Nghiên cứu, tính toán hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug-in Hybrid

Nghiên cứu chi tiết hệ thống phanh tái sinh trên Honda CRV Hybrid. Phân tích, mô phỏng và tính toán hiệu quả thu hồi năng lượng, tiết kiệm nhiên liệu.

• Tác giả: Đặng Vĩ Hào
• Người hướng dẫn: GVC.TS Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug-in Hybrid
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về mô phỏng phanh tái sinh Honda CRV Hybrid

Mô phỏng phanh tái sinh là quá trình sử dụng công nghệ điện tử để tính toán và phân tích hệ thống thu hồi năng lượng trên Honda CRV Plug-in Hybrid (PHEV). Công nghệ này cho phép tối ưu hóa hiệu suất năng lượng bằng cách chuyển đổi năng lượng động học thành năng lượng điện khi xe giảm tốc độ. Qua mô phỏng phanh tái sinh, các kỹ sư có thể dự đoán lượng năng lượng được thu hồi trong các tình huống phanh khác nhau, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của xe. Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện. Bằng cách sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink, các chuyên gia có thể xây dựng mô hình chi tiết để kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng.

1.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống phanh tái sinh

Hệ thống phanh tái sinh trên Honda CRV hoạt động bằng cách sử dụng động cơ điện để tạo ra lực cản khi xe giảm tốc. Năng lượng sinh ra từ quá trình này được chuyển đổi thành dòng điện và tích lũy trong pin lithium-ion. Quá trình này giảm sự phụ thuộc vào phanh cơ học truyền thống, tăng tuổi thọ của hệ thống phanh. Hiệu suất thu hồi phụ thuộc vào tốc độ giảm tốc, tải trọng xe và điều kiện đường bộ.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng trong phát triển công nghệ Hybrid

Mô phỏng phanh tái sinh giúp các nhà sản xuất ô tô như Honda tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mà không cần phải thử nghiệm trực tiếp. Điều này tiết kiệm chi phí phát triển và rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường. Thông qua mô phỏng, có thể phân tích chi tiết các yếu tố như khối lượng xe, góc dốc đường, và hành vi lái xe để tối đa hóa năng lượng thu hồi và cải thiện tiết kiệm nhiên liệu.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng

Hiệu suất thu hồi năng lượng trong mô phỏng phanh tái sinh Honda CRV chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác nhau. Tốc độ ban đầu của xe là một trong những yếu tố quan trọng nhất, vì năng lượng động học tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc. Khoảng cách phanh ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ giảm tốc, từ đó quyết định lượng năng lượng có thể được thu hồi hiệu quả. Trạng thái pin lithium-ion, bao gồm mức sạc hiện tại (SOC) và nhiệt độ, cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tích lũy năng lượng. Khối lượng của xe, điều kiện đường bộ, và kỹ năng lái xe của người dùng là những biến số không thể bỏ qua khi tính toán năng lượng thu hồi.

2.1. Ảnh hưởng của tốc độ và khối lượng xe

Tốc độ ban đầu và khối lượng xe là những yếu tố cơ bản nhất trong tính toán năng lượng thu hồi. Một xe Honda CRV có khối lượng lớn sẽ thu hồi năng lượng nhiều hơn khi giảm tốc từ tốc độ cao. Công thức tính năng lượng động học $E = \frac{1}{2}mv^2$ cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa hai yếu tố này.

2.2. Trạng thái pin và điều kiện sạc

Pin lithium-ion trên Honda CRV PHEV có năng lực sạc giới hạn tùy thuộc vào mức sạc hiện tại (SOC). Khi pin đầy hoặc gần đầy, hệ thống phanh tái sinh sẽ tự động giảm hiệu suất thu hồi để bảo vệ pin. Nhiệt độ pin cũng ảnh hưởng, vì pin hoạt động tối ưu ở khoảng nhiệt độ nhất định, qua đó tối ưu hóa hiệu suất năng lượng toàn hệ thống.

III. Phương pháp mô phỏng và tính toán năng lượng

Mô phỏng phanh tái sinh Honda CRV sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để xây dựng mô hình toán học chi tiết. Mô hình này bao gồm các thành phần như động cơ điện, pin lithium-ion, hệ thống điều khiển, và các cảm biến. Quy trình mô phỏng bắt đầu bằng việc nhập các tham số kỹ thuật của xe, sau đó mô phỏng các quá trình phanh trong các điều kiện khác nhau. Tính toán năng lượng thu hồi được thực hiện dựa trên các phương trình vật lý và các mô hình hành vi của pin. Kết quả mô phỏng giúp dự đoán hiệu suất năng lượng thực tế và tiết kiệm nhiên liệu mà người dùng có thể đạt được. Phương pháp này cho phép kiểm tra độ chính xác của các thuật toán điều khiển phanh tái sinh trước khi triển khai trên xe thực tế.

