Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống thu hồi năng lượng quán tính ô tô - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống thu hồi năng lượng quán tính ô tô tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đồ án tốt nghiệp phân tích phương pháp tối ưu hóa năng

• Tác giả: Trần Hữu Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống thu hồi năng lượng quán tính của ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển tối ưu thu hồi năng lượng quán tính ô tô

Nghiên cứu điều khiển tối ưu thu hồi năng lượng quán tính ô tô là lĩnh vực quan trọng trong công nghệ xe tiết kiệm nhiên liệu. Khi ô tô phanh hoặc giảm tốc, phần lớn động năng bị biến thành nhiệt năng và lãng phí. Hệ thống thu hồi năng lượng quán tính giúp chuyển đổi phần năng lượng này thành dạng có thể tái sử dụng. Công nghệ này đặc biệt ý nghĩa trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao và yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng cấp thiết. Các phương án tích trữ năng lượng bao gồm ắc quy, siêu tụ điện, bánh đà và hệ thống thủy lực. Mỗi phương án có ưu nhược điểm riêng về hiệu suất, giá thành và tính ứng dụng. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng bộ điều khiển tự động tối ưu, thu thập dữ liệu và đánh giá tính khả thi của hệ thống. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương án sử dụng bánh đà là giải pháp hiệu quả với chi phí thấp nhất, chỉ chiếm 15% giá thành so với các phương án khác.

1.1. Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu

Ô tô truyền thống lãng phí đáng kể năng lượng trong quá trình phanh dưới dạng nhiệt. Nghiên cứu điều khiển tối ưu thu hồi năng lượng quán tính ô tô nhằm khắc phục hạn chế này. Đề tài kế thừa tài liệu từ nhóm nghiên cứu trước, tập trung thiết kế hệ thống giám sát tự động. Mục tiêu bao gồm thu thập dữ liệu năng lượng thu hồi, xử lý và xây dựng đường xu hướng so với vận tốc xe. Hệ thống được đánh giá tính khả thi thông qua mô hình mô phỏng phanh tái sinh và chương trình LabVIEW.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn của công nghệ thu hồi năng lượng

Công nghệ thu hồi năng lượng quán tính mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho ngành ô tô. Hệ thống giúp giảm tiêu hao nhiên liệu đáng kể, đặc biệt trong điều kiện giao thông đô thị với tần suất phanh cao. Ngoài ra, công nghệ này giảm phát thải khí CO2, góp phần bảo vệ môi trường. Đối với xe hybrid và xe điện, thu hồi năng lượng quán tính là giải pháp then chốt tăng quãng đường di chuyển. Chi phí đầu tư hợp lý khiến công nghệ này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

II. Phân tích các phương án tích trữ năng lượng quán tính khi phanh

Việc lựa chọn phương án tích trữ năng lượng quán tính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả thu hồi. Có bốn phương án chính được nghiên cứu: ắc quy, siêu tụ điện, hệ thống thủy lực và bánh đà. Xét về hiệu suất hao nhiên liệu, bánh đà thể hiện ưu điểm vượt trội. Hệ thống thủy lực phù hợp với xe tải trọng lớn nhưng có giá thành cao nhất, chiếm 47% chi phí. Siêu tụ điện chiếm 32% chi phí, cần dung lượng lớn và bộ biến đổi điện áp phức tạp. Ắc quy chiếm 6% chi phí nhưng hiệu suất thu hồi hạn chế hơn. Bánh đà là phương án rẻ nhất với 15% chi phí, hiệu quả tăng khi tốc độ quay được nâng cao. Các hướng nghiên cứu mới tập trung vào xe lai xăng-điện sử dụng bánh đà kết hợp bộ biến đổi chuyển hóa thành điện năng. Phương án thuần cơ khí cũng được áp dụng cho xe hybrid, mang lại tiềm năng phát triển lớn.

2.1. So sánh hiệu suất và giá thành các phương án

So sánh bốn phương án tích trữ năng lượng cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Bánh đà có hiệu suất thu hồi cao nhất với chi phí đầu tư thấp chỉ 15%. Ắc quy chi phí 6% nhưng cần dung lượng lớn và bộ biến đổi điện áp. Siêu tụ điện chi phí 32%, phù hợp ứng dụng trên xe điện và xe lai điện. Hệ thống thủy lực chi phí 47%, chỉ áp dụng được cho xe tải trọng lớn. Lựa chọn phương án phụ thuộc vào loại xe và điều kiện vận hành cụ thể.

2.2. Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống bánh đà

Bánh đà hoạt động dựa trên nguyên lý tích trữ cơ năng dưới dạng động năng quay. Khi xe phanh, năng lượng quán tính được truyền đến bánh đà qua hệ thống truyền động. Bánh đà quay ở tốc độ cao để lưu trữ năng lượng, sau đó giải phóng khi xe cần gia tốc. Hiệu quả thu hồi tăng tuyến tính theo tốc độ quay của bánh đà. Hệ thống điều khiển phải đảm bảo đồng bộ giữa bánh đà và động cơ chính. Đây là giải pháp tối ưu cho xe hybrid thuần cơ khí trong đô thị.

