Đồ án: Mô phỏng phanh thu hồi năng lượng trên xe Toyota Prius II bằng Matlab/Simulink

Tài liệu đồ án ứng dụng Matlab/Simulink mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng trên xe hybrid Toyota Prius II, bao gồm cơ sở lý thuyết và kết quả.

• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Ứng dụng Matlab/Simulink mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng trên ô tô 2003 Toyota Prius II (NHW20) hybrid
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ thống Phanh Thu hồi Năng lượng

Hệ thống phanh thu hồi năng lượng là một công nghệ tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trên các xe hybrid, đặc biệt là Toyota Prius. Mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng với Matlab giúp các kỹ sư hiểu rõ nguyên lý hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất. Khi phương tiện phanh, năng lượng động học được chuyển đổi thành điện năng để sạc pin, thay vì bị lãng phí dưới dạng nhiệt. Công nghệ này không chỉ giảm tiêu thụ nhiên liệu mà còn kéo dài tuổi thọ của các linh kiện phanh cơ học. Matlab/Simulink là công cụ lý tưởng để mô phỏng chi tiết các quá trình phức tạp này, cho phép phân tích động học và năng lượng với độ chính xác cao.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống phanh thu hồi năng lượng hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng. Khi xe phanh, động cơ điện hoạt động ngược lại như một máy phát điện, chuyển năng lượng cơ học thành điện năng. Quá trình này được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Năng lượng thu được được lưu trữ trong pin hybrid, cung cấp năng lượng cho động cơ điện khi cần thiết.

1.2. Vai trò của Matlab trong mô phỏng

Matlab/Simulink cung cấp môi trường mô phỏng toàn diện cho hệ thống phanh thu hồi năng lượng. Phần mềm cho phép xây dựng các mô hình toán học phức tạp, mô phỏng tình huống thực tế và phân tích kết quả chi tiết. Người dùng có thể kiểm tra các kịch bản khác nhau, từ phanh nhẹ đến phanh khẩn cấp, đánh giá hiệu suất năng lượng và tối ưu hóa thuật toán điều khiển.

II. Kiến trúc Hệ thống và Mô hình Toán học

Mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng trên Toyota Prius II đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về kiến trúc hybrid. Xe Prius II sử dụng công nghệ Hybrid Synergy Drive với hai động cơ: động cơ xăng và động cơ điện, kết nối qua bộ phân luồng công suất (Power Split Device). Mô hình toán học phải mô tả chính xác các quá trình: năng lượng cơ học từ bánh xe, hiệu suất chuyển đổi điện-cơ, và quản lý năng lượng pin. Matlab cho phép tạo các khối lệnh (Simulink blocks) biểu diễn các thành phần như động cơ điện, bộ điều khiển, và hệ thống quản lý pin.

2.1. Thành phần chính của hệ thống hybrid

Hệ thống Prius II bao gồm: động cơ xăng 1.5L, động cơ điện 50kW, pin nickel-metal hydride, và bộ điều khiển điện tử. Bộ phân luồng công suất là trái tim, điều phối công suất giữa các nguồn năng lượng. Khi phanh, động cơ điện hoạt động ngược để thu hồi năng lượng. Bộ điều khiển quyết định mức độ phanh điện so với phanh cơ, tối ưu hóa năng lượng và an toàn.

2.2. Các phương trình mô hình hóa chính

Mô phỏng Matlab sử dụng các phương trình điều khiển: momentum = khối lượng × gia tốc, mô men lực tác động từ dinamô, và hiệu suất chuyển đổi. Công suất điện = mô men × tốc độ góc. Phương trình năng lượng mô tả sự thay đổi năng lượng pin dựa vào công suất sạc/xả. Các khối lệnh Simulink được lập trình để giải các phương trình vi phân, mô phỏng động lực học xe và quá trình thu hồi năng lượng.

III. Quy trình Xây dựng Mô phỏng với Matlab Simulink

Xây dựng mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng với Matlab yêu cầu tuân theo các bước có hệ thống. Bước đầu tiên là thu thập dữ liệu kỹ thuật từ Toyota Prius II: khối lượng, công suất động cơ, thông số pin. Tiếp theo, thiết kế kiến trúc Simulink bằng cách tạo các khối mô hình cho từng thành phần. Sau đó, tích hợp các khối thành hệ thống hoàn chỉnh và thiết lập các tham số điều khiển. Bước cuối cùng là mô phỏng các tình huống thực tế như phanh nhẹ, phanh mạnh, phanh khẩn cấp để xác thực mô hình.

