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

Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên cứu trong luận văn này là: Nghiên cứu các phương án thiết kế hệ thống phanh trên xe Hybrid có tính năng thu hồi một phần năng lượng của quá trình phanh.. Có

1

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Lưu Tuấn Hải

2 MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ 6

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 10

1.1 Khái niệm Ô tô Hybrid và ý nghĩa sử dụng 10

1.2 Các chế độ làm việc và các kiểu truyền lực Ô tô Hybrid 15

1.2.1 Các chế độ làm việc 15

1.2.2 Các phương án bố trí cơ bản hệ thống truyền lực của Ô tô Hybrid 17

1.3 Ý nghĩa việc thu hồi năng lượng quá trình phanh của Ô tô Hybrid 20

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN THU HỒI NĂNG LƯỢNG PHANH 24

TRÊN Ô TÔ HYBRID 24

2.1 Nguyên lý thu hồi năng lượng phanh trên xe Ô tô Hybrid 24

2.2 Các phương án thu hồi năng lượng quá trình phanh 26

2.2.1 Các phương án phân bố, điều khiển lực phanh thu hồi và phanh cơ khí 26

2.2.2 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên hiệu quả phanh 27

2.2.3 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên chế độ thu hồi 29

2.2.4 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh song song 32

2.3 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh trên Ô tô Toyota Prius 35

3 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG PHANH TRÊN XE Ô TÔ HYBRID 39

3.1 Mô hình tính toán quá trình phanh 39

3.2 Tính toán động lực quá trình phanh 41

3.2.1 Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình phanh Ô tô khi chuyển động trên đường thẳng 41

3.2.2 Tính các lực dọc tại bánh trước Fx1 và bánh sau Fx2 42

3.2.3 Tính toán mô men phanh 45

3.3 Thuật toán và năng lượng thu hồi của quá trình phanh 50

 Năng lượng thu hồi trong quá trình phanh 51

3.5 Nhận xét: 52

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG PHANH 53

4.1 Tính toán, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink 53

4.2 Các kết quả tính toán và đánh giá 62

 Thông số tính toán: 62

 Khảo nghiệm, đánh giá 63

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

5

28 Kv Hệ số xét đến ảnh hưởng vận tốc

29 Ksoc Hệ số xét đến khả năng nạp của Ắc quy

31 i Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực

6 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Đặc tính lý tưởng của nguồn động lực trên Ô tô 13

Hình 1.2: Đặc tính động cơ đốt trong 13

Hình 1.3: Đặc tính động cơ điện 14

Hình 1.4: Các chế độ làm việc của Ô tô Hybrid 15

Hình 1.5: Các kiểu truyền lực Hybrid 17

Hình 1.6: Kiểu Ô tô Hybrid truyền lực nối tiếp 18

Hình 1.7: Ô tô Hybrid kiểu truyền lực song song 19

Hình 1.8: Quan hệ năng lượng phanh và tốc độ khi chạy trong thành phố 21

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng phanh 24

Hình 2.2: Đặc tính mô men phanh của động cơ điện 25

Hình 2.3: Đường phân bố lực phanh lý tưởng cầu trước và cầu sau 26

Hình 2.4: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau 27

Hình: 2.5: Thuật toán điều khiển ưu tiên hiệu quả phanh 28

Hình 2.6: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh thu hồi lực phanh ưu tiên chế độ thu hồi 30

Hình 2.7: Sơ đồ thuật toán điều khiển ưu tiên thu hồi năng lượng 31

Hình 2.8: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh thu hồi lực phanh song song 32

Hình 2.9: Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống phanh song song 33

Hình 2.10: Các phương án phân bố lực phanh thu hồi và phanh cơ khí 34

Hình 2.11: Động cơ điện của hệ thống thu hồi lực phanh 35

Hình 2.12: Đặc tính động cơ điện trên xe Toyota Prius 35

Hình 2.13 Màn hình hiển thị trên bảng điều khiển 36

7 Hình 2.14 Bộ chuyển đổi điện 36

Hình 2.15: Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius 37

Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thu hồi năng lượng phanh Toyota Prius 38

