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

NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNGTỪ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ RESEARCH ON DESIGNING AND SIMULATION DYNAMIC OF BRAKING RECOVERY ENERGY ASSEMBLY IN AUTOM

NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BỘ THU HỒI

NĂNG LƯỢNGTỪ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ

RESEARCH ON DESIGNING AND SIMULATION DYNAMIC OF BRAKING

RECOVERY ENERGY ASSEMBLY IN AUTOMOTIVE

Dương Tuấn Tùng 1a , Đỗ Văn Dũng 2b , Nguy ễn Trường Thịnh 3c , Hu ỳnh Hữu Phúc 4d

1, 2, 3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

4Công ty VMEP Việt Nam

a tungdt@hcmute.edu.vn; b dodzung@hcmute.edu.vn;

c thinhnt@hcmute.edu.vn; d huuphuc0606@yahoo.com;

TÓM TẮT

Hiện nay, trên ô tô nguồn năng lượng động năng từ hệ thống phanh vẫn chưa được thu

hồi để tái sử dụng một cách hiệu quả Năng lượng này bị biến thành nhiệt năng do ma sát giữa

má phanh và trống/đĩa phanh Trên những dòng xe hybrid, nguồn năng lượng này đã được tận

dụng một phần để biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy phục vụ quá trình tăng tốc của xe Đối với xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống (chỉ sử dụng động cơ đốt trong) thì nguồn năng lượng này chưa được nghiên cứu và tận dụng một cách triệt để Bài báo này đi phân tích, đề xuất phương án thu hồi và tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh sử dụng cho xe

ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống Dựa trên phương án được đề xuất, nhóm tác giả

đã sử dụng phần mềm Solidworks và MCS ADAMS/Car để thiết kế, mô phỏng động lực học

của hệ thống, tính toán lượng năng lượng tái tạo được sinh ra trong quá trình xe phanh hoặc

giảm tốc Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu thực nghiệm, cải tiến phương pháp điều khiển để đạt được hiệu quả thu hồi năng lượng một cách tốt nhất

Từ khoá: hệ thống phanh tái tạo năng lượng, tích trữ động năng được thu hồi, tự động

phân tích động lực học các hệ thống cơ khí, hệ thống truyền lực

ABSTRACT

Currently, the kinetic energy from braking system has yet to be recovered for reuse effectively It is transformed into heat by friction between brake pads and drum/disc brakes

On the Hybrid Electric Vehicle (HEV), this energy source has been used to convert into electricity to recharge for high voltage battery of the vehicle In the conventional vehicles (using only the internal combustion engine), this power source has not been studied and utilized fully This paper analyzed, proposed plan of recovery and store the kinetic energy in braking system of the conventional vehicle Based on the design proposal, the authors have used SolidWorks and MCS ADAMS/Car softwares to design 3D mechanical model, simulate dynamic of system and calculate the amount of renewable energy generated during braking or deceleration The simulation results will be the fundamental for experiment researches, improve the control algorithms to achieve high efficiency of recovery energy

Keyword: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage

(KERS), Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems (ADAMS), powertrain system

1 GI ỚI THIỆU CHUNG

Như chúng ta đã biết vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang là thách thức đối

với các hãng sản xuất ô tô Năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) đang ngày càng

cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đã và đang là những vấn đề mang tính toàn

cầu Một trong những giải pháp để giảm thiểu vấn đề nêu trên được các hãng xe đưa ra là chế

tạo ra những dòng xe hybrid Một chiếc xe sử dụng hai nguồn động lượng (một động cơ đốt trong và một thiết bị tích trữ năng lượng để sử dụng cho động cơ điện) thì được gọi là hệ

thống hybrid [1] Một trong những yếu tố giúp dòng xe này tiết kiệm nhiên liệu là nó tận dụng được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc hoặc khi phanh thông qua hệ thống phanh tái sinh năng lượng (Regenerative Brake System: RBS)

Để hiểu rõ hơn về điều này ta hãy lấy một ví dụ như sau: Một chiếc xe ô tô có khối lượng bản thân 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h Ta sử dụng hệ thống phanh thông thường để giảm tốc xe xuống còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo công

thức Ek = ½ mV 2 sẽ là 47,8 kJ Trong đó Ek là động năng của xe; m là khối lượng của xe và V

là tốc độ của xe Do đó nếu như năng lượng này được thu hồi và tích trữ để sử dụng lại cho

việc tăng tốc của xe thay vì làm tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng ồn ở cơ cấu phanh Giả sử

ta thu hồi lại được chỉ cần 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47,8 kJ = 11,95 kJ) Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [2]