3.1. Xây dựng mô hình động lực quá trình phanh

Mô hình động lực trong mô phỏng phanh tái sinh mô tả các lực tác động lên xe trong quá trình giảm tốc. Mô hình này bao gồm lực cản từ động cơ điện, lực cản không khí, và lực ma sát lăn. Tính toán lực phanh tổng cộng cho phép xác định tốc độ giảm tốc và năng lượng thu hồi trong từng khoảnh khắc của quá trình phanh.

3.2. Mô hình pin lithium ion và hiệu suất tích lũy

Mô hình pin lithium-ion trong mô phỏng xem xét các đặc tính như điện trở nội tại, mức sạc (SOC), và độ tuổi pin. Hiệu suất tích lũy được tính toán dựa trên sự chuyển đổi năng lượng điện học với các tổn thất nhiệt. Mô hình này giúp dự đoán chính xác lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong pin từ hệ thống phanh tái sinh.

IV. Hiệu quả và lợi ích của phanh tái sinh Honda CRV Hybrid

Hiệu quả phanh tái sinh trên Honda CRV Plug-in Hybrid mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho người dùng. Trước hết, tiết kiệm nhiên liệu là lợi ích rõ rệt nhất, vì năng lượng thu hồi từ phanh được sử dụng để hỗ trợ hoạt động của xe, giảm nhu cầu sử dụng động cơ xăng. Theo các tính toán từ mô phỏng phanh tái sinh, một chiếc Honda CRV PHEV có thể tiết kiệm từ 20-30% nhiên liệu so với xe xăng truyền thống trong điều kiện lái xe thành phố. Hiệu suất năng lượng cao hơn có nghĩa là giảm phát thải CO2 và các chất ô nhiễm khác, góp phần bảo vệ môi trường. Ngoài ra, vì hệ thống phanh tái sinh giảm sử dụng phanh cơ học, tuổi thọ của các chi phí bảo dưỡng được kéo dài, tiết kiệm chi phí vận hành cho chủ sở hữu. Xe Honda CRV Hybrid cũng mang đến trải nghiệm lái xe mềm mại và yên tĩnh hơn nhờ sử dụng động cơ điện cho quá trình phanh tái sinh.

4.1. Tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí vận hành

Mô phỏng phanh tái sinh trên Honda CRV cho thấy mức tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, đặc biệt trong các tình huống lái xe thành phố với nhiều quá trình phanh. Hiệu quả năng lượng được tối ưu hóa thông qua việc thu hồi năng lượng từ các quá trình giảm tốc. Chi phí vận hành giảm không chỉ từ ít dùng xăng hơn mà còn từ việc giảm mài mòn các thành phần phanh cơ học, từ đó kéo dài khoảng cách bảo dưỡng.

4.2. Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

Hiệu suất năng lượng cao của hệ thống phanh tái sinh giúp giảm phát thải khí CO2 và các chất ô nhiễm từ động cơ xăng. Bằng cách tối đa hóa năng lượng thu hồi, Honda CRV Hybrid đóng góp vào mục tiêu phát triển bền vững và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu, phù hợp với xu hướng ô tô điện hóa hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, với sự gia tăng vượt trội về các phương tiện giao thông đường bộ nên tình trạng ô nhiễm không khí do khí thải của chúng cũng ngày càng trở nên trầm trọng, đặc biệt là ở các khu vực thành thị.“Theo một nghiên cứu của Ủy ban chính phủ về biến đổi khí hậu,”các phương tiện tham gia giao thông chiếm 24% tổng lượng khí thải CO2 trên toàn cầu. Để bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng không khí, chính phủ đã ban hành các quy định nghiêm ngặt về mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải từ các phương tiện [1]. Điều này đã tạo ra nguồn động lực chính để các nhà sản xuất ô tô đầu tư vào việc phát triển các công nghệ mới, thân thiện với môi trường cho các dòng sản phẩm của mình, bao gồm cả xe điện.