Hình 3.1 : Mô hình tính toán quá trình phanh ô tô trên đường thẳng 40

Hình 3.2 : Sơ đồ thuật toán tính lực dọc theo mô hình Dugoff 44

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán cơ cấu phanh guốc 45

Hình 3.4: Đặc tính động cơ điện 1 chiều 47

Hình 3.5 : Quan hệ giữa Kv vận tốc của Ô tô 47

Hình 3.6 :Quan hệ giữa hệ số Ksoc và % SOC 48

Hình 3.7 Các pha làm việc của ABS điều khiển theo độ trƣợt 48

Hình 3.8 Thuật toán điều khiển ABS 49

Hình 3.9: Thuật toán điều khiển quá trình thu hồi năng lượng phanh 51

Hình 4.1 Mô hình tính vận tốc, gia tốc, quãng đường phanh 53

Hình 4.2 Mô hình tính Fx1, Fy1 54

Hình 4.3 Mô hình tính f z1 54

Hình 4.4 Mô hình tính hệ số muy1 55

Hình 4.5 Mô hình tính Fz1 và Fmuy1 55

Hình 4.7 Mô hình tính Fx2, Fy2 55

Hình 4.8 Mô hình tính fz2 56

Hình 4.9 Mô hình tính Fz2 và Fmuy2 56

Hình 4.10: Mô hình tính mô men phanh và độ trượt bánh trước 57

Hình 4.11: Mô hình tính mô men phanh thu hồi 58

Hình 4.12: Mô hình tính hệ số Ksoc 58

Hình 4.13: Mô hình tính hệ số Kv 59

8 Hình 4.14: Mô hình tính mô men động cơ điện 59

Hình 4.15 Mô phỏng mô men phanh và độ trượt bánh sau 60

Hình 4.16 Mô hình tính năng lượng thu hồi 61

Hình 4.17 Mô hình điều khiển chương trình 61

Hình 4.18: Quãng đường phanh và vận tốc Ô tô khi chỉ có phanh thu hồi 63

Hình 4.19 Mô men phanh trên các cầu trước và sau 64

Hình 4.20: Vận tốc và quãng đường phanh khi phanh với gia tốc 2 m/s 2 64

Hình 4.21: Năng lượng của cả hệ thống khi phanh với jyc = 2m/s 2 65

Hình 4.22: Công và công suất thu hồi năng lượng khi phanh với j yc = 2m/s 2 65

Hình 4.23: Mô men phanh cơ khí của các bánh xe khi j yc = 4 m/s 2 66

Hình 4.24: Vận tốc và quãng đường phanh khi chỉ dùng phanh cơ khí 66

Hình 4.25: Vận tốc và quãng đường phanh khi có hệ thống thu hồi với j yc = 4 m/s 2 67

Hình 4.27: Năng lượng thu được của cả hệ thống phanh vơi jyc = 4m/s 2 …… 68

9

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội là nhu cầu về sự gia tăng về

phương tiện, đặc biệt là Ô tô Điều đó dẫn đến hệ quả là ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn nhiêu liệu dầu mỏ Điều đó đặt ra cho những nhà nghiên cứu yêu cầu phải tìm ra nguồn năng lượng thay thế Đã có rất nhiều nguồn năng lượng được nghiên cứu và thí nghiệm như, năng lượng mặt trời, gió, nhiên liệu sinh học… đó là những năng lượng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường Nhưng chúng có những nhược điểm mà chưa khắc phục được như công nghệ chế tạo phức tạp, giá thành cao…

Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu truyền thống do hoạt động ở các chế độ tải khác nhau nên gây ra tốn nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Trong khi đó với động cơ điện có rất nhiều ưu điểm cho nguồn động lực Ô tô nhưng lại có nhược điểm là ắc quy rất lớn, độ bền chưa cao và thời gian nạp lâu Vì vậy các hãng đã đưa ra những chiếc xe Hybrid sử dụng cả 2 nguồn năng lượng là điện và nhiệt để tận dụng những ưu điểm của 2 nguồn năng lượng này Trên xe Ô tô Hybrid có rất nhiều ưu điểm trong đó có một tính năng thu hồi 1 phần năng lượng quá trình phanh nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên

cứu trong luận văn này là: Nghiên cứu các phương án thiết kế hệ thống phanh trên xe Hybrid có tính năng thu hồi một phần năng lượng của quá trình phanh

Trong quá trình thực hiện đề tài, học viên đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo trong viện Cơ khí Động lực Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, và đặc biệt là PGS TS Phạm Hữu Nam Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, cũng như thời gian có hạn, nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy giáo cùng các đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

Hà nội, ngày 30 tháng 09 năm 2013

Lưu Tuấn Hải

10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Hệ thống phanh là hệ thống an toàn bắt buộc phải có trên xe Ô tô Tuy nhiên quá trình phanh Ô tô là quá trình tiêu tốn năng lượng của động cơ để chuyển thành nhiệt năng một cách vô ích Ngoài ra nhiệt năng đó còn gây ra những biến xấu không tốt cho các chi tiết của hệ thống phanh Vì vậy có thể thu hồi được năng lượng đó thì sẽ góp phần đáng kể trong việc tiết kiệm nhiên liệu Hiện nay hệ thống thu hồi thường được sử dụng trên Ô tô Hybrid

1.1 Khái niệm Ô tô Hybrid và ý nghĩa sử dụng

Ô tô Hybrid là một chiếc xe có nguồn động lực từ 2 nguồn năng lượng trở lên

Hiện nay đa số Ô tô đang sử dụng nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ

là xăng và dầu Diesel Đây là nguồn năng lượng có trữ lượng lớn nhưng không phải

là nguồn năng lượng tái tạo Và với mức sử dụng như hiện nay thì nguồn năng lượng này đang có nguy cơ cạn kiệt trong vài chục năm tới Đã có nhiều những biện pháp công nghệ thay đổi hoặc điều chỉnh nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu như

hệ thống phun xăng điện tử, phân phối khí thông minh, hay giải pháp thay đổi tỉ số nén của động cơ tùy chế độ làm việc… Tuy nhiên đó chỉ là những giải pháp tình thế và chỉ tiết kiệm được phần nào trong khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ vẫn dần cạn kiệt do nhu cầu sử dụng của con người ngày càng lớn Hơn nữa động cơ đốt trong

có nhược điểm là hiệu suất thấp và phát thải gây ô nhiễm môi trường

Từ thực tế đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu để tìm ra loại nhiên liệu mới có thể tái tạo được nhằm thay thế cho loại nhiên liệu truyền thống

Các loại nhiên liệu đang được nghiên cứu thay thế cho nhiên liệu dầu mỏ:

- Nhiên liệu sinh học

- Năng lượng mặt trời, gió, thủy lực

- Năng lượng nguyên tử

- Pin nhiên liệu

11

 Nhiên liệu sinh học

Đây là nguồn năng lượng có thể tái tạo Ethanol thay thế cho nhiên liệu xăng Bios diesel thay thế cho nhiên liệu diesel Đây là 2 loại nhiên liệu thay thế có nhiều

ưu điểm so với nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên để tạo ra loại nhiên liệu này cần

sử dụng nguyên vật liệu là các loại ngũ cốc, dầu thực vật hoặc mỡ động vật Điều này gây ra mâu thuẫn với nguồn thực phẩm để nuôi sống con người Chúng ta không thể chế biến thực phẩm thành chất đốt trong khi vẫn còn rất nhiều người dân trên thế giới không có thực phẩm để ăn Loại thứ 2 có thể dùng nguyên liệu có nguồn gốc thực vật có nhiều chất sơ Tuy nhiên, đối với loại này công nghệ sản xất chưa được hoàn thiện và phải dùng một nguồn năng lượng khác để chuyển thành nhiên liệu sinh học Hơn nữa, việc sử dụng nguyên vật liệu này cũng làm ảnh hưởng đến cơ cấu cây trồng và cuối cùng cũng gây ra mâu thuẫn với ngành thực phẩm

Vì vậy đây cũng chưa phải là nguồn nhiên liệu thay thế cho Ô tô bởi những nhược điểm khó có thể khắc phục được của chúng

 Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy lực

Đây là những dạng năng lượng vô hạn Tuy nhiên chúng không thể sử dụng trực tiếp làm năng lượng cho Ô tô mà cần phải chuyển đổi sang 1 dạng năng lượng khác là điện năng Ngoài ra, các dạng năng lượng này thường có nhược điểm về vị trí địa lý và điều kiện thời tiết Vì vậy đây cũng không phải là nguồn năng lượng thay thế hoàn toàn trên Ô tô

 Năng lượng hạt nhân

Đây là một dạng năng lượng không thể trực tiếp sử dụng trên Ô tô Nó phải được chuyển đổi sang 1 dạng năng lượng khác là điện năng Đã có rất nhiều những nhà máy điện hạt nhân trên thế giới Tuy nhiên, hiện nay các nước như Pháp, Nhật

… cũng đang loại bỏ dần các nhà máy này vì khi có thiên tai thì nó sẽ gây ra hậu quả rất nghiêm trọng đến sức khỏe con người

 Pin nhiên liệu

Nguyên liệu cho dạng năng lượng này là Hydro và Oxy được lấy trong tự nhiên Quá trình biến đổi hóa học theo phản ứng sau:

sử dụng trên Ô tô

Như vậy đã có nhiều loại nhiên liệu được nghiên cứu để thay thế nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên, các loại nhiên liệu thay thế đó chưa hoàn thiện công nghệ sản xuất hoặc gây ra những mâu thuẫn với nguồn thực phẩm nuôi sống con người

Vì vậy trước khi tìm được loại nhiên liệu thay thế cần phải giải quyết vấn đề cấp bách hiện tại Nếu chưa tìm được nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu dầu

mỏ thì có thể thay thế một phần để tiết kiệm nhiêu liệu dầu mỏ Một giải pháp cho vấn đề này là kết hợp 2 nguồn động lực để tận dụng những ưu điểm của nguồn động lực này khắc phục nhược điểm của nguồn động lực kia Có nhiều cách kết hợp các nguồn động lực như động cơ đốt trong với động cơ điện, động cơ đốt trong với động cơ khí nén… Tuy nhiên, trên Ô tô Hybrid hiện nay chủ yếu dùng loại kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện

Việc kết hợp động cơ đốt trong với 1 động cơ điện làm cho động cơ đốt trong chỉ cần công suất nhỏ Vì khi đó sẽ có 2 nguồn động lực cùng kéo Ô tô chuyển động Ngoài ra, động cơ đốt trong có thể chỉ phải làm việc trong 1 chế độ nhất định

để quay máy phát cung cấp điện cho động cơ điện

Nguồn động lực lý tưởng trên Ô tô có các yêu cầu sau:

- Thực hiện truyền mô men ngay khi tốc độ động cơ ω = 0 và đặc tính có dạng hypecbon

- Sử dụng ở chế độ công suất lớn nhất Nemax

13

- Tiết kiệm năng lượng và không gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.1: Đặc tính lý tưởng của nguồn động lực trên Ô tô

 Nguồn động lực động cơ đốt trong:

Hình 1.2: Đặc tính động cơ đốt trong

Động cơ xăng và động cơ Diesel còn tồn tại một số nhược điểm:

- Hiệu suất chuyển hoá năng lượng thấp

- Đặc tính của động cơ là dạng parabon

- Không làm việc hoặc làm việc không ổn định ở tốc độ thấp

- Tiêu thụ nhiên liệu cao khi dùng ở vùng  lớn (sử dụng ở tốc độ cao) và vùng  nhỏ (sử dụng ở tải trọng lớn)

- Sử dụng nhiên liệu nguồn gốc từ dầu mỏ có khả năng gây ô nhiễm môi trường và là nhiên liệu không thể tái sử dụng trong khi lượng dầu mỏ đang dần cạn kiệt

 Nguồn động lực động cơ điện:

- Động cơ điện có nhiều ưu điểm phù hợp đối với điều kiện vận hành của Ô

tô Đường đặc tính của động cơ điện có dạng gần giống với nguồn động lực lý tưởng như hình 1.3