Như vậy, năng lượng động năng khi phanh của ô tô là rất lớn Nó tỷ lệ thuận với khối lượng của xe và bình phương vận tốc tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh Tuy nhiên,

việc thu hồi và tích trữ nguồn năng lượng này như thế nào thì còn nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: ắc quy điện cao áp, siêu tụ, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà hay là

lò xo đàn hồi [1] Với hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện cao áp thì cần

phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, bộ biến đổi điện áp cao phức tạp và thường được ứng dụng cho những dòng xe điện hoặc xe lai điện với giá thành rất cao Với kiểu hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy lực đa phần được ứng dụng trên những xe tải

trọng lớn Trong khi đó phương án tích trữ năng lượng bằng bánh đà là một phương thích hợp

có thể áp dụng cho những dòng xe tải trọng nhỏ như xe du lịch truyền thống [1]

Dựa trên nền tảng của các nghiên cứu trước, tác giả đề ra phương án tích trữ năng lượng

sử dụng kết hợp giữa bánh đà và máy phát điện áp dụng cho xe du lịch truyền thống với sơ đồ

thử nghiệm nghiên cứu như sau:

Hình 1 Mô hình th ử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng

Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Khi xe hoạt động trên đường ở chế độ tăng tốc lực kéo chủ động truyền tới bộ bánh răng hành tinh quay không tải Khi xe phanh hoặc khi giảm

tốc (xuống dốc dài), cơ cấu phanh trên bộ bánh răng hành tinh được kích hoạt hãm bánh răng bao làm cho lực truyền tới hệ thống và làm cho bánh đà quay Động năng của xe lúc này được tích trữ vào bánh đà để dẫn động máy phát phát điện nạp lại cho ắc quy

2 THI ẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG

2.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán lực và công suất phanh cần thiết

Để có cơ sở tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh, trước tiên ta hãy đi phân tích động lực học cũng như công suất phanh cần thiết đối với một chiếc xe khi phanh hặc giảm tốc Giả sử xe đang phanh với vận tốc V(t) thì có các lực tác

dụng lên xe như sau hình vẽ [4]

Hình2 Các l ực tác dụng lên xe khi phanh

F = (Ff+ Fr+ Rf+ Rr+ Fa+ mg sin θ) = m a (1) Trong đó: m là khối lượng của xe [kg]; g là gia tốc trọng trường[m/s2]; θ là góc dốc [độ]; mg.sinθ là trọng lực theo phương thẳng đứng; a là gia tốc [m/s2]

Rf,Rr: lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]; Rf+ Rr = µmg cos θ Trong đó µ là hệ

số cản lăn có giá trị trong khoảng 0.02 đến 0.04 tuỳ theo tình trạng mặt đường [4]

Fa = 0.5ρ A CD (V + Vwind)2 (2) Trong đó: Fa là lực cản gió [N];ρ là mật độ không khí (kg/m3); Cd là hệ số cản gió; V là

vận tốc của xe [m/s]; Vwind là vận tốc của gió chống lại sự di chuyển của xe [m/s]

Ff, Fr: là lực phanh tác dụng lên cầu trước, cầu sau [N];

Khi xe bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc thì lực làm cho xe đang chuyển động là

lực quán tính tại thời điểm đó trừ đi các lực cản gió, lực cản lăn… Lúc này mô men đặt vào bánh xe chủ động sẽ là [5]:

Tω(t) = Rω�Rr+12ρACD(V(t) + V)2+ �Jω

R ω2 + m�dtdV(t)� (3) Công suất phanh tại thời điểm bất kì được tính theo công thức [4]:

Trong đó: Pb(t) là công suất phanh yêu cầu [W]; V(t) là vận tốc xe tạo thời điểm t [m/s] Công suất phanh của các bánh xe trước, sau [4]:

Pf(t) = FfV(t); P r(t) = FrV(t) (5)

Đối với các xe được thiết kế có hệ thống phanh tái tạo năng lượng thì để đảm bảo an toàn xe phải sử dụng đến hệ thống phanh cơ khí ở bánh xe chủ động Vì thế, Fr có thể tính theo công thức (7) [4]:

Fr = Fr_tái sinh+ Fr_cơ thí (6) Công suất phanh tái sinh đối với cầu sau chủ động

PR(t) = (ma − mg sin θ − Ff− Fr−mech− µmg cos θ − Fa)V(t) (7)

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

∆E = EU− EV =12m(U2− V2) (8) Trong đó: ΔE là sự giảm của động năng [J]; EU, EV là động năng tại thời điểm U và V Năng lượng động năng của xe trong quá trình phanh là rất lớn Tuy nhiên, việc thu hồi năng lượng này được nhiều hay ít còn tùy thuộc vào kỹ thuật điều khiển và phương pháp biến đổi và tích trữ năng lượng Trong nghiên cứu này sẽ đi nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bộ thu hồi năng lượng được lắp trên xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Điều kiện thực

hiện mô phỏng đó là xe tăng tốc đến một tốc độ nhất định (khoảng 65 km/h, tương ứng với

tốc độ thực tế trên đường) sau đó thực hiện quá trình phanh theo 2 giai đoạn Trong khoảng

thời gian đầu của quá trình phanh thì chỉ có hệ thống phanh tái tạo năng lượng hoạt động sau

