Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm.
Bảng 2.7: Công suất tổn hao từ các bộ phận.
Bảng 2.8: Hằng số hao tổn.
Bảng 3.1: Các giá trị i từng tay số.
Bảng 3.2: Tính tốn năng lượng thu hồi được trên các chu trình.
Bảng 3.3: Các phụ tải điện trên ơ tơ
Bảng 3.4: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động liên tục.
Bảng 3.5: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động gián đoạn.
Bảng 3.6: Tổng tiêu thụ điện của các tải điện trên các chu trình.

Bảng 4.1: Cơng suất cực đại và số vịng quay cực đại của mơ tơ điện đối với từng chu trình
Bảng 4.2: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 30
km/h
Bảng 4.3: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 40
km/h
Bảng 4.4: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống
RBS ở tốc độ xe là 50 km/h
Bảng 4.5: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống
RBS ở tốc độ xe là 60 km/h

15


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu về cơng nghệ tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh.
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng.
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter.
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ.
Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp.
Hình 1.6: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song.
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà .
Hình 1.8: Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept.
Hình 1.9: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo.
Hình 1.10: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lị xo cuộn.
Hình 1.11: Độ ổn định điện áp của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh.
Hình 1.12: Khả năng chịu nhiệt của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh.
Hình 1.13: Hiệu suất của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh.
Hình 1.14: Suất tiêu hao nhiên liệu của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh.
Hình 1.15: Giá thành so sánh giữa các phương án tích trữ năng lượng khi phanh.
Hình 1.16: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman.

Hình 1.17: Sơ đồ thử nghiệm của của tác giả R.J.Hayes.
Hình 1.18: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh ZI.
Hình 1.19: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng cơ khí.
Hình 1.20: Bánh đà siêu tốc của hãng Flybird.
Hình 1.21: Sơ đồ thử nghiệm trong hệ thống SJSU-RBS.
Hình 1.22: Mơ hình RBS đề xuất.
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe.
Hình 2.2: Thử nghiệm trên bệ thử xe.
Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo.
Hình 2.4: Cơng suất kéo và cơng suất cản ở từng tay số.
Hình 3.1: Các thơng số đầu vào của xe.
Hình 3.2: Thơng số đầu vào của động cơ.
16


Hình 3.3: Các thơng số động lực học của xe.
Hình 3.4: Sơ đồ mơ phỏng cụm thu hồi năng lượng.
Hình 3.5: Tỉ số truyền đầu vào ở tay số 1.
Hình 3.6: Dãy tốc độ của tay số 1.
Hình 3.7: Mơ hình mơ phỏng tính tốn lực cản gió.
Hình 3.8: Mơ hình mơ phỏng tính tốn lực cản lăn mới
Hình 3.9: Mơ hình mơ phỏng tính tốn lực cản dốc.
Hình 3.10: Mơ hình tính tốn lực qn tính có sự thay đổi hệ số ở từng tay số.
Hình 3.11: Sự thay đổi tay số ở mỗi dãy tốc độ.
Hình 3.12: Hệ số thay đổi theo chu trình.
Hình 3.13: Mơ hình mơ phỏng tính tốn tổn hao về điện.
Hình 3.14: Mơ hình mơ phỏng tính tốn tổn hao về từ tính.
Hình 3.15: Mơ hình mơ phỏng tính tốn tổn hao về cơ khí của máy phát.
Hình 3.16: Mơ hình mơ phỏng tính tốn tổn hao về cơ khí của bộ truyền xích và BRHT.
Hình 3.17: Chu trình thử FTP – 75.

Hình 3.18: Chu trình thử EUDC.
Hình 3.19: Chu trình thử ECE- R15.
Hình 3.20: Chu trình thử NEDC
Hình 3.21: Khối mơ phỏng điều khiển theo chu trình FTP – 75.
Hình 3.22: Bên trong khối mô phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình FTP – 75.
Hình 3.23: Khối mơ phỏng điều khiển theo chu trình EUDC.
Hình 3.24: Bên trong khối mơ phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình EUDC.
Hình 3.25: Khối mơ phỏng điều khiển theo chu trình ECE-R15.
Hình 3.26: Bên trong khối mô phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình ECE-R15
Hình 3.27: Khối mơ phỏng điều khiển theo chu trình NEDC.
Hình 3.28: Bên trong khối mơ phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình NEDC.
Hình 3.29: Bộ điều khiển PID.
Hình 3.30: Khâu tỉ lệ của bộ PID.
Hình 3.31: Khâu tích phân của bộ PID.
Hình 3.32: Mơ hình bộ điều khiển PID trong Matlab Simulink.
Hình 3.33: Giao diện bên trong bộ điều khiển PID.
17


