Luận văn thạc sĩ về mô phỏng và thực nghiệm hệ thống truyền động xe lai có phanh tái sinh

• Tác giả: Trần Cao Cường
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Tuấn Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động xe lai có tính đến trường hợp phanh tái sinh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu có liên quan
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
• 1.5.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.5.2. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7.1. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết
• 1.7.2. Phương pháp tham vấn chuyên gia
• 1.7.3. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng
• 1.7.4. Phương pháp so sánh
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái niệm xe hybrid. Cấu trúc, thành phần của hệ thống truyền lực và lưu trữ năng lượng
• 2.2. Cấu trúc hệ thống truyền lực Hybrid xăng điện
• 2.3. Các thành phần của hệ thống truyền lực và lưu trữ năng lượng
• 2.4. Phương pháp cải tạo xe nền Honda Lead thành xe Honda Lead 110cc hybrid
• 2.5. Thông số xe Honda Lead nguyên bản
• 2.6. Yêu cầu thiết kế và phương án cải tạo xe
• 2.7. Thông số của xe sau cải tạo
• 2.8. Cơ sở lý thuyết về phanh tái sinh và các phương pháp lưu trữ năng lượng phanh tái sinh
• 2.8.1. Công dụng, yêu cầu, phần loại phanh
• 2.8.2. Lý thuyết phanh tái sinh
• 2.8.3. Các phương pháp lưu trữ năng lượng khi phanh tái sinh
• 2.9. Giới thiệu cụm motor điện BLDC
• 2.9.1. Cấu tạo động cơ BLDC
• 2.9.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
• 2.9.3. Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC
• 2.10. Lựa chọn mô hình mô phỏng
• 2.11. Cơ sở lý thuyết về mô hình hóa và mô phỏng
• 2.11.1. Khái niệm và vai trò của mô hình hóa và mô phỏng hệ thống
• 2.11.2. Phân loại mô hình hóa
• 2.11.3. Phương pháp mô phỏng
• 3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG LAI CÓ TÍNH ĐẾN PHANH TÁI SINH
• 3.1. Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống phanh tái sinh
• 3.2. Tính toán thiết kế hệ thống phanh tái sinh
• 3.2.1. Xác định trọng tâm xe sau khi cải tạo
• 3.2.2. Tính toán phanh
• 3.2.3. Phương án điều khiển thu hồi công suất phanh
• 3.3. Mô hình hóa xe hybrid có phanh tái sinh
• 3.3.1. Mô hình hóa người lái
• 3.3.2. Mô hình hóa động cơ đốt trong và hệ thống truyền lực
• 3.3.3. Mô hình hóa động cơ điện
• 3.3.4. Mô hình hóa hệ thống lưu trữ năng lượng
• 3.4. Mô phỏng xe máy Hybrid có hệ thống phanh tái sinh
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ ĐIỆN BLDC THÀNH MÁY PHÁT
• 4.1. Kết quả mô phỏng
• 4.2. Chế tạo mạch điều khiển động cơ BLDC có thu hồi công suất
• 4.2.1. Nguyên lý mạch điều khiển
• 4.2.2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý
• 4.2.3. Chế tạo mạch điện của bộ điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Các kết quả đã đạt được
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động xe lai với phanh tái sinh tập trung vào việc cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình sử dụng. Xe lai là một giải pháp tiềm năng cho vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Hệ thống phanh tái sinh được thiết kế để thu hồi năng lượng từ quá trình phanh, chuyển đổi động năng thành điện năng, từ đó nạp lại cho bộ nguồn Lithium-ion. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí nhiên liệu cho người sử dụng. Theo kết quả mô phỏng, năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh chiếm khoảng 16,43% tổng năng lượng tiêu thụ trong chế độ nửa tải, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của hệ thống này.

