Tài liệu: Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu cải thiện hệ thống

Nghiên cứu cải thiện hệ thống thu hồi năng lượng quán tính khi phanh ô tô. Phân tích nguyên lý hoạt động và đề xuất giải pháp tối ưu hiệu suất.

• Tác giả: Đinh Hồng Quần
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu cải thiện hệ thống thu hồi năng lượng quán tính khi phanh của ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Ý Nghĩa của Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu là một yêu cầu quan trọng trong chương trình đào tạo đại học, đặc biệt là các ngành công nghệ kỹ thuật. Đây là cơ hội để sinh viên áp dụng những kiến thức đã học vào các vấn đề thực tế trong ngành công nghiệp. Nghiên cứu tốt nghiệp không chỉ giúp sinh viên phát triển kỹ năng chuyên môn mà còn rèn luyện tư duy khoa học, khả năng giải quyết vấn đề phức tạp. Thông qua đồ án, sinh viên có cơ hội làm việc với những công nghệ hiện đại, thiết bị chuyên dụng và học hỏi từ những chuyên gia trong lĩnh vực. Đây là bước đệm quan trọng giúp sinh viên chuẩn bị tốt nhất trước khi bước vào thế giới công việc chuyên nghiệp.

1.1. Định Nghĩa Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu

Đồ án tốt nghiệp là một công trình nghiên cứu độc lập được thực hiện bởi sinh viên dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn. Nó bao gồm nghiên cứu lý thuyết, thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm thực tế. Mục đích là để sinh viên chứng minh được khả năng ứng dụng kiến thức lý thuyết vào giải quyết các bài toán kỹ thuật thực tế trong lĩnh vực chuyên môn của mình.

1.2. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Tốt Nghiệp

Nghiên cứu tốt nghiệp đóng vai trò cấu thành trong quá trình đào tạo chất lượng cao ở các trường đại học. Nó giúp sinh viên phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học, khả năng làm việc nhóm, và kỹ năng trình bày kết quả. Đồng thời, nó cũng là cơ hội để sinh viên đóng góp vào tiến bộ kỹ thuật và tìm ra những giải pháp mới cho các vấn đề tồn tại trong ngành.

II. Cấu Trúc và Nội Dung Tài Liệu Đồ Án Tốt Nghiệp

Tài liệu đồ án tốt nghiệp cần được cấu trúc một cách khoa học và hệ thống để đảm bảo tính rõ ràng và dễ hiểu. Một bài luận tốt thường bao gồm các phần: phần mở đầu nêu rõ lý do chọn đề tài, tình hình nghiên cứu hiện tại, mục tiêu và nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu, kết quả đạt được và kết luận. Mỗi phần cần có tài liệu tham khảo cụ thể, dữ liệu thực tế, và phân tích chi tiết. Nội dung tài liệu phải thể hiện được quá trình thực hiện từ lý thuyết đến thực hành, giúp người đọc hiểu rõ các bước thực hiện và kết quả cuối cùng của đề tài.

2.1. Các Phần Chính của Tài Liệu Đồ Án

Tài liệu đồ án bao gồm: phần bìa, lời cảm ơn, tóm tắt, mục lục, phần nội dung chính, tài liệu tham khảo và phụ lục. Phần nội dung chính được chia thành các chương lớn như chương 1: Lý thuyết cơ sở, chương 2: Phương pháp và thiết kế, chương 3: Kết quả và phân tích. Mỗi chương lại được chia thành các mục nhỏ để dễ theo dõi và tìm kiếm thông tin.

2.2. Yêu Cầu về Nội Dung và Chất Lượng

Nội dung tài liệu phải chính xác, được kiểm chứng bằng dữ liệu thực tế và tài liệu tham khảo từ các tạp chí khoa học uy tín. Chất lượng viết phải đạt tiêu chuẩn học thuật, sử dụng ngôn ngữ khoa học chặt chẽ. Hình vẽ và sơ đồ cần được trình bày rõ ràng, có chú thích chi tiết. Tất cả dữ liệu số phải được ghi nguồn cụ thể và có bảng tóm tắt dễ hiểu.

