Nghiên cứu điều khiển mô phỏng hệ thống thu hồi năng lƣợng quán tính của ô tô dựa trên các chu trình lái xe

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH HỆ THỐNG THU
HỒI NĂNG LƢỢNG QN TÍNH CỦA Ơ TƠ DỰA TRÊN
CÁC CHU TRÌNH LÁI XE

SVTH:

GVHD:

NGUYỄN THANH HÙNG

MSSV: 13145102

NGUYỄN ĐỨC ÁNH

MSSV: 13145013

ThS. DƢƠNG TUẤN TÙNG

Tp.Hồ Chí Minh, 12 tháng 1 năm 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật ơ tơ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH HỆ THỐNG THU
HỒI NĂNG LƢỢNG QN TÍNH CỦA Ơ TƠ DỰA TRÊN
CÁC CHU TRÌNH LÁI XE

SVTH:

GVHD:

NGUYỄN THANH HÙNG

MSSV: 13145102

NGUYỄN ĐỨC ÁNH

MSSV: 13145013

ThS. DƢƠNG TUẤN TÙNG

Tp.Hồ Chí Minh,12 tháng 1 năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Đƣợc sự phân cơng của Khoa Cơ khí động lực trƣờng Đại học Sƣ phạm Kĩ thuật
Thành phố Hồ Chí Minh, cùng với sự đồng ý của thầy giáo hƣớng dẫn ThS. Dƣơng Tuấn
Tùng, nhóm chúng em đã thực hiện đồ án với đề tài “Nghiên cứu điều khiển mơ phỏng
hệ thống thu hồi năng lƣợng qn tính của ơ tơ dựa trên các chu trình lái xe.”.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo đã tận tình hƣớng dẫn, giảng
dạy chúng em trong suốt quá trình học tập, thực hành, nghiên cứu và rèn luyện ở trƣờng
Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt nhóm em xin chân thành

cảm ơn đến Thầy Dƣơng Tuấn Tùng vì đã tận tình hƣớng dẫn chúng em trong suốt bốn
tháng để hoàn thiện đƣợc đề tài này.
Trong quá 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
đƣợc sự đóng góp ý kiến của Thầy Cơ và các bạn.
Sau cùng, nhóm chúng em xin kính chúc q Thầy Cơ 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!.
Tp.Hồ Chí Minh, 12 tháng 01 năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Hùng
Nguyễn Đức Ánh

i


TÓM TẮT
1. Lý do chọn đề tài
-

Hiện nay các động cơ đốt trong sử dụng nguồn năng lƣợng 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 lƣợng khí thải từ nhiên liệu này gây ảnh hƣởng rất lớn
đến mơi trƣờng 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 đƣợc
nghiên cứu và áp dụng rất thành cơng, đó là sử dụng phƣơng pháp hệ thống phanh
tái sinh.

-

Thầy Dƣơng Tuấn Tùng của trƣờng Đại học Sƣ 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 đƣợc kết quả khả quan. Qua đề tài của Thầy Dƣơng Tuấn Tùng, nhóm
chúng em sẽ thực hiện cải tiến, mang tính kế thừa đề tài trên của thầy qua đề tài
“Nghiên cứu điều khiển mô phỏng hệ thống thu hồi năng lượng qn tính của
ơ tơ dựa trên các chu trình lái xe”. 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 Dƣơng 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

ii


-

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. Phƣơng pháp nghiên cứu
-

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

-

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

-

Tính tốn đến những thơng số chƣa tính tốn của mơ hình trƣớc.

-

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

iii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................................ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ ............................................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................xii
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH .................................... 1
1.1.Giới thiệu chung......................................................................................................... 1
1.2.Tổng quan đề tài......................................................................................................... 2
1.2.1.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng dƣới dạng điện năng. ............................ 4
1.2.2.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng dƣới dạng các bộ tích năng thủy lực..... 6
1.2.3.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng bằng bánh đà (Flywheel). ..................... 8
1.2.4.Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng dƣới dạng vật liệu đàn hồi .................. 10
1.2.5.Phân tích và so sánh các phƣơng án tích trữ năng lƣợng của hệ thống RBS ........... 11
1.3.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. ............................................................. 14
1.3.1.Các nghiên cứu về hệ thống phanh tái tạo năng lƣợng trên thế giới ........................ 14
1.3.2.Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV và EV .............................................. 15
1.3.3.Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên các dịng xe có kiểu hệ thống truyền lực
truyền thống ....................................................................................................................... 16
1.3.4.Các nghiên cứu trong nƣớc ....................................................................................... 22
1.3.5.Các câu hỏi nghiên cứu và đề xuất phƣơng án nghiên cứu ...................................... 22

