CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA HỆ THỐNG PHANH RBS 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 lượng 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 hybrid (lai). 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 [12].
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[12]. 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, 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 Braking 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 1 được tính theo công thức E = 𝑚𝑣 2 sẽ là 47, 8 KJ. Trong đó Ek là động năng của xe, 2 m là khối lượng của xe và v là tốc độ của xe. Do đó nếu như năng lượng này được thu gom 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 [7]. 1 do an TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 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 [27,11].
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. Một nghiên cứu cho thấy giảm được 37% [12] 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. Mặt khác khối lượng của ô tô nhỏ hơn tàu điện do đó năng lượng tích trữ khi phanh 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 như: ắc quy điện, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà hay là lò xo đàn hồi.[12] Các phương án tích trữ năng lượng phanh hiện nay: Tích trữ năng lượng kiểu pin điện. Tích trữ năng lượng kiểu bánh đà. Tích trữ năng lượng kiểu lò xo cuộn.
Tích trữ năng lượng kiểu thủy lực. Tích trữ năng lượng kiểu tụ điện. Tích trữ năng lượng kiểu pin điện và tụ điện. Tích trữ năng lượng kiểu khí nén.
Sau đây chúng ta cùng phân tích về các phương pháp tích trữ năng lượng trên.2 PHƯƠNG PHÁP TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG PHANH 1.1 Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn Hệ thống này có thể phục hồi năng lượng động năng, nguyên tắc làm việc cơ bản của nó giống như hệ thống KERS (hệ thống tích trữ năng động năng) bánh đà ở F1. Nó có thể được lắp đặt ở bên trong trung tâm bánh xe (đùm), nó có kết cấu nhỏ gọn và dễ dàng để hoạt động, tiết kiệm không gian. 2 do an TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hệ thống này lưu trữ năng lượng trong quá trình phanh và cung cấp năng lượng trong quá trình tăng tốc, điều này giúp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu và tăng công suất động cơ.
Hệ thống bao gồm một lò xo cuộn lưu trữ năng lượng, có một đầu vào để nạp năng lượng lưu trữ và một đầu ra để giải phóng năng lượng lưu trữ, trong đó hệ thống lò xo tạo ra một tín hiệu theo dõi dựa trên một thông số trạng thái đang hoạt động của hệ thống lò xo và do đó hệ thống này giải phóng năng lượng lưu trữ phù hợp với tín hiệu điều khiển đầu ra (cảm biến tăng tốc). Một lò xo cuộn nạp năng lượng lưu trữ và phản ứng tới tín hiệu điều khiển nạp. Một mô-đun điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển nạp và tín hiệu điều khiển đầu ra, dựa trên tín hiệu theo dõi.1: Cơ cấu lò xo cuộn Khi xe giảm tốc, thay vì lãng phí thế năng, các bánh xe được kết nối với một lò xo xoắn. Điều này sẽ biến đổi năng lượng động học thành thế năng của lò xo.
Tuy nhiên, lò xo không cung cấp mô men xoắn liên tục. Để thực hiện giảm tốc độ ổn định, cảm biến kiểm soát hộp số thay đổi tỉ số truyền thông qua CVT. Tỷ lệ giảm tốc mong muốn được quyết định bởi người lái. Các cảm biến gia tốc cảm nhận tỷ lệ giảm tốc độ thực tế và cung cấp cho thông tin phản hồi chính xác.
Thông qua giá trị điều khiển phản hồi, do tỷ số truyền được điều chỉnh liên tục và tỷ lệ giảm tốc có thể được duy 3 do an TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP trì ở mức độ mong muốn. Trong trường hợp khi lò xo chịu tải tối đa của nó, phanh bình thường sẽ được kích hoạt. Khi xe dừng lại, lò xo sẽ được giữ lại.