III. Vai Trò của Tài Liệu Tham Khảo trong Đồ Án Tốt Nghiệp

Tài liệu tham khảo là nền tảng quan trọng cho bất kỳ đồ án nghiên cứu nào. Chúng cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc, giúp sinh viên hiểu sâu về lĩnh vực nghiên cứu và tình hình phát triển hiện tại. Việc sử dụng tài liệu tham khảo đúng cách không chỉ tăng độ tin cậy của đồ án mà còn giúp sinh viên tránh trùng lặp những nghiên cứu trước đây. Tài liệu tham khảo nên bao gồm sách chuyên khảo, bài báo khoa học, luận văn thạc sĩ, tiêu chuẩn ngành, và các tài liệu từ các nhà cung cấp thiết bị. Số lượng và chất lượng tài liệu tham khảo phản ánh trình độ nghiên cứu và tính chuyên nghiệp của tác giả.

3.1. Loại Tài Liệu Tham Khảo Cần Thiết

Tài liệu tham khảo cần bao gồm: sách giáo khoa chuyên sâu, bài báo từ các tạp chí khoa học quốc tế, hội thảo khoa học, luận văn thạc sĩ và tiêu chuẩn kỹ thuật ngành. Đối với đồ án kỹ thuật ô tô, cần tham khảo các nghiên cứu mới nhất về công nghệ phanh tái sinh, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Tài liệu nước ngoài cũng rất quan trọng vì chúng thường cập nhật nhất về những xu hướng phát triển mới.

3.2. Cách Sử Dụng Tài Liệu Tham Khảo Hiệu Quả

Sử dụng tài liệu tham khảo đúng cách bao gồm: trích dẫn chính xác theo tiêu chuẩn học thuật, phân tích và đánh giá tính khách quan của nguồn, so sánh các quan điểm khác nhau để có cái nhìn toàn diện. Sinh viên cần ghi chú nguồn từng ý tưởng để tránh đạo văn. Phần tài liệu tham khảo ở cuối đồ án phải đầy đủ, đúng định dạng và sắp xếp theo thứ tự.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Ví Dụ Về Đồ Án Nghiên Cứu Hệ Thống Phanh Tái Sinh

Một ví dụ điển hình của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu cải thiện hệ thống thu hồi năng lượng quán tính khi phanh của ô tô. Đề tài này giải quyết vấn đề thực tế trong công nghiệp ô tô hiện đại - tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải. Sinh viên thực hiện công trình này bao gồm: thiết kế hệ thống, lập trình bộ điều khiển tự động, thu thập dữ liệu thực tế, phân tích kết quả và xác định hiệu suất. Công trình sản xuất ra các sản phẩm cụ thể như mô hình mô phỏng, hộp điều khiển tự động, chương trình LabVIEW và bảng dữ liệu thực tế. Đây là ví dụ xuất sắc về cách kết hợp lý thuyết với ứng dụng thực tế trong đồ án tốt nghiệp.

4.1. Mục Tiêu và Nội Dung Đề Tài Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài là cải thiện hiệu suất của hệ thống thu hồi năng lượng khi ô tô phanh. Nội dung thực hiện bao gồm: khắc phục các khuyết điểm của hệ thống cũ, thiết kế và lập trình bộ giám sát tự động, xử lý dữ liệu thu thập được, và đánh giá tính khả thi của hệ thống. Sinh viên phải áp dụng kiến thức về động lực học, kỹ thuật điều khiển, và lập trình máy tính để hoàn thiện đề tài này.

4.2. Sản Phẩm và Kết Quả Đạt Được

Kết quả cuối cùng của đồ án bao gồm: mô hình mô phỏng hệ thống phanh tái sinh, hộp điều khiển tự động hoạt động thực tế, chương trình LabVIEW để giám sát và kích hoạt hệ thống, và bảng dữ liệu thực tế cho thấy mối quan hệ giữa năng lượng thu hồi với vận tốc ô tô. Những kết quả này không chỉ chứng minh khả năng của sinh viên mà còn có giá trị ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH 1.1 Giới thiệu chung Như chúng ta đã biết vấn đềnhiên liệu và ô nhiễm môi trưởng đang là thách thức đối với các hãng sản xuất ô tô. Năng lSợng truy thống (năng lSợng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đã và đang là những vấn đ`êmang tính toàn cầu. Một trong những giải pháp để giảm thiểu vấn đ ênêu trên được các hãng xe đưa ra là chế tạo ra những dòng xe điện và xe lai điện (HEV: Hybrid Electric Vehicle). Một chiếc xe sử dụng hai ngu ôn động lượng (một động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine: ICE) và một thiết bị tích trữ năng lượng) thì được gọi là hệ thống Hybrid [1].