iv


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................. 26
2.1.Xác định công suất và lực phanh cần thiết .............................................................. 26
2.2.Xác định các thơng số của bộ thu hồi năng lƣợng qn tính của xe khi phanh....... 31
2.2.1.Xác định mơ men qn tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc ............... 32
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG LƢỢNG THEO CÁC CHU
TRÌNH LÁI XE CƠ BẢN. ................................................................................................ 47

3.1Chu trình FTP 75. ..................................................................................................... 47
3.2Chu trình ECE R15 ................................................................................................... 49
3.3Chu trình NEDC ....................................................................................................... 50
3.4Chu trình EUDC ....................................................................................................... 51
3.5Tính tốn năng lƣợng thu đƣợc ................................................................................. 53
3.5.1Năng lƣợng thu hồi đƣợc dựa trên chu trình FTP 75 .......................................... 54
3.5.2Năng lƣợng thu hồi đƣợc dựa trên chu trình ECE R15 ...................................... 54
3.5.3Năng lƣợng thu hồi đƣợc dựa trên chu trình EUDC ........................................... 54
3.5.4Năng lƣợng thu hồi đƣợc dựa trên chu trình NEDC ........................................... 55
CHƢƠNG IV : XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................. 56
4.1Tính tốn lựa chọn các thơng số của mơ hình thực nghiệm ..................................... 56
4.2Cơ sở tính tốn các thơng số của mơ hình thí nghiệm .............................................. 56
4.3Đƣa vào mơ phỏng trên Matlab Simulink ................................................................ 57
4.4Kết quả tính tốn lựa chọn động cơ phục vụ thực nghiệm ....................................... 59
4.5Bộ biến tần ................................................................................................................ 63
4.5.1Các thông số cơ bản ............................................................................................ 64
4.5.2 Cách cài đặt tần số ............................................................................................. 67
4.5.3Điều khiển biến tần VF-FS1 ............................................................................... 69
4.6Bộ hãm từ. ................................................................................................................. 74
4.7Cảm biến moment ..................................................................................................... 74
4.8Xây dựng mô hình thực tế để vận hành và kiểm chứng kết quả .............................. 75
4.8.1Cấu tạo .............................................................................................................. 75
4.8.2 Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 79
4.8.3 Mơ tả q trình thí nghiệm ............................................................................... 80
4.9 Tính tốn năng lƣợng thu hồi đƣợc theo từng chu trình .......................................... 88
4.10 Phân tích kết quả thực nghiệm ............................................................................... 91
4.10.1Chu trình FTP 75 ............................................................................................. 91
4.10.2Chu trình ECE R15 .......................................................................................... 92
v

4.10.3Chu trình EUDC ............................................................................................. 93
4.10.4Chu trình NEDC ............................................................................................. 94
4.10.5Nhận xét chung ............................................................................................... 95
Chƣơng 5:KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỀN ........................................................ 96
5.1Kết luận ..................................................................................................................... 96
5.2Hƣớng phát triển ....................................................................................................... 96
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 97

vi


DANH MỤC 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
Engine

KERS

Kinetic Energy Recovery System

Hệ thống thu hồi năng lƣợng
động năng

FCV

Fuel Cell Vehicles

Các xe sử dụng pin nhiên liệu

FWB

Flywheel Battery

Bánh đà tích điện

Internal

Combustion

Động cơ đốt trong truyền thống

vii
`


DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Các hƣớng nghiên cứu về cơng nghệ tích trữ năng lƣợng tái tạo khi phanh [5]. ..... 3
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng tái tạo khi phanh dƣới dạng điện năng ............ 4
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter [19]. .......................................................... 5
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ. ................................................................ 5

Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp [34]. ............. 6
Hình 1.6: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song [34] .......... 7
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng bánh đà [36]. ......................... 8
Hình 1.8: Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept [36]. ...................................... 9
Hình 1.9: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lƣợng trên xe Volvo [35]. ...................................... 9
Hình 1.10: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng lị xo cuộn [36]. .......................... 10
Hình 1.11: Độ ổn định điện áp của các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh [5]. ........ 11
Hình 1.12: Khả năng chịu nhiệt của các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh[5]......... 12
Hình 1.13: Hiệu suất của các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh [5]. ........................ 12
Hình 1.14: Suất tiêu hao nhiên liệu của các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh[5]. ... 13
Hình 1.15: Giá thành so sánh giữa các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh [5]. .......... 13
Hình 1.16: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman [25]. ....................... 17
Hình 1.17: Sơ đồ thử nghiệm của của tác giả R.J.Hayes [26]. .............................................. 18
Hình 1.18: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh ZI [7]. ......................................... 19
Hình 1.19: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng cơ khí [27]. ........................ 20
Hình 1.20: Bánh đà siêu tốc của hãng Flybird [36]. .............................................................. 20
Hình 1.21: Sơ đồ thử nghiệm trong hệ thống SJSU-RBS [33]. ............................................. 21
Hình 1.22: Mơ hình RBS đề xuất. ......................................................................................... 24
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe. ........................................................................................ 26
Hình 2.2: Thử nghiệm trên bệ thử xe. .................................................................................... 38
Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo. ............................................................................................. 38
Hình 2.4: Cơng suất kéo và cơng suất cản ở từng tay số. ..................................................... 41

viii


Hình 3.1: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn FTP 75 sau khi điều khiển PID bằng
Mathlab.. ................................................................................................................................. 47
Hình 3.2: Kết quả tốc độ máy phát thực tế sau khi mơ phỏng theo chu trình FTP-75. .......... 47
Hình 3.3: Công suất máy phát điện khi mô phỏng theo chu trình FTP-75 ............................. 48

Hình 3.4: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn ECE-R15 sau khi điều khiển bằng PID. ........... 49
Hình 3.5: Kết quả tốc độ máy phát thực tế khi mơ phỏng theo chu trình ECE-R15. ............. 49
Hình 3.6: Công suất máy phát điện khi mô phỏng theo chu trình ECE R15 .......................... 50
Hình 3.7: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn NEDC sau khi điều khiển bằng PID. ................ 50
Hình 3.8: Kết quả tốc độ máy phát thực tế sau khi mơ phỏng theo chu trình NEDC. ........... 51
Hình 3.9: Cơng suất máy phát điện khi mơ phỏng theo chu trình NEDC. ............................. 51
Hình 3.10: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn EUDC sau khi điều khiển bằng PID ............... 52
Hình 3.11: Kết quả tốc độ máy phát thực tế sau khi mô phỏng theo chu trình EUDC .......... 52
Hình 3.12: Cơng suất máy phát điện khi mơ phỏng theo chu trình NEDC. ........................... 53
Hình 3.13: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình FTP 75 ...................................... 54
Hình 3.14: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình ECE R15 .................................. 54
Hình 3.15: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình EUDC ....................................... 55
Hình 3.16: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc dựa trên chu trình NEDC ................................ 55
Hình 4.1: Mơ hình thực nghiệm. ............................................................................................. 56
Hình 4.2: Mơ phỏng tính số vịng quay của mơ tơ. ................................................................ 58
Hình 4.3: Mơ phỏng tính số tốc độ góc. ................................................................................. 58
Hình 4.4: Mơ phỏng tính mơ men tác dụng lên trục các đăng khi xe giảm tốc. ..................... 58
Hình 4.5: Mơ phỏng tính công suất phát ra tại trục các đăng khi xe giảm tốc. ...................... 59
Hình 4.6: Số vịng quay trên tồn chu trình FTP 75. .............................................................. 59
Hình 4.7: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình FTP 75. ............................ 60
Hình 4.8: Số vịng quay trên tồn chu trình ECE R15. ........................................................... 60
Hình 4.9: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình ECE R15. ......................... 61
Hình 4.10: Số vịng quay trên tồn chu trình NEDC. ............................................................. 61
Hình 4.11: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình NEDC. ........................... 62

ix


Hình 4.12: Số vịng quay trên tồn chu trình EUDC. ............................................................. 62
Hình 4.13: Cơng suất phát ra tại trục các đăng trên tồn chu trình EUDC. ........................... 63

