CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 1. Hiện trạng: Hiện nay, vấn đề thiếu nguồn nguyên liệu cho xe động cơ đốt trong đang là một thách thức lớn trong ngành công nghiệp ô tô. Nguyên nhân chính của vấn đề này là do tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và giá trị của các nguồn nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu diesel đang tăng cao và tình trạng ô nhiễm môi trường đang ngày càng trở nên nghiêm trọng. Các nhà sản xuất ô tô đang đưa ra một giải pháp nhằm giảm thiểu các vấn đề liên quan đến xe hơi bằng cách sản xuất những dòng xe lai (hybrid).
Xe lai sử dụng hai nguồn năng lượng khác nhau bao gồm động cơ đốt trong (ICE) và một thiết bị lưu trữ năng lượng được gọi là hệ thống lai. Hiện nay, hệ thống lai kết hợp hai loại nguồn này đang được sử dụng rộng rãi và được chia thành ba loại truyền lực khác nhau: liên tục, song song và hỗn hợp. Bất kể loại hệ thống truyền lực nào được sử dụng, các hệ thống lai đều cần có các bộ phận đầy đủ bao gồm động cơ đốt trong, động cơ điện, máy phát điện (MG) và pin cao áp (HVB). Một trong những lợi ích của dòng xe này so với các loại xe sử dụng năng lượng truyền thống hiện nay là tính tiết kiệm nhiên liệu thông qua việc sử dụng các công nghệ hồi phục năng lượng cho xe khi giảm tốc, bao gồm hệ thống phanh tái tạo năng lượng hay phanh tái sinh (RBS).
Cùng xem một ví dụ để giải thích cách mà hệ thống phanh tái tạo năng lượng giúp tiết kiệm năng lượng. Giả sử có một chiếc xe ô tô có khối lượng 300kg, đang di chuyển với tốc độ 72km/h. Nếu sử dụng phanh thông thường để giảm tốc độ xuống còn 32km/h, năng lượng tiêu tốn sẽ là 47,8 (KJ), được tính bằng công thức E = 0.𝑣 2 , trong đó E là động năng của xe, m là khối lượng của xe và v là tốc độ của xe. Nếu sử dụng hệ thống phanh tái tạo năng lượng, có thể thu được khoảng 25% năng lượng này và lưu trữ lại khoảng 11.
Việc lưu trữ được khoảng năng lượng này có thể được sử dụng để gia tốc chiếc xe từ tốc độ 0 lên 32km/h thay vì để năng lượng trở thành nhiệt năng trong quá trình phanh. 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Ý tưởng sử dụng hệ thống phanh tái tạo năng lượng đã được áp dụng rộng rãi trên các tàu điện. Các mô tơ điện được sử dụng để hoạt động như máy phát điện khi phanh được kích hoạt.
Qua các cải tiến công nghệ về chi tiết và kỹ thuật điều khiển, hiệu suất của hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên tàu điện đã được nâng cao. Theo một nghiên cứu, sử dụng phanh tái tạo năng lượng có thể giảm tới 37% lượng điện tiêu thụ của tàu điện. Tuy nhiên, đối với ô tô sử dụng động cơ đốt trong, khả năng giảm sự tiêu hao năng lượng khi sử dụng phanh tái sinh khó thực hiện được như trên tàu điện. Vì quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ đốt trong không thể được phục hồi như mô tơ điện.
Bên cạnh đó, khối lượng của ô tô nhỏ hơn rất nhiều so với tàu điện nên lượng năng lượng tích trữ được khi phanh cũng ít hơn. Để thực hiện phục hồi năng lượng, cần phải có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lượng như ắc quy điện, bộ tích năng thủy lực - khí nén, bánh đà hay lò xo đàn hồi. Các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy rằng năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng này. Dưới đây là các kiểu tích trữ năng lượng phanh: - Tích trữ năng lượng kiểu lò xo cuộn: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng lò xo đàn hồi là một dạng sử dụng lò xo để tích trữ năng lượng.
- Tích trữ năng lượng kiểu pin điện: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng pin điện là một dạng sử dụng pin điện để lưu trữ năng lượng được hồi lại từ phanh. - Tích trữ năng lượng kiểu bánh đà: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng bánh đà sử dụng ắc quy để tích trữ năng lượng. - Tích trữ năng lượng kiểu thủy lực: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng thủy lực sử dụng chất lỏng thủy lực để lưu trữ năng lượng khi phanh xe. - Tích trữ năng lượng kiểu tụ điện: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng tụ điện sử dụng tụ điện để lưu trữ năng lượng được hồi lại từ phanh.