1.1. Tình hình nghiên cứu có liên quan

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ xe hybrid có thể cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng. Các nghiên cứu như của Asaei và đồng sự đã chứng minh rằng việc chuyển đổi xe máy động cơ đốt trong sang xe điện lai có thể tiết kiệm nhiên liệu lên đến 32%. Hệ thống phanh tái sinh không chỉ giúp thu hồi năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu trong nước cũng đang dần phát triển, tuy nhiên, việc áp dụng thực tiễn vẫn còn nhiều thách thức. Nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc phát triển công nghệ xe lai tại Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ xanh.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu bao gồm các khái niệm về hệ thống truyền động và phanh tái sinh. Hệ thống truyền động xe lai bao gồm động cơ đốt trong và động cơ điện, hoạt động đồng bộ để tối ưu hóa hiệu suất. Phanh tái sinh là một phần quan trọng trong hệ thống này, cho phép thu hồi năng lượng khi phanh và chuyển đổi thành điện năng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng động cơ điện trong chế độ máy phát có thể tăng cường khả năng thu hồi năng lượng, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho xe. Các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng cũng được áp dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống, giúp đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế và cải tạo xe.

2.1. Khái niệm xe hybrid

Xe hybrid, hay còn gọi là xe lai, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: động cơ đốt trong và động cơ điện. Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lượng khí thải. Hệ thống điều khiển sẽ quyết định khi nào sử dụng động cơ nào, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải tạo xe truyền thống thành xe hybrid không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng công nghệ xanh trong thiết kế xe hybrid là một xu hướng tất yếu trong bối cảnh hiện nay.

III. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc lắp đặt hệ thống phanh tái sinh có thể cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng của xe. Trong chế độ nửa tải, quãng đường di chuyển tối đa của xe có phanh tái sinh là 78,5 km, tiêu hao nhiên liệu chỉ 2,204 lit/100km, trong khi xe không có phanh tái sinh chỉ đạt 53,8 km với 2,66 lit/100km. Điều này chứng tỏ rằng năng lượng tái tạo từ phanh có thể đóng góp lớn vào việc giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu. Hệ thống phanh tái sinh không chỉ giúp tiết kiệm chi phí cho người sử dụng mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu khí thải từ xe.

3.1. Phân tích hiệu suất

Phân tích hiệu suất cho thấy rằng xe lai với phanh tái sinh có khả năng thu hồi năng lượng lên đến 16,43% trong chế độ nửa tải. Điều này không chỉ giúp tăng quãng đường di chuyển mà còn giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ. Việc áp dụng công nghệ này trong thiết kế xe sẽ mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh cần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ xe lai và công nghệ xanh.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt và nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông ngày càng tăng, việc phát triển các loại xe tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường trở thành một yêu cầu cấp thiết. Xe hybrid, hay còn gọi là xe lai điện, sử dụng đồng thời hai nguồn động lực là động cơ đốt trong và động cơ điện, nhằm tối ưu hóa hiệu suất vận hành và giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng và thực nghiệm hệ thống truyền động xe lai dựa trên xe Honda Lead 110cc đã được cải tạo, có tính đến trường hợp phanh tái sinh – một công nghệ thu hồi năng lượng phanh nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe lai, đồng thời đánh giá hiệu quả kinh tế nhiên liệu so với xe nền và xe cải tạo không có phanh tái sinh. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2019 tại Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng chu trình vận hành ECE-R15. Kết quả cho thấy năng lượng phanh thu hồi chiếm khoảng 16,43% tổng năng lượng tiêu thụ ở chế độ nửa tải và 13,95% ở chế độ đầy tải, góp phần tăng quãng đường di chuyển tối đa và giảm tiêu hao nhiên liệu đáng kể.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho xe máy lai mà còn mở ra hướng phát triển bền vững cho các phương tiện giao thông tại Việt Nam, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết xe hybrid: Xe hybrid sử dụng hai nguồn động lực gồm động cơ đốt trong và động cơ điện, phối hợp hoạt động để tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Các cấu trúc truyền lực hybrid phổ biến gồm kiểu song song, nối tiếp và hỗn hợp, trong đó xe nghiên cứu áp dụng cấu trúc song song với động cơ xăng dẫn động bánh sau và động cơ điện BLDC dẫn động bánh trước.

• Lý thuyết phanh tái sinh: Phanh tái sinh chuyển đổi động năng của xe khi phanh thành điện năng, nạp lại cho bộ nguồn lưu trữ như pin Lithium-ion hoặc siêu tụ điện, giúp giảm hao phí năng lượng và tăng quãng đường di chuyển. Lý thuyết này bao gồm các giai đoạn phanh, phân bố lực phanh tối ưu và hiệu suất thu hồi năng lượng.

• Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động: Sử dụng Matlab Simulink để xây dựng mô hình toán học các thành phần gồm động cơ đốt trong, động cơ điện BLDC, hệ thống lưu trữ năng lượng và bộ điều khiển phân phối công suất. Mô hình mô phỏng chu trình ECE-R15 nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động và năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số cản khí động học (Cd), lực cản lăn (Frolling), trạng thái sạc pin (SOC), công suất động cơ điện (Pm), và hiệu suất hệ thống truyền lực (η).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm từ xe Honda Lead 110cc cải tạo thành xe hybrid với động cơ điện BLDC 48V-1000W và bộ pin Lithium-ion 48V-33Ah. Số liệu về đặc tính pin, động cơ, lực cản và tiêu hao nhiên liệu được thu thập từ các thử nghiệm thực tế và tài liệu kỹ thuật.

• Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết về phanh tái sinh, tính toán lực phanh, mô men phanh và phân bố lực phanh tối ưu dựa trên trọng tâm xe và hệ số bám đường. Sử dụng mô hình toán học để mô phỏng hoạt động của hệ thống truyền động và phanh tái sinh.

• Phương pháp mô phỏng: Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink, mô phỏng chu trình ECE-R15 trong hai chế độ nửa tải và đầy tải để đánh giá năng lượng thu hồi, quãng đường di chuyển và tiêu hao nhiên liệu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 10/2016 đến tháng 10/2019, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, thiết kế và chế tạo hệ thống phanh tái sinh, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Năng lượng phanh thu hồi: Theo kết quả mô phỏng chu trình ECE-R15, năng lượng phanh thu hồi chiếm 16,43% tổng năng lượng tiêu thụ ở chế độ nửa tải và 13,95% ở chế độ đầy tải. Điều này chứng tỏ phanh tái sinh có khả năng thu hồi một phần đáng kể năng lượng bị mất trong quá trình phanh.

2. Quãng đường di chuyển tối đa: Ở chế độ nửa tải, xe lai có phanh tái sinh đạt quãng đường tối đa 78,5 km, tăng 46% so với xe không có phanh tái sinh (53,8 km). Ở chế độ đầy tải, quãng đường tối đa là 62,8 km, tăng 31% so với xe không có phanh tái sinh (47,8 km).

3. Tiêu hao nhiên liệu: Tiêu hao nhiên liệu giảm rõ rệt khi sử dụng phanh tái sinh, với mức 2,204 lít/100 km ở chế độ nửa tải, giảm 17% so với 2,66 lít/100 km của xe không có phanh tái sinh. Ở chế độ đầy tải, tiêu hao là 2,35 lít/100 km, giảm 20% so với 2,94 lít/100 km.

4. Hiệu suất hệ thống truyền động: Việc tích hợp động cơ điện BLDC hoạt động ở chế độ máy phát trong phanh tái sinh giúp chuyển đổi hiệu quả động năng thành điện năng, góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng quãng đường di chuyển và giảm tiêu hao nhiên liệu là do năng lượng phanh tái sinh được thu hồi và nạp lại cho bộ pin Lithium-ion, giảm nhu cầu sử dụng năng lượng từ động cơ đốt trong. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, tỷ lệ năng lượng thu hồi từ 14-16% là phù hợp với các kết quả nghiên cứu trên xe hybrid và xe điện nhỏ.

Biểu đồ so sánh quãng đường di chuyển và tiêu hao nhiên liệu giữa các trường hợp xe nền, xe lai không phanh tái sinh và xe lai có phanh tái sinh minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống phanh tái sinh. Bảng số liệu chi tiết về lực phanh, công suất thu hồi và mức giảm SOC cũng hỗ trợ cho kết luận này.

Kết quả cũng cho thấy việc sử dụng pin Lithium-ion thay cho ắc quy chì-axit giúp giảm trọng lượng xe và tăng hiệu suất lưu trữ năng lượng, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển và mạch điện cho động cơ BLDC hoạt động ở chế độ máy phát cần được tối ưu để đảm bảo độ bền và hiệu suất cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống phanh tái sinh trên xe máy lai: Khuyến khích các nhà sản xuất và cải tạo xe máy tại Việt Nam áp dụng hệ thống phanh tái sinh để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, chủ thể là các doanh nghiệp công nghệ ô tô và cơ khí.