Tuy nhiên, việc sử dụng động cơ điện vẫn gặp phải một số khó khăn như phạm vi lái xe hạn chế, giá thành cao,… Do đó, việc sử dụng động cơ điện làm nguồn động lực chính hiện nay vẫn còn gặp nhiều hạn chế. Phát thải CO2 toàn cầu và sự thay đổi hàng năm của chúng 1900 – 2023 [1] Để tận dụng tối đa những lợi ích và giảm thiểu những khó khăn của động cơ điện khi sử dụng trên ô tô, các nhà nghiên cứu đã tìm ra phương án kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong, đồng thời cho phép sạc tự nguồn điện bên ngoài để cắm sạc như xe điện, được gọi là xe Plug-in Hybrid (PHEV). PHEV là một trong những giải pháp tiềm năng, giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Với khả năng tiết kiệm nhiên liệu ấn tượng và khả năng hoạt động linh hoạt, PHEV đang trở thành lựa chọn phổ biến.

Sự phát triển của hệ thống sạc nhanh và mạng lưới sạc đang được mở rộng cũng đóng góp vào việc tăng cường sự tiện lợi và khả năng tiếp cận của các phương tiện này với người dùng. 1 Một trong những yếu tố quan trọng giúp xe PHEV tiết kiệm nhiên liệu đó là khả năng tái tạo năng lượng khi xe giảm tốc thông qua“hệ thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Brake System). Lượng năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như”hiệu suất của các thiết bị lưu trữ năng lượng, kỹ thuật điều khiển hệ thống và vận tốc khi xe bắt đầu giảm tốc. Nhận thấy được tầm quan trọng của hệ thống phanh tái sinh trên xe PHEV, cũng như để nắm bắt rõ hơn về cách hoạt động, hiệu suất thu hồi và khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi sử dụng hệ thống, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug-in Hybrid’’.“Với những kiến thức đã nghiên cứu được từ giảng đường và sự hướng dẫn tận tâm từ các thầy, chúng em hy vọng đồ án này sẽ là tài liệu hữu ích giúp các bạn sinh viên”hiểu rõ hơn về hệ thống phanh tái sinh trên xe Plug- in Hybrid.

Mục tiêu nghiên cứu Đồ án “Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug-in Hybrid” sẽ tập trung vào các khía cạnh sau: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống phanh tái sinh và xe Plug – in Hybrid. - Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng trên xe Plug – in Hybrid. - Xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán và đánh giá hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid. Các nghiên cứu trong và ngoài nước  Trong nước Nhìn chung, những kết quả nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh ở Việt Nam đến nay đã khá nhiều, nổi bật trong số đó là : “Nghiên cứu, mô phỏng hệ thống phanh tái sinh dựa trên chu trình lái xe thực tế” của TS.

Dương Tuấn Tùng và nhóm tác giả đã đánh giá được hiệu quả thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh tái sinh trên các cung đường khác nhau [2]. Bài báo cáo khoa học “Năng lượng tái tạo và công nghệ lưu trữ năng lượng trên xe điện’’ của Vũ Quang Huy và nhóm tác giả đã chứng minh sự chuyển đổi năng lượng tái tạo thành năng lượng điện, đối với xe điện, xe lai điện sẽ làm giảm được mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch và khí, vấn đề ô nhiễm do khí thải. Đồng thời phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng mới trong các nhà máy sản xuất điện và trên các phương tiện giao thông theo hướng tận dụng năng lượng dư thừa [3].  Ngoài nước Peter Clarke và nhóm tác giả có bài nghiên cứu “Giảm khí thải phương tiện với hệ thống phanh tái sinh” để trình bày và phân tích hệ thống phanh tái sinh của xe như 2 một cách dễ dàng và nhanh chóng để làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải [4].

HiguChi và nhóm tác giả đã có bài nghiên cứu “Phát triển hệ thống Plug-in Hybrid hai động cơ mới” trình bày về chế độ vận hành của xe PHEV trên các dòng xe Honda được gọi là i-MMD, để tối ưu hóa nhiên liệu. Khả năng cắm sạc và pin Li- on dung lượng cao, sơ lược về các bộ phận của hệ thống bao gồm động cơ chu trình Atkinson mới được phát triển, động cơ điện hiệu suất cao kết hợp CVT với động cơ đốt trong ICE và máy phát điện, một loại pin dành riêng cho Plug-in Hybrid cũng được mô tả trong bài nghiên cứu [5]. Phương pháp nghiên cứu Về lý thuyết và tham khảo tài liệu: Đây là bước đầu tiên và cơ bản nhất, bao gồm việc“thu thập, chọn lọc, phân tích, tổng hợp các ưu nhược điểm của các công trình trong và ngoài nước, các bài báo đã được”đăng gần đây trên các tạp chí khoa học uy tín. Điều này giúp hiểu rõ nguyên lý làm việc và các thành phần chính của hệ thống phanh tái tạo.