- Động cơ điện cũng thỏa mãn tốt những tiêu chí về môi trường Ngoài ra động cơ điện cũng dễ chế tạo và dễ điều khiển

Hình 1.3: Đặc tính động cơ điện

Tuy nhiên yêu cầu đặt ra đối với động cơ điện là phải có 1 nguồn điện là ắc quy Ắc quy của loại xe này không phải ắc quy axit hay ắc quy chì như những xe thông thường Yêu cầu đối với ắc quy cho Ô tô Hybird là có điện áp cao, dung lượng lớn cũng như việc nạp điện phải nhanh chóng để phù hợp với điều kiện vận hành Do đó cần phải có một ắc quy rất lớn làm tăng trọng lượng của xe và làm giảm công suất động cơ Hơn nữa do công nghệ về ắc quy chưa hoàn thiện nên độ bền của ắc quy chưa cao và giá thành đắt Để có thể khắc phục nhược điểm đó trên

xe Hybrid động cơ đốt trong và động cơ điện được kết hợp với nhau để tận dụng những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của nhau

Có nhiều kiểu kết hợp nguồn năng lượng đáp ứng yêu cầu sử dụng của Ô tô

Hybrid được mô tả dưới đây:

Hình 1.4: Các chế độ làm việc của Ô tô Hybrid

- Chế độ 1: Năng lượng từ nguồn 1 qua bộ chuyển đổi năng lượng đến tải

- Chế độ 2: Năng lượng từ nguồn 2 qua bộ chuyển đổi năng lượng đến tải

- Chế độ 3: Năng lượng từ cả nguồn 1 và 2 đến tải đồng thời

- Chế độ 4: Năng lượng có được từ tải

- Chế độ 5: Năng lượng từ nguồn 2 có được từ nguồn năng lượng 1

- Chế độ 6: Năng lượng từ nguồn 2 có được từ nguồn năng lượng 1 tùy từng thời điểm

- Chế độ 7: Năng lượng từ nguồn 1 cung cấp cho tải và nguồn năng lượng 2 cùng 1 thời gian

- Chế độ 8: Năng lượng nguồn 1 cung cấp năng lượng cho nguồn 2 và nguồn năng lượng 2 cung cấp năng lượng cho tải

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

16

Các chế độ này của Ô tô Hybrid có ý nghĩa:

 Chế độ 1: Chế độ này động cơ đốt trong cung cấp năng lƣợng cho bánh

xe qua hệ thống truyền lực để xe Ô tô chuyển động Ở chế độ này có thể ắc quy gần nhƣ hết điện hoàn toàn, động cơ đốt trong không có năng lƣợng dƣ để nạp điện cho ắc quy, hoặc khi ắc quy đã đƣợc sạc đầy và động cơ có thể cung cấp đủ công suất để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng của chiếc xe

 Chế độ 2: Chế độ này chỉ có động cơ điện hoạt động và động cơ đốt trong không hoạt động Chế độ này có thể đƣợc dùng ở những thời điểm mà động cơ đốt trong hoạt động không hiệu quả nhƣ ở tốc độ thấp hoặc ở những nơi yêu cầu về mức độ khí thải nhỏ

 Chế độ 3: Chế độ này là chế độ sử dụng cả 2 nguồn lực kéo là động cơ điện và động cơ đốt trong để có thể sử dụng một năng lƣợng lớn để tăng tốc hoặc leo dốc Chế độ này có ở trên Ô tô Hybrid có hệ thống truyền lực kiểu song song và hỗn hợp

 Chế độ 4: Chế độ này là chế độ thu hồi một phần năng lƣợng khi phanh nhằm tiết kiệm nhiên liệu Động năng hoặc thế năng của xe đƣợc thu hồi thông qua 1 động cơ điện có chế độ hoạt động nhƣ 1 máy phát điện Năng lƣợng thu hồi đƣợc sạc vào ắc quy để tái sử dụng

 Chế độ 5: Chế độ này là chế độ động cơ đốt trong sạc cho ắc quy khi đứng yên, xuống dốc hoặc khi giảm dần tốc độ Ở chế độ này động cơ đốt trong thừa năng lƣợng so với yêu cầu lực kéo của Ô tô Trong đó không có năng lƣợng đi vào hoặc từ tải đến Tức là không có năng lƣợng từ hệ thống thu hồi năng lƣợng phanh

 Chế độ 6: Chế độ này là cả 2 chế độ thu hồi năng lƣợng phanh và động

cơ đốt trong sạc cho ắc quy cùng 1 lúc Tức là động cơ đốt trong dƣ năng lƣợng và nạp cho ắc quy trong khi hệ thống thu hồi năng lƣợng của quá trình phanh cũng làm việc

 Chế độ 9: Chế độ này là chế độ mà trong đó năng lượng đưa vào ắc quy từ động cơ đốt trong qua khối lượng của xe Hình dạng điển hình của loại này là hai hệ thống truyền lực tách biệt nhau phía trước và phía sau của Ô tô

1.2.2 Các phương án bố trí cơ bản hệ thống truyền lực của Ô tô Hybrid

Trên cơ sở có 2 nguồn động lực là động cơ điện và động cơ đốt trong nên sẽ

có nhiều kiểu truyền lực cho Ô tô Hybrid Có các kiểu truyền lực cho Ô tô Hybrid là truyền lực kiểu nối tiếp, truyền lực kiểu song song và truyền lực kiểu hỗn hợp được

mô tả như trên hình 1.5

Hình 1.5: Các kiểu truyền lực Hybrid

a Kiểu Hybrid nối tiếp b Kiểu Hybrid song song c,d Kiểu Hybid hỗn hợp

18

 Ô tô Hybrid truyền lực kiểu nối tiếp :