III. Giải pháp điều khiển tối ưu hệ thống thu hồi năng lượng quán tính

Hệ thống điều khiển tối ưu bao gồm bộ giám sát, thu thập dữ liệu và kích hoạt tự động. Bộ điều khiển được thiết kế để quản lý quá trình phanh tái sinh một cách hiệu quả. Chương trình LabVIEW đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực. Hệ thống sử dụng bệ thử con lăn để đánh giá đặc tính công suất kéo và công suất cản. Các tham số đo trực tiếp bao gồm vận tốc xe, lực kéo và công suất của con lăn. Mô men ngoại lực và gia tốc góc bánh xe được xác định gián tiếp từ dữ liệu đo. Bộ điều khiển tự động điều phối quá trình chuyển đổi năng lượng từ dạng cơ sang dạng tích trữ. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáng tin cậy. Chương trình LabVIEW hiển thị trực quan các thông số giúp đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng.

3.1. Thiết kế bộ giám sát và thu thập dữ liệu tự động

Bộ giám sát được thiết kế để theo dõi liên tục các thông số vận hành của hệ thống. Cảm biến đo vận tốc, lực kéo và công suất được bố trí tại các vị trí chiến lược. Dữ liệu được thu thập tự động và truyền về bộ xử lý trung tâm qua giao thức truyền thông. Chương trình LabVIEW xử lý dữ liệu thời gian thực và hiển thị đồ thị trực quan. Hệ thống cảnh báo tự động kích hoạt khi phát hiện bất thường trong quá trình vận hành. Thiết kế này đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu sai số đo.

3.2. Quy trình thử nghiệm trên bệ thử con lăn

Xe được đặt trên bệ thử với bánh xe chủ động tiếp xúc trực tiếp với con lăn. Thử nghiệm thực hiện ở từng tay số khác nhau, nhấn ga đến tốc độ cực đại để đo công suất kéo. Sau đó nhả ga và ngắt ly hợp, lực quán tính của hệ thống truyền lực được ghi nhận. Thiết bị đo ghi lại công suất cản đặt vào con lăn và công suất kéo tại bánh xe. Từ dữ liệu thu được suy ra công suất động cơ và đánh giá hiệu suất thu hồi năng lượng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu thu hồi năng lượng

Nghiên cứu điều khiển tối ưu thu hồi năng lượng quán tính ô tô đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Hệ thống mô hình mô phỏng phanh tái sinh hoạt động chính xác và ổn định. Hộp điều khiển tự động và chương trình LabVIEW đáp ứng yêu cầu thu thập dữ liệu thực tế. Bảng số liệu thực tế thu thập được cung cấp cơ sở đánh giá tính khả thi của hệ thống. Kết quả cho thấy bánh đà là phương án tích trữ năng lượng hiệu quả và kinh tế nhất. Hệ thống điều khiển tối ưu giúp tăng đáng kể hiệu suất thu hồi năng lượng khi phanh. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho xe hybrid thuần cơ khí tại Việt Nam. Ứng dụng thực tiễn bao gồm xe buýt đô thị, xe tải nhẹ và xe du lịch. Công nghệ này phù hợp với điều kiện giao thông đặc thù tại các thành phố lớn. Phát triển tiếp theo cần tập trung nâng cấp tốc độ quay bánh đà để tăng hiệu quả thu hồi.

4.1. Đánh giá kết quả và tính khả thi của hệ thống

Kết quả thử nghiệm trên bệ thử con lăn xác nhận tính khả thi của hệ thống. Đường xu hướng năng lượng thu hồi so với vận tốc xe cho thấy hiệu quả rõ rệt. Bộ điều khiển tự động hoạt động ổn định trong các điều kiện vận hành khác nhau. Độ chính xác đo đạt 2%, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu. Chương trình LabVIEW cung cấp giao diện trực quan giúp theo dõi và đánh giá hiệu suất. Hệ thống sẵn sàng cho giai đoạn thử nghiệm thực tế trên đường.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng cho công nghiệp ô tô Việt Nam. Xe hybrid sử dụng bánh đà tích trữ năng lượng phù hợp với điều kiện giao thông đô thị. Xe buýt công cộng và xe tải nhẹ là đối tượng ứng dụng ưu tiên hàng đầu. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm nâng cấp vật liệu bánh đà và tối ưu hóa bộ biến đổi. Hợp tác với các hãng sản xuất ô tô sẽ加速 quá trình thương mại hóa công nghệ. Ứng dụng rộng rãi giúp giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH 1.1 Giới thiệu chung - Hệ thống phanh trên ô tô là một hệ thống an toàn chủ động. 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. 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 hề nhỏ.

