Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và lượng phát thải từ động cơ đốt trong gây suy thoái môi trường toàn cầu, ngành công nghiệp ô tô đang tập trung tìm kiếm các giải pháp tối ưu hóa năng lượng. Đối với các dòng xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống (CICE: Conventional Internal Combustion Engine), quá trình phanh hoặc giảm tốc làm tiêu tán toàn bộ động năng tích lũy của xe dưới dạng nhiệt năng ma sát và tiếng ồn tại cơ cấu phanh. Ví dụ, một phương tiện có khối lượng 300 kg giảm tốc từ 72 km/h xuống 32 km/h làm tiêu hao một lượng động năng khoảng 47,8 kJ; nếu thu hồi được 25% lượng năng lượng này (tương đương 11,95 kJ), nguồn năng lượng đó đủ để gia tốc lại phương tiện từ 0 lên 32 km/h.

Trong khi hệ thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Braking System) đã được ứng dụng phổ biến trên xe điện (EV), xe lai điện (HEV) và hệ thống hybrid thủy lực cho xe tải nặng, các nghiên cứu thu hồi năng lượng cho xe truyền thống sử dụng động cơ đốt trong thuần túy vẫn còn hạn chế. Nhằm kế thừa và mở rộng đề tài "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô" của ThS. Dương Tuấn Tùng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, đồ án tập trung giải quyết 4 câu hỏi nghiên cứu:

  1. Khả năng kết hợp giữa bánh đà quán tính và máy phát điện để thu hồi cơ năng quán tính của xe truyền thống và chuyển hóa thành điện năng tái sử dụng.
  2. Phương pháp tính toán, thiết kế và điều khiển bộ thu hồi năng lượng nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi nhưng vẫn đảm bảo sự phân phối lực phanh và tính ổn định động lực học khi phanh.
  3. Giải pháp kỹ thuật để hấp thụ toàn bộ năng lượng quán tính trong khoảng thời gian phanh rất ngắn, khắc phục nhược điểm nạp chậm của bình ắc quy thông thường (sử dụng kết hợp siêu tụ điện và ắc quy).
  4. Khả năng sử dụng nguồn điện thu hồi để thay thế một phần hoặc hoàn toàn công suất của máy phát điện chính trên xe nhằm cấp điện cho các phụ tải.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh tái sinh kết hợp bánh đà, máy phát điện, siêu tụ và ắc quy tích hợp trên hệ thống truyền lực của ô tô truyền thống (lấy thông số thực tế của dòng xe Toyota Hiace).
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng động lực học và thực nghiệm điều khiển thu hồi năng lượng theo 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn (FTP 75, ECE R15, NEDC, EUDC) ở dải tốc độ từ 80 km/h trở xuống trên băng thử nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình động lực học

Nghiên cứu dựa trên hệ phương trình động lực học chuyển động thẳng của ô tô khi giảm tốc hoặc xuống dốc với góc dốc $\theta$:

$$\sum F = F_j - F_a - F_{f1} - F_{f2} - mg\sin\theta = 0$$

  • Lực cản không khí ($F_a$): Xác định theo công thức $F_a = 0,5 \cdot \rho \cdot C_D \cdot A \cdot (V + V_{\text{wind}})^2$, với $\rho$ là mật độ không khí, $C_D$ là hệ số cản khí động học, $A$ là diện tích cản chính diện, $V$ là vận tốc xe.
  • Lực cản lăn ($F_f$): Ở dải vận tốc $V \le 22,2\text{ m/s}$ (80 km/h), hệ số cản lăn $f$ coi như không đổi ($f = \text{const}$); khi $V > 22,2\text{ m/s}$, hệ số cản lăn tăng theo vận tốc do biến dạng trễ của lốp. Lực cản lăn tổng cộng: $F_f = f \cdot m \cdot g \cdot \cos\theta$.
  • Mô-men quán tính quy dẫn ($M_j$): Khi ngắt ly hợp để thu hồi năng lượng quán tính, lực quán tính tổng cộng tác dụng lên xe gồm quán tính chuyển động tịnh tiến và quán tính của các cụm chi tiết quay:

$$F_j = m \cdot \delta_i \cdot \frac{dv}{dt}$$

Trong đó $\delta_i$ là hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động, được xác định thông qua mô-men quán tính của trục khuỷu, bánh đà động cơ, các cặp bánh răng hộp số, trục các-đăng và bánh xe.

