Mục tiêu đề tài
Bài viết tập trung vào việc nghiên cứu các hệ thống phanh tái tạo năng lượng hiệu quả và phổ biến hiện nay Nội dung sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cũng như những điểm yếu của các hệ thống phanh này Bên cạnh đó, ứng dụng thực tiễn của chúng cũng sẽ được đề cập Hơn nữa, bài viết sẽ phân tích và mô phỏng thông số động lực học của hệ thống phanh nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động trong các chế độ khác nhau.
Giới hạn đề tài
Thực nghiệm ở ngưỡng tốc độ trung bình thấp (từ 80km/h trở xuống)
Sự thất thoát năng lượng do lực ma sát giữa các chi tiết cơ khí với nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng tài liệu tham khảo và các nghiên cứu từ các trang mạng cũng như sách báo trong và ngoài nước, chúng tôi sẽ sàng lọc kỹ lưỡng và sắp xếp lại thông tin một cách hợp lý, dễ hiểu và tinh gọn.
Dựa vào các lý thuyết, sau khi nghiên cứu sẽ được tiến hành để thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm
Thiết kế, chế tạo và lắp đặt mô hình phanh tái tạo năng lượng cụ thể trên một ô tô
Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng và tính toán động lực học ô tô, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các thiết bị phanh tái tạo năng lượng đến hệ thống phanh thủy lực Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất phanh và nâng cao hiệu quả năng lượng trong các phương tiện giao thông hiện đại.
TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG
Hiện trạng
Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô đang đối mặt với thách thức lớn về thiếu nguồn nguyên liệu cho xe động cơ đốt trong, do tài nguyên dầu mỏ cạn kiệt và giá nhiên liệu truyền thống tăng cao, cùng với tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Để giải quyết vấn đề này, các nhà sản xuất ô tô đang phát triển xe lai (hybrid), sử dụng động cơ đốt trong (ICE) kết hợp với hệ thống lưu trữ năng lượng Hệ thống lai hiện được chia thành ba loại truyền lực: liên tục, song song và hỗn hợp, và đều cần các bộ phận như động cơ đốt trong, động cơ điện, máy phát điện (MG) và pin cao áp (HVB) Một trong những lợi ích nổi bật của xe lai là khả năng tiết kiệm nhiên liệu thông qua công nghệ hồi phục năng lượng, như hệ thống phanh tái tạo năng lượng (RBS) khi giảm tốc.
Hệ thống phanh tái tạo năng lượng giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách thu hồi năng lượng khi giảm tốc độ Ví dụ, một chiếc xe ô tô nặng 300kg di chuyển với tốc độ 72km/h sẽ tiêu tốn 47,8 KJ năng lượng khi giảm tốc độ xuống 32km/h bằng phanh thông thường Tuy nhiên, với phanh tái tạo năng lượng, khoảng 25% năng lượng này có thể được thu hồi, tương đương 11,85 KJ Năng lượng lưu trữ này có thể được sử dụng để gia tốc xe từ 0 lên 32km/h, thay vì bị mất mát dưới dạng nhiệt năng trong quá trình phanh.
Hệ thống phanh tái tạo năng lượng đã trở thành một giải pháp phổ biến trên các tàu điện, giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả Khi phanh được kích hoạt, các mô tơ điện hoạt động như máy phát điện, tạo ra năng lượng tái sử dụng Nhờ vào những cải tiến công nghệ trong chi tiết và kỹ thuật điều khiển, hiệu suất của hệ thống này đã được nâng cao đáng kể Theo nghiên cứu, việc áp dụng phanh tái tạo năng lượng có thể giảm tới 37% lượng điện tiêu thụ của tàu điện.
Ô tô sử dụng động cơ đốt trong gặp khó khăn trong việc giảm tiêu hao năng lượng qua phanh tái sinh, khác với tàu điện, do quá trình chuyển đổi năng lượng không thể phục hồi như mô tơ điện Khối lượng ô tô nhỏ hơn nhiều so với tàu điện, dẫn đến lượng năng lượng tích trữ khi phanh cũng ít hơn Để phục hồi năng lượng, cần thiết bị biến đổi và tích trữ như ắc quy điện, bộ tích năng thủy lực - khí nén, bánh đà, hoặc lò xo đàn hồi Nghiên cứu gần đây cho thấy năng lượng có thể được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng này.
Dưới đây là các kiểu tích trữ năng lượng phanh:
Hệ thống phục hồi năng lượng phanh dạng lò xo cuộn là một công nghệ tiên tiến, sử dụng lò xo đàn hồi để tích trữ năng lượng hiệu quả Phương pháp này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của các phương tiện giao thông.
Hệ thống phục hồi năng lượng phanh bằng pin điện là công nghệ lưu trữ năng lượng hiệu quả, cho phép tái sử dụng năng lượng từ quá trình phanh Công nghệ này sử dụng pin điện để lưu trữ năng lượng, giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các phương tiện.
- 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
Hệ thống phục hồi năng lượng phanh thủy lực là công nghệ tích trữ năng lượng hiệu quả, sử dụng chất lỏng thủy lực để lưu trữ năng lượng khi xe phanh Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của phương tiện.
Hệ thống phục hồi năng lượng phanh sử dụng tụ điện để tích trữ năng lượng tái tạo từ quá trình phanh, giúp nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm thiểu lãng phí.
Hệ thống tích trữ năng lượng kết hợp pin điện và tụ điện giúp phục hồi năng lượng phanh hiệu quả Bằng cách sử dụng cả pin điện và tụ điện, hệ thống này tối ưu hóa khả năng lưu trữ năng lượng, mang lại hiệu suất cao hơn cho các phương tiện.
Hệ thống phục hồi năng lượng phanh kiểu khí nén là một công nghệ tiên tiến, sử dụng khí nén để tích trữ năng lượng được thu hồi từ quá trình phanh.