Hệ thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Braking System) ra đời với mục đích 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 [1]. - Theo các nghiên cứu gần đây thì hệ thống phanh tái sinh được nghiên cứu, tính toán và áp dụng trên các dòng xe điện (EV: Electric Vehicle), xe lai điện (HEV: Hybrid Electric Vehicle) và một số dòng xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV: Fuel Cell Vehicle) [18]. Đặc điểm của hệ thống phanh tái sinh được áp dụng trên các dòng xe này là năng lượng cơ năng được chuyển hóa thành điện năng để dẫn động các mô tơ điện hoạt động phục vụ cho quá trình tăng tốc của xe. Với xe ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong (CICE: Convetional Internal Combustion Engine) thì hệ thống phanh tái sinh cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng dưới các dạng khác nhau như: năng lượng cơ năng thu hồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc được tích trữ dưới dạng thủy lực được áp dụng cho các xe tải trọng lớn có kiểu hệ thống truyền lực thủy lực (Hydraulic Powertrain); sử dụng bánh đà làm một thiết bị tích trữ năng lượng dưới dạng cơ năng sau đó sử dụng cơ năng này để phục vụ quá trình tăng tốc được áp dụng trên các xe đua F1và các xe du lịch tải trọng nhỏ [18]… Riêng xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống thì việc thu hồi năng lượng quán tính trong quá trình phanh hoặc giảm tốc chưa được nghiên cứu nhiều trong khi số lượng xe này trên thị trường khá phổ biến.

- Đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô” được thực hiện với mục đích thu hồi năng lượng quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc bằng sự kết hợp giữa thiết bị tích trữ năng lượng cơ năng là bánh đà quán tính và máy phát điện biến cơ năng thành điện năng nạp lại 1 cho ắc quy để sử dụng cho các phụ tải điện. Đề tài sẽ đi thiết kế, tính toán các thông số của bộ thu hồi năng lượng, mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm trên xe để từ đó đưa ra giải thuật điều khiển phù hợp giữa lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí nhằm nâng cao hiệu suất của bộ thu hồi năng lượng mà vẫn đảm bảo tính an toàn và ổn định của ô tô trong quá trình phanh hoặc giảm tốc. Tính toán năng lượng thu hồi được nhằm hướng tới thay thế năng lượng do máy phát điện chính trên xe để cung cấp cho các phụ tải điện giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu phanh.2 Tổng quan đề tài - Như chúng ta đã biết vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang là thách thức đối với các hãng sản xuất ô tô. Năng lựợng truyền thống (năng lựợng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đã và đang là những vấn đề mang tính toàn cầu.

Một trong những giải pháp để giảm thiểu vấn đề nêu 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 nguồn 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 thường được chia làm 3 kiểu truyền lực: kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp [1].

Dù là kiểu hệ thống truyền lực nào đi nữa thì hệ thống Hybrid đều 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 dòng 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). - Để hiểu rõ hơn về điều 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 72km/h. Ta sử dụng hệ thống phanh thông thường để giảm tốc xe xuống còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo công thức: Ek = 1/2 mv2 sẽ là 47, 8 kJ.

Trong đó Ek 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 2 được thu hồi và tích trữ để sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe thay vì làm tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng ồn ở cơ cấu phanh. Giả sử ta thu hồi lại được chỉ cần 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47, 8 KJ = 11,95KJ). Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe này lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [17].

- Thật ra thì ý tưởng về hệ 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 chi tiết và kỹ thuật điều 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 hồi [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 hồi 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 gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng khác nhau được mô tả như trong hình 1.1: Các hướng nghiên cứu về công nghệ tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh [5]. 3 Sau đây tác giả sẽ đi phân tích một số những tính năng cơ bản và ưu/nhược điểm của các hệ thống RBS đặc trưng.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 điều khiển. Chúng có thể biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để có thể sử dụng lại [1]. Mô tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại sự 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 [4] do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ thấp nên ở dải tốc độ này thường dùng hệ thốn phanh bằng cơ khí.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng - Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động ở các chế độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chiều hoặc xoay chiều.

Các thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh có thể là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai [19]. Hệ thống RBS với thiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụng cho các xe EV và HEV và cần phải có các bộ biến đổi điện (Inverter và 4 Converter) [19].3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter [19]. - 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 và converter). Điện áp và dòng điện sử dụng lớn nên cần phải có các linh kiện công suất dẫn dòng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật điều 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 cầu 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 cần thiết phải có sự phối hợp giữa ắc quy và siêu tụ [19].4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ.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 lực đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp ô tô trong nhiều năm [1]. Một bộ tích trữ thủy lực hình trụ có thể tích trữ được một lượng dầu áp suất lớn.

Thiết bị này tích trữ năng lượng bằng việc nén một chất khí (thường là khí Nitơ) [34]. Khí này nhẹ, rẻ mà lại cung cấp năng lượng tốt. Một hệ thống hybrid thủy lực thường có một bộ tích năng, một bình chứa dầu, và một bơm/mô tơ thủy lực (bơm thủy lực có thể hoạt động như một mô tơ thủy lực). - Cũng giống như xe điện, hệ thống hybrid thủy lực 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 lực cũng cần được quan tâm cải thiện về trọng lượng bản thân của nó. Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truyền lực Hybrid thủy lực [1].