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

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

M ỘT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHI PHANH ÁP D ỤNG CHO XE Ô TÔ CÓ KIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC

TRUY ỀN THỐNG

AN EXPERIMENT RESEARCH ON BRAKING ENERGY RECOVERY ASSEMBLY

APPLY TO CONVENTIONAL VEHICLE

Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguy ễn Trường Thịnh3c, Hu ỳnh Hữu Phúc4d

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

4Công ty VMEP Vi ệt Nam

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

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

TÓM T ẮT

Quá trình phanh trên ô tô là m ột quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhi ệt năng Sự chuyển hóa này làm giảm tuổi thọ của các chi tiết trong hệ thống phanh, đồng

th ời cũng là sự lãng phí năng lượng mà chiếc xe cần phải tiêu hao một lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được Tuy nhiên, vì lý do an toàn nên hệ thống phanh truyền thống vẫn được sử

d ụng mặc dù năng lượng bị tiêu tán trong quá trình phanh là không nhỏ Nghiên cứu này sẽ phát tri ển thiết kế, chế tạo và thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh được lắp thêm vào m ột chiếc xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Các bộ phận thí nghiệm được lắp thêm bao gồm: Một bộ bánh răng hành tinh kép nhằm thay đổi tỷ số truyền được

m ắc song song với trục các đăng của xe để làm quay bánh đà mỗi khi quá trình phanh hay

gi ảm tốc được thực hiện; một máy phát điện được nối đồng trục với bánh đà nhằm biến cơ năng thành điện năng nạp lại cho ắc quy và một bộ điều khiển điện tử giao tiếp với máy tính

nh ằm điều khiển và thu thập dữ liệu từ hệ thống Thực nghiệm cho thấy lượng năng lượng thu

h ồi được phụ thuộc vào tốc độ của xe khi bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc và thời gian

di ễn ra quá trình phanh Kết quả của thực nghiệm này sẽ là cơ sở để tính toán suất tiêu hao nhiên li ệu của xe khi có lắp thêm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh

T ừ khóa: hệ thống phanh tái tạo năng lượng, tích trữ động năng được thu hồi, bộ bánh

răng hành tinh, hệ thống truyền lực truyền thống

ABSTRACT

The braking process in automotive is an energy conversion from mechanical energy into heat This transformation is a waste of energy and cause damage to components in braking system However, for safety reasons the traditional braking system is still used, although the energy dissipated during braking is not small This research will design, manufacture and testing of braking energy recovery assembly which is fitted to traditional powertrain vehicle The experimental unit is fitted include: A double planetary gear set to change gear ratio isparallel with the propeller shaft of the vehicle to rotate the flywheel when braking or deceleration; a generator is connected coaxial with the flywheel to convert mechanical energy into electrical energy and an electronic controller and computer interface to collect data The experiment results show that the amount of energy recovered depends on the speed of the vehicle at starting timing of braking or deceleration and duration of braking These results will

be the fundamental to calculate of fuel consumption for the vehicle which is installed the braking energy recovery assembly

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

(KERS),planetary gear unit, conventional powertrain system

1 GI ỚI THIỆU CHUNG

Như chúng ta đã biết, quá trình phanh trên ô tô là một quá trình làm tiêu tán năng lượng

mà chi ếc xe đang có để làm cho xe giảm tốc Năng lượng động năng của xe là rất lớn, nó phụ thu ộc vào vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh Ke = ½ mV2 Trong đó:

Ke là động năng của xe [J]; m là khối lượng của xe [kg]; V là vận tốc của xe [m/s] Năng lượng này được thu hồi nhiều hay ít tùy thuộc vào kết cấu của hệ thống, kỹ thuật điều khiển

b ộ thu hồi năng lượng khi phanh và phương pháp tích trữ năng lượng này Theo các nghiên

c ứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: ắc quy điện cao áp, b ộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà và lò xo đàn hồi Với hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện cao áp thì cần phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, bộ

bi ến 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

l ực đa phần được ứng dụng trên những xe tải trọng lớn Trong khi đó phương án tích trữ năng lượng bằng bánh đà là một phương thích hợp có thể áp dụng cho những dòng xe tải trọng nhỏ như xe du lịch truyền thống Tuy nhiên việc tích trữ năng lượng bằng bánh đà cũng có nhiều

d ạng khác nhau [6]: Tích trữ dưới dạng năng lượng cơ năng: Khi phanh năng lượng được tích

