Nghiên cứu về quản lý năng lượng và phân phối lực phanh trong hệ thống phanh tái sinh trên ô tô

Nghiên cứu quản lý năng lượng thu hồi và phân phối lực phanh trong hệ thống phanh tái sinh trên ô tô tại HCMUTE. Tìm hiểu công nghệ tiên tiến.

• Người hướng dẫn: ThS. Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu quản lý năng lượng và phân phối lực phanh trong hệ thống phanh tái sinh ô tô
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp trường
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. I. Giới thiệu chung
• 2. PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Xác định công suất và lực phanh cần thiết
• 2.2. Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh của hệ thống xe thuần cơ khí
• 2.3. Ổn định động học của ô tô trong quá trình chuyển động
• 2.4. Sự phân bố lực phanh và điều kiện đảm bảo lực phanh tối ưu
• 2.5. Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh
• 2.6. Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh của hệ thống tích hợp (Kết hợp giữa phanh tái sinh và phanh cơ khí)
• 2.7. Các phương pháp phân phối lực phanh tái sinh
• 2.8. Phương pháp điều khiển phanh tái sinh
• 3. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN PHỐI LỰC PHANH THEO CÁC CHU TRÌNH LÁI XE TIÊU CHUẨN
• 3.1. Xây dựng bộ điều khiển mô hình mô phỏng
• 3.2. Kết quả mô phỏng
• 3.3. Tính toán năng lượng thu được
• 4. PHẦN III: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Quản lý năng lượng ô tô trong hệ thống phanh tái sinh

Nghiên cứu tập trung vào quản lý năng lượng ô tô trong hệ thống phanh tái sinh, một lĩnh vực then chốt trong việc nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Hệ thống phanh tái sinh (RBS) thu hồi năng lượng động học bị mất trong quá trình phanh, chuyển hóa thành dạng năng lượng khác (điện năng, năng lượng thủy lực, cơ năng) để tái sử dụng. Đây là một giải pháp tiềm năng cho ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong (CICE), xe điện (EV) và xe lai điện (HEV). Hiệu suất phanh tái sinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hiệu quả chuyển đổi năng lượng, phương pháp tích trữ và quản lý năng lượng thu hồi được. Mục tiêu chính là tối ưu hóa thu hồi năng lượng phanh và tối ưu hóa năng lượng ô tô, góp phần vào tiết kiệm nhiên liệu ô tô và giảm lượng khí thải.

1.1 Phân tích các phương pháp tích trữ năng lượng

Bài nghiên cứu phân tích các phương pháp tích trữ năng lượng trong hệ thống phanh tái sinh ô tô. Ba phương pháp chính được xem xét: tích trữ điện năng (sử dụng ắc quy, siêu tụ), tích trữ năng lượng thủy lực và tích trữ năng lượng cơ năng (bánh đà). Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tích trữ điện năng phổ biến trong EV và HEV, nhưng có thể gặp khó khăn về hiệu suất ở tốc độ thấp do chuyển đổi năng lượng giữa AC và DC. Hệ thống phanh hybrid thường kết hợp nhiều phương pháp để tối ưu hiệu quả. Phân tích hệ thống phanh cho thấy, việc lựa chọn phương pháp tích trữ phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả thu hồi năng lượng và chi phí hệ thống. Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả năng lượng ô tô thông qua việc so sánh các phương pháp, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế. Công nghệ phanh tái sinh đang không ngừng phát triển, hướng tới việc tích hợp nhiều công nghệ để đạt hiệu quả cao nhất.

1.2 Quản lý nhiệt hệ thống phanh

Quản lý nhiệt hệ thống phanh là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của hệ thống. Quá trình phanh tạo ra một lượng nhiệt đáng kể, đặc biệt trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. Việc kiểm soát nhiệt độ hoạt động trong phạm vi cho phép là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả của hệ thống. Nghiên cứu đề cập đến các giải pháp quản lý nhiệt, bao gồm thiết kế hệ thống làm mát hiệu quả và lựa chọn vật liệu chịu nhiệt tốt. An toàn hệ thống phanh được đảm bảo thông qua việc kiểm soát nhiệt độ hoạt động, tránh hiện tượng quá nhiệt dẫn đến suy giảm hiệu suất hoặc hư hỏng các bộ phận. Kiểm soát lực phanh chính xác cũng đóng góp vào việc giảm thiểu sinh nhiệt. Nghiên cứu này phân tích khả năng tin cậy hệ thống phanh bằng việc đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hoạt động, từ đó đưa ra các đề xuất thiết kế và vận hành tối ưu.

