1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong

87 7 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 87
Dung lượng 5,48 MB

Cấu trúc

  • 1. Đặt vấn đề (16)
  • 2. Mục tiêu đề tài (16)
  • 3. Giới hạn đề tài (16)
  • 4. Phương pháp nghiên cứu (16)
  • CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG (18)
    • 1.1. Hiện trạng (18)
    • 1.2. Phương pháp tích trữ năng lượng phanh (20)
      • 1.2.1. Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn (20)
      • 1.2.2. Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV (24)
        • 1.2.2.1. Động cơ hybrid dạng thủy lực HHV (24)
        • 1.2.2.2. Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực (25)
        • 1.2.2.3. Hiệu quả của hệ thống HHV (25)
        • 1.2.2.4. Các kiểu bố trí hệ thống trên xe hybrid thủy lực (26)
        • 1.2.2.5. Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực (30)
        • 1.2.2.6. Hiệu quả sử dụng của hệ thống hybrid thủy lực (33)
      • 1.2.3. Tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng điện năng nạp vào ắc quy (34)
      • 1.2.4. Tích trữ năng lượng phanh bằng siêu tụ (35)
      • 1.2.5. Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu bánh đà siêu tốc (36)
        • 1.2.5.1. Cơ chế hoạt động của KERS bánh đà (36)
        • 1.2.5.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hybrid bánh đà (40)
      • 1.2.6. Ưu nhược điểm của các phương pháp tích trữ năng lượng (41)
      • 1.2.7. Phương án nghiên cứu ứng dụng phanh tái tạo năng lượng trên các dòng xe động cơ đốt trong sử dụng hệ thống truyền lực dạng truyền thống (46)
        • 1.2.7.1. Phương án nghiên cứu được đưa ra (46)
        • 1.2.7.2. Nhận xét về phương án thu hồi năng lượng (50)
  • CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÍNH TOÁN CÁC LỰC VÀ CÔNG SUẤT (51)
    • 2.1. Cơ sở lý thuyết để tính toán các lực (51)
      • 2.1.1. Chọn thông số xe (51)
      • 2.1.2. Xác định và tính toán các lực tác dụng lên xe (53)
    • 2.2. Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng quán tính của xe khi phanh hoặc giảm tốc (57)
      • 2.2.1. Xác định mô men tác dụng lên trục cầu chủ động (57)
      • 2.2.2. Xác định mô men và các hao tổn của máy phát (61)
  • CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH BẰNG MATLAB SIMULINK (64)
    • 3.1. Các thông số đầu vào của xe (64)
    • 3.2. Mô phỏng các lực cản (65)
      • 3.2.1. Lực cản gió (65)
      • 3.2.2. Lực cản lăn (66)
      • 3.2.3. Lực cản dốc (67)
      • 3.2.4. Lực quán tính (68)
    • 3.3. Các thông số động lực học của xe (69)
    • 3.4. Mô hình mô phỏng cụm thu hồi năng lượng (69)
    • 3.6. Mô hình mô phỏng tổng quát (70)
    • 3.7. Các kết quả mô phỏng (72)
      • 3.7.1. Tốc độ xe (72)
      • 3.7.2. Momen tác dụng lên trục máy phát (73)
      • 3.7.3. Tốc độ của trục các đăng (74)
      • 3.7.4. Tốc độ của máy phát (75)
      • 3.7.5. Động năng của máy phát (76)
      • 3.7.6. Vận tốc góc bánh xe (77)
      • 3.7.7. Công suất máy phát điện (78)
  • Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ (79)
    • 4.1. Tính toán năng lượng thu được (79)
    • 4.2. Tính hiệu suất bộ thu hồi năng lượng (81)
  • CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ (83)
    • 5.1. Kết luận (83)
    • 5.2. Đề nghị (83)
  • TÀI LIỆU THAM KHẢO (85)

Nội dung

Mục tiêu đề tài

Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu về các hệ thống phanh sử dụng công nghệ tái tạo năng lượng phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay Trong đó, chú trọng vào việc trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các điểm yếu của các hệ thống phanh này cùng với các ứng dụng của chúng Ngoài ra, thông số động lực học của hệ thống phanh sẽ được phân tích và mô phỏng để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống 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, các bài nghiên cứu được sưu tầm ở các trang mạng và sách báo trong và ngoài nước Sau đó sẽ được sàng lọc chỉn chu và sắp xếp chúng lại sao cho hợp lý, dễ hiểu, 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 tính toán, mô phỏng động lực học ô tô và tầm ảnh hưởng của các thiết bị phanh tái tạo năng lượng lên hệ thống phanh thuỷ lực.

TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG

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 = 0.5.m 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 11.85 (KJ) 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 Ýtưởng 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.

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 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.

- 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.

Hình 1.1: 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.

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.

Hình 1.2: 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.

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 Ban đầu, phanh đĩa của xe hoạt động đồng thời với việc phanh cần dẫn Ly-on (cảo) giúp kẹp chặt ly hợp một chiều để ngăn lò xo cuộn quay ngược lại Khi lái xe tác dụng chân ga, áp lực dầu làm cho ly-off đóng lại và kết nối chặt với ly hợp một chiều Lúc đó, lò xo cuộn được giải phóng năng lượng, truyền mô men qua trục bánh xe giúp xe di chuyển mà không tốn nhiều nhiên liệu Sau khi lò xo cuộn được giải phóng năng lượng, ly hợp cảo được hồi về và ngăn không cho lò xo cuộn bị kẹt và gây hỏng hóc Hệ thống lưu trữ năng lượng động không gây ảnh hưởng khi xe lùi.” 1

1http://oto.saodo.edu.vn/tin-moi/gioi-thieu-he-thong-phanh-tai-sinh-tren-o-to-kieu-lo-xo-cuon-461.html

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.

Bình áp suất cao Động cơ

Bơm/Mô tơ thủy lực

Hình