Hình 4.14: Biến tần Toshiba VF-FS1-2075PM ( 3PH-200V-7.5kW) .................................... 64
Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện thời gian tăng/ giảm tốc ............................................................. 64
Hình 4.16: Mối quan hệ giữa tần số cực đại với tần số cài đặt ............................................... 65
Hình 4.17: Đồ thị biểu diễn tần số giới hạn trên và giới hạn dƣới ......................................... 66
Hình 4.18: Sơ đồ lắp biến trở vào mạch điện của biến tần ..................................................... 69
Hình 4.19: Sơ đồ sử dụng tín hiệu điện áp để điều khiển biến tần ......................................... 69
Hình 4.20: Kết nối bên ngồi cho bộ PID............................................................................... 72
Hình 4.21: Thông số kỹ thuật của bộ hãm từ .......................................................................... 74
Hình 4.22: Bộ hãm từ đã đƣợc lắp đặt lên mơ hình ................................................................ 74
Hình4.23: Cảm biến moment đƣợc lắp trên trục bánh xe ....................................................... 75
Hình 4.24: Mặt trƣớc của mơ hình thực nghiệm..................................................................... 76
Hình 4.25 : Mặt bên của mơ hình thực nghiệm ( phải ) .......................................................... 77
Hình 4.26: Mặt bên của mơ hình thực nghiệm ( trái) ............................................................. 78
Hình 4.27: Mặt trên của mơ hình thực nghiệm ....................................................................... 79
Hình 4.28: Q trình thử nghiệm mơ hình .............................................................................. 81
Hình 4.29: Đồ thị điện áp theo thời gian điều khiển PID của chu trình FTP 75. ................... 82
ình 4.30: Đồ thị điện áp theo thời gian điều khiển PID của chu trình ECE R15. ................... 83
Hình 4.31: Đồ thị điện áp theo thời gian điều khiển PID của chu trình NEDC ..................... 84
Hình 4.32: Đồ thị điện áp theo thời gian điều khiển PID của chu trình EUDC. .................... 85
Hình 4.33: Biểu đồ công suất máy phát thu đƣợc trên chu trình FTP 75. .............................. 87
Hình 4.34: Biểu đồ cơng suất máy phát thu đƣợc trên chu trình ECE R15. ........................... 87
Hình 4.35: Biểu đồ cơng suất máy phát thu đƣợc trên chu trình EUDC. ............................... 88
Hình 4.36: Biểu đồ cơng suất máy phát thu đƣợc trên chu trình NEDC. ............................... 88
Hình 4.37: Năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình FTP 75. ................................................. 89
Hình 4.38: Năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình ECE R15. .............................................. 90

x


Hình 4.39: Năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình EUDC. .................................................. 90

Hình 4.40: Năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình NEDC. .................................................. 91
Hình 4.41: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình FTP 75 theo mơ phỏng. ............ 91
Hình 4.42: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình FTP 75 theo thực nghiệm. ........ 92
Hình 4.43: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình ECE R15 theo mơ phỏng. ........ 92
Hình 4.44: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình ECE R15 theo thực nghiệm. .... 93
Hình 4.45: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình EUDC theo mơ phỏng. ............. 93
Hình 4.46: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình EUDC theo thực nghiệm. ......... 94
Hình 4.47: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình NEDC theo mơ phỏng. ............. 94
Hình 4.48: Biểu đồ năng lƣợng thu hồi đƣợc trên chu trình NEDC theo thực nghiệm. ......... 95

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Hệ số cản lăn của các loại mặt đƣờng. ..................................................... 28
Bảng 2.2: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace. ..................................................... 31
Bảng 2.3: Tính i theo công thức thực nghiệm. ........................................................ 36
Bảng 2.4: Thông số của bệ thử. ................................................................................. 36
Bảng 2.5: Bảng kết quả tính i theo thực nghiệm. ..................................................... 40
Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm. ............................................... 42
Bảng 2.7: Công suất tổn hao từ các bộ phận. ............................................................ 45
Bảng 2.8: Hằng số hao tổn. ....................................................................................... 46
Bảng 4.1: Công suất cực đại và số vịng quay cực đại của mơ tơ điện đối với từng
chu trình. .................................................................................................................... 63
Bảng 4.2: Thơng số cài đặt của thời gian tăng/giảm tốc. .......................................... 65
Bảng 4.3: Thông số cài đặt của tần sô cực đại. ......................................................... 66
Bảng 4.4: Thông số cài đặt của tần số giới hạn trên và dƣới. ................................... 66
Bảng 4.6: Ví dụ về cách cài đặt thông số tần số. ...................................................... 67
Bảng 4.7: Ví dụ về cách cài đặt tần số. ..................................................................... 68
Bảng 4.8: Bảng lựa chọn chế độ lệnh điều khiển cho chế độ REMOTE .................. 70