Bây giờ, chúng ta sẽ cùng nhau đi vào phân tích về các cách lưu trữ năng lượng
Phương pháp tích trữ năng lượng phanh
1.2.1 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 giải pháp hiệu quả để thu hồi năng lượng trong quá trình phanh xe Khi phanh, năng lượng động được chuyển đổi thành năng lượng thế năng của lò xo, nâng cao hiệu suất vận hành và tiết kiệm năng lượng Với thiết kế nhỏ gọn, hệ thống có thể lắp đặt tại tâm bánh xe, giúp tiết kiệm không gian và vận hành dễ dàng Đây là một giải pháp thân thiện với môi trường cho việc tái tạo năng lượng.
Hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên lò xo cuộn bao gồm cổng nạp và cổng giải phóng năng lượng Nó tạo ra tín hiệu dựa trên trạng thái hiện tại, cho phép giải phóng năng lượng theo tín hiệu điều khiển từ cảm biến tăng tốc Điều này giúp tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và nâng cao công suất 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 thiết bị chuyển đổi năng lượng động thành năng lượng kiểu cuộn của lò xo Khi động cơ dừng lại, năng lượng động được chuyển đổi và lưu trữ trong lò xo cho đến khi cần sử dụng lại.
Hệ thống điều khiển là yếu tố quan trọng trong việc quản lý quá trình lưu trữ và phục hồi năng lượng, sử dụng cảm biến để giám sát và phân tích thông tin liên quan đến năng lượng động, sức cản và tốc độ của xe Qua đó, hệ thống này điều chỉnh các bộ chuyển đổi nhằm tối ưu hóa hiệu quả lưu trữ và phục hồi năng lượng.
Hộp số CVT đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tỷ số truyền của xe, giúp điều chỉnh quá trình giảm tốc và tăng tốc một cách ổn định và hiệu quả Với khả năng tự động điều chỉnh tỷ số truyền, hộp số CVT đảm bảo rằng xe luôn hoạt động mượt mà trong mọi tình huống.
Hệ thống lò xo xoắn kết nối với bánh xe giúp tái tạo năng lượng động học khi xe giảm tốc Năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng kiểu xoắn và lưu trữ cho những lúc cần thiết Cảm biến trong hệ thống kiểm soát và điều chỉnh tỷ số truyền qua hộp số CVT, đảm bảo quá trình giảm tốc ổn định và được điều khiển bởi người lái.
Khi xe tăng tốc, trục dẫn động kết nối với lò xo xoắn để cung cấp momen xoắn, giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hiệu suất Lò xo sẽ được kích hoạt lại khi xe giảm tốc, tái tạo năng lượng cho các hoạt động khác Hệ thống sử dụng cảm biến để duy trì tỷ lệ giảm tốc và tăng tốc ổn định, điều chỉnh liên tục nhằm đạt tốc độ xử lý mong muốn Khi lò xo chịu tải tối đa, hệ thống sẽ kích hoạt phanh bình thường và cố định lò xo khi xe dừng lại.
Hình 1.1: Cơ cấu lò xo cuộn
Hệ thống tái sinh năng lượng động học được thiết kế đơn giản, nhẹ, hiệu quả và tiết kiệm chi phí Các thành phần chính của hệ thống bao gồm bộ bánh răng hành tinh, lò xo cuộn, ly hợp một chiều, ly-off và ly-on.
Hệ thống có cấu trúc đơn giản với bộ bánh răng hành tinh kết nối trục đầu vào và lò xo cuộn ở trung tâm bánh xe, liên kết với bánh chạy một chiều qua một chốt Ngoài ra, hệ thống còn có phanh ma sát ở trung tâm bánh xe, với trống phanh kết nối lò xo cuộn và má phanh gắn với trục chính của bánh xe Khi phanh hoạt động, lò xo cuộn đóng vai trò giảm tốc, tạo lực phanh lên các bánh xe Khi phanh ngắt, lò xo sẽ bung ra, đẩy các bánh xe tiến về phía trước.
Hệ thống tái sinh năng lượng động học hoạt động dựa trên cảm biến gia tốc để điều khiển hộp số, giúp quản lý quá trình tăng tốc và giảm tốc của xe Qua đó, hệ thống chuyển đổi cơ năng giữa xe và bộ lưu trữ năng lượng lò xo cuộn Thiết kế của hệ thống bao gồm ba phần chính: bộ điều khiển, bộ truyền biến thiên năng lượng liên tục và hệ thống lưu trữ năng lượng, nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động và tiết kiệm năng lượng khi vận hành xe.
Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn
Khi lái xe đạp phanh, hệ thống lưu trữ năng lượng động bắt đầu hoạt động, với piston thủy lực khóa cần dẫn lại và bánh răng hành tinh quay bị động kết nối với lò xo cuộn bên ngoài Phanh đĩa hoạt động đồng thời với phanh cần dẫn, trong khi ly-on giúp kẹp chặt ly hợp một chiều để ngăn lò xo cuộn quay ngược lại Khi tài xế nhấn chân ga, áp lực dầu khiến ly-off đóng lại và kết nối chặt với ly hợp, giải phóng năng lượng từ lò xo cuộn, truyền mô men qua trục bánh xe giúp xe di chuyển hiệu quả Sau khi giải phóng, ly hợp cảo hồi về, ngăn không cho lò xo cuộn bị kẹt và hỏng hóc Hệ thống lưu trữ năng lượng động không ảnh hưởng khi xe lùi.