- Tích trữ năng lượng kiểu kết hợp pin điện và tụ điện: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh kết hợp cả pin điện và tụ điện để lưu trữ năng lượng. - Tích trữ năng lượng kiểu khí nén: Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng khí nén sử dụng khí nén để lưu trữ năng lượng được hồi lại từ phanh. Bây giờ, chúng ta sẽ cùng nhau đi vào phân tích về các cách lưu trữ năng lượng. 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG 1. Phương pháp tích trữ năng lượng phanh: 1. Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn: Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn là một giải pháp hiệu quả cho việc thu hồi và tái sử dụng năng lượng được tạo ra trong quá trình phanh xe. Khi phanh được áp dụng, hệ thống sẽ giúp chuyển đổi năng lượng động thành năng lượng thế năng của lò xo cuộn, giúp nâng cao hiệu suất vận hành và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Hơn nữa, vì có thể lắp đặt tại tâm bánh xe (đùm), hệ thống này có kết cấu nhỏ gọn, dễ dàng vận hành và giúp tiết kiệm không gian, là một giải pháp thân thiện với môi trường và hiệu quả cho việc tái tạo năng lượng. Một hệ thống lưu trữ năng lượng được xây dựng dựa trên lò xo cuộn sẽ có một cổng để nạp năng lượng và một cổng để giải phóng năng lượng đã được lưu trữ. Hệ thống lò xo sẽ tạo ra một tín hiệu dựa trên trạng thái hiện tại của nó, giúp hệ thống giải phóng năng lượng theo đúng tín hiệu điều khiển đầu ra (trong trường hợp này là tín hiệu từ cảm biến tăng tốc), tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và nâng cao công suất của động cơ. Hệ thống bao gồm các phần chính như: - Lò xo cuộn: phần trung tâm của hệ thống, có nhiệm vụ lưu trữ năng lượng động được tạo ra trong quá trình phanh xe.
- Bộ chuyển đổi: là phần chuyển đổi giữa năng lượng động và thế của lò xo cuộn. Khi động cơ phanh lại, năng lượng động được chuyển đổi thành năng lượng kiểu cuộn của lò xo, được lưu trữ trong lò xo cho đến khi được sử dụng lại. - Hệ thống điều khiển: đóng vai trò quản lý quá trình lưu trữ và phục hồi năng lượng. Điều khiển sử dụng các cảm biến để giám sát và phân tích thông tin về năng lượng động, sức cản và tốc độ của xe.
Sau đó, nó sẽ điều chỉnh hệ thống chuyển đổi để tối ưu quá trình lưu trữ và phục hồi năng lượng. 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG - Hộp số CVT: Là phần quản lý tỷ số truyền trong quá trình giảm tốc và tăng tốc của xe. Hộp số CVT sẽ điều chỉnh tỷ số truyền để đảm bảo việc giảm tốc và tăng tốc được diễn ra một cách ổn định và hiệu quả.1: Cơ cấu lò xo cuộn Hệ thống sử dụng lò xo xoắn được kết nối với các bánh xe để có thể tái tạo năng lượng động học của xe khi xe giảm tốc.
Trong quá trình này, năng lượng động học tạo ra khi phanh sẽ được chuyển đổi thành năng lượng kiểu xoắn của lò xo và được lưu trữ cho đến khi cần thiết. Hệ thống sử dụng cảm biến để kiểm soát và điều chỉnh tỷ số truyền thông qua hộp số CVT để đảm bảo việc giảm tốc diễn ra một cách ổn định và được điều khiển bởi người lái. Khi xe bắt đầu tăng tốc lại, trục dẫn động kết nối với lò xo xoắn để cung cấp momen xoắn tăng tốc, giúp tiết kiệm năng lượng động và tối ưu hiệu suất của xe. Lò xo sẵn sàng được kích hoạt lại khi xe phải giảm tốc và năng lượng được tái tạo để sử dụng lại cho các hoạt động khác.
Hệ thống sử dụng cảm biến để đảm bảo tỷ lệ giảm tốc và tăng tốc ổn định và được thay đổi liên tục để duy trì tốc độ xử lý mong muốn. Trường hợp mà lò xo phải chịu tải tối đa, hệ thống sẽ kích hoạt phanh bình thường và lò xo sẽ được cố định lại khi xe dừng lại. 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Hệ thống tái sinh năng lượng động học có cấu tạo đơn giản, nhẹ nhàng, có hiệu quả và chi phí thấp.
Hệ thống bao gồm các phần chính như bộ bánh răng hành tinh, lò xo cuộn, ly hợp một chiều, ly-off và ly-on.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn Hệ thống có cấu trúc đơn giản gồm bộ bánh răng hành tinh kết nối với trục đầu vào, lò xo cuộn nằm ở trung tâm của bánh xe và kết nối với bánh chạy một chiều thông qua một chốt. Bên cạnh đó, hệ thống còn bao gồm phanh ma sát ở trung tâm bánh xe, trống phanh của hệ thống được kết nối với đầu kia của lò xo cuộn và má phanh được kết nối với trục chính của bánh xe. Khi phanh hoạt động, lò xo cuộn sẽ đóng vai trò như một bộ giảm tốc và tạo ra một lực phanh tác dụng lên các bánh xe. Khi phanh ngắt, lò xo sẽ bung ra và đẩy các bánh xe tiến về phía trước.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống tái sinh năng lượng động học là sử dụng cảm biến gia tốc để điều khiển hộp số, từ đó quản lý được quá trình tăng tốc và giảm tốc của xe bằng cách chuyển đổi cơ năng giữa xe và bộ lưu trữ năng lượng của lò xo cuộn. Thiết kế của hệ thống bao gồm ba phần chính là bộ điều khiển, bộ truyền biến thiên năng lượng liên tục, hệ thống lưu trữ năng lượng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng khi vận hành xe. 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn “Khi lái xe thực hiện đạp bàn đạp phanh, hệ thống lưu trữ năng lượng động bắt đầu hoạt động.
Piston thủy lực hoạt động để khóa cần dẫn lại, dẫn đến bánh răng hành tinh quay bị động kết nối với lò xo cuộn bên ngoài thông qua bánh cóc.