Khi xe bắt đầu tăng tốc lại, thay vì sử dụng động cơ hoặc mô tơ như các hệ thống khác, trục dẫn động kết nối với lò xo đến các bánh xe, mô men xoắn tăng tốc được cung cấp bởi lò xo. Một lần nữa, thông qua cảm biến kiểm soát thông tin phản hồi, tỷ số truyền hộp số được điều chỉnh liên tục để duy trì tốc độ tăng tốc. Khi lò xo được phóng thích toàn bộ năng lượng, hệ thống sẽ sẵn sàng kích hoạt lại khi phanh. Sau mỗi chu kỳ tích trữ năng lượng, năng lượng đạt đến công suất tối đa của nó và người lái có thể bấm vào một nút nhấn sẽ có được 6,5s tăng tốc tăng thêm 82 mã lực cho công suất danh định của động cơ.
Cấu tạo Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, hiệu quả, chi phí thấp. Gồm các bộ phận chính sau: bộ bánh răng hành tinh, lò xo cuộn, ly hợp một chiều, ly-off, ly-on,… Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn [1] Bộ bánh răng hành tinh kết nối với trục đầu vào (bán trục). Một lò xo cuộn được đặt ở trung tâm của bánh xe. Một đầu của lò xo cuộn được kết nối với một bánh cóc chạy một chiều và bánh cóc này gắn vào một chốt được kết nối với trung tâm này.
Một phanh ma sát cũng được đặt ở trung tâm. Trống của phanh được kết nối với đầu kia của lò xo cuộn và má phanh được kết nối với trục của bánh xe. Khi phanh được 4 do an TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP kích hoạt, lò xo bị biến dạng và tác dụng một lực phanh trên các bánh xe.
Khi phanh không kích hoạt, các bánh xe được dẫn động về phía trước bởi lò xo khi nó bung ra. Nguyên lý làm việc Bằng cách sử dụng cảm biến gia tốc điều khiển hộp số, tăng tốc và giảm tốc độ có thể được thực hiện bởi việc chuyển giao năng lượng cơ học giữa xe và bộ lưu trữ năng lượng của lò xo cuộn. Thiết kế gồm ba phần cơ bản: một bộ điều khiển, bộ truyền biến thiên liên tục và một hệ thống lưu trữ năng lượng.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn [1] Khi xe đang chạy trên đường cao tốc, bánh răng hành tinh quay chậm, khi đèn đỏ người lái nhấn bàn đạp phanh, lúc này hệ thống tích trữ năng lượng động năng đang bắt đầu làm việc. Piston thủy lực làm việc khóa cần dẫn lại làm đứng yên, bánh răng bao lúc này quay bị động kết nối với lò xo cuộn bao bên ngoài thông qua bánh cóc, ban đầu phanh đĩa của xe làm việc cùng thời điểm với việc phanh cần dẫn.
Bên cạnh đó ly-on (cảo) đang xiết ly hợp một chiều lại ngăn không cho lò xo cuộn quay ngược lại (giữ lại). Khi đèn xanh, người lái đạp chân ga, áp lực dầu làm cho ly-off đóng lại gắn chặt với ly hợp một chiều và cảo sẽ mở ra. Sau đó lò xo cuộn được phóng thích, truyền mô men qua trục bánh xe. Xe được dẫn động bởi việc tích trữ năng lượng động năng giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Sau khi lò xo cuộn được phóng thích, ly 5 do an TRƯỜNG ĐHSPKT - TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP hợp cảo sẽ được hồi về và cũng ngăn chặn lò xo cuộn gặp sự cố trong khi phóng thích năng lượng. Tích trữ năng lượng động năng không gây ảnh hưởng khi xe lùi.2 Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV 1.1 Động cơ hybrid thủy lực HHV[2] Xe hybrid sử dụng hai nguồn năng lượng để dẫn động các bánh xe. Trong một chiếc xe hybrid động cơ thủy lực (HHV) thường có động cơ đốt trong và động cơ thủy lực được sử dụng để cấp năng lượng cho bánh xe.
Hệ thống hybrid thủy lực bao gồm hai thành phần chính: bình chứa chất lỏng thủy lực và bơm/mô tơ dẫn động thủy lực. Điểm mấu chốt của công nghệ hybrid thủy lực là đơn giản, sạch, hiệu quả và chi phí thấp. Đơn giản: Công nghệ này không đòi hỏi những đột phá, có thể được sản xuất với các kỹ thuật và cơ sở sản xuất đã có sẵn ở Mỹ.