1 http://oto.saodo.edu.vn/tin-moi/gioi-thieu-he-thong-phanh-tai-sinh-tren-o-to-kieu-lo-xo-cuon-461.html
Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn
1.2.2 Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV:
1.2.2.1 Động cơ hybrid dạng thủy lực HHV: Động cơ hybrid thủy lực là một loại động cơ kết hợp sức mạnh của động cơ hydro và động cơ điện trên xe ô tô chạy bằng động cơ đốt trong Điều này cho phép tăng hiệu quả vận hành của xe và giảm giá thành hoạt động Sử dụng bộ lưu trữ năng lượng thủy lực (accumulator), động cơ hybrid thủy lực có thể tự động chuyển đổi giữa năng lượng điện và thủy lực trong quá trình vận hành Hệ thống này cũng có khả năng tái tạo năng lượng từ phanh, giúp giảm sự tiêu thụ nhiên liệu và tăng tính bền vững của xe
Động cơ hybrid thủy lực mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu khí thải và tác động tiêu cực đến môi trường Ngoài ra, động cơ này cải thiện hiệu quả năng lượng và nâng cao tính tiện ích của xe, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí vận hành Nhiều hãng sản xuất ô tô đã tích hợp động cơ hybrid thủy lực vào các mẫu xe của mình để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải và năng lượng hiện hành.
Bình áp suất thấp Động cơ Bình áp suất cao
Bơm/Mô tơ thủy lực
Hình 1.4: Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV
1.2.2.2 Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực:
Hệ thống hybrid thủy lực là sự kết hợp giữa các bộ phận thủy lực và điện, được thiết kế để đáp ứng nhiều yêu cầu trong việc điều khiển xe Các thành phần chính của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả hoạt động của phương tiện.
- Động cơ đốt trong: Chủ yếu là động cơ xăng hoặc diesel, lắp trên xe để cung cấp công suất cho xe
- Bộ truyền động: Kết nối động cơ với hệ thống dẫn động xe Hệ thống truyền động bao gồm hộp số, chân đế phanh và cơ cấu truyền động
- Động cơ thủy lực: Chuyển động của động cơ diesel hoặc ống dẫn nước vào năng lượng thủy lực
- Máy bơm thủy lực: Tạo áp lực thủy lực cần thiết để vận hành hệ thống
- Ống dẫn thủy lực: Dẫn chuyển lưu chất thủy lực từ máy bơm đến hệ thống
- Bộ lưu trữ năng lượng thủy lực (accumulator): Lưu trữ năng lượng thủy lực được tạo ra khi xe giảm tốc hoặc phanh
- Động cơ điện: Chuyển đổi năng lượng thủy lực thành điện năng để sử dụng cho hệ thống truyền động và các thiết bị khác trên xe
Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý hoạt động của hệ thống hybrid thủy lực, giúp giám sát các yếu tố như dòng điện, áp suất và nhiệt độ của các bộ phận trong hệ thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÍNH TOÁN CÁC LỰC VÀ CÔNG SUẤT
Cơ sở lý thuyết để tính toán các lực
Dựa trên mô hình phanh tái sinh từ chương 1, chúng tôi tiến hành xác định các lực cần thiết cho mô phỏng và thiết kế, bao gồm lực quán tính, lực chuyển động tịnh tiến và lực quay Các thông số này được tổng hợp và tính toán từ xe Hiace trong chương 2 Việc tính toán cũng bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng khi phanh và tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Thông số của bánh đà và công suất máy phát cũng được tính toán để tiến hành mô phỏng, nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng vận hành của hệ thống.
Xe Toyota Hiace được lựa chọn để nghiên cứu, tính toán với các thông số cơ bản của xe được trình bày trong bảng:
Bảng 2.1: Thông số của xe
Các thông số cơ bản Giá trị Đơn vị
Kích thước và trọng lượng chính
Chiều dài cơ sở 2570 mm
Chiều rộng cơ sở 1430 mm
Trọng lượng bản thân xe 1905 kg
Tốc độ tối đa 145 km/h
Tính năng cơ động Tốc độ tối đa ở các tay số
Công suất tối đa 75/5400 kW/rpm
Momen xoắn cực đại 165/2600 Nm/rpm
Tỷ số truyền Tỷ số truyền ở từng tay số
Tỷ số truyền bộ truyền lực cuối 4,3
Diện tích cản chính diện 2,325 m 2
2.1.2 Xác định và tính toán các lực tác dụng lên xe:
Trước khi tính toán các tham số và thiết kế cho bộ thu hồi năng lượng phanh, cần phân tích động học của xe và lực phanh cần thiết khi phanh hoặc giảm tốc Đầu tiên, xem xét các phương trình động lực học tổng quát của xe khi di chuyển trên đường, giả sử xe đang chạy xuống dốc với góc nghiêng θ và động cơ hoạt động ở tốc độ định trước mà không có lực kéo trên bánh xe chủ động Lực tác dụng lên xe được đại diện trong hình vẽ, từ đó có thể sử dụng dữ liệu này làm cơ sở để tính toán các thông số kỹ thuật và mô phỏng bộ thu hồi năng lượng phanh.
G – Là trọng lượng toàn bộ của ô tô
𝐹 𝜔 – Là lực cản không khí
𝐹 𝑖 – Là lực cản xuống dốc
𝐹 𝑗 – Là lực cản quán tính
𝑍 1 , 𝑍 2 – Là phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước và sau
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe
Khi xe di chuyển xuống dốc và ly hợp được ngắt, lực quán tính của xe sẽ được truyền vào bộ thu hồi năng lượng, đồng thời phương trình cân bằng lực kéo cũng được áp dụng.