Hình 3.34: Đầu ra của bộ điều khiển PID.
Hình 3.35: Mơ phỏng phanh trong Matlab Simulink.
Hình 3.36: Thơng số của guốc phanh đối với lực phanh ở 4 bánh xe.
Hình 3.37: Mơ hình mơ phỏng hộp số CVT.
Hình 3.38: Thơng số bộ ly hợp 1.
Hình 3.39: Thơng số bộ ly hợp 2.
Hình 3.40: Mơ phỏng điều khiển tỉ số truyền của hộp số CVT.
Hình 3.41: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn FTP 75 sau khi điều khiển bằng PID.
Hình 3.42: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn FTP 75 sau khi điều khiển bằng PID trong
khoảng từ 20 đến 130s.
Hình 3.43: Kết quả tốc độ máy phát thực tế sau khi mơ phỏng theo chu trình FTP-75.

Hình 3.44: Động năng của máy phát khi mô phỏng theo chu trình FTP-75.
Hình 3.45: Cơng suất máy phát điện khi mơ phỏng theo chu trình FTP-75.
Hình 3.46: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn ECE-R15 sau khi điều khiển bằng PID.
Hình 3.47: Kết quả tốc độ máy phát thực tế khi mơ phỏng theo chu trình ECE-R15.
Hình 3.48: Động năng của máy phát khi mơ phỏng theo chu trình ECE R15.
Hình 3.49: Cơng suất máy phát điện khi mơ phỏng theo chu trình ECE R15
Hình 3.50: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn NEDC sau khi điều khiển bằng PID.
Hình 3.51: Kết quả tốc độ máy phát thực tế sau khi mơ phỏng theo chu trình NEDC.
Hình 3.52: Động năng của máy phát khi mô phỏng theo chu trình NEDC.
Hình 3.53: Cơng suất máy phát điện khi mơ phỏng theo chu trình NEDC.
Hình 3.54: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn EUDC sau khi điều khiển bằng PID.
Hình 3.55: Kết quả tốc độ máy phát thực tế sau khi mơ phỏng theo chu trình EUDC.
Hình 3.56: Động năng của máy phát khi mơ phỏng theo chu trình EUDC.
Hình 3.57: Cơng suất máy phát điện khi mơ phỏng theo chu trình NEDC
Hình 4.1: Mơ hình thực nghiệm.
Hình 4.2: Mơ phỏng tính số vịng quay của mơ tơ.
Hình 4.3: Mơ phỏng tính số tốc độ góc.
Hình 4.4: Mơ phỏng tính mơ men tác dụng lên trục các đăng khi xe giảm tốc.
Hình 4.5: Mơ phỏng tính cơng suất phát ra tại trục các đăng khi xe giảm tốc.
18


Hình 4.6: Số vịng quay trên tồn chu trình FTP 75.
Hình 4.7: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình FTP 75.
Hình 4.8: Số vịng quay trên tồn chu trình ECE R15.
Hình 4.9: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình ECE R15.
Hình 4.10: Số vịng quay trên tồn chu trình NEDC.
Hình 4.11: Công suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình NEDC.
Hình 4.12: Số vịng quay trên tồn chu trình EUDC.
Hình 4.13: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình EUDC.

Hình 4.14 : Mặt trước của mơ hình thực nghiệm
Hình 4.15 : Mặt bên của mơ hình thực nghiệm
Hình 4.16 : Mặt bên của mơ hình thực nghiệm
Hình 4.17: Mặt trên của mơ hình thực nghiệm
Hình 4.18 : Q trình thử nghiệm mơ hình
Hình 4.19: Bảng điều khiển mơ hình
Hình 4.20: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt động
được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 30 km/h
Hình 4.21: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt
động được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 40 km/h
Hình 4.22: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt
động được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 50 km/h
Hình 4.23: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của dòng điện và điện áp khi hệ thống RBS hoạt động
được vẽ bằng bảng số liệu khi xe bắt đầu phanh ở vận tốc 60 km/h

19


PHẦN I : MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
-

Hiện nay các động cơ đốt trong sử dụng nguồn năng lượng để động cơ làm việc là
nhờ phần lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch này
đang dần cạn kiệt và lượng khí thải từ nhiên liệu này gây ảnh hưởng rất lớn đến môi
trường sống. Chính vì thế cần phải có giải pháp đúng đắn là thay thế nguồn nhiên liệu
hóa thạch hoặc ít phụ thuộc vào chúng và điều này đã được nghiên cứu và áp dụng rất
thành cơng, đó là sử dụng phương pháp hệ thống phanh tái sinh.