Trong kiểu truyền lực này động cơ đốt trong hoạt động chỉ để kéo máy phát sinh ra điện năng Dòng điện sinh ra được chia làm 2 phần, một để sạc cho ắc quy

và một cung cấp cho động cơ điện kéo cho xe chuyển động Động cơ điện ở đây có

thể làm việc ở 2 chế độ là động cơ điện và chế độ máy phát Chế độ động cơ để kéo cho xe chuyển động, chế độ máy phát dùng ở chế độ thu hồi một phần năng lượng khi phanh Do động cơ điện truyền lực kéo tới bánh xe nên lực kéo trên bánh xe có đặc tính của động cơ điện Hệ thống truyền lực kiểu này được mô tả như trên hình

1.6

Ưu điểm: Động cơ đốt trong có thể chọn làm việc trong vùng ổn định nên suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ giảm được ô nhiễm môi trường Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy

Hình 1.6: Kiểu Ô tô Hybrid truyền lực nối tiếp

Nhược điểm: Tuy nhiên, Ô tô Hybrid nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm

như: Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên

dễ bị quá tải

19

 Ô tô Hybrid truyền lực kiểu song song :

Ở kiểu này dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song Cả động cơ nhiệt và mô tơ điện cùng truyền lực tới trục bánh xe với mức độ tuỳ theo các điều kiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền mômen chính còn môtơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc

Ở hệ thống Hybrid này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện

có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó

có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho

ắc quy Kiểu Hybrid này được mô tả như ở hình 1.7

Hình 1.7: Ô tô Hybrid kiểu truyền lực song song

Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ lớn hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc

1.3 Ý nghĩa việc thu hồi năng lượng quá trình phanh của Ô tô Hybrid

Yêu cầu đối với hệ thống phanh là quãng đường phanh phải ngắn nhất và đảm bảo ổn định hướng khi phanh Để quãng đường phanh ngắn cần cung cấp đủ

mô men phanh cho các bánh xe Để đảm bảo ổn định hướng cho phương tiện cần phân phối lực phanh các bánh xe ở các cầu là bằng nhau và nằm trong giới hạn bám của bánh xe với mặt đường Với hệ thống phanh truyền thống khi trong quá trình phanh động năng được chuyển thành nhiệt năng thoát ra môi trường Đây là một năng lượng làm tiêu tốn công suất của động cơ một cách vô ích Ví dụ như khi phanh Ô tô nặng 1500 kg ở tốc độ 100 km/h về 0 km/h cần phải tiêu tốn 1 năng lượng là 0.16 Kwh Nếu năng lượng này dùng làm nguồn động lực để cho xe đó chạy thì Ô tô có thể chạy được khoảng 2 km Như vậy năng lượng vô ích tiêu hao trong quá trình phanh là rất lớn Ngoài ra, nhiệt sinh ra có thể làm giảm hiệu quả của hệ thống phanh khi phanh liên tục và làm cho các chi tiết của hệ thống nhanh hỏng như mòn má phanh, đĩa phanh, dầu phanh Vì vậy nếu có thể thu hồi được phần năng lượng này thì có thể tiết kiệm nhiên liệu đáng kể

Một trong những tính năng quan trọng để Ô tô Hybrid tiết kiệm nhiên liệu là khả năng thu hồi một lượng đáng kể năng lượng trong quá trình phanh Một động cơ điện có thể được điều khiển và hoạt động như một máy phát điện để chuyển động năng của Ô tô thành năng lượng điện nạp cho ắc quy và được tái sử dụng

Trong quá trình phanh, lực phanh lên cầu trước thường lớn hơn cầu sau Do

Hình 1.8: Quan hệ năng lượng phanh và tốc độ khi chạy trong thành phố

a Bánh trước b Bánh sau

Vì vậy hệ thống thu hồi năng lượng phanh sẽ có hiệu quả cao khi thu hồi năng lượng phanh ở cầu trước với cầu trước chủ động

Tuy nhiên hệ thống phanh Ô tô cần phải bố trí trên cả cầu trước và cầu sau

để đảm bảo hiệu quả và an toàn Vì vậy trên xe Hybrid hệ thống thu hồi năng lượng phanh cần phải kết hợp với hệ thống phanh cơ khí thông thường Điều đó đặt ra vấn

đề là phải đặt hệ thống thu hồi ở đâu, phân bố giữa lực phanh thu hồi và phanh cơ khí thông thường như thế nào để có thể đảm bảo các yêu tố về hiệu quả phanh cũng như hiệu quả năng lượng thu hồi

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu

Đối với hệ thống thu hồi năng lượng của quá trình phanh trên xe Ô tô Hybrid trên thế giới đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu của nhiều tác giả

và của hãng lớn nghiên cứu chế tạo trên những chiếc Ô tô Hybrid của mình

Nghiên cứu “Design of an Anti-Lock Regenerative Braking System for a Series Hybrid Electric Vehicle” của M M Tehrani, M R Hairi -Yazdi, B Haghpanah-Jahromi, V Esfahanian, M Amiri and A R Jafari Nghiên cứu thiết kế

hệ thống thu hồi năng lượng quá trình phanh trên xe Hybrid kiểu nối tiếp có ABS

Nghiên cứu Modern Electric Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles 2nd Edition của Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi là nghiên cứu về các chế độ làm việc của Hybrid Các phương án thu hồi lực phanh trên Ô tô Hybrid Tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa đánh giá cụ thể kết quả của từng phương án mà chỉ là lý thuyết định tính phục vụ cho giảng dạy