𝐹 𝜔 : Là lực cản không khí [N]:
𝜌: Là khối lượng riêng của không khí (kg/𝑚 3 )
𝐶 𝑥 : Là hệ số cản gió
S: Là diện tích cản gió
V: Là vận tốc của xe [m/s]
𝑉 𝑤𝑖𝑛𝑑 : Là vận tốc của gió cản lại sự di chuyển của xe [m/s]
𝐹 𝑓1 , 𝐹 𝑓2 : Là lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]:
𝐿 m: Là khối lượng của xe [kg] g: Là gia tốc trọng trường [m/𝑠 2 ]
ℎ 𝑔 : Là chiều cao trọng tâm xe [m]
ℎ 𝜔 : Là khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió tới mặt đường [m].” 3
𝐹 𝑓1 + 𝐹 𝑓2 = f.m.g.cos𝜃 Trong đó: f là hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nhau như:
Hệ số cản lăn của bánh xe chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tính chất cơ lý và trạng thái mặt đường, mức độ biến dạng của mặt đường, tải trọng lên bánh xe, chất liệu và áp suất lốp, cùng với mô men xoắn tác động lên các bánh dẫn động Tất cả những yếu tố này đều có tác động trực tiếp đến hệ số cản lăn và lực cản lăn Do đó, việc tăng tải trọng, mô men xoắn, sử dụng lốp kém chất lượng hoặc áp suất không khí không đúng sẽ dẫn đến sự gia tăng hệ số cản lăn và lực cản lăn của bánh xe.
Các yếu tố gây biến dạng bánh xe như lực ngang Fy, góc lệch bên δ1 và góc nghiêng của bánh xe so với mặt phẳng thẳng đứng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ số cản lăn Tốc độ xe cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số này Thực nghiệm cho thấy khi tốc độ xe dưới 80km/h (22m/s), hệ số cản lăn gần như không thay đổi và có thể được tính theo công thức f1 ≈ f2 ≈ f = const trong một đoạn đường cụ thể.
Do đó: Ff = Ff1 + Ff2 = f1.Z1 + f2.Z2 = f.(Z1+ Z2)
Khi xe di chuyển với vận tốc vượt quá 22,2 m/s (≈ 80 km/h), hệ số cản lăn sẽ tăng đáng kể do vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường không có độ co giãn, dẫn đến mất năng lượng do biến dạng Mặc dù một phần năng lượng này được trả lại, nhưng lượng này rất ít Ngoài ra, khi tốc độ xe tăng, tốc độ biến dạng cũng tăng, khiến sức cản ma sát của lốp tăng theo Qua thực nghiệm, chúng ta có thể suy ra công thức xác định hệ số cản lăn.
3 Đặng Quý, Giáo trình lý thuyết ô tô 1, ĐH.SPKT
𝑓 0 : Là hệ số cản lăn ứng với tốc độ chuyển động của xe v: Là vận tốc chuyển động của ô tô tính theo m/s v ≤ 22,2 m/s (≈ 80km/h)
Giá trị của 𝑓 0 cho các loại đường được trình bày trong bảng 2.2 Đặc biệt, đối với ô tô di chuyển trên đường nhựa bê tông và đường nhựa chất lượng tốt, hệ số cản lăn có thể được xác định thông qua công thức cụ thể.
Hệ số cản lăn có thể xác định bằng cách thí nghiệm trên đường hoặc trong phòng thí nghiệm.” 4
Bảng 2.2: Hệ số cản lăn các loại mặt đường
Loại đường Hệ số cản lăn 𝑓 0 ứng với v ≤ 22,2 m/s (≈ 80 𝑘𝑚/ℎ) Nhựa tốt
Rải đá Đất khô Đất sau khi mưa
Cát Đất sau khi cày
4 Đặng Quý, Giáo trình lý thuyết ô tô 1, ĐH.SPKT
Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng quán tính của xe khi phanh hoặc giảm tốc
2.2.1 Xác định mô men tác dụng lên trục cầu chủ động:
Bộ thu hồi năng lượng bao gồm các thông số quan trọng như tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh, kích thước bánh đà, công suất máy phát và thông số bộ điều khiển điện tử Để xác định các thông số này, chúng ta áp dụng phương trình động lực học và dữ liệu thực tế của xe để tính toán mô men xoắn và vận tốc góc của bánh chủ động trong quá trình phanh hoặc giảm tốc, với giới hạn tốc độ thử nghiệm là 80 km/h hoặc thấp hơn Sử dụng SimDriveline trong Matlab Simulink, chúng ta tiến hành mô phỏng thử nghiệm
“Mô men tại bánh xe chủ động = Mô men quán tính của xe + Mô men cản dốc –
Mô men cản lăn – Mô men cản gió
𝑀 𝑓 = f.m.g.cos𝜃 𝑟 𝑏 với 𝑟 𝑏 là bán kính bánh xe
Để tính toán mô men quán tính của xe, cần tổng hợp mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và các chi tiết chuyển động quay trong hệ thống truyền lực, bao gồm động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động Việc này có thể thực hiện bằng cách xác định lực quán tính tương ứng.
Lực quán tính F sẽ tác động lên xe khi nó di chuyển và được tính toán như sau:
Công thức tính lực quán tính chuyển động tịnh tiến F như sau:
𝐹 𝑗 ′′ là lực quán tính của các chi tiết chuyển động quay được xác định theo biểu thức sau:
Momen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác quy về trục khuỷu là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá sự khó khăn khi thay đổi trạng thái chuyển động của vật thể Momen quán tính phản ánh khả năng của động cơ trong việc duy trì hoặc thay đổi vận tốc quay, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Momen quán tính (𝐽 𝑛) là đại lượng đo lường độ khó khăn trong việc thay đổi trạng thái chuyển động của một chi tiết quay thứ n trong hệ thống truyền lực, liên quan đến trục quay của nó.
Momen quán tính của bánh xe chủ động là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và tốc độ của xe.