tr ữ vào bánh đà và khi kết thúc quá trình phanh thì năng lượng này được giải phóng để tác động trực tiếp vào hệ thống truyền lực góp phần vào việc tăng tốc xe Với kiểu tích trữ này thì

k ết cấu cơ khí rất phức tạp; Tích trữ dưới dạng điện năng: Khi quá trình phanh hoặc giảm tốc

xe di ễn ra thì động năng của xe được tích trữ vào bánh đà Năng lượng này được chuyển hoá thành điện năng nạp lại cho ắc quy thông qua máy phát điện được gắn đồng trục với bánh đà Nghiên c ứu gần đây nhất của tác giả Tai-Ran Hsu sử dụng một bánh đà để tích trữ năng lượng

cơ năng khi phanh và một máy phát điện để biến cơ năng thành điện năng Tuy nhiên, nghiên

c ứu này được thực hiện trên bệ thử với mô tơ điện dẫn động hệ thống, bánh đà và máy phát điện chưa được ngắt khỏi hệ thống khi kết thúc quá trình phanh để tận dụng triệt để quán tính

c ủa bánh đà do đó tốc độ quán tính của bánh đà trong khi thử nghiệm là thấp nên năng lượng thu h ồi được chưa lớn Để khắc phục một số nhược điểm trên, nghiên cứu này sẽ tìm hiểu, chế

t ạo và thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng khi phanh áp dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền

l ực kiểu truyền thống với sơ đồ như trong hình 1

Hình 1 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng

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

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

hành tinh kép Lúc này năng lượng truyền qua bộ bánh răng hành tinh kép làm cho bánh đà quay d ẫn động máy phát điện nạp lại cho ắc quy Lực cản quá tính của bánh đà cũng như lực hãm điện động của máy phát điện thông qua việc điều chỉnh dòng sạc chính là lực phanh làm cho xe gi ảm tốc

2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG S Ố CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

2.1 Thông s ố cơ bản của xe thực nghiệm

Để có cơ sở tính toán các thông số của các cụm chi tiết trong bộ thu hồi năng lượng khi phanh, trước tiên ta hãy đi phân tích và tính toán sơ bộ năng lượng sinh ra trong quá trình phanh c ủa ô tô Xe thử nghiệm là xe TOYOTA HIACE 15 chỗ có kiểu hệ thống truyền lực truy ền thống với các thông số như được trình bày trong bảng 1 Điều kiện thử nghiệm trong đường đô thị nên chỉ thử nghiệm ở giải tốc độ xe từ 70 km/h trở lại

B ảng 1 Các thông số của xe thực nghiệm Các thông s ố Ký hi ệu Giá tr ị Đơn vị

Mô men quán tính kh ối lượng của bánh đà Jf 0,04 kg.m2

2.2 Thông s ố của bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh

Các định luật nhiệt động lực học và động lực học của ô tô được sử dụng để tính toán công su ất cần thiết trong quá trình phanh hoặc giảm tốc của xe tại thời điểm t bất ký được tính theo công th ức [1]:

P (t) =𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑[𝐾𝐾𝐾𝐾(𝑡𝑡) + 𝑃𝑃𝐾𝐾(𝑡𝑡)] + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡) + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡)+ Ploss (1) Trong đó:

Pe (t) là th ế năng của xe tại thời điểm t, thế năng của xe có ý nghĩa lớn trong khi xe thả

d ốc đèo Pe (t) = (mg)Δy vớiΔy là độ dốc của mặt đường; g là gia tốc trọng trường

Pa (t) là công su ất cản gió Pa= 0.5ρACD(V(t) + Vwind)3 v ới ρ là mật độ không khí [kg/m3]; Cd là h ệ số cản gió; V(t) là vận tốc của xe [m/s]; Vwind là vận tốc của gió chống lại

s ự di chuyển của xe [m/s]

P(f) là công su ất cản lăn

Ploss: là công su ất tiêu hao cho quá trình giảm tốc của xe bao gồm cả ma sát giữa các chi ti ết cơ khí và của hệ thống truyền lực

Trong nghiên c ứu thực nghiệm này, xe được thử trên đường bằng nên độ dốc coi như

b ằng không Do đó mô men và tốc độ góc của trục các đăng tại thời điểm bắt đầu phanh hoặc

gi ảm tốc được tính như sau [5]:

Tω(t) = Rω�Rr+12ρACD(V(t) + V wind)2+ �Jω

Rω2 + m�dtdv(t)� (2)