Bảng 4.9: Cách cài đặt thông số trƣớc khi khởi động biến tần ................................. 70
Bảng 4.10: Thông số cài đặt cho bộ điều khiển PID. ................................................ 71
Bảng 4.11: Phạm vi điều chỉnh thông số trong bộ điều khiển PID. .......................... 73
Bảng 4.12: Thông số cơ bản trên cảm biến moment. ................................................ 75
Bảng 4.13: Bảng số liệu điện áp theo thời gian điều khiển PID của chu trình FTP
75. .............................................................................................................................. 81
Bảng 4.14: Bảng số liệu điện áp theo thời gian điều khiển PID của chu trình ECE
R15. ........................................................................................................................... 83

xii


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
1.1.
-

Giới thiệu chung
Hệ thống phanh trên ô tô là một hệ thống an tồn chủ động. Q trình phanh là
q trình chuyển hóa năng lƣợng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu
phanh. Q trình chuyển hóa này làm tổn hao năng lƣợng động năng mà xe ô tô
phải tiêu tốn một lƣợng nhiên liệu nhất định mới đạt đƣợc. Tuy nhiên, vì lý do an
tồn mà hệ thống phanh cơ khí vẫn đƣợc sử dụng mặc dù năng lƣợng 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 lƣợng quán tính của xe trong q
trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu
phanh [1].

-

Theo các nghiên cứu gần đây thì hệ thống phanh tái sinh đƣợc 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 đƣợc áp dụng trên các
dòng xe này là năng lƣợng cơ năng đƣợc chuyển hóa thành điện năng để dẫn động
các mơ 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 đƣợc nghiên cứu và ứng dụng dƣới
các dạng khác nhau nhƣ: năng lƣợng cơ năng thu hồi đƣợc trong quá trình xe
phanh hoặc giảm tốc đƣợc tích trữ dƣới dạng thủy lực đƣợc 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 lƣợng dƣới dạng cơ năng sau đó sử dụng cơ
năng này để phục vụ q trình tăng tốc đƣợc áp dụng trên các xe đua F1và các xe
du lịch tải trọng nhỏ [18]… Riêng xe ô tơ có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống
thì việc thu hồi năng lƣợng qn tính trong q trình phanh hoặc giảm tốc chƣa
đƣợc nghiên cứu nhiều trong khi số lƣợng xe này trên thị trƣờng khá phổ biến.

-

Đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh
tái sinh trên ô tô” đƣợc thực hiện với mục đích thu hồi năng lƣợng quán tính của
xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc bằng sự kết hợp giữa thiết bị tích trữ năng
1


lƣợng 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 lƣợng, mơ hình hóa, mơ phỏng và thực
nghiệm trên xe để từ đó đƣa 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 lƣợng mà
vẫn đảm bảo tính an tồn và ổn định của ơ tơ trong q trình phanh hoặc giảm tốc.

Tính tốn năng lƣợng thu hồi đƣợc nhằm hƣớng tới thay thế năng lƣợng 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.
1.2.
-

Tổng quan đề tài
Nhƣ chúng ta đã biết vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trƣờng 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 trƣờng ngày càng gia tăng đã và
đang là những vấn đề mang tính toàn cầu. Một trong những giải pháp để giảm
thiểu vấn đề nêu trên đƣợc các hãng xe đƣa 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
lƣợng (một động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine: ICE) và một thiết bị
tích trữ năng lƣợng) thì đƣợc gọi là hệ thống Hybrid [1]. Hiện nay, hệ thống xe
hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện đƣợc sử dụng khá phổ
biến. Hệ thống này thƣờng đƣợc 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 nhƣ 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 đƣợc năng lƣợng tái tạo khi xe giảm tốc thông qua hệ thống phanh
tái sinh năng lƣợng (Regenerative Brake System: RBS).