  • Công suất phanh yêu cầu ($P_p$) và biến thiên động năng ($\Delta E$):

$$P_p(t) = F_p(t) \cdot V(t)$$ $$\Delta E = \frac{1}{2}m(U^2 - V^2)$$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán lý thuyết: Thiết lập mô hình toán học giải tích xác định công suất, mô-men cản, tỷ số truyền và kích thước quán tính của hệ thống.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng công cụ SimDriveline và Simulink trong môi trường MATLAB để xây dựng mô hình hệ thống, ứng dụng bộ điều khiển PID bám sát quỹ đạo vận tốc của các chu trình lái xe chuẩn.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo băng thử nghiệm tĩnh tại phòng thí nghiệm, sử dụng động cơ điện dẫn động qua biến tần công nghiệp kết hợp bộ hãm từ và cảm biến mô-men để tái tạo chu trình phanh thực tế.

Nguồn dữ liệu và thông số phương tiện

Các phép tính toán và mô phỏng sử dụng bộ thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe Toyota Hiace:

Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Kích thước tổng thể (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao) $4900 \times 1655 \times 1945$ mm
Chiều dài cơ sở / Chiều rộng cơ sở $2570 / 1430$ mm
Trọng lượng bản thân 1905 kg
Khoảng sáng gầm xe 182 mm
Diện tích cản chính diện ($A$) 2,325 $\text{m}^2$
Bán kính làm việc của bánh xe ($r_b$) 0,34 m
Công suất cực đại động cơ 74 / 5400 kW / rpm
Mô-men xoắn cực đại 165 / 2600 Nm / rpm
Tỷ số truyền tay số 1 / tay số 4 4,517 / 1,472 -
Tỷ số truyền truyền lực chính ($i_0$) 4,3 -

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thu hồi năng lượng đề xuất (RBS) được tích hợp vào hệ thống truyền lực truyền thống với các khối chức năng chính:

[Trục truyền động ô tô] 
[Bộ truyền vô cấp CVT]
[Bánh đà tích năng + Máy phát xoay chiều] (Đồng trục, đặt trong buồng chân không, ổ bi từ)
                            [Ắc quy + Phụ tải điện]

Kiến trúc cơ khí và điện tử

  • Bộ phân phối công suất: Sử dụng cụm bánh răng hành tinh kép (PGS) kết nối với trục truyền động. Khi xe tăng tốc, cơ cấu quay trơn không tải. Khi xe phanh hoặc giảm tốc, phanh điều khiển hãm bánh răng bao, truyền mô-men quán tính qua bộ biến tốc vô cấp CVT để khuếch đại tốc độ dẫn động bánh đà.
  • Cụm tích năng bánh đà - máy phát: Bánh đà được ghép đồng trục với máy phát điện 3 pha, đặt trong buồng chân không và đỡ bằng hệ thống ổ bi từ nhằm triệt tiêu lực cản không khí và giảm thiểu ma sát cơ học ở dải vòng tua cao.
  • Hệ thống lưu trữ điện tầng bậc: Điện áp phát ra từ máy phát nạp trực tiếp vào khối siêu tụ điện để thu nhận nhanh dòng điện công suất lớn trong thời gian phanh ngắn (vài giây), sau đó bộ điều khiển chuyển tiếp năng lượng nạp ổn định vào ắc quy xe.

Cấu hình mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm được lắp đặt hoàn chỉnh phục vụ kiểm chứng thuật toán và khả năng thu hồi:

  • Nguồn dẫn động mô phỏng tải: Động cơ điện xoay chiều 3 pha điều khiển qua biến tần Toshiba VF-FS1-2075PM (công suất định mức 7,5 kW, nguồn 3 pha 200V).
  • Bộ điều khiển: Tích hợp mạch điều khiển kín PID điều chỉnh tần số biến tần theo tín hiệu điện áp đặt để mô phỏng chính xác vận tốc xe theo thời gian thực của từng chu trình.
  • Cơ cấu tạo tải phanh: Bộ hãm điện từ (bộ hãm từ) điều khiển mô-men cản phanh.
  • Hệ thống đo lường: Cảm biến mô-men xoắn chuyên dụng lắp trực tiếp trên trục bánh xe để đo phản lực và công suất tức thời trong suốt quá trình giảm tốc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phanh tái sinh