Hiện nay, hệ thống xe hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được sử dụng khá phổ biến. Hệ thống này thưởng được chia làm 3 kiểu truy [8c: kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp [1]. Dù là kiểu hệ thống truyân lSc nào đi nữa thì hệ thống Hybrid đềâi phải có các bộ phận như động cơ đốt trong ICE, mô tơ điện và máy phát điện (Motor and Generator: MG) và ắc quy cao áp (Hybrid Vehicle Battery: HVB). Một trong những yếu tố giúp đòng xe này tiết kiệm nhiên liệu đó là nó tận dụng được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc thông qua hệ thống phanh tái sinh năng lượng (Regenerative Brake System: RBS).

Hệ thống phanh trên ô tô là một hệ thống an toàn chủ động. Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng tử cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh. Quá trình chuyển hóa này làm tổn hao năng lượng động năng mà xe ô tô phải tiêu tốn một lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được. Tuy nhiên, vì lý do an toàn mà hệ thống phanh cơ khí vẫn được sử dụng mặc dù năng lượng tiêu tán này là không h`ênhỏ.

Hệ thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Braking System) ra doi voi muc đích thu hỗ để tái sử dụng lại năng lượng quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu phanh [1|]. Để hiểu rõ hơn v đi lãi 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 72kmih. Ta sử dụng hệ thống phanh thông thưởng để giảm tốc xe xuống còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo công thức: E,= 1/2 mv” sẽ là 47, 8 kJ. Trong đó E¿ là động năng của xe; m là khối lượng của xe và v là vận tốc của xe.

Do đó nếu như năng lượng này được thu h'ö và tích trữ để sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe thay vì làm tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng tổn ở cơ cấu phanh. Giả sử ta thu hö lại được chỉ cẦn 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47, 8 KỊ = 11,95K]). Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 kmih [19]. Thật ra thì ý trởng v êhệ thống phanh tái sinh năng lượng đã có từ rất lâu và được sử dụng rộng rãi trên tàu điện bằng việc sử dụng các mô tơ điện hoạt động với chức năng như là các máy phát điện trong khi tác động phanh [2, 3].

Với việc cải tiến công nghệ chế tạo các chỉ tiết và kỹ thuật đi `âi khiển đã làm tăng hiệu suất của hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện cho thấy có thể giảm được 37% [1] năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh. Đối với ô tô sử dụng động cơ đốt trong thì khó có thể đạt được đến mức này bằng việc sử dụng phanh tái sinh bởi vì không giống như mô tơ điện quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ đốt trong không thể được phục h ổ [1]. Mặt khác khối lượng của ô tô nhỏ hơn tàu điện do đó năng lượng quán tính của nó nhỏ hơn tàu điện nên lượng năng lượng thu h'ổ và tích trữ khi phanh được sẽ ít hơn. Thêm vào đó cẦn phải có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lượng.

Theo các nghiên cứu g3n đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng khác nhau được mô tả như trong hình 1. “~~ RB Technologies en ¬ Basic Mixed Technologies Technologies Z^~~—__}_—x EO Z___. or Electric Hydraulic Electric Kinetic Hydraulic Flywheel NY, X= N_Y4 NY, Z¬——}——x¬ Z¬____`. : : Elastomer Hydraulic Air Compression Flywheel NY XS NY 7 Elastomeric NY? Hình 1.

1 Các huong nghién ctru v écéng nghé tich tri nang lượng tái tạo khi phanh [7].1 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng. Kiểu tích trữ năng lượng này được áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe lai điện (HEV). Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bị đi`âi khiển. Chúng có thể biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để có thể sử đụng lại [1].

Mô tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại s8 quay của bánh xe có tác dụng như mô mem phanh. Trong khi phanh tái sinh mô tơ điện hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy [6] do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ thấp nên ở dải tốc độ này thưởng dùng hệ thống phanh bằng cơ khí. | Vehicle Transmission Hình 1. 2 Sơ đhệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện nang [21] Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động ở các chế đệ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chi i hoặc xoay chi âu.

Các thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh có thể là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai [21]. Hệ thống RBS với thiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụng cho các xe EV và HEV và c3n phải có các bộ biến đổi điện (Inverter và Converter) [21]. Vbatt C | uf LỆ oe n ⁄ T SI S2 S3 S4 Số S6 ‘ \ ©) O ó , “PWN Ee] “Eb Viscose! Sen Sngal | đe Vụ t¬- Controller lạ— — ~ L__~„| AD DSP tms320If2407 AD |„____ Hình 1. 3 Sơ đ ôhệ thống dia khién bé converter [21].