3.1. Đặc tả kỹ thuật và chuẩn bị dữ liệu

Mô phỏng hệ thống phanh cần dữ liệu chính xác: khối lượng xe (~1.500 kg), công suất động cơ điện (50 kW), dung lượng pin (NiMH ~1,3 kWh), và đặc tính hiệu suất. Dữ liệu được tổ chức trong các bảng lookup hoặc hàm toán học. Điều kiện mô phỏng được xác định: chu trình lái thử (NEDC, FTP), tốc độ phanh, và nhiệt độ môi trường. Tất cả các tham số được đầu vào vào Matlab dưới dạng ma trận hoặc cấu trúc dữ liệu.

3.2. Thiết kế Simulink blocks và tích hợp hệ thống

Trong Simulink, tạo các khối độc lập: khối mô hình động lực học xe, khối động cơ điện, khối bộ điều khiển, và khối quản lý pin. Mỗi khối chứa các phương trình toán học được viết bằng M-code hoặc hộp thoại Simulink. Kết nối các khối theo sơ đồ hệ thống, đảm bảo tín hiệu input/output tương thích. Thêm các khối đo lường để giám sát điện áp pin, công suất, mô men lực. Kiểm tra kỹ lưỡng các kết nối trước khi chạy mô phỏng.

IV. Kết quả Mô phỏng và Ứng dụng Thực tiễn

Kết quả mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng với Matlab cung cấp những hiểu biết quan trọng về hiệu suất năng lượng. Mô phỏng cho thấy hệ thống có thể thu hồi 10-30% năng lượng tùy theo kiểu phanh, giảm tiêu thụ nhiên liệu đáng kể. Kết quả phân tích động lực học giúp tối ưu hóa thuật toán điều khiển, cân bằng giữa thu hồi năng lượng và an toàn phanh. Những phát hiện này được áp dụng để cải tiến thiết kế hệ thống hybrid mới, nâng cao hiệu suất xe, và giảm khí thải.

4.1. Phân tích kết quả và xác thực mô hình

Kết quả mô phỏng Matlab được so sánh với dữ liệu thực tế từ xe Prius II để xác thực độ chính xác. Biểu đồ năng lượng-thời gian menunjukkan sự khác biệt giữa năng lượng lý thuyết và thực tế. Phân tích độ lệch giúp tinh chỉnh các tham số mô hình. Sai số dưới 5% được coi là chấp nhận được. Bằng cách chạy lặp lại với các điều kiện khác nhau, mô hình được coi là xác thực và tin cậy để dùng cho thiết kế hệ thống mới.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế và phát triển

Mô phỏng hệ thống phanh thu hồi năng lượng được sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển mới, tối ưu hóa thuật toán quản lý năng lượng, và dự đoán tuổi thọ pin. Các kỹ sư sử dụng mô hình để kiểm tra các ý tưởng cải tiến trước khi chế tạo nguyên mẫu, tiết kiệm thời gian và chi phí. Kết quả mô phỏng Matlab cũng được dùng cho các bài báo học thuật, giúp nâng cao hiệu quả xe hybrid trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lí do chọn đề tài Cùng với sự phát triển vượt bậc của thế giới trong tất cả các lĩnh vực. Từ khoa học – công nghệ, y học….Các phương tiện giao thông giúp con người đi lại, vận chuyển cũng không ngừng phát triển. Các phương tiện hoạt động bằng động cơ đốt trong đã mở ra một thời kì mới trong sự phát triển của nhân loại, nhưng bên cạnh đó nó cũng mang lại nhiều hệ lụy như việc cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch đã hình thành trong hàng triệu năm, và đặc biệt là gây ô nghiễm môi trường một cách nghiêm trọng. Theo tập đoàn dầu khí BP của Anh đánh giá [1] với tốc độ khai thác dầu mỏ như năm 2016 thì trữ lượng dầu mỏ dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ khai thác khoảng thời gian 50 năm nữa, điều này cảnh báo chúng ta về sự cạn kiệt nguồn năng về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hoá thạch và nhân loại phải khẩn trương tìm và tận dụng cũng như khai thác các nguồn năng lượng khác thay thế để tồn tại và phát triển bền vững và đây cũng đang là những vấn đề mang tính toàn cầu.