Ở trong nước, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về xe Hybrid như hệ thống truyền lực hay Ắc quy Nhưng chưa có đề tài nào nghiên cứu về các phương án thu hồi năng lượng trong quá trình phanh

Trong thực tế, hệ thống phanh có thu hồi năng lượng phanh đã được các hãng nghiên cứu thiết kế và đưa lên những chiếc Ô tô Hybrid của mình Tuy nhiên, chưa có những tài liệu giảng dạy cho các trường về vấn đề này cũng như những tài liệu về hướng dẫn sửa chữa ở trong nước Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu các phương án thiết kế hệ thống phanh trên xe Hybrid có tính năng thu hồi một phần năng lượng của quá trình phanh.”

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là:

- Nghiên cứu ý nghĩa của việc thu hồi một phần năng lượng trong quá trình phanh của Ô tô Hybrid

- Phân tích các phương án thu hồi một phần năng lượng của quá trình phanh

- Xây dựng mô hình tính toán và đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng phanh

23

Nội dung của luận văn được trình bày qua các chương

Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Trong chương này trình bày các phân tích về ý nghĩa của hệ thống thu hồi năng lượng phanh trên xe Hybrid Nhiên liệu truyền thống là dầu mỏ đang dần cạn kiệt nên cần phải tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế Tuy nhiên chưa có nguồn nhiên liệu nào thay thế được hoàn toàn dầu mỏ Vì vậy, có thể thay thế 1 phần bằng cách kết hợp động cơ đốt trong với một nguồn năng lượng khác trên xe Hybrid để tiết kiệm nhiên liệu Ô tô Hybrid có 1 chế độ làm việc là thu hồi năng lượng phanh sẽ tiết kiệm nhiên liệu rất hiệu quả

Chương II: Các phương án thu hồi năng lượng phanh trên Ô tô Hybrid Trong chương này trình bày nguyên lý của hệ thống thu hồi năng lượng phanh và các phương án thu hồi Nguyên lý của hệ thống thu hồi làm việc dựa trên chế độ máy phát của động cơ điện Do đó hệ thống thu hồi sẽ áp dụng với cầu chủ động Hệ thống thu hồi không làm việc độc lập mà kết hợp cùng hệ thống phanh cơ khí để đảm bảo về yêu cầu phanh Ô tô Vì vậy, có các phương án kết hợp 2 hệ thống này là hệ thống phanh nối tiếp và hệ thống phanh song song Hệ thống phanh nối tiếp có loại ưu tiên hiệu quả phanh và loại ưu tiên năng lượng thu hồi

Chương III: Mô hình động lực học hệ thống thu hồi năng lượng phanh trên

Trên cơ sở hệ phương trình vi phân tính được ở chương 3 Trong chương này

sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để giải các phương trình được thiết lập trong chương 3 Tính toán với một thông số cụ thể và khảo sát với các trường hợp gia tốc

phanh khác nhau để từ đó đưa ra các đánh giá và kết luận cho các phương án

24

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN THU HỒI NĂNG LƯỢNG PHANH

TRÊN Ô TÔ HYBRID

Có nhiều phương án thu hồi năng lượng phanh trên Ô tô Hybrid được đưa ra như thu hồi bằng bánh đà hoặc thu hồi bằng động cơ điện Tuy nhiên việc thu hồi bằng bánh đà đạt hiệu quả không cao và không tích lũy lâu dài như thu hồi bằng động cơ điện Trên Ô tô Hybrid hiện nay chủ yếu dùng hệ thống thu hồi bằng động

cơ điện Ngoài ra trên Ô tô Hybrid cũng có nhiều kiểu truyền lực khác nhau Vì vậy đối với từng kiểu truyền lực cần nghiên cứu để thiết kế các phương án thu hồi khác nhau

2.1 Nguyên lý thu hồi năng lượng phanh trên xe Ô tô Hybrid

Trên Ô tô Hybrid hệ thống truyền lực có bố trí một động cơ điện làm nguồn động lực để cho xe chuyển động Động cơ điện được dùng là động cơ điện một chiều có thể làm việc ở chế độ máy phát

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng phanh

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

Mô men phanh do động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát có dạng đường đặc tính như trên hình 2.2

Hình 2.2: Đặc tính mô men phanh của động cơ điện

Với đặc tính của động cơ điện như vậy mô men phanh sinh ra sẽ lớn dần khi tốc độ Ô tô giảm dần trong khi công suất luôn lớn nhất và không đổi Vì vậy mô men này phù hợp với quá trình phanh Ô tô Mô men thu hồi của máy phát bằng mô men lớn nhất của động cơ điện khi tốc độ của trục máy phát nhỏ hơn số vòng quay

cơ bản tức là khi Ô tô chạy với vận tốc nhỏ Như vậy khi phanh ô tô ở tốc độ nhỏ

mô men phanh của động cơ điện sẽ lớn Tuy nhiên trong vùng này công suất của máy phát thay đổi theo quy luật bậc nhất Do đó trong vùng làm việc này nếu sử dụng hệ thống thu hồi sẽ không đáp ứng được yêu cầu về công suất Vì vậy trong vùng tốc độ thấp sẽ không dùng hệ thống phanh thu hồi