Nhược điểm của kiểu tích trữ năng lượng 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 va converter). Dién dp va dong dién str dung Ion nén c % phải có các linh kiện công suất dẫn dòng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật đi `âi 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 lượng trong một thời gian ngắn là thấp trong khi qúa trình giảm tốc hoặc phanh của xe yêu c3 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 c3n thiết phải có s8 phối hợp giữa ắc quy và siêu tụ [2I]. Input control Motor troller Battery pc/Dc — Ultra- converter —capacitor| Hình 1. 4 Sơ đ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ [21].2 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực Các hệ thống tích trữ năng lượng dưới dạng thủy l8c đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp ô tô trong nhi `âi năm [1]. Một bộ tích trữ thủy l8c hình trụ có thể tích trữ được một lượng dần áp suất lớn.

Thiết bị này tích trữ năng lượng bằng việc nén một chất khí (thưởng là khí Nitơ) [36]. Khí này nhẹ, rẻ mà lại cung cấp năng lượng tốt. Một hệ thống hybrid thủy ISc thưởng có một bộ tích năng, một bình chứa dân, và một bơm/mô tơ thủy 18c (bơm thủy l8c có thể hoạt động như một mô tơ thủy l8). Cũng giống như xe điện, hệ thống hybrid thủy I8c này cũng ít hiệu quả ở tốc độ thấp bởi vì tổn hao cơ lớn.

Thêm vào đó, dung lượng và kết cấu của bộ tích trữ thủy lSc cũng cần được quan tâm cải thiện v`Êtrọng lượng bản thân của nó. Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truy ISc Hybrid thủy I8c [1]. Kiểu thủy tĩnh thuần túy (tích hợp hay nối tiếp) được d8a trên hộp số thủy tĩnh thuần túy và yêu c3 một bơm và bơm/mô tơ bơm. Chức năng của mô tơ/bơm thì hoạt động phụ thuộc vào xe và sẽ dẫn động xe khi phanh tái sinh được tác dụng [36].

Hydraulic High Pressure Pump/Motor Hydraulic Energy Storage Accumulator Low Pressure Second Hydraulic Engine Hydraulic Fluid Reservoir Pump/Motor Hình 1. 5 Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy I8c kiểu nối tiếp [36]. Kết cấu này cho phép phanh tái sinh và tích trữ năng lượng vào bộ tích năng và năng lượng này sẽ dẫn động xe khi tăng tốc thông qua hộp số [36]. Kiểu tiếp theo là kiểu song song yêu c3 chỉ có một bơm/mô tơ đơn cộng với hộp số loai ty sO truy& thay đổi liên tục CVT.

Nếu sử dụng hộp số thì động cơ luôn được kết nối với hệ thống truyân I8c đễ dẫn động bánh xe. Kết cấu kiểu này có tác dụng khi hệ thống thủy lSc bị hỏng xe vẫn hoạt động được. Bộ phân phối công suất thủy cơ (Hydromechanical) bao gần 2 bộ phận thủy tĩnh có hành trình thay đổi, một thiết bị phân phối công suất và một bộ tích năng. Kết cấu này cho phép thuận lợi trong việc tích trữ năng lượng phanh tái sinh và có thể khởi động động cơ xăng ở những thời điểm hiệu quả nhất.

Nếu được đi ôi khiển tốt hệ thống song song này có thể tiết kiệm nhiên liệu hơn hệ thống nối tiếp. Hệ thống hybrid thủy lSc song song gồm có các bơm/mô tơ thủy I8c được gắn trên hộp số của một xe thông thường. Hệ thống này cho phép hỗ trợ động cơ xăng khi tăng tốc. Nó không cho phép động cơ xăng tắt máy khi xe không di chuyển.

Đi âi này có nghĩa là động cơ luôn luôn làm việc. Hệ thống hybrid thủy I8c song song không có những ưu điểm đáng kể v ềtính kinh tế nhiên liệu. Hệ thống này được sử dụng một số ít trên các xe tải nặng, không được sử dụng nhi u trên xe du lịch [36]. Hydraulic High Pressure Pump/Motor Hydraulic Energy Storage Accumulator Low Pressure Engine Hydraulic Fluid Reservoir Hình 1.