MỞ ĐẦU 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Hiện nay các động cơ đốt trong sử dụng nguồn năng lượng để động cơ làm việc là nhờ phần lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang dần cạn kiệt và lượng khí thải từ nhiên liệu này gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống. Chính vì thế cần phải có giải pháp đúng đ ắn là thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch hoặc ít phụ thuộc vào chúng và điều này đã được nghiên cứu và áp dụng rất thành công, đó là sử dụng phương pháp hệ thống phanh tái sinh.
Phương pháp này được lựa chọn rất thích đáng là vì sẽ thu hồi hầu như toàn bộ năng lượng mất đi trong quá trình phanh và gi ảm tốc, trong khi đối với các động cơ không có hệ thống phanh tái sinh sẽ lãng phí toàn bộ nguồn năng lượng nhiệt này. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay trên ô tô vẫn còn có những nguồn năng lượng chưa được tận dụng. Trong số đó phải kể tới nguồn nhiệt năng từ khí xả, cơ năng của hệ thống phanh. Việc nghiên cứu phương pháp tận dụng nguồn năng lượng khi phanh là một hướng nghiên cứu mới và phức tạp.
Để có những cái nhìn tổng quát hơn làm tiền đề cho những nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Brake System) đề tài “Nghiên cứu đề xuất phương án tích trữ năng lượng khi phanh trên ô tô” được chọn để thực hiện 1. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu các kiểu hệ thống phanh tái sinh phổ biến và hiệu quả hiện nay cũng như cấu tạo, nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm và ứng dụng của các hệ thống. Giới hạn đề tài - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh tái sinh. - Mô phỏng và lựa chọn phương án tích trữ năng lượng khi phanh.
Cách tiếp cận - Nghiên cứu tìm hiểu chung về hệ thống phanh tái sinh - Xây dựng mô hình toán - Thí nghiệm và phân tích kết quả. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tham khảo tài liệu. - Thu thập số liệu - Thực nghiệm 1. Nội dung đề tài Chƣơng 1.
Tổng quan các hệ thống phanh tái sinh Mã số: T2014-60 Trang 1 Luan van Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Chƣơng 2.Những nghiên cứu trên thế giới về hệ thống phanh tái sinh sử dụng bánh đà Chƣơng 3.Đề xuất hướng nghiên cứu và xây dựng mô hình thử nghiệm ảo Chƣơng 4.Kết luận và hướng phát triển Mã số: T2014-60 Trang 2 Luan van Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô PHẦN 2: NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH 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 [25]. 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[25]. 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 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 = 𝑚𝑣2 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 [26]. 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 [27,28].
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% [25] 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 Mã số: T2014-60 Trang 3 Luan van Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô 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.[25] Các phƣơng án tích trữ năng lƣợng 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 Phƣơng pháp tích trữ năng lƣợng phanh.1 Hệ thống tái tạo năng lƣợng 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 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. Hệ thống này lưu trữ năng lượng trong quá trình phanh và cung c ấp 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 ho ạt 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. Mã số: T2014-60 Trang 4 Luan van Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô Hình 1-1 : Cơ cấu lò xo cuộn [1] Khi xe giảm tốc, thay vì lãng phí năng lượng tiềm năng, các bánh xe được kết nối với một lò xo xoắn.
Điều này sẽ biến đổi năng lượng động học thành năng lượng tiềm năng của lò xo. Tuy nhiên, lò xo không cung c ấp 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 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 motor 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,… Mã số: T2014-60 Trang 5 Luan van Nghiên cứu đề xuất phƣơng án tích trữ năng lƣợng khi phanh trên ô tô 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 ratchet và ratchet gắn vào một chốt được kết nối với trung tâm này.
Một phanh ma sát cũng được đặt ở trung tâm.