II. Phân phối lực phanh trong hệ thống phanh tái sinh

Phân phối lực phanh là khía cạnh quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả của hệ thống phanh. Nghiên cứu tập trung vào việc phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và hệ thống phanh truyền thống. Điều khiển phanh điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lực phanh sao cho phù hợp với điều kiện vận hành và đảm bảo an toàn. Mô phỏng hệ thống phanh được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của các thuật toán điều khiển. Kiểm soát lực phanh cần đảm bảo sự cân bằng giữa việc thu hồi năng lượng tối đa và an toàn vận hành. Phân tích hệ thống phanh cho thấy, việc phân phối lực phanh không đồng đều giữa các bánh xe có thể dẫn đến mất ổn định và nguy hiểm. An toàn lái xe được đảm bảo thông qua việc kiểm soát lực phanh chính xác và hiệu quả.

2.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống phanh

Nghiên cứu sử dụng mô hình hóa hệ thống phanh và mô phỏng hệ thống phanh để đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển lực phanh. Các mô hình toán học được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của động lực học xe và hệ thống phanh. Mô hình toán học hệ thống phanh được sử dụng để mô phỏng các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển và tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Phân tích dữ liệu phanh thu thập được từ quá trình mô phỏng giúp xác định các tham số thiết kế quan trọng và cải thiện hiệu suất hệ thống. Thiết kế hệ thống phanh được tối ưu hóa dựa trên kết quả mô phỏng, đảm bảo hiệu quả thu hồi năng lượng và an toàn vận hành. Kiểm tra hệ thống phanh được thực hiện thông qua các thử nghiệm mô phỏng để xác định tính khả thi của thiết kế.

2.2 Thuật toán điều khiển phanh tái sinh

Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển phanh hiệu quả. Điều khiển phanh điện tử cho phép điều chỉnh lực phanh một cách chính xác và linh hoạt, tối ưu hóa quá trình thu hồi năng lượng. Các thuật toán được thiết kế để đảm bảo sự cân bằng giữa việc tối đa hóa năng lượng thu hồi và đảm bảo an toàn vận hành. Thuật toán điều khiển phanh được đánh giá thông qua việc mô phỏng và thử nghiệm thực tế trên xe. Hiệu quả năng lượng ô tô được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển. An toàn hệ thống phanh được đảm bảo thông qua các cơ chế giám sát và kiểm soát. Thích ứng phanh tái sinh với điều kiện vận hành khác nhau là một trong những thách thức lớn.

III. Ứng dụng và triển vọng của hệ thống phanh tái sinh

Nghiên cứu đánh giá ứng dụng phanh tái sinh trong thực tế và triển vọng phát triển trong tương lai. Triển khai hệ thống phanh tái sinh trên các loại xe khác nhau đòi hỏi những điều chỉnh cụ thể về thiết kế và điều khiển. So sánh hệ thống phanh khác nhau cho thấy, hệ thống phanh tái sinh có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Cải thiện hiệu suất xe là mục tiêu chính của việc ứng dụng hệ thống phanh tái sinh. Giảm khí thải ô tô là một lợi ích quan trọng của công nghệ này, góp phần bảo vệ môi trường. Xu hướng phanh tái sinh trong tương lai là tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy.

3.1 Thực tiễn ứng dụng hệ thống phanh tái sinh

Nghiên cứu phân tích các thực tiễn ứng dụng phanh tái sinh trên các loại xe khác nhau. Hệ thống phanh điện và hệ thống phanh thủy lực được kết hợp trong một số hệ thống phanh tái sinh. Việc lựa chọn phương pháp tích trữ năng lượng và thuật toán điều khiển phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại xe. Chiến lược quản lý năng lượng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống. Nghiên cứu ô tô về hệ thống phanh tái sinh cho thấy, công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe điện và xe hybrid. Công nghệ ô tô liên tục phát triển, hướng tới việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống phanh tái sinh. Tiết kiệm nhiên liệu ô tô là một trong những lợi ích quan trọng của việc áp dụng hệ thống phanh tái sinh.

3.2 Triển vọng phát triển công nghệ phanh tái sinh

Nghiên cứu đề cập đến xu hướng phanh tái sinh trong tương lai. Công nghệ phanh tái sinh đang được phát triển mạnh mẽ, hướng tới việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy. Cải thiện hiệu suất phanh tái sinh là một mục tiêu quan trọng. Tối ưu hóa năng lượng ô tô thông qua việc tích hợp các công nghệ tiên tiến khác. An toàn lái xe được đặt lên hàng đầu trong quá trình phát triển công nghệ. Điện năng ô tô được tận dụng tối đa thông qua hệ thống phanh tái sinh. Nghiên cứu ô tô trong lĩnh vực này tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới, các thuật toán điều khiển thông minh và các cấu trúc hệ thống tối ưu. Giảm khí thải ô tô là một trong những mục tiêu chính của công nghệ phanh tái sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU I. 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 vấn đề quản lý năng lượng thu hồi và phân phối lực phanh trong 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 Luan van 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.

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 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 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 Luan van 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 Luan van 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 thống phanh bằng cơ khí.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng [19]. 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 Converter) [19]. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 Luan van Hình 1.3: 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]. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 Luan van Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ [19].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].