ωt = 1

T rong đó: Tω(t) là mô men tác dụng lên trục các đăng; ωt là t ốc độ góc của trục các đăng [rad/s]; i0 là tỷ số truyền của bộ truyền lực cuối ; và ωω là t ốc độ góc của bánh xe [rad/s]

D ựa trên thông số cơ bản của xe và tốc độ xe tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình phanh là kho ảng 70 km/h trở xuống, các thông số của bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh được sử dụng để thực nghiệm được lắp đặt trên xe với các thông như sau: bộ truyền động xích

có t ỷ số truyền 0,85; bộ bánh răng hành tinh kép có tỷ số truyền là 0,11; ly hợp; bộ phanh

th ủy lực tác động để hãm bánh răng bao làm quay bánh đà dẫn động máy phát điện; bánh đà

có kh ối lượng là 4kg và một máy phát điện có công suất 1 mã lực

Hình 2 Các b ộ phận của hệ thống phanh tái tạo năng lượng được lắp trên xe

Trên hình 2 là v ị trí các bộ phận trong mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng được lắp trên xe và đưa xe vào bệ thử để kiểm tra thử nghiệm các kết cấu cơ khí cũng như chương trình điều khiển trước khi được thử nghiệm trên đường

Hình 3 B ảng điều khiển và giao diện hiển thị trên máy tính các thông số thực nghiệm

H ệ thống điều khiển và thu thập số liệu thực nghiệm bao gồm các bộ phận chính như sau:

- B ộ điều khiển phanh và mạch công suất có nhiệm vụ điều khiển phanh bánh răng bao

c ủa bộ bánh răng hành tinh kép một cách tự động dựa trên các tín hiệu từ người lái

- B ộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến điện xoay chiều từ máy phát thành điện một chiều cung c ấp cho phụ tải điện (máy phát được sử dụng là máy phát xoay chiều 3 pha)

- B ộ điều chỉnh dòng điện có tác dụng thay đổi dòng điện của phụ tải tác dụng lên máy phát để sinh ra lực phanh làm cho xe giảm tốc

- B ộ giao tiếp với máy tính có tác dụng thu thập các số liệu như: tốc độ xe, tốc độ máy phát (t ốc độ bánh đà); điện áp của máy phát phát ra và dòng điện của phụ tải

- Giao di ện hiển thị và giao tiếp với máy tính được thiết kế dựa trên phần mềm LabVIEW

3 TH ỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

3.1 Mô t ả điều kiện thực nghiệm

Sau khi l ắp đặt các bộ phận cơ khí, kết nối các cảm biến và các bộ chấp hành với mạch điều khiển thu thập dữ liệu nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm kiểm tra kết cấu cơ khí và chương trình điều khiển trên băng thử sau đó thực nghiệm trên đường với quy trình như sau:

L ần lượt tăng tốc xe lên từng tốc độ khác nhau Khi xe đạt được tốc độ mong muốn nhất định,

b ộ điều khiển bắt đầu kích hoạt cho hãm bánh răng bao trên bộ truyền bánh răng hành tinh kép Cùng lúc đó ly hợp được ngắt để hạn chế phanh bằng động cơ Các tín hiệu về tốc độ xe;

t ốc độ máy phát; điện áp; dòng điện được truyền liên tục lên máy tính

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

D ựa trên lưu đồ giải thuật điều khiển được lập trình cho vi xử lý, nhóm tiến hành làm

th ực nghiệm ở các tốc độ xe tại thời điểm bắt đầu phanh là 30km/h; 40km/h; 50 km/h và 60km/h Các thông s ố dữ liệu thu hồi được như tốc độ xe, tốc độ máy phát, dòng điện và điện

áp phát ra được cập nhật một cách liên tục Sau khi thu thập được các số liệu nhóm tiến hành phân tích và x ử lý số liệu thực nghiệm và thu được kết quả như hình 4b và hình 5

Hình 5 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện theo thời gian phanh

ở các tốc độ xe khác nhau

Theo như kết quả thu được thì khi bắt đầu quá trình phanh, tốc độ máy phát (bánh đà) tăng lên rất nhanh làm cho dòng điện và điện áp máy phát tăng theo tuyến tính Sau khoảng

th ời gian phanh, bánh đà quay tự do theo quán tính của nó với tốc độ giảm dần theo thời gian Điều này làm cho điện áp và dòng điện sinh ra cũng giảm theo

3.2 Tính toán năng lượng thu được

D ựa trên các thông số thực nghiệm thu được như trên hình 5 ta sẽ tính năng lượng thu

h ồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc Tại một thời điểm bất kì, công suất thu được được tính theo công thức: P=U * I[W]