Từ đó, nhóm chúng em sẽ đề xuất mô hình hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV PHEV để nghiên cứu, tính toán và mô phỏng. Về mô hình hóa hệ thống: Nghiên cứu được hỗ trợ bởi phần mềm mô phỏng như: Phần mềm MATLAB/Simulink dùng để thiết kế, tính toán, mô phỏng và“thu thập dữ liệu trong quá trình nghiên cứu.”Các kết quả của mô phỏng cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Bằng cách kết hợp các phương pháp trên, đề tài này có thể cung cấp cái nhìn toàn diện về hiệu suất và khả năng thu hồi của hệ thống phanh tái tạo trên xe Honda CRV PHEV. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu “Đối tượng nghiên cứu: Phanh tái sinh trên xe Honda CRV PHEV.” Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe ô tô Honda CRV PHEV.

Nội dung nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu đề ra của đồ án tốt nghiệp, chúng em sẽ thực hiện với các nội dung như sau: - Nghiên cứu tổng quan bao gồm hệ thống Plug-in Hybrid và phanh tái sinh. - Nghiên cứu“cơ sở lý thuyết tính toán năng lượng thu hồi của hệ thống phanh tái sinh. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng”trên ứng dụng MATLAB/Simulink, từ đó đánh giá hiệu quả thu hồi và khả năng tiết kiệm nhiên liệu từ hệ thống phanh tái sinh. 3 Kết luận: Tóm lại, chúng em đã xác định được tính cấp thiết của đề tài, các nghiên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu, phương pháp, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu.

Trong chương 1, chúng em sẽ nghiên cứu tổng quan về xe Plug – in Hybrid nói chung và hệ thống phanh tái sinh nói riêng. 4 Chương 1 TỔNG QUAN 1. Đặt vấn đề Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với những thách thức nghiêm trọng về biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch, ngành công nghiệp ô tô đang chuyển hướng mạnh mẽ tới các giải pháp năng lượng tái tạo và bền vững. Một trong những công nghệ nổi bật trong lĩnh vực này là hệ thống phanh tái sinh, đặc biệt là trên các dòng xe Hybrid và Plug – in Hybrid như Honda CRV PHEV.

Hệ thống RBS không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà nó còn giảm lượng khí thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc thu hồi và chuyển đổi năng lượng từ quá trình phanh thành điện năng để sạc lại cho pin, thay vì mất đi năng lượng này dưới dạng nhiệt. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất của xe mà còn kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh. Có nghiên cứu cho thấy: Nếu một chiếc xe ô tô có khối lượng 1600 kg được trang bị hệ thống phanh tái tạo và được tích trữ năng lượng để sử dụng lại thì chiếc xe đó sẽ đạt mức tiết kiệm nhiên liệu về mặt lý thuyết lên tới 23% trên đường bằng phẳng, mức nhiên liệu đó đủ để cho chiếc xe tăng tốc ở quãng đường ngắn.

Hệ thống phanh tái sinh đã được sử dụng rộng rãi trên đường sắt trong nhiều thập kỷ trước. Với công nghệ chế tạo các chi tiết tuyệt đối chính xác và công nghệ kỹ thuật điều khiển đã làm tăng hiệu quả của hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện cho thấy có thể giảm được gần 40% năng lượng điện tiêu hao, ít bị hao mòn hơn đối với các bộ phận phanh ma sát và giảm được lượng khí thải CO2 khoảng 90.000 tấn bằng cách tái tạo 112.500 megawatt giờ điện khi sử dụng phanh tái tạo. Hiện nay, nhiều loại xe lai điện và xe thuần điện cũng đã sử dụng phanh tái tạo kết hợp với phanh ma sát giúp tối ưu về mặt nhiên liệu. Tuy nhiên, do khối lượng của ô tô nhỏ hơn so với tàu điện nên năng lượng quán tính của nó cũng ít hơn, làm giảm lượng thu hồi và tích trữ trong quá trình phanh.

Ngoài ra, cần có các thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng để thực hiện quá trình này. Theo các nghiên cứu gần đây, năng lượng tái tạo, chuyển đổi và lưu trữ có thể tồn tại dưới dạng khác nhau, như trong hình 1. Các phương pháp tích trữ năng lượng khi phanh [6] 1. Các phương pháp tích trữ năng lượng hệ thống RBS Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh và làm tiêu tán năng lượng động năng của xe ô tô mà nó phải sử dụng một lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được.