Trên xe Hybrid cần có 1 Ắc quy để dự trữ điện năng từ quá trình nạp của động cơ đốt trong và hệ thống thu hồi Khi Ăc quy đã được nạp đầy mà vẫn tiếp tục nạp điện sẽ làm cho Ắc quy nhanh hỏng Vì vậy khi thu hồi lực phanh cần phải tính

Khi kết hợp hai hệ thống phanh cơ khí và phanh thu hồi sẽ có nhiều phương

án sao cho đảm bảo được yêu cầu về hiệu quả phanh

2.2 Các phương án thu hồi năng lượng quá trình phanh

2.2.1 Các phương án phân bố, điều khiển lực phanh thu hồi và phanh cơ khí

Xe Ô tô Hybrid có nhiều phương án bố trí hệ thống truyền lực Do đó tùy từng loại cấu hình ta có các phương án thu hồi khác nhau Yêu cầu đặt ra là phải đảm bảo phân bố lực phanh ra cầu trước và cầu sau theo đường phân bố lực phanh

lý tưởng trên hình 2.6

Hình 2.3: Đường phân bố lực phanh lý tưởng cầu trước và cầu sau

Các phương án thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng quá trình phanh:

+ Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên hiệu quả phanh

+ Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên chế độ thu hồi

- Hệ thống thu hồi năng lượng phanh song song: Hệ thống phanh cơ khí và hệ thống phanh thu hồi làm việc song song và độc lập với nhau

2.2.2 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên hiệu quả phanh

phanh

Loại phanh này gồm một hệ thống điều khiển lực phanh lên bánh trước và bánh sau Mục tiêu là để hiệu quả phanh tốt nhất Tức là quãng đường phanh ngắn nhất và phân bố lực phanh ra các bánh xe như dạng đường cong 1 trên hình 2.9

Hình 2.4: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau

hệ thống phanh thu hồi ưu tiên hiệu quả phanh

và lực phanh cơ học Khi lực phanh yêu cầu nhỏ hơn lực phanh lớn nhất mà động

cơ điện có thể tạo ra, thì chỉ sẽ áp dụng cho việc thu hồi năng lượng phanh

Khi lực phanh yêu cầu lớn hơn giá trị thu hồi năng lượng phanh, động cơ điện sẽ hoạt động để sản xuất ra mô men phanh tối đa của nó và lực phanh còn lại được đáp ứng bởi hệ thống phanh cơ học Việc thu hồi lực phanh tối đa được sinh ra bởi động cơ điện liên quan chặt chẽ đến vận tốc của động cơ điện Lực phanh thu hồi phụ thuộc vào tốc độ động cơ điện tức là phụ thuộc tốc độ khi phanh của xe Do

đó, mô men phanh cơ học ở một chiếc xe được thay đổi giảm tốc với cùng với vận tốc của xe

Hình: 2.5: Thuật toán điều khiển ưu tiên hiệu quả phanh

Để có thể tính toán và phân bố được năng lượng thu hồi, trước tiên phải tính

29

toán được mô men phanh thu hồi tại bánh trước Mô men này phụ thuộc vào động

cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát như tốc độ vòng quay, tỉ số truyền các bánh răng

Khi đạp bàn đạp phanh tức là người lái xe đưa ra yêu cầu về gia tốc phanh của Ô

tô (Jp yêu cầu) Từ gia tốc yêu cầu này tính được tải trọng phân bố lên cầu trước và cầu sau

Khi tốc độ nhỏ hơn 5 km/h và % SOC lớn hơn 80% thì chỉ có hệ thống phanh cơ khí làm việc để đảm bảo hiệu quả thu hồi và bảo vệ cho ắc quy

Khi Pth nhỏ hơn Pp1 thì cả hệ thống phanh cơ khí và phanh thu hồi làm việc để đảm bảo yêu cầu lực phanh cho cầu trước và cầu sau

Khi lực phanh thu hồi lớn hơn lực phanh yêu cầu thì chỉ có hệ thống phanh thu

hồi trên cầu trước làm việc

2.2.3 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh ưu tiên chế độ thu hồi

Nguyên tắc của loạt hệ thống phanh với năng lượng thu hồi tối ưu là để thu hồi năng lượng phanh lớn nhất có thể trong điều kiện đáp ứng tổng lực phanh yêu cầu

Lực phanh trên bánh sau, diễn tả bởi điểm e, được tăng theo thứ tự khác để

Hình 2.6: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh thu

hồi lực phanh ưu tiên chế độ thu hồi

Khi người điều khiển giảm tốc độ (với j/g) nhỏ hơn rât nhiều so với hệ số bám (j/g= 0.3 hình 2.12 là một ví dụ) năng lượng phanh thu hồi được đáp ứng tổng lực phanh yêu cầu, chỉ thu hồi năng lượng phanh được sử dụng không có phanh cơ trên bánh trước và bánh sau (điểm j trong hình 2.6)