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về các công nghệ phanh tái sinh trên thế giới và trong nước. Tác giả tiến hành phân loại và so sánh 4 giải pháp tích trữ năng lượng phanh tái tạo:

Công nghệ tích trữ Độ ổn định điện áp Dải nhiệt độ làm việc Khả năng giảm tiêu hao nhiên liệu (theo HEV) Tỷ trọng giá thành Ưu điểm / Nhược điểm chính
Bánh đà cơ khí (Flywheel/KERS) Rất cao (không phụ thuộc tải/sạc) $-40^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$ 27% 15% Mật độ công suất cao, nạp xả trực tiếp; tự phóng năng lượng nhanh.
Điện hóa (Ắc quy hóa học) Trung bình $-15^\circ\text{C}$ đến $50^\circ\text{C}$ 15% 6% Giá thành rẻ; thời gian nạp lâu, giảm tuổi thọ khi dòng nạp biến thiên mạnh.
Siêu tụ điện (Supercapacitor) Thấp (khoảng 30%) Rộng 40% 32% Hấp thụ dòng xung cực nhanh, tuổi thọ cao; mật độ năng lượng riêng thấp.
Bộ tích năng thủy lực Trung bình Trung bình 18% 47% Công suất thu hồi lớn; kết cấu cồng kềnh, nặng nề, chỉ hợp xe tải trọng lớn.

Chương này cũng tổng hợp các công trình điển hình như hệ thống KERS sợi carbon của Volvo (nặng 6 kg, quay 60.000 rpm, bổ sung 80 mã lực), hệ thống SJSU-RBS của Đại học San Jose (2013), hệ thống bánh đà Flybrid trên xe đua F1 và chỉ ra khoảng trống nghiên cứu đối với xe động cơ đốt trong truyền thống tại Việt Nam.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 thiết lập toàn bộ cơ sở giải tích phục vụ việc tính toán các lực tác dụng lên ô tô khi phanh: lực cản lăn $F_f$, lực cản không khí $F_a$, lực cản lên dốc và lực quán tính $F_j$. Tác giả trình bày phương pháp xác định mô-men quán tính quy dẫn $\delta_i$ thông qua tính toán chi tiết mô-men quán tính của trục khuỷu ($I_{\text{cgi}}$), bánh đà động cơ ($I_{\text{fw}}$), các bánh răng trong hộp số ($I_h$) và bánh xe ($I_b$). Toàn bộ thông số kích thước, khối lượng và tỷ số truyền của xe Toyota Hiace được đưa vào làm dữ liệu đầu vào cho các phương trình toán học.

Chương 3: Mô phỏng hệ thống thu hồi năng lượng theo các chu trình lái xe cơ bản

Tác giả xây dựng mô hình mô phỏng SimDriveline trên MATLAB/Simulink và áp dụng thuật toán điều khiển PID để xe bám sát 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn:

  • Chu trình FTP 75 (Federal Test Procedure): Chu trình đô thị của Mỹ, đặc trưng bởi sự thay đổi tốc độ liên tục với nhiều pha tăng/giảm tốc ngắn.
  • Chu trình ECE R15: Chu trình lái xe đô thị chuẩn châu Âu với dải vận tốc thấp, chu kỳ tăng giảm lặp lại đều đặn.
  • Chu trình EUDC (Extra Urban Driving Cycle): Chu trình ngoại ô với tốc độ cao, các đoạn phanh từ dải vận tốc lớn.
  • Chu trình NEDC (New European Driving Cycle): Chu trình tổng hợp kết hợp 4 chu kỳ ECE R15 và 1 chu kỳ EUDC.

Kết quả mô phỏng xuất ra các đường đặc tính vận tốc bám chu trình chuẩn, số vòng quay máy phát, công suất tức thời và tích phân tổng năng lượng thu hồi được trên từng chu trình.