đó hệ thống phanh cơ khí sẽ hoạt động cho tới khi xe dừng hẳn

2.2 Thi ết kế các cụm chi tiết trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng

Dựa trên mô hình thử nghiệm đã được đề xuất, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Solidwoks để xây dựng mô hình 3D của các chi tiết trong hệ thống như trong hình 3

Hình 3 Mô hình được thết kế bằng Solidworks

Theo như mô hình thiết kế, mỗi khi phanh năng lượng được tích trữ vào bánh đà dưới

dạng cơ năng được tính theo công thức:

Ef= 12Jf*ω2

Trong đó: ω là vận tốc góc của bánh đà [rad/s]; Jf là mô men quán tính của bánh đà [kgm2]

Theo công thức trên ta thấy rằng năng lượng được tích trữ trong bánh đà tỉ lệ với mô men quán tính và bình phương vận tốc góc của nó Mô men quán tính của bánh đà có thể được tính như sau:

Jf= 2πβ � W(r)rR2 3dr

R 1

Trong đó: β là mật độ khối lượng vật liệu; W(r) là độ dày của bánh đà; R là bán kính bánh đà Do đó khối lượng của bánh đà được tính theo công thức:

Mf= 2πβ � W(r)rdr R2

R 1

Dựa trên cơ sở tính toán nhóm nghiên cứu đã thiết kế các bộ phận trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng với các thông số như trong bảng 1:

B ảng 1 Các thông cơ bản của bộ thu hồi năng lượng Tên chi ti ết lượng S ố

Thông s ố kích thước

Số răng

Z

Bước răng

M (mm)

Đường kính

D (mm)

Bánh răng bao trước 1 65 2.5 162,5 Bánh răng mặt trời trước 1 27 2.5 67,5 Bánh răng hành tinh trước 4 19 2.5 47,5 Bánh răng bao sau 1 73 2.5 182,5 Bánh răng mặt trời sau 1 39 2.5 97,5 Bánh răng hành tinh sau 4 17 2.5 42,5 Bánh răng quả dứa (bộ truyền lực chính) 1 13 4 52 Bánh răng vành chậu (bộ truyền lực chính) 1 43 4 172 Bánh răng chủ động lắp trên trục các đăng 1 73 2.5 182,5 Bánh răng chủ động lắp trên bộ BRHT 1 62 2.5 155 Bánh đà 1 Đường kính 255mm; khối lượng

4043,63 gram

2.3 Mô ph ỏng động lực học của hệ thống

Sau khi thiết kế các cụm chi tiết của hệ thống, mô hình được chạy mô phỏng thử va

chạm bằng phần mềm Solidworks sau đó được chuyển sang ADAMS/View và ADAMS/Car

để mô phỏng động lực học của xe Các thông số sử dụng cho việc mô hình hóa và mô phỏng

hệ thống dựa trên thông số cơ bản của xe TOYOTA Fortuner được trình bày như trong bảng 2

B ảng 2 Các thông số mô phỏng

Diện tích cản chính diện A 2,15 m2

Mật độ không khí ở 30 0 C ρ 1,25 kg/m3

Mô men quán tính khối lượng của bánh đà Jf 0,04 kgm2

Điều kiện thực hiện mô phỏng phanh: Động cơ hoạt động ở chế độ ổn định Đầu vào

bao gồm các thông số động lực học của xe và các thông số từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (các thông số về mặt đường được thiết lập trong ADAMS/Car theo tiêu chuẩn ISO) Đầu ra bao gồm các thông số vận tốc, gia tốc, năng lượng tích trữ vào bánh đà và mô men phanh tại các bánh xe Các chế độ điều khiển được thiết lập trong ADAMS/Control Ban đầu cho xe

hoạt động ổn định ở tốc độ 63 km/h, khi tín hiệu giảm tốc từ bàn đạp ga bộ thu hồi năng lượng được kích hoạt, động năng của xe được tích trữ vào bánh đà làm quay máy phát điện để

nạp lại cho ắc quy Lực phanh của hệ thống phanh tái tạo năng lượng tùy thuộc vào việc điều

chỉnh dòng sạc (trong nghiên cứu mô phỏng này chưa tính toán tới sự chuyển hóa năng lượng cũng như những tổn hao từ việc chuyển hóa từ cơ năng sang điện năng) Sau khoảng thời gian

2 giây thì có thêm sự tác động của hệ thống phanh cơ khí tác dụng lên xe cho tới khi dừng hẳn