𝑖 𝑡 : Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Tỷ số truyền là tỷ lệ giữa tốc độ quay ở đầu ra và đầu vào của một hệ thống truyền lực
𝑖 𝑛 : Tỷ số truyền tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động
𝜂 𝑡 : Hiệu suất của hệ thống truyền lực Hiệu suất là tỷ lệ giữa năng lượng hoạt động thực tế đầu ra và đầu vào của một hệ thống
Hiệu suất 𝜂 𝑛 là chỉ số đo lường mức độ hiệu quả từ chi tiết quay thứ n trong hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động Chỉ số này phản ánh mức độ mất mát năng lượng khi chuyển động diễn ra từ chi tiết quay đến bánh xe chủ động trong hệ thống truyền lực.
Từ đây ta có lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là
5 Đặng Quý, Giáo trình lý thuyết ô tô 1, ĐH.SPKT
Do vậy, tổng lực quán tính của xe sẽ là:
Dựa vào các thông số đã đề cập, mô men quán tính tổng cộng của xe có thể được tính quy về bánh xe chủ động bằng một công thức cụ thể.
Có một công thức thực nghiệm để tính toán 𝛿 𝑖 , nhằm giúp quá trình tính toán trở nên dễ dàng và nhanh chóng Công thức này có dạng như sau:
𝑖 ℎ : Hệ số truyền của hộp số
Sau khi xác định các thông số cần thiết để tính mô men quán tính của xe, chúng ta có thể tính toán mô men tác dụng lên trục bánh xe chủ động dựa trên các thông số này.
Vận tốc góc của bánh xe chủ động:
Sau khi xác định mô men và vận tốc góc của bánh chủ động trong dải tốc độ từ 0 đến 80 km/h, chúng ta có thể tính toán số vòng quay của trục khuỷu trong khoảng từ 0 đến một giá trị nhất định.
Để đạt hiệu suất tối đa, máy phát điện ô tô cần hoạt động trong khoảng 2000 đến 3500 vòng/phút Thời gian hoạt động của bộ lưu trữ năng lượng có thể từ 3 đến 15 giây, tùy thuộc vào phương pháp điều khiển trong quá trình phanh hoặc giảm tốc Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink để mô phỏng và chọn phân bố tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh dựa trên các giá trị đầu vào này.
Khi tỷ số truyền của bộ truyền lực là 𝑖 0 = 4,3, chúng ta có thể tính toán momen và vận tốc góc tác động lên trục động cơ trong quá trình phanh xe.
Bộ truyền xích kết hợp với bộ bánh răng hành tinh kép sẽ chuyển đổi mô men từ trục các đăng sang trục máy phát Tỷ số truyền giữa các trục được xác định là i = 0,064.
Sau khi đã suy ra tỷ số truyền của các bộ truyền lực, ta có thể dễ dàng tính toán mô men được áp dụng lên trục máy phát
𝑑𝑡𝛿 𝑖 − 𝑓𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝜃 − 0,5𝜌𝑆𝐶 𝑥 (𝑉 + 𝑉 𝑤𝑖𝑛𝑑 ) 2 + 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝜃) Tốc độ góc của máy phát:
2.2.2 Xác định mô men và các hao tổn của máy phát:
Phương trình cân bằng công suất là công cụ giúp chúng ta tính toán công suất cần sử dụng để phát ra điện
Các mất mát cơ học của máy phát được phân loại tương tự như các mất mát trong hệ thống truyền động xích và hệ thống BRHT Đồng thời, các mất mát do quá trình biến đổi điện cũng được xếp vào nhóm tương tự với các mất mát điện của máy phát Thông tin chi tiết về các loại mất mát này được trình bày trong Bảng 2.4.
Bảng 2.4: Công suất tổn thất
Tổn thất cuộn dây Stator 𝑃 𝑐𝑢,𝑆 = 3𝐼 𝑠 2 𝑅 𝑠
Tổn thất do điện áp rơi trên diot chỉnh lưu
Tổn thất do thiết bị công suất 𝑃 𝐶𝑜𝑛𝑣 = 𝐼 𝑑𝑐 2 𝑅 𝑜𝑛 𝐷 + 0,5𝑉 𝑑𝑐 𝐼 𝑑𝑐 𝑓 𝑠 (𝑡 𝑐(𝑜𝑛)
+ 𝑡 𝑐(𝑜𝑓𝑓) Tổn thất của bộ chổi than 𝑃 𝐵𝑟𝑢𝑠ℎ = 𝐼 𝑓 2 𝑅 𝐵𝑟𝑢𝑠ℎ
Tổn thất hiện tượng trễ 𝑃 𝐻𝑦𝑠𝑡 = 𝐾 𝐻𝑦𝑠𝑡 𝜔 𝑚𝑝 𝐵 2
Xích dẫn động số và bánh răng hành tinh
𝐾 𝐸𝑑 : Hệ số dòng Eddy t: Độ dày hay độ dài của đường sức từ trong kim loại
𝜔 𝑚𝑝 : Tốc độ của máy phát
B: Mật độ từ thông trong mặt cắt ngang
𝐾 𝐻𝑦𝑠𝑡 : Hệ số tổn hao do hiện tượng trễ
𝐾 𝐵𝑒 : Hệ số tổn hao ổ bi
𝐾 𝑊𝑖𝑛 : Hệ số tổn hao do khe hở
𝑉 𝑑 : Điện áp qua diot chỉnh lưu
𝐼 𝑠 : Dòng điện pha trong cuộn dây stator
𝑡 𝑐(𝑜𝑛) + 𝑡 𝑐(𝑜𝑓𝑓) : thời gian đóng + thời gian ngắt
Tổn hao trong lõi sắt của máy phát bao gồm tổn hao từ cả stator và rotor, trong đó tổn hao sắt của rotor gấp đôi so với stator, theo thí nghiệm của Henneberger Để tính toán tổn hao sắt, các phép đo được thực hiện và áp dụng các công thức trong bảng 2.4 Trong quá trình đo, mật độ từ thông được giả định là hằng số do dòng từ trường ổn định, và chiều dài đường sức từ cũng được xem là hằng số.