Vì vậy, các nước trên toàn thế giới nói chung và các hãng xe nói riêng đã và đang không ngừng phát triển đưa ra các biện pháp giúp giảm các vấn đề trên, một trong những giải pháp hiệu quả nhất là cho ra đời các phương tiện chạy bằng điện thay vì nhiên liệu hóa thạch như: xe điện (EV: Electric vehicle), xe lai điện (HEV: Hybrid electric vehicle). Xe lai điện là xe sử dụng hai nguồn động lực: một động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine: ICE) và một thiết bị tích trữ năng lượng thì được gọi là hệ thống Hybrid. Hiện nay, hệ thống xe hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được sử dụng khá phổ biến. Một trong những yếu tố giúp xe hybrid tiết kiệm năng lượng hơn các loại xe khác đó chính là khả năng có thể tái tạo năng lượng khi xe giảm tốc thông qua hệ thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Brake System).

Hệ thống phanh trên ô tô là một hệ thống an toàn. Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng từ 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. Đã có nghiên cứu chỉ ra rằng: Một chiếc xe ô tô khối lượng bản thân 1000 (kg) đang di chuyển với vận tốc 50 km/h, sử dụng hệ thống phanh cơ khí thông thường để giảm tốc xuống còn 20km/h thì giá trị năng lượng tiêu hao được tính theo công 𝟏 thức: 𝑬𝒌 = 𝒎𝒗𝟐 sẽ là 39,5 kJ.

Như phép tính trên thì một lượng năng lượng khá lớn đã bị 𝟐 1 tiêu hao do khi phanh thì năng lượng này sẽ chuyển hoá thành nhiệt năng ở cơ cấu phanh và thất thoát ra môi trường. Thay vì để nguồn năng lượng đó tiêu hao một cách phí như vậy thì tại sao chúng ta không thu hồi nó? Giả sử thu hồi lại được 25% năng lượng đó tức là 9.8kJ thì năng lượng này đủ gia tốc chiếc xe đó lên tốc độ từ 0 đến 16 km/h. Như ví dụ đã nêu ở trên, ta thấy từ sự tiêu hao vô ích đã trở nên có lợi cho Ô tô cũng như người sử dụng ô tô. Tuy nhiên, trong một số trường hợp phanh khẩn cấp, phanh tái sinh không đáp được vì mômen cần thiết khi phanh khẩn cấp lớn hơn rất nhiều sơ với mô men phanh động cơ bởi vậy hệ thống phanh cơ khí vẫn được sử dụng mặc dù năng lượng tiêu tán này là không hề nhỏ.

Nhưng không vì thế mà phủ nhận những ưu điểm mà hệ thống phanh tái sinh RBS mang lại như thu hồi 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. Đó là lý do vì sao nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “Matlab-Simulink Regenerative Brake System” tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, dưới sự hướng dẫn của Thầy 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: - Nguyên 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, mô phỏng và đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng phanh.3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này tập trung nghiên cứu ý nghĩa của việc thu hồi một phần năng lượng trong quá trình phanh hoặc xe đang giảm tốc 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. Năng lượng này được dựa trên sự kết hợp giữa các thiết bị thu hồi và tích trữ năng. Trong đó ắc quy là thiết bị tích trữ dưới dạng điện năng thông qua máy phát điện biến cơ năng thành điện năng, đây là sự phối hợp giữa các kiểu tích trữ năng lượng dạng cơ điện được ứng dụng trên các xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống mà các nghiên cứu trước đây chưa thực hiện được.

Nhận thấy trên xe Ô tô Hybrid có rất nhiều ưu điểm trong đó có một tính năng thu 2 hồi 1 phần năng lượng quá trình phanh nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Vì vậy nhóm em chọn phạm vi nghiên cứu đồ án đó là mô phỏng hệ thống thu hồi năng lượng dựa trên đối tượng nghiên cứu là xe Toyota Prius.4 Tình hình nghiên cứu Theo các kết quả nghiên cứu được công bố trong nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung thì những nghiên cứu về hệ thống phanh thu hồi năng lượng được tập trung vào các hướng như tính toán, mô phỏng năng lượng thu hồi khi phanh; sự phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và hệ thống phanh cơ khí; nghiên cứu các thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh; nghiên cứu về vấn đề quản lí năng lượng phanh tái sinh… được ứng dụng trên các kiểu xe khác nhau như: xe điện EV, xe lai điện HEV và xe sử dụng động cơ đốt trong thuần tuý có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống. Dưới đây, nhóm chúng em sẽ đưa ra một số nghiên cứu đã góp công rất lớn trong sự phát triển của công nghệ phanh tái sinh: 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở trong nước, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về xe Hybrid như hệ thống truyền lực hoặc ắc quy nhưng chưa có nhiều đề tài nào nghiên cứu về các phương án thu hồi năng lượng trong quá trình phanh. Dưới đây các nghiên cứu tiêu biểu ở nước ta: Nhóm tác giả gồm: Phạm Văn Dương, Lê Văn Tuỵ, Phạm Quốc Thái, Đại học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng đã trình bày một đề tài nghiên cứu có đề: “Thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính của ô tô hybrid bốn chỗ” tại Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 6 năm 2008 tại Đại học Đà Nẵng.