để đảm bảo an toàn

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

Hình 5 Mô hình mô ph ỏng trên ADAMS

K ết quả mô phỏng và phân tích kết quả:

Hình 6 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc và gia tốc góc của bánh xe theo thời gian

Như ta thấy trên đồ thị hình 6, tốc độ góc của bánh xe giảm nhẹ trong 2 giây đầu tiên là

do lực phanh từ bộ thu hồi năng lượng sinh ra làm cho xe giảm tốc Từ giây thứ 2 trở đi do sự tác động của hệ thống phanh cơ khí nên tốc độ bánh xe giảm rất nhanh

Hình 7 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc, gia tốc góc và năng lượng của bánh đà theo

th ời gian

Ngược lại với tốc độ bánh xe, bánh đà được kết nối với trục các đăng thông qua bộ bánh răng hành tinh kép với tỉ số truyền tăng do đó trong 2 giây đầu tiên tốc độ của bánh đà được tăng lên rất nhanh Đến khi hệ thống phanh cơ khí hoạt động thì bánh đà quay theo quán tính

của nó với tốc độ giảm dần theo thời gian Năng lượng tích trữ vào bánh đà tỷ lệ với bình phương tốc độ được biểu diễn bằng đường màu xanh trên hình 7

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

Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, mô men phanh tại các bánh xe tăng chậm do

hệ thống phanh cơ khí chưa hoạt động Càng về cuối quá trình phanh mô men phanh tại các bánh xe tăng nhanh do hệ thống phanh cơ khí hoạt động Lúc này lực phanh phải phân bố theo quy luật phân bố tải trọng

Thông qua phân tích và xử lý các số liệu mô phỏng thu thập được từ phần mềm ADAMS/Car Kết quả cụ thể được mô tả trong bảng 3

B ảng 3 Bảng kết quả mô phỏng

STT

Tốc độ bánh xe Tốc độ xe Tốc độ bánh đà Năng

lượng tích trữ vào bánh đà (J)

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

Mô men phanh tại các bánh xe cầu sau (N.m) Độ/giây v/ph m/s km/h Độ/giây v/ph

1 3000 500 17,29 62,24 37500 6250 5000 5,00 3,30

2 2950 492 17,00 61,20 75000 12500 31500 10,00 5,50

3 2850 475 16,42 59,13 115000 19167 75000 14,50 8,50

4 2700 450 15,56 56,02 125000 20833 156215 35,00 20,25

5 2300 383 13,26 47,72 115000 19167 80000 44,50 26,50

6 1900 317 10,95 39,42 96000 16000 67000 53,50 32,50

7 1820 303 10,49 37,76 75000 12500 58000 60,00 35,00

8 1350 225 7,78 28,01 55000 9167 45000 67,50 39,50

9 900 150 5,19 18,67 37500 6250 25000 73,50 41,45

10 500 83 2,88 10,37 27000 4500 12500 77,50 45,50

11 150 25 0,86 3,11 5000 833 3560 80,00 48,00

12 0 0 0 0 0 0 0 82,00 50,00 Theo bảng số liệu kết quả mô phỏng thì năng lượng động năng thu được càng lớn khi

tốc độ quay của bánh đà càng lớn Trong nghiên cứu mô phỏng này tốc độ bánh đà đạt tới trên 20.000 vòng/phút Tuy nhiên trên thực tế để đạt được tốc độ này thì cần phải cải tiến kết cấu

cơ khí đặc biệt là ổ bi (Ổ bi từ và buồng chân không được đề xuất sử dụng để giảm ma sát và làm tăng thời gian quay tự do của bánh đà)

3 K ẾT LUẬN

Bài báo này đã đi phân tích cơ sở lý thuyết và thiết kế các cụm chi tiết tổng thành trong

hệ thống phanh tái tạo năng lượng Đã sử được Solidworks trong thiết kế mô hình 3D các chi

tiết cũng như lắp ráp hệ thống Liên kết được giữa Solidworks và MSC ADAMS/Car để mô

phỏng động lực học của hệ thống Kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn và

thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng Hướng phát triển tiếp theo sẽ đi phân tích tính toán tới sự tổn hao của quá trình chuyển hóa từ cơ năng thành điện năng nạp lại cho ắc quy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System Institute of Transport Studies,

University of Leeds

[2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144 [3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS)

for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas

[4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid

Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011

[5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental

Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands

THÔNG TIN TÁC GI Ả

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

tungdt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0914805623

2 Đỗ Văn Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

dodzung@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903644706

3 Nguy ễn Trường Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

thinhnt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903675673

4 Hu ỳnh Hữu Phúc, Công ty VMEP Việt Nam;

huuphuc0606@yahoo.com; Điện thoại: 0985330603