Bảng 2.5: Hằng số hao tổn
Trước khi vào cổng chỉnh lưu trạng thái cân bằng công suất như sau:
𝑀 𝑚𝑝 𝜔 𝑚𝑝 − 𝑃 𝑙𝑜𝑠𝑠 = 3𝐸 𝑠 𝐼 𝑠 𝑐𝑜𝑠𝜙 Trong đó 𝑃 𝑙𝑜𝑠𝑠 là tổn hao trước khi vào cổng chỉnh lưu Thay 𝐸 𝑠 = 𝐸 𝑓 vào công thức ta có:
𝜔 𝑚𝑝 = 3𝐾 𝑀 𝐼 𝑓 𝐼 𝑠 𝑐𝑜𝑠𝜙 Suy ra công suất ra của máy phát điện được tính theo công thức:
=> Phương trình momen quay của máy phát
J là tổng của moment quán tính được tạo bởi các khối lượng chuyển động quay quanh trục của máy phát, bao gồm cả bánh đà và rô to
Chúng em đã sử dụng công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink để mô phỏng quá trình phanh và giảm tốc của xe ở các chế độ khác nhau Qua đó, năng lượng thu được được tính toán dựa trên thời gian thực hiện quá trình phanh hoặc giảm tốc.
MÔ PHỎNG MÔ HÌNH BẰNG MATLAB SIMULINK
Các thông số đầu vào của xe
Hình 3.1: Thông số đầu vào
Trong hộp thoại này, chúng ta sẽ nhập các thông số cơ bản đầu vào của xe, bao gồm khối lượng, kích thước cơ sở và khoảng sáng gầm xe, dựa trên tài liệu của nhà sản xuất ô tô Những thông số này là cần thiết để thiết lập mô hình đồ họa trên Matlab.
Mô phỏng các lực cản
Ta có lực cản gió được tính theo công thức:
Khi ô tô di chuyển, lực cản không khí xuất hiện do các yếu tố khí động học Bằng cách sử dụng công thức tính lực cản gió và áp dụng các mô hình trong Matlab Simulink, chúng ta có thể tính toán lực cản gió của ô tô trong quá trình phanh.
𝜌: Là mật độ không khí
𝑆: Là diện tích cản không khí
𝐶 𝑥 : Là hệ số cản không khí
Hình 3.2: Mô phỏng lực cản gió
Ta có công thức của lực cản lăn là:
𝐹 𝑓1 , 𝐹 𝑓2 : Là lực cản lăn ở các bánh xe trước và bánh xe sau (N)
Công thức được đề cập mô phỏng lực cản lăn của bánh xe ô tô, ảnh hưởng đến sự chuyển động khi tăng tốc hoặc giảm tốc Mức độ của lực cản lăn phụ thuộc vào khối lượng của ô tô và hệ số cản lăn.
𝐹 𝑗 : Là lực cản lăn (N) f: Là hệ số cản lăn m: Là khối lượng ô tô (kg) g: Là gia tốc trọng trường (m/𝑠 2 )
𝜃: Là góc dốc mặt đường
Ta có công thức của lực cản dốc là:
Lực cản dốc xuất hiện khi ô tô leo dốc hoặc xuống dốc Góc dốc ảnh hưởng trực tiếp đến moment kéo của ô tô; khi độ dốc của mặt đường tăng lên, lực kéo và moment cần thiết để ô tô di chuyển cũng phải tăng theo.
𝐹 𝑖 : Là lực cản dốc g: Là gia tốc trọng trường
𝜃: Là góc dốc của mặt đường
Ta có công thức của lực quán tính như sau:
Lực quán tính xuất hiện trong quá trình ô tô tăng tốc và giảm tốc, ảnh hưởng đến chuyển động của xe Biểu thức và sơ đồ được sử dụng để tính toán lực quán tính trong suốt quá trình di chuyển của ô tô.
𝐹 𝑗 : Là lực quán tính ô tô m: Là khối lượng ô tô
𝑑𝑡: Là đạo hàm vận tốc theo thời gian
Các thông số động lực học của xe
Các thông số động học của xe được mô phỏng bằng Matlab Simulink, bao gồm thân xe, bánh xe trục cầu sau và các khối tính toán lực cản tác động lên xe Hình ảnh minh họa cho thấy các sơ đồ khối dùng để tính toán vận tốc góc của bánh xe chủ động.
Với công thức vận tốc góc của bánh xe chủ động là:
Mô hình mô phỏng cụm thu hồi năng lượng
Cụm mô phỏng thu hồi năng lượng bao gồm một máy phát điện và acquy, kết hợp với hệ thống truyền lực từ cầu chủ động (cầu sau) đến máy phát điện Hệ thống này cho phép tái sử dụng và tích trữ năng lượng hao tổn khi ô tô giảm tốc hoặc phanh.
Hình 3.6: Thông số động lực học
Thông số của bộ thu hồi năng lượng bao gồm:
- Tỷ số truyền của bộ bánh răng hành tinh: 2,049
- Tỷ số truyền bộ truyền xích: 1,305
- Kích thước bánh đà: 220x30 mm, 2,7 kg
- Mô men quán tính của bánh đà: 0,03 kg.m 2
- Công suất của máy phát: 600W
Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng
Trong hình, các số hộp số được thể hiện qua các bánh răng 1, 2, 3 và 4 Đường màu tím cho thấy sự hoạt động của ly hợp khi xe tăng tốc hoặc giảm tốc Đường màu xanh lam biểu thị việc điều chỉnh bàn đạp ga, tức là sự mở và đóng của bướm ga Đường màu xanh lá cây thể hiện hoạt động của ly hợp từ trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng Khi người lái đạp ly hợp và nhả bàn đạp ga, động cơ sẽ giảm về mức cầm chừng và ly hợp từ sẽ đóng lại.