-

Để hiểu rõ hơn về điều này ta hãy lấy một ví dụ nhƣ sau: Một chiếc xe ơ tơ có khối
lƣợng bản thân 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h. Ta sử dụng hệ thống
phanh thông thƣờng để giảm tốc xe xuống cịn 32km/h thì giá trị năng lƣợng tiêu
tốn đƣợc tính theo cơng thức: Ek = 1/2 mv2 sẽ là 47, 8 kJ. Trong đó Ek là động

2


năng của xe; m là khối lƣợng của xe và v là vận tốc của xe. Do đó nếu nhƣ năng
lƣợng này đƣợc 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
đƣợc chỉ cần 25% năng lƣợng đó (tức là 25 % của 47, 8 KJ = 11,95KJ). Năng
lƣợng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [17].
-

Thật ra thì ý tƣởng về hệ thống phanh tái sinh năng lƣợng đã có từ rất lâu và đƣợc
sử dụng rộng rãi trên tàu điện bằng việc sử dụng các mô tơ điện hoạt động với
chức năng nhƣ 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 đƣợc 37% [1] năng
lƣợng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh.

-

Đối với ơ tơ sử dụng động cơ đốt trong thì khó có thể đạt đƣợc đến mức này bằng
việc sử dụng phanh tái sinh bởi vì khơng giống nhƣ mơ tơ điện quá trình chuyển
đổi năng lƣợng trong động cơ đốt trong không thể đƣợc phục hồi [1]. Mặt khác
khối lƣợng của ơ tơ nhỏ hơn tàu điện do đó năng lƣợng qn tính của nó nhỏ hơn
tàu điện nên lƣợng năng lƣợng thu hồi và tích trữ khi phanh đƣợc sẽ ít hơn. Thêm
vào đó cần phải có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lƣợng. Theo các nghiên
cứu gần đây thì năng lƣợng đƣợc tái tạo, biến đổi và tích trữ dƣới các dạng khác
nhau đƣợc mơ tả nhƣ trong hình 1.1 [5].

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

Sau đây tác giả sẽ đi phân tích một số những tính năng cơ bản và ƣu/nhƣợc điểm của các
hệ thống RBS đặc trƣng.

1.2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng dƣới dạng điện năng.
-

Kiểu tích trữ năng lƣợng này đƣợc áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe lai
điện (HEV). Năng lƣợng điện để dẫn động xe có thể đƣợc tích trữ bằng các thiết bị
điều khiển. Chúng có thể biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lƣu trữ
vào ắc quy để có thể sử dụng lại [1]. Mơ tơ dẫn động có thể hoạt động nhƣ một
máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại sự quay của bánh xe có tác dụng nhƣ
mô mem phanh. Trong khi phanh tái sinh mô tơ điện hoạt động nhƣ 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 thƣờng dùng hệ thốn phanh bằng cơ khí.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng tái tạo khi phanh dƣới 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 lƣợng 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 lƣợng là ắc quy thƣờng
đƣợc sử dụng cho các xe EV và HEV và cần phải có các bộ biến đổi điện (Inverter
4


và Converter) [19].

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter [19].
-

Nhƣợc điểm của kiểu tích trữ năng lƣợng bằng ắc quy đó là ắc quy thì cung cấp
điện DC trong khi các mô tơ điện lại sử dụng điện AC do đó cần phải sử dụng một
bộ biến đổi (inverter và converter). Điện áp và dòng điện sử dụng lớn nên cần phải
có các linh kiện cơng suất dẫn 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. Ngoài ra khi sử dụng ắc quy thì mật độ tích trữ năng lƣợng 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.

5


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

Các hệ thống tích trữ năng lƣợng dƣới dạng thủy lực đã đƣợc 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 đƣợc một lƣợng dầu áp suất lớn. Thiết bị này tích trữ năng lƣợng
bằng việc nén một chất khí (thƣờng là khí Nitơ) [34]. Khí này nhẹ, rẻ mà lại cung
cấp năng lƣợng tốt. Một hệ thống hybrid thủy lực thƣờng có một bộ tích năng, một
bình chứa dầu, và một bơm/mô tơ thủy lực (bơm thủy lực có thể hoạt động nhƣ

một mơ tơ thủy lực).