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình thí nghiệm:

  • Lựa chọn động cơ kéo, tính toán công suất phát cực đại và số vòng quay cực đại tương ứng với từng chu trình lái xe.
  • Cài đặt thông số biến tần Toshiba VF-FS1: thiết lập thời gian tăng/giảm tốc, tần số cực đại, tần số giới hạn trên/dưới, cấu hình chân điều khiển chế độ REMOTE qua tín hiệu điện áp analog và cài đặt thông số bộ điều khiển PID nội tại.
  • Lắp đặt bộ hãm từ và cảm biến mô-men xoắn trên trục.
  • Tiến hành chạy thực nghiệm trên băng thử cho 4 chu trình (FTP 75, ECE R15, EUDC, NEDC), thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, công suất và năng lượng thu hồi thực tế, sau đó đối chiếu trực tiếp với đường cong mô phỏng lý thuyết.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu đề tài: xây dựng thành công mô hình mô phỏng và hệ thống thực nghiệm bám sát các chu trình lái xe tiêu chuẩn, định lượng được nguồn năng lượng tái sinh và đề xuất định hướng hoàn thiện cơ cấu phần cứng trong thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Khả năng điều khiển bám chu trình: Bộ điều khiển PID trên phần mềm mô phỏng và trên biến tần thực nghiệm điều khiển hệ thống bám sát đường cong vận tốc của cả 4 chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn (FTP 75, ECE R15, EUDC, NEDC).
  • Định lượng năng lượng thu hồi: Đồ án đã tính toán và đo đạc công suất phát cũng như tổng năng lượng thu hồi tại trục máy phát qua từng chu trình lái xe. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng về quy luật biến thiên công suất:
Chu trình kiểm tra Đặc điểm vận hành mô phỏng Kết quả đo đạc / Đánh giá thu hồi
FTP 75 Nhiều chu kỳ phanh/dừng trong đô thị Thu hồi năng lượng liên tục ở các pha giảm tốc ngắn; công suất đỉnh biến thiên nhanh theo tải phanh.
ECE R15 Chu kỳ đô thị tốc độ thấp, ổn định Năng lượng thu hồi lặp lại theo chu kỳ đều đặn; công suất phát nhỏ nhưng ổn định.
EUDC Chạy ngoại ô tốc độ cao Năng lượng thu được trên mỗi lần phanh rất lớn do động năng triệt tiêu từ vận tốc cao.
NEDC Kết hợp đô thị và ngoại ô Phản ánh toàn diện năng lượng thu hồi tổng hợp của một chu trình hỗn hợp hoàn chỉnh.
  • Xác thực mô hình thực nghiệm: Hệ thống băng thử sử dụng biến tần Toshiba VF-FS1-2075PM và cảm biến mô-men đã vận hành ổn định, tái tạo chính xác các trạng thái động học và động lực học của quá trình phanh ô tô.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất hoàn chỉnh cấu trúc hệ thống thu hồi năng lượng quán tính RBS kết hợp bánh đà tích cơ năng và máy phát điện dành riêng cho dòng xe trang bị động cơ đốt trong truyền thống.
  • Thiết lập giải pháp nạp điện tầng bậc: sử dụng siêu tụ điện hấp thụ dòng công suất cao tức thời trong thời gian ngắn của quá trình phanh, giải quyết triệt để xung đột giữa tốc độ phanh nhanh và tốc độ nạp chậm của ắc quy hóa học.
  • Xây dựng phương pháp luận và cơ sở dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết động lực học quy dẫn, mô phỏng SimDriveline đến kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chưa vận hành bánh đà trong môi trường buồng chân không tuyệt đối và chưa tích hợp hệ thống ổ bi từ như thiết kế lý thuyết, dẫn đến tổn hao do ma sát ổ trục và cản gió bánh đà còn đáng kể ở dải tốc độ cao.
  • Nghiên cứu giới hạn dải vận tốc thử nghiệm từ 80 km/h trở xuống.
  • Hệ thống mới được thử nghiệm trên băng thử nghiệm mô phỏng tải tĩnh bằng bộ hãm từ, chưa được tích hợp và vận hành thực tế trên xe nguyên bản di chuyển ngoài đường giao thông.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện chế tạo buồng chân không và cơ cấu đỡ bằng ổ bi từ cho cụm bánh đà - máy phát nhằm nâng cao vòng tua làm việc và hiệu suất tích trữ.
  • Nghiên cứu sâu các giải thuật điều khiển phân phối lực phanh điện tử tối ưu (giữa lực phanh cơ khí truyền thống và lực phanh tái sinh điện từ) để đảm bảo an toàn tuyệt đối khi phanh khẩn cấp.
  • Lắp đặt thử nghiệm trọn bộ hệ thống RBS lên phương tiện thực tế (xe Toyota Hiace) để đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu thực tế và độ bền cơ khí.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Giảng viên, sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa; các kỹ sư nghiên cứu phát triển hệ thống truyền lực hybrid và thiết bị tiết kiệm năng lượng cho phương tiện giao thông.
  • Nội dung giá trị:
    • Phương pháp thiết lập công thức toán động lực học xác định mô-men quán tính quy dẫn $\delta_i$ cho hệ thống truyền lực truyền thống (Chương 2).
    • Quy trình xây dựng mô hình SimDriveline mô phỏng bám chu trình lái xe chuẩn quốc tế trong MATLAB (Chương 3).
    • Sơ đồ mạch, phương pháp đấu nối và cấu hình tham số biến tần Toshiba VF-FS1 kết hợp mạch điều khiển PID và cảm biến mô-men trên băng thử thực nghiệm (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống RBS trong đồ án lại kết hợp cả bánh đà, siêu tụ điện và ắc quy thay vì chỉ dùng ắc quy như xe điện thông thường?