Mô hình mô phỏng tổng quát
Mô hình hóa xe Hiace được thực hiện bằng cách nhập các thông số đầu vào và tổng hợp các khối tính toán lực cản, động lực học, và bộ thu hồi năng lượng, sử dụng công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink Mô hình này không chỉ bao gồm các tay số mà còn tích hợp động cơ và hệ thống truyền lực như ly hợp, hộp số Từ mô hình mô phỏng, chúng tôi tiến hành tinh chỉnh các thông số và điều chỉnh giá trị tham chiếu, nhằm chạy mô phỏng và thu được các đồ thị kết quả về năng lượng thu hồi từ bộ thu hồi năng lượng.
Hình 3.9: Sơ đồ tổng quát
Các kết quả mô phỏng
3.7.1 Tốc độ xe: Đồ thị biểu diễn quá trình tăng tốc của xe từ số 1 đến số 4, sau khi xe đạt đến tốc độ khoảng 80km/h thì hệ thống phanh tái sinh sẽ được kích hoạt dựa trên tính toán Ban đầu, tốc độ của xe giảm đột ngột từ 80km/h xuống còn 50km/h, và sau đó tốc độ giảm chậm lại, bởi vì hệ thống phanh tái sinh đã ngừng truyền động cho trục động cơ Tuy nhiên, máy phát vẫn tiếp tục hoạt động và sử dụng năng lượng được tích trữ trong bánh đà để cung cấp điện cho hệ thống
3.7.2 Momen tác dụng lên trục máy phát: Đồ thị diễn tả sự thay đổi tốc độ góc của máy phát (Bánh đà) Mô men tác dụng sẽ được giảm dần từ tay số 1 đến số 4 Phần âm của đồ thị biểu thị mô men quán tính tác dụng lên trục máy phát trong khi đó phần đồ thị biểu thị mô men dần về 0 là mô tả quá trình phanh kết thúc
Hình 3.11: Sự thay đổi momen tác dụng lên trục máy phát
3.7.3 Tốc độ của trục các đăng:
Tốc độ của trục các đăng tăng theo từng tay số của xe Khi chuyển sang tay số 1, tốc độ đạt khoảng 698 vòng/phút, sau đó tăng lên 1340 vòng/phút ở tay số 2 Tiếp theo, khi vào tay số 3, tốc độ gần đạt 2000 vòng/phút, và khi xe chạy ở tay số 4, tốc độ trục các đăng đạt gần 2290 vòng/phút.
Tốc độ của các đăng giảm tỉ lệ thuận với tốc độ của xe, đặc biệt là khi ly hợp từ phanh tái sinh hoạt động Quá trình này khiến tốc độ các đăng giảm nhanh chóng, truyền momen từ các đăng qua bánh đà và máy phát, giảm từ 2290 vòng/phút xuống khoảng 1400 vòng/phút.
Hình 3.12: Tốc độ trục các đăng
3.7.4 Tốc độ của máy phát:
Máy phát bắt đầu ở trạng thái đứng yên và khi nhận moment, nó tăng tốc nhanh chóng đến tốc độ tối đa mà trục các đăng có thể truyền Sau đó, tốc độ máy phát giảm dần cho đến khi dừng hẳn, với tốc độ giảm tuyến tính tương tự như tốc độ của trục các đăng.
Hình 3.13: Tốc độ máy phát
3.7.5 Động năng của máy phát:
Sau khi xác định giá trị tốc độ của máy phát, chúng ta có thể tính toán động năng của máy phát bằng các công thức trong Matlab Simulink và thu được đồ thị tương ứng như hình minh họa.
Với công thức để tính động năng của máy phát là:
E: Là động năng của máy phát
J: Là moment quán tính của bánh đà
W: Là tốc độ của máy phát
Hình 3.14: Động năng của máy phát
3.7.6 Vận tốc góc bánh xe:
Sau khi phân tích đồ thị vận tốc từ 0 đến 80 km/h, ta có thể xác định đồ thị vận tốc góc của bánh xe Tương tự như vận tốc xe, khi xe chuyển sang từng tay số, vận tốc góc của bánh xe cũng gia tăng Cụ thể, khi ở tay số 4, vận tốc xe đạt 80 km/h, thì vận tốc góc của bánh xe đạt khoảng 644 vòng/phút, với bán kính bánh xe là 0.33 m Vận tốc góc của bánh xe được tính theo công thức cụ thể.
𝜔 𝑏 : Là vận tốc góc bánh xe
V: Là vận tốc của xe
𝑟 𝑏 : Là bán kinh bán xe
Hình 3.15: Vận tốc góc bánh xe
3.7.7 Công suất máy phát điện:
Khi ô tô mô phỏng đạt tốc độ 80 km/h và thực hiện phanh, hệ thống phanh tái sinh sẽ hoạt động, khiến tốc độ máy phát tăng nhanh chóng Điều này dẫn đến sự gia tăng nhanh và tuyến tính của điện áp và dòng điện, làm tăng công suất máy phát lên hơn 600W trong khoảng tốc độ này.
Sau khi kết thúc quá trình phanh, bánh đà quay tự do và do quán tính của khối lượng, tốc độ quay sẽ giảm dần theo thời gian Sự giảm tốc này dẫn đến việc dòng điện và điện áp cũng giảm theo, làm cho công suất của máy phát giảm Trong suốt quá trình phanh, công suất của máy phát hầu như không thay đổi, chỉ giảm nhẹ khi tốc độ bánh đà giảm.
Hình 3.16: Công suất máy phát điện
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Tính toán năng lượng thu được
Dựa trên các đồ thị và thông số thu hồi từ chương 3, chúng tôi tiến hành tính toán lượng năng lượng thu hồi khi sử dụng phanh tái tạo năng lượng Tại mỗi thời điểm, công suất của máy phát được tính toán theo công thức cụ thể.