-

Cũng giống nhƣ 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 lƣợng và kết cấu của bộ tích trữ
thủy lực cũng cần đƣợc quan tâm cải thiện về trọng lƣợng 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) đƣợc 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 đƣợc tác dụng [34].

Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp [34].

-

Kết cấu này cho phép phanh tái sinh và tích trữ năng lƣợng vào bộ tích năng và
năng lƣợng 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/mô tơ đơn cộng với hộp
số loại tỷ số truyền thay đổi liên tục CVT. Nếu sử dụng hộp số thì động cơ ln
6


đƣợc 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 đƣợc. 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 lƣợng phanh tái sinh và có thể khởi động động
cơ xăng ở những thời điểm hiệu quả nhất. Nếu đƣợc 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 đƣợc gắn trên hộp số của một xe
thông thƣờng. Hệ thống này cho phép hỗ trợ động cơ xăng khi tăng tốc. Nó khơng
cho phép động cơ xăng tắt máy khi xe không di chuyển. Điều này có nghĩa là động
cơ ln ln làm việc. Hệ thống hybrid thủy lực song song khơng có những ƣu
điểm đáng kể về tính kinh tế nhiên liệu. Hệ thống này đƣợc sử dụng một số ít trên
các xe tải nặng, khơng đƣợc sử dụng nhiều trên xe du lịch [34].

Hình 1.6: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song [34]

-

Ƣu điểm của hệ thống tích trữ năng lƣợng kiểu thủy lực là dễ vận hành, công suất
thu hồi cao. Tuy nhiên, kết cấu của các bộ chấp hành thủy lực thƣờng lớn do đó
hiệu suất về tiết kiệm nhiên liệu không cao khi áp dụng cho các xe tải trọng nhỏ.
Hệ thống này thƣờng đƣợc áp dụng cho các xe tải trọng lớn [19].

7


1.2.3. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng bằng bánh đà (Flywheel).
-

Năng lƣợng đƣợc tích trữ vào bánh đà đƣợc tính theo cơng thức E=1/2 J* ω2 trong
đó J là mơ men qn tính và ω là tốc độ góc của bánh đà. Năng lƣợng này tỷ lệ với
bình phƣơng tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lƣợng nhiều
hơn [1]. Do đó một bánh đà đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị tích trữ năng lƣợng
phải đƣợc quay với tốc độ rất cao và phải đặt trong môi trƣờng chân khơng để

giảm lực cản gió. Hiện nay trên thế giới có 2 hãng sản xuất bánh đà siêu tốc dựa
trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên đƣợc áp
dụng trên xe đua F1 đó là hãng Flybird và Williams Hybrid Power. Bánh đà của
Flybrid là một hệ thống cơ khí đơn thuần. Có thể đƣợc gắn với một số bộ phận
quay trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ động cơ cho tới vi sai, bánh đà kết
hợp với hộp số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ của động cơ. Trong
các ứng dụng với xe du lịch ngƣời ta sử dụng hộp số vô cấp CVT (Continuously
Variable Transmission); để giảm chi phí cũng có thể sử dụng hộp số truyền thống
với các bánh răng và ly hợp thay thế.

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng bánh đà [36].

-

Ngƣợc lại với Flybird, hệ thống của Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng điện
để tích hoặc rút điện năng khỏi bánh đà, lợi dụng composite từ tính (MLC) để đạt
hiệu suất chuyển đổi rất cao. Do có giá thành cao hơn, hệ thống này đƣợc ứng
dụng cho xe cao cấp. Chiếc xe đua 918 RS R Hybrid của Porsche sử dụng hệ
thống của WHP, và nó hoạt động thông qua các mô-tơ điện đặt ở bánh trƣớc [36].
8


Hình 1.8: Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept [36].
-

Theo nghiên cứu mới đây nhất thì bánh đà bằng sợi carbon KERS của hãng Volvo
đƣợc trang bị cho cầu sau. Nó chỉ nặng 6 kg và đƣờng kính 20 cm, có khả năng
quay với tốc độ 60.000 vịng/phút. Với cơng suất tăng thêm 80 mã lực, xe này có
thể tăng tốc lên 100 km/h chỉ trong 5.5 giây [35].

Hình 1.9: Hệ thống bánh đà tích trữ năng lƣợng trên xe Volvo [35].