Trong xe truyền thống, quá trình phanh diễn ra trong thời gian rất ngắn (vài giây) với công suất tức thời rất lớn. Bình ắc quy có thời gian nạp hóa học chậm và không thể hấp thụ dòng nạp quá cao trong thời gian ngắn mà không làm chai pin. Việc kết hợp bánh đà (tích cơ năng nhanh) cùng siêu tụ điện (nạp dòng điện xung cao tức thì) giúp thu nhận tối đa động năng phanh, sau đó bộ điều khiển sẽ xả dần năng lượng từ siêu tụ nạp lại cho ắc quy một cách ổn định và an toàn.

2. Các chu trình lái xe tiêu chuẩn nào đã được sử dụng để đánh giá hệ thống?

Đồ án sử dụng 4 chu trình lái xe chuẩn: FTP 75 (chu trình đô thị của Mỹ), ECE R15 (chu trình đô thị châu Âu), EUDC (chu trình ngoài đô thị/cao tốc châu Âu) và NEDC (chu trình hỗn hợp kết hợp 4 chu kỳ ECE R15 và 1 chu kỳ EUDC).

3. Thông số kỹ thuật của biến tần điều khiển mô hình thực nghiệm là gì?

Mô hình thực nghiệm sử dụng biến tần công nghiệp Toshiba model VF-FS1-2075PM, thông số điện áp 3 pha 200V, công suất định mức 7,5 kW, tích hợp bộ điều khiển PID nhận tín hiệu điều khiển analog để điều chỉnh tốc độ động cơ kéo theo chu trình đặt trước.

4. Phương tiện nào được nhóm tác giả lựa chọn làm đối tượng tính toán thông số lý thuyết?

Dòng xe được lựa chọn là Toyota Hiace với trọng lượng bản thân 1905 kg, kích thước tổng thể $4900 \times 1655 \times 1945\text{ mm}$, động cơ công suất 74 kW tại 5400 rpm, mô-men xoắn 165 Nm tại 2600 rpm, diện tích cản chính diện $2,325\text{ m}^2$ và bán kính bánh xe $0,34\text{ m}$.

5. Cơ cấu nào được đề xuất để đóng/ngắt truyền lực từ trục xe sang bánh đà và máy phát?

Hệ thống sử dụng một bộ bánh răng hành tinh kép (PGS) kết hợp với cơ cấu phanh điều khiển và hộp số biến thiên vô cấp CVT. Khi tăng tốc, bộ hành tinh quay trơn; khi phanh hoặc giảm tốc, phanh sẽ hãm bánh răng bao để truyền lực và tăng tốc độ quay dẫn động bánh đà cùng máy phát điện.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu điều khiển mô hình hệ thống thu hồi năng lượng quán tính của ô tô dựa trên các chu trình lái xe" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp hệ thống phanh tái sinh cho dòng xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Nhóm tác giả đã hoàn thiện cơ sở lý thuyết động lực học quy dẫn, xây dựng mô hình mô phỏng SimDriveline bám sát 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn và chế tạo thành công băng thử nghiệm thực tế với biến tần công nghiệp Toshiba cùng cảm biến mô-men. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của giải pháp kết hợp bánh đà, siêu tụ và máy phát để thu hồi năng lượng phanh, tạo nền tảng khoa học quan trọng cho các nghiên cứu ứng dụng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trên ô tô.