Điện áp (U) và dòng điện (I) của máy phát tại thời điểm t được sử dụng để tính toán năng lượng tái sinh từ phanh tái tạo Dựa trên đồ thị công suất của máy phát, năng lượng tạo ra trong quá trình này được xác định chính xác theo công thức đã được thiết lập.
Nếu công suất thu được là hằng số và đồ thị là một đường thẳng song song với trục thời gian, năng lượng thu được có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
Dựa vào đồ thị thu được với các giá trị thay đổi, chúng ta có thể ước lượng gần đúng giá trị năng lượng thu được.
Để tính toán năng lượng một cách chính xác, cần thu thập nhiều điểm giá trị và lấy mẫu với tần suất cao Tần suất lấy mẫu càng tăng, độ chính xác của năng lượng tính toán càng cao Công thức tổng quát sau đây có thể được sử dụng để tính toán năng lượng: 2 (𝑡 3 − 𝑡 2 ).
Do khoảng thời gian giãn cách để lấy mẫu ∆𝑡 = 1𝑠 nên ta có:
Dựa trên công thức và số liệu thu thập, chúng tôi đã ước lượng năng lượng thu được tương ứng với các tốc độ phanh khởi đầu khác nhau.
Bảng 4.1: Tính giá trị lượng năng lượng thu được khi cho xe chạy theo từng chế độ khác nhau
Theo bảng 4.1, năng lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái tạo tăng lên khi tốc độ xe cao Tuy nhiên, hiệu quả thu hồi năng lượng thực tế còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như gia tốc phanh, tổn thất cơ khí, hao tổn điện trong quá trình chuyển đổi năng lượng, cũng như kỹ năng và kỹ thuật điều khiển.
Tốc độ bắt đầu phanh (km/h) Năng lượng thu hồi được (J)
Tốc độ xe (Km/h) ĐỒ THỊ GIÁ TRỊ NĂNG LƯỢNG THU HỒI
Hình 4.1: Đồ thị năng lượng
Tính hiệu suất bộ thu hồi năng lượng
Khi xem xét lý thuyết, một chiếc xe với vận tốc ban đầu 𝑣₁ và khối lượng m sẽ giảm tốc độ xuống còn 𝑣₂ khi sử dụng hệ thống phanh thủy lực Năng lượng tiêu tốn bởi hệ thống phanh có thể được tính toán thông qua một công thức cụ thể.
E: Là năng lượng động của xe trong quá trình phanh
M: Là khối lượng của xe đang di chuyển
𝑣 1 : Là vận tốc ban đầu khi xe bắt đầu phanh
𝑣 2 : Là vận tốc kết thúc phanh.” 6
Với năng lượng tiêu thụ đã xác định, chúng ta có thể tính toán công suất cần thiết cho hệ thống phanh hoạt động hiệu quả bằng cách áp dụng công thức phù hợp.
Nếu thời gian giảm tốc là 12 giây và chỉ sử dụng hệ thống phanh thông thường, năng lượng sẽ bị tiêu tán và chuyển hóa thành nhiệt, dẫn đến hiện tượng nóng ở cơ cấu phanh Ngược lại, nếu áp dụng hệ thống thu hồi năng lượng, công suất sẽ được thu hồi và tính toán theo công thức phù hợp.
Trong thí nghiệm giảm tốc, năng lượng thu hồi E được tính từ vận tốc ban đầu 𝑣1 xuống vận tốc kết thúc 𝑣2 trong khoảng thời gian t mà bộ tích trữ năng lượng hoạt động Kết quả sẽ được trình bày trong bảng, từ đó cho phép đánh giá và tính toán hiệu suất của hệ thống thu hồi năng lượng ở từng chế độ hoạt động.
6 Đặng Quý, Giáo trình lý thuyết ô tô 1, ĐH.SPKT
Bảng 4.2: Bảng tính hiệu suất của xe ở từng chế độ phanh và giảm tốc
Sau ba đợt thí nghiệm mô hình phanh tái sinh với các tốc độ ô tô 60, 70 và 80 km/h, lượng năng lượng sinh ra trong quá trình phanh cho thấy rất lớn Năng lượng cơ học này gần như hoàn toàn chuyển hóa thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh, dẫn đến giảm tuổi thọ vận hành của các chi tiết trong hệ thống phanh.
Kết quả cho thấy hiệu suất điện năng thu được từ phanh tái sinh tăng cao khi tốc độ ô tô lớn Điều này được giải thích bởi năng lượng tích trữ trong bánh đà lớn hơn ở tốc độ cao, cùng với thời gian quay tự do kéo dài, giúp máy phát điện hoạt động lâu hơn và phát ra công suất tối đa trong khoảng thời gian từ 25-31 giây kể từ khi hệ thống phanh tái sinh bắt đầu hoạt động.
Hệ thống đã thu hồi khoảng 8% đến 9% năng lượng từ cơ năng và chuyển đổi thành điện năng, giúp nạp lại cho acquy, giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm tải cho máy phát điện chính, từ đó giảm suất tiêu hao nhiên liệu trong điều kiện thí nghiệm ban đầu Hiệu suất thu hồi năng lượng có thể tăng thêm tùy thuộc vào chế độ xe chạy, đặc biệt khi xe giảm tốc liên tục trong điều kiện thực tế Kết quả này có thể cải thiện nhờ phân phối tốt hơn giữa phanh cơ khí và phanh tái sinh, đảm bảo an toàn, ổn định khi phanh và tối ưu hóa lượng năng lượng thu hồi.
Trong các thử nghiệm, chỉ có việc kiểm tra và tính toán năng lượng thu hồi ở từng tốc độ khác nhau được thực hiện Tuy nhiên, hiệu quả hoạt động của hệ thống thu hồi năng lượng trong toàn bộ chu kỳ thử nghiệm vẫn chưa được đánh giá.