Nhóm tác giả đã thiết kế một hệ thống thu hồi năng lượng động năng của xe bằng cách tận dụng năng lượng quán tính dư thừa để kéo bánh đà, mô men quán tính của bánh đà dùng để kéo máy phát điện cung cấp điện nạp lại cho ắc quy trên xe.[2] Luận án tiến sĩ của ThS Dương Tuấn Tùng có đề là: “nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô” đã xây dựng và tính toán thiết kế được bộ thu hồi năng lượng cho mô hình thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống. Thử nghiệm trên các chu trình khác nhau và đã đưa ra được kết quả là tỷ lệ tiêu hao nhiên liệu của xe có trang bị thêm hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh sau khi tối ưu được cải thiện từ 10,49% đến 24,44%.[3] 3 Luận án tiến sĩ của ThS Luyện Văn Hiếu có đề là: “Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thuỷ lực khi phanh xe cơ giới” đã chỉ rõ cụ thể phương pháp phanh năng lượng động năng trong quá trình phanh xe chuyên dùng thu gom rác bằng hệ thống truyền động thuỷ lực, năng lượng thu được tích trữ vào bình áp năng thuỷ lực và năng lượng thu được sẽ được tái sử dụng trên chính phương tiện xe đó.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2002 tập đoàn Eaton đã nghiên cứu và phát triển một sản phẩm, gọi là Hệ thống hỗ trợ phóng thuỷ lực – Hydraulic Launch Assist (HLA)[4] [5],hệ thống này cũng đã sử dụng dạng truyền động thuỷ lực trong quá trình phanh thu hồi năng lượng động năng và tái sử dụng lại, hệ thống này đã được sử dụng trên dòng sản phẩm xe lai thuỷ lực thu gom rác (hình 1.1 ), giúp tiết kiệm 15 – 30% lượng nhiên liệu tiêu thụ so với xe thường.1: Sơ đồ hệ thống HLA trên xe thu gom rác của tập đoàn Eaton (nguồn [4]). Tháng 9/2008 tại cuộc triễn lãm thương mại về công nghệ xe thế giới, tập đoàn Bosch Rexroth (Đức) giới thiệu trước công chúng sản phẩm xe lai thuỷ lực – Hydraulic hybrid vehicle (HHV) sử dụng thu gom chở rác.2: Sơ đồ bố trí hệ thống HRB cùng hệ thống truyền lực trên xe thu gom rác của Bosch Rexroth group (nguồn [6]). 1- Cụm bơm/mô tơ thuỷ lực; 2-cụm kết nối cơ khí (hộp bánh răng); 3-cụm van điều khiển; 4-Thùng chứa dầu; 5-Bình áp năng thuỷ lực; 6-Bộ điều khiển; 7-Bàn đạp chân phanh.

Trên xe thu gom rác loại lớn của tập đoàn Bosch Rexroth được lắp đặt hệ thống phanh tái sinh thuỷ lực – Hydraulic regenerative system (HRBS), đã thử nghiệm thành công ở hơn 10 thành phố ở Đức và ở Mỹ [7], hệ thống này giúo xe giảm mức tiêu hao nhiên liệu đến 25% so với xe thường. Hướng nghiên cứu thu hồi năng lượng khi phanh áp dụng trên xe EV và HEV: Nghiên cứu phân tích và sử dụng phần mềm AMESim để mô phỏng năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh áp dụng cho xe điện của Li – qiang Jin đã cho thấy kết quả nghiên cứu cải thiện được 30% hiệu quả sử dụng năng lượng của xe điện với 4 bánh chủ động được dẫn động bởi 4 mô tơ điện.[8] Jinhyun Park, Houn Jeong, In Gyu Jang và Sung-Ho Hwang đã sử dụng MATLAB/Simulink và CarSim để mô phỏng điều khiển sự phân phối mô men phanh cho xe điện sử dụng phương pháp điều khiển lô gíc mờ.