Khi ra lệnh giảm tốc độ j/g lớn hơn độ bám đường µ, yêu cầu giảm tốc độ này sẽ không bao giờ đạt đến do để hạn chế của độ bám Giảm tốc tối ưu mà phương tiện

có thể có được là (a/g)max = µ Điểm hoạt động của lực phanh trước và sau thì nằm trên đường cong 1, tương ứng với µ = 0.4 và j/g > 0.4 Điểm hoạt động là điểm k và

tỷ lệ giảm tốc độ đạt lớn nhất là j/g = 0.4

Hình 2.7: Sơ đồ thuật toán điều khiển ưu tiên thu hồi năng lượng

Khi người lái xe đạp phanh sẽ có 1 thông số đầu vào là gia tốc phanh yêu

mô men còn thiếu của hệ thống phanh thu hồi

2.2.4 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh song song

phanh

Hình 2.8: Giản đồ phân phối lực phanh bánh trước và bánh sau hệ thống phanh thu

hồi lực phanh song song

Hệ thống phanh song song bao gồm cả hệ thống thu hồi năng lượng phanh và phanh cơ học cùng làm việc tạo ra một lực phanh là song song và đồng thời Nguyên tắt hoạt động được minh họa trong hình 2.8, trong đó thu hồi năng lượng phanh được áp dụng chỉ trên bánh trước

Hệ thống phanh song song có một phanh cơ học theo kiểu truyền thống mà

tỷ lệ thuận với áp lực thuỷ lực trong xi lanh chính Giá trị lực phanh thu hồi phụ thuộc vào vận tốc của động cơ điện Để đạt hiệu quả thu hồi tốt thì ở tốc độ thấp hệ thống thu hồi không làm việc Và để để đạt hiệu quả phanh cao thì khi phanh với gia tốc lớn thì hệ thống thu hồi cũng không làm việc Khi yêu cầu giảm tốc độ nhỏ hơn giảm tốc độ này, thu hồi năng lượng phanh hiệu quả Mặt khác, khi phanh giảm tốc độ được yêu cầu ít hơn một giá trị 0.15 thì chỉ có thu hồi năng lượng phanh được áp dụng Giống như khi phanh bằng động cơ nhiệt Trong hình 2.8 minh họa thu hồi lực phanh, Fbf-regen, và lực phanh cơ học trên bánh trước và sau Fbdmech và Fbr

Hình 2.9: Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống phanh song song

Nếu tín hiệu báo SOC > 80% thì hệ thống phanh cơ khí làm việc bình thường,

Như vậy với loại phanh song song phân bố lực phanh của bánh trước và bánh

sau của hệ thống phanh cơ khí là không đổi Thuật toán được mô tả trên hình 2.9

Ưu điểm của phương án này là thuật toán điều khiển đơn giản Kết cấu các bộ phận cũng đơn giản Tuy nhiên nhược điểm là hiệu quả thu hồi kém so với loại nối tiếp Trên hình là kết quả tính toán năng lượng thu hồi của 2 loại song song và nối tiếp Ta thấy rằng, năng lượng thu hồi của kiểu phanh nối tiếp lớn hơn kiểu phanh song song Vì vậy loại thu hồi phanh kiểu song song này ít được sử dụng trên những

xe Hybrid hiện nay

Hình 2.10: Các phương án phân bố lực phanh thu hồi và phanh cơ khí

Yêu cầu của hệ thống phanh là mô men phanh của hệ thống phanh phải bằng

mô men phanh yêu cầu Mô men phanh yêu cầu được tính do gia tốc yêu cầu của người lái xe Do đó khi kết hợp 2 hệ thống là phanh thu hồi và phanh cơ khí thì tổng

mô men phanh của chúng phải bằng với mô men phanh yêu cầu Để đảm bảo điều

đó có thể cả 2 hệ thống cùng làm việc hoặc cho 1 hệ thống làm việc tối đa và hệ thống còn lại sẽ bổ xung phần yêu cầu còn thiếu Từ đó có các phương án bố trí hệ thống phanh thu hồi kiểu song song hoặc nối tiếp

35

2.3 Hệ thống thu hồi năng lượng phanh trên Ô tô Toyota Prius

Hiện tại đã có rất nhiều hãng đưa ra những chiếc Ô tô Hybrid trên thị trường

như Toyota Prius, Camry Hybrid của Toyota, Civic Hybrid, Honda Insight của

Honda, Ford Fusion, Ford C-Max, Ford Escape Hybrid của Ford Trong đó Toyota

Prius đang là mẫu xe bán chạy nhất trong dòng xe này

Prius là 1 trong những xe Hybrid của hãng Toyota kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ điện theo kiểu hỗn hợp Với động cơ đặt trước và cầu trước chủ động

- Công suất 50 kW (67HP)

- Mô men / Số vòng quay cơ bản 400 Nm / 600 vòng/phút

Hình 2.11: Động cơ điện của hệ thống thu hồi lực phanh

- Một mô tơ điện có thể hoạt động được ở chế độ máy phát được lắp trên xe Hybrid

có nhiệm vụ tạo ra nguồn động lực trong quá trình chuyển động hoặc tăng tốc Đồng thời có vai trò là máy phát để thu hồi năng lượng phanh và nạp cho ắc quy

Hình 2.12: Đặc tính động cơ điện trên xe Toyota Prius.

36

Hình 2.13 Màn hình hiển thị trên bảng điều khiển

Trên bảng điều khiển được bố trí màn hình thông báo cho người lái biết tình trạng làm việc của hệ thống thu hồi năng lượng phanh Hình 2.23

Hình 2.14 Bộ chuyển đổi điện

Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc-quy điện áp cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều để nạp điện cho ắc-quy phụ của xe