2. Phát triển bộ điều khiển thông minh cho hệ thống truyền động hybrid: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển phân phối công suất tối ưu giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, đặc biệt trong các tình huống phanh tái sinh để tối đa hóa năng lượng thu hồi. Thời gian triển khai 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Sử dụng pin Lithium-ion chất lượng cao và hệ thống quản lý pin (BMS): Đầu tư phát triển và ứng dụng các loại pin Lithium-ion có tuổi thọ cao, dung lượng lớn và hệ thống quản lý pin hiệu quả để đảm bảo an toàn và hiệu suất lưu trữ năng lượng. Chủ thể là các nhà cung cấp pin và các trung tâm nghiên cứu công nghệ năng lượng.

4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ xe hybrid và phanh tái sinh: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên, kỹ sư và sinh viên ngành cơ khí động lực về thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống phanh tái sinh. Chủ thể là các trường đại học kỹ thuật và các trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế hệ thống truyền động xe hybrid có phanh tái sinh, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo xe máy: Thông tin về thiết kế hệ thống phanh tái sinh và đánh giá hiệu quả kinh tế nhiên liệu giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng yêu cầu thị trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng xe máy lai và công nghệ phanh tái sinh nhằm giảm ô nhiễm môi trường và tiêu hao năng lượng.

4. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và nghề nghiệp: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy và đào tạo kỹ thuật viên về công nghệ xe hybrid và hệ thống phanh tái sinh, nâng cao trình độ chuyên môn.

Câu hỏi thường gặp

1. Phanh tái sinh là gì và tại sao nó quan trọng?
   Phanh tái sinh là công nghệ thu hồi năng lượng động năng khi phanh, chuyển đổi thành điện năng để nạp lại cho pin hoặc bộ lưu trữ. Nó giúp giảm hao phí năng lượng, tăng quãng đường di chuyển và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm mài mòn hệ thống phanh.

2. Xe Honda Lead 110cc được cải tạo như thế nào để trở thành xe hybrid?
   Xe được giữ nguyên động cơ xăng 110cc với bộ truyền vô cấp dẫn động bánh sau, đồng thời lắp thêm động cơ điện BLDC 48V-1000W dẫn động bánh trước, sử dụng bộ pin Lithium-ion 48V-33Ah làm nguồn điện, tạo thành hệ thống truyền động hybrid song song.

3. Hiệu quả của phanh tái sinh trên xe máy lai được đánh giá như thế nào?
   Theo mô phỏng chu trình ECE-R15, phanh tái sinh thu hồi được khoảng 14-16% tổng năng lượng tiêu thụ, giúp tăng quãng đường di chuyển tối đa lên đến 46% ở chế độ nửa tải và giảm tiêu hao nhiên liệu từ 17-20% so với xe không có phanh tái sinh.

4. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô hình toán học và mô phỏng hoạt động hệ thống truyền động và phanh tái sinh theo chu trình vận hành ECE-R15, đánh giá hiệu quả năng lượng và tiêu hao nhiên liệu.

5. Những thách thức khi ứng dụng phanh tái sinh trên xe máy lai là gì?
   Thách thức bao gồm thiết kế bộ điều khiển và mạch điện phù hợp cho động cơ BLDC hoạt động ở chế độ máy phát, đảm bảo độ bền và hiệu suất, cũng như lựa chọn và quản lý hệ thống lưu trữ năng lượng như pin Lithium-ion để tối ưu hóa hiệu quả thu hồi năng lượng.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế hệ thống truyền động xe lai có tính đến phanh tái sinh trên xe Honda Lead 110cc cải tạo.
• Năng lượng phanh thu hồi chiếm khoảng 14-16% tổng năng lượng tiêu thụ, góp phần tăng quãng đường di chuyển và giảm tiêu hao nhiên liệu đáng kể.
• Hệ thống phanh tái sinh giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm mài mòn hệ thống phanh và phát thải khí nhà kính.
• Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để phát triển và ứng dụng công nghệ xe máy lai tại Việt Nam, phù hợp với điều kiện giao thông đô thị.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu bộ điều khiển, mở rộng thử nghiệm thực tế và đào tạo nhân lực kỹ thuật để triển khai rộng rãi công nghệ này.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp thúc đẩy ứng dụng phanh tái sinh trên xe máy lai nhằm góp phần phát triển giao thông bền vững và tiết kiệm năng lượng.