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 tối ưu hóa năng lượng thu hồi từ 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 cho ắc quy để sử dụng cho các phụ tải --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 Luan van điện. Đề tài sẽ đi phân tích các phương pháp điều khiển phân phối lực phanh tối ưu và xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp với mô hình nghiên cứu nhằm tối ưu hóa năng lượng thu hồi và đảm bảo tính ổn định khi phanh. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 Luan van II.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Các nghiên cứu về hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên thế giới. Theo các kết quả của các công trình nghiên cứu được công bố gần đây nhất thì những nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh được tập trung vào các hướng như tính toán, mô phỏng năng lượng thu hồi được khi phanh; sự phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và hệ thống phanh cơ khí; nghiên cứu các thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh; nghiên cứu tối ưu hóa lực phanh tái sinh; nghiên cứu vấn đề quản lý năng lượng phanh tái sinh… được ứng dụng trên các kiểu xe khác nhau như xe điện EV; xe lai điện HEV và xe sử dụng động cơ đốt trong thuần túy có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống. Sau đây tác giả sẽ đi phân tích một số công trình tiêu biểu được ứng dụng trên các dòng xe này.1 Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV và EV. Hiện nay trên thế giới những công trình nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh được áp dụng trên các dòng xe điện và xe lai điện đang tập trung nghiên cứu theo các hướng như sau: Đối với các dòng xe điện: Đã có các nghiên cứu tập trung theo các hướng như: thu hồi năng lượng khi phanh; sự phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và hệ thống phanh cơ khí; nghiên cứu các thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh; nghiên cứu tối ưu hóa lực phanh tái sinh; điều khiển thích ứng hệ số SOC (State Of Charge) với điều kiện phanh của ô tô…Với một số nghiên cứu tiêu biểu như: Với nghiên cứu phân tích và sử dụng phần mềm AMESim để mô phỏng năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh áp dụng cho xe điện, tác giả Li-qiang Jin đã cho thấy kết quả nghiên cứu cải thiện được 30% hiệu quả sử dụng năng lượng của xe điện với 4 bánh chủ động được dẫn động bởi 4 mô tơ điện [8].
Cùng đối tượng nghiên cứu là xe điện với bốn bánh chủ động là các mô tơ tích hợp, các công trình nghiên cứu của tác giả G. Geamanu thì tập trung vào nghiên các thuật toán điều khiển để tối ưu hóa năng lượng được thu hồi khi phanh mà vẫn đảm bảo sự phân phối lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí tới các bánh xe một cách hiệu quả nhất [12, 16]. Với các tác giả Jinhyun Park , Houn Jeong , In Gyu Jang và Sung-Ho Hwang đã sử dụng MATLAB/Simulink và --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 Luan van CarSim để mô phỏng điều khiển sự phân phối mô men phanh cho xe điện sử dụng phương pháp điều khiển lô gíc mờ [20]. Đối với các dòng xe lai điện HEV: Cũng tương tự như dòng xe điện, các nghiên cứu gần đây cũng tập trung vào việc tính toán năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh, các thuật toán điều khiển trên cơ sở tối ưu hóa năng lượng thu hồi được khi phanh mà vẫn đảm bảo các quy luật về phân phối lực phanh, các vấn đề về quản lý phân phối năng lượng phanh tái sinh… Trong số đó phải kể tới các nghiên cứu tiêu biểu như: Công trình nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa lực phanh áp dụng cho xe HEV của các tác giả XIAO Wen-yong, WANG Feng và ZHUO Bin [21].
Cũng nghiên cứu về thuật toán điều khiển, tác giả Sanketh S. Shetty nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh tái tạo năng lượng áp dụng cho xe HEV bằng việc sử dụng mạng thần kinh nhân tạo. Theo kết quả mô phỏng của nghiên cứu này thì có thể thu hồi từ 30% đến 37% năng lượng của quá trình phanh tùy theo chu trình mô phỏng [22]. Ngoài ra cũng phải kể tới tác giả Piranavan Suntharalingam với công trình nghiên cứu thu hồi và quản lý năng lượng phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV.
Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng siêu tụ (Ultra Capacitor) để tích trữ năng lượng mỗi khi quá trình phanh xảy ra. Kết quả thực nghiệm cho thấy tùy theo tốc độ giảm tốc khi phanh của xe mà năng lượng thu hồi được khoảng từ 16,33% đến 17,46% [23].2 Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên các dòng xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống. Hệ thống phanh tái tạo năng lượng sử dụng bánh đà như là một thiết bị tích trữ năng lượng thực tế đã được nghiên cứu từ những thập niên 1940. Một nghiên cứu khác vào những năm 1960s bởi công ty Garrett Air Research nghiên cứu và sản xuất bánh đà sử dụng cho hệ thống phanh tái sinh cho các xe buýt và xe thương mại.
Đến năm 1986 General Motor (GM) mở rộng nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bánh đà cho xe hybrid kiểu cơ khí (động cơ đốt trong IEC: Internal Combustion Engine và bánh đà kết --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 Luan van hợp). Bánh đà của GM có tốc độ quay lên tới 12000 vòng/phút và năng lượng tích trữ được tới 60Wh, hệ thống này có tích hợp hộp số CVT. Nhưng kết quả thử nghiệm sau khi mô phỏng không được như mong muốn do đó dự án đó không được tiếp tục triển khai [13]. Đến những thập niên 80 công ty Layland Bus ở Anh thử nghiệm thành công hệ thống phanh tái tạo năng lượng kiểu cơ khí với bánh đà làm bằng vật liệu compsite và hộp số CVT [24].
Sau đây là một số nghiên cứu tiêu biểu gần đây về ứng dụng bánh đà trong việc tích trữ năng lượng khi phanh: Nghiên cứu của các tác giả Jefferson and Ackerman[25] Năm 1996 Jefferson và Ackerman thiết kế và thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh với bánh đà bằng composite với mô men quán tính là 1.m2 và hộp số CVT KOPP thay đổi tỷ số truyền liên tục (tỷ số truyền 9.5-1) được kết nối với hệ thống truyền lực. Bánh đà được thử nghiệm quay với tốc độ từ 440 đến 4200 vòng/phút. Kết quả thử nghiệm cho thấy năng lượng có thể thu hồi được 100kJ ở tại số vòng quay của bánh đà là 4200 vòng/phút. Khi sử dụng bánh đà này thử nghiệm cho xe điện chạy trên đường ray có thể tiết kiệm năng lượng khoảng 24% [25].1: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman [25] Nghiên cứu của tác giả R.Hayes [26] Tới năm 1999 dự án nghiên cứu Flywheel Battery (FWB) cho xe buýt chạy bằng điện của trung tâm nghiên cứu cơ điện tử Đại học Texas.
Nghiên cứu này sử dụng bánh đà phát điện nạp lại cho ắc quy và sau đó cung cấp cho mô tơ điện để tăng tốc xe. Bánh đà sử dụng --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 Luan van làm bằng composite có công suất 2kWh và mô tơ/máy phát nam châm vĩnh cửu với các ổ bi từ [9]. Cũng trong thời gian này, dự án nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền lực Hybrid song song của viện ngiên cứu công nghệ liên bang Thụy Sỹ (Swiss Federal Institute of Technology: ETH) đã nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh bao gồm: một động cơ đốt trong, một mô tơ/máy phát điện, một bánh đà, một hộp số CVT và một ắc quy có dung lượng 5kWh. Hệ thống truyền lực này được thử nghiệm với các chế độ lái xe khác nhau như: chế độ chỉ có mình động cơ ICE dẫn động xe, hoặc chế độ kết hợp giữa mô tơ và bánh đà.
Hệ thống điều khiển sẽ điều khiển cho bánh đà được nạp năng lượng thông qua động cơ đốt trong và trong quá trình phanh tái sinh xảy ra. Hệ thống này được thử nghiệm trên băng thử và sau đó được tích hợp và thử nghiệm trên xe. Kết quả thử nghiệm theo chu trình châu Âu (ECE-R15/04) cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu giảm gần một nửa so với xe không sử dụng năng lượng điện từ hệ thống phanh tái sinh [26].