Trong đó: U, I lần lượt là dòng điện và điện áp của máy phát phát ra tại thời điểm t bất

k ỳ Theo kết quả thực nghiệm thu được ta đi xây dựng được đồ thị công suất như trên hình 6

D ựa trên đường cong công suất ta sẽ tính được năng lượng tái tạo khi phanh của xe trong kho ảng thời gian bộ thu hồi năng lượng tái tạo hoạt động

Năng lượng tạo ra được từ hệ thống được tính chính xác theo công thức:

E = ∫ P(t)dttn

N ếu công suất thu được là hằng số, có đồ thị là một đường thẳng song song với trục thời gian thì năng lượng thu được được tính như sau:

E = P.△ t = P �tn– t0� (4) Tuy nhiên, d ựa theo các bảng số liệu thu được thì các giá trị thay đổi liên và đường công su ất là đường cong nên ta sử dụng phương pháp tính gần đúng các giá trị năng lượng thu được

Hình 6 Đồ thị công suất thu được theo thời gian

Theo đồ thị trên, ta có thể tính gần đúng năng lượng thu được theo các điểm giá trị như trên hình:

E = E1 + E2 + ⋯ + E4 = Ptb1(t1− t0) + Ptb2(t2− t1) + ⋯ + Ptb4(t5− t4 )

= P1+ P02 (t1 − t0) + P2+ P12 (t2 − t1) + ⋯ + P5+ P42 (t5 − t4) (5) Các điểm giá trị lấy được càng nhiều và khoảng thời gian lấy mẫu các giá trị đó càng

nh ỏ thì năng lượng tính được càng chính xác Ta có công thức tổng quát sau:

E = ∑ �Pi +Pi+1

2 �

n−1

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

E = ∑ �Pi +Pi+1

2 � n−1

D ựa vào công thức trên và các bảng số liệu có được ta tính được gần đúng năng lượng thu được ứng với các tốc độ bắt đầu phanh khác nhau:

Bảng 2 Bảng giá trị năng lượng thu được theo vận tốc xe tại thời điểm phanh

T ốc độ bắt đầu phanh (km/h) Năng lượng thu được (J)

Hình 7 Đồ thị năng lượng thu được theo vận tốc xe

V ận tốc xe tại thời điểm bắt đầu phanh càng cao thì động năng chuyển động của xe càng

l ớn, do đó năng lượng thu được bằng hệ thống RBS càng nhiều Động năng chuyển động của

xe là m ột hàm số bậc 2 theo vận tốc Do đó, đồ thị năng lượng thu được cũng gần giống một hàm b ậc 2 theo tốc độ xe Trong nghiên cứu này, do khả năng gia công chính xác các kết cấu

cơ khí chưa cao nên năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh là chưa lớn Để năng lượng tái tạo khi phanh được thu hồi lớn hơn nữa, các nghiên cứu tiếp theo sẽ đi tính toán tối

ưu hoá các cụm chi tiết của hệ thống đặc biệt là bánh đà sẽ được đặt trong môi trường chân không để giảm lực cản gió, sử dụng các ổ bi từ để giảm tổn hao do ma sát

4 KẾT LUẬN

Bài báo này đã trình bày được phương án thiết kế, xây dựng được mô hình thực nghiệm, các b ộ điều khiển và thu thập dữ liệu hệ thống phanh tái tạo năng lượng dựa trên xe ô tô có

ki ểu hệ thống truyền lực truyền thống Thực nghiệm và tính toán năng lượng tái tạo được khi phanh ở các tốc độ khác nhau Kết quả thực nghiệm này sẽ là cơ sở cho việc tính toán tối ưu hóa k ết cấu của hệ thống, tính toán sức tiêu hao nhiên liệu của xe khi trang bị thêm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh khi phanh Hướng phát triển tiếp theo sẽ đi tính toán cân bằng công su ất, mô men khi phanh giữa hệ thống phanh tái tạo năng lượng và hệ thống phanh cơ khí t ừ đó đưa ra giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ thống

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tai-Ran Hsu, On a Flywheel-Based Regenerative Braking System for Regenerative Energy Recovery, Department of Mechanical Engineering, San Jose State University, San

Jose, Canada, 2013

[2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144

0 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Năng lượng thu được (J)

v (km/h)

E (J)

[3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS) for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas [4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011

[5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands

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

University of Leeds

THÔNG TIN TÁC GIẢ

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

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