-

Thầy Dương Tuấn Tùng của trường Đại học Sư phạm kĩ thuật Thành phố Hồ Chí
Minh đã có nghiên cứu về đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng
lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô” và đã thử nghiệm trên thực tế và cho
thấy được kết quả khả quan. Qua đề tài của Thầy Dương Tuấn Tùng, nhóm chúng em
sẽ thực hiện cải tiến, mang tính kế thừa đề tài trên của thầy qua đề tài “Nghiên cứu
xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống thu hồi nặng lượng qn tính trên ơ tơ”.
Để có thể ngày càng hồn thiện hơn nghiên cứu về hệ thống để có thể ứng dụng vào
thực tế.

2. Nội dung của đề tài
-

Xây dựng và mơ phỏng lại mơ hình hệ thống phanh tái sinh của Thầy Dương Tuấn
Tùng đã xây dựng bằng Matlab Simulink.

-

Cải thiện những hạn chế của mơ hình Thầy đã xây dựng.

-

Xây dựng lại mơ hình mơ phỏng hệ thống phanh tái sinh của Thầy và thử nghiệm hệ
thống dựa trên các chu trình thử nghiệm để rút ra những nhận xét và kết quả khả quan
của hệ thống.

-

Xây dựng, tính tốn lựa chọn các thơng số của mơ hình thực nghiệm.

3. Phương pháp nghiên cứu
-

Kế thừa những cơ sở lí thuyết và mơ hình của Thầy Dương Tuấn Tùng để xây dựng
mơ hình mới.

-

Sử dụng các tài liệu liên quan, thư viện Matlab Simulink để tham khảo và xây dựng
mơ hình theo các chu trình thực nghiệm

-

Tính tốn đến những thơng số chưa tính tốn của mơ hình trước.

-

Dựa vào những kết quả, số liệu, đồ thị của mơ phỏng từ đó đưa ra số liệu cụ thể để
phục vụ nghiên cứu thực nghiệm.

20


ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN II : NỘI DUNG ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
1.1.

Giới thiệu chung

-

Hệ thống phanh trên ơ 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. Q
trình chuyển hóa này làm tổn hao năng lượng động năng mà xe ô tô phải tiêu tốn một
lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được. Tuy nhiên, vì lý do an tồn mà hệ thống
phanh cơ khí vẫn được sử dụng mặc dù năng lượng tiêu tán này là không hề nhỏ. Hệ
thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Braking System) ra đời với mục đích thu
hồi để tái sử dụng lại năng lượng quán tính của xe trong quá 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 q 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 nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái
sinh trên ô tô” được thực hiện với mục đích thu hồi năng lượng quán tính của xe
trong quá 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
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.
1


ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

1.2.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tổng quan đề tài

-

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
thơng thường để giảm tốc xe xuống cịn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được
tính theo công 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 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 tô 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].
2


ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu về cơng nghệ tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh [5].
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.
1.2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng.
-

Kiểu tích trữ năng lượng này được áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe lai điện
(HEV). Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bị 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
thốn phanh bằng cơ khí.

3


ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng
-

Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động ở
các chế độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chiều hoặc xoay chiều. Các
thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh 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].

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 mơ tơ điện lại sử dụng điện AC do đó cần phải sử dụng một bộ biến
đổi (inverter và converter). Điện áp và dòng điện sử dụng lớn nên cần phải có các linh
kiện cơng suất dẫn dịng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật điều
khiển phức tạp và tuổi thọ của ắc quy ngắn [1]. Do đó giá thành của các xe này rất
cao. Ngồi 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].

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ.
4


ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2.2. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực
-

Các hệ thống tích trữ năng lượng dưới dạng thủy lực đã được nghiên cứu và ứng dụng
trong công nghiệp ô tô 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 mơ tơ thủy
lực).

-

Cũng giống như xe điện, hệ thống hybrid thủy lực này cũng ít hiệu quả ở tốc độ thấp
bởi vì tổn hao cơ lớn. Thêm vào đó, dung lượng và kết cấu của bộ tích trữ thủy lực
cũng cần được 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 mơ tơ/bơm thì hoạt động phụ thuộc vào xe và sẽ dẫn động xe
khi phanh tái sinh được tác dụng [34].

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 yêu 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 ln 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 cơng 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 khơng di chuyển. Điều này có nghĩa là động cơ luôn luôn làm việc. Hệ thống
5