-

Bánh đà thƣờng đƣợc sử dụng để cung cấp năng lƣợng liên tục cho những nơi mà
động lực đƣợc cung cấp bị ngắt quãng. Khi phanh xe, bánh đà có tác dụng thu hồi
năng lƣợng, sau đó “góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có
thể làm giảm tiêu hao 25% nhiên liệu. Động cơ 4 xi-lanh vận hành sẽ sinh ra lực
tƣơng đƣơng với động cơ 6 xi-lanh [35]

-

Trong một cơ cấu bánh đà đƣợc lắp trên cầu sau nhƣ hình 1.9. Khi phanh, hệ
thống truyền lực ngắt kết nối từ động cơ tới bánh xe, quán tính của xe đƣợc
chuyển hóa thành động năng “dồn” sang quay bánh đà, tốc độ xe khi đó giảm
9


xuống và năng lƣợng đó đƣợc tích trữ trên bánh đà. Khi xe di chuyển tiếp, năng
lƣợng tích lũy trong bánh đà đƣợc truyền tới bánh xe thông qua cơ cấu truyền
động. Nhờ đó xe tăng tốc tốt hơn so với động cơ khơng có bánh đà.
-

Các ƣu điểm của phƣơng pháp tích trữ năng lƣợng bằng bánh đà là: Mật độ tích
trữ năng lƣợng cao; tích trữ và giải phóng năng lƣợng một cách trực tiếp dƣới
dạng cơ năng mà khơng cần các thiết bị chuyển đổi do đó ít tổn hao; quá trình nạp
năng lƣợng nhanh. Tuy nhiên, phƣơng pháp này lại khơng tích trữ năng lƣợng
đƣợc trong một khoảng thời gian dài do đó cần phải kết hợp với một số thiết bị
khác để tích trữ năng lƣợng lâu hơn [19].

1.2.4. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng dƣới dạng vật liệu đàn hồi
-

Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng mơ phỏng trên dịng xe Mercedes Benz với kết
cấu đƣợc mơ tả nhƣ hình 1.10. Trên mỗi trục bánh xe đƣợc lắp một bộ tích trữ
năng lƣợng KERS (Kinetic Energy Recovery System) bao gồm một bộ bánh răng
hành tinh, bộ lị xo đàn hồi để tích trữ năng lƣợng và các khớp một chiều.

Hình 1.10: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng lị xo cuộn [36].

-

Trên bán trục của mỗi bánh xe đƣợc lắp một bộ bánh răng hành tinh. Khi xe
chuyển động trên đƣờng bình thƣờng thì hệ bánh răng hành tinh này quay lồng
không (quay trơn). Khi bàn đạp phanh đƣợc tác dụng áp suất dầu phanh đƣợc đƣa
tới một xy lanh phanh đƣợc lắp trên cần dẫn của bộ bánh răng hành tinh. Lúc này
cần dẫn đƣợc hãm cố định làm cho lực đƣợc truyền từ trục bánh xe qua bánh răng
10


mặt trời tới bánh răng hành tinh và làm cho bánh răng bao quay ngƣợc chiều kim
đồng hồ. Trên bánh răng bao đƣợc lắp một cụm lò xo cuộn và các khớp một chiều.
Lúc này năng lƣợng làm cho xe giảm tốc đƣợc tích trữ vào cụm lị xo cuộn. Khi
bàn đạp phanh đƣợc nhả ra lị xo giải phóng năng lƣợng tác dụng lên trục bánh xe
làm cho xe chuyển động. Với kết cấu này thì năng lƣợng khi phanh đã đƣợc tích
trữ và sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe nên giảm tiêu hao nhiên liệu. Trong
trƣờng hợp phanh khẩn cấp để đảm bảo an toàn thì hệ thống phanh chính trên xe
sẽ làm việc.

1.2.5. Phân tích và so sánh các phƣơng án tích trữ năng lƣợng của hệ thống

RBS
-

Qua phân tích các nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh năng lƣợng RBS ta thấy
rằng: tất cả các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh đều giúp cho xe tiết kiệm
nhiên liệu hơn những dòng xe truyền thống. Tuy nhiên, mỗi kiểu hệ thống có
những ƣu và nhƣợc điểm riêng của nó.

Hình 1.11: Độ ổn định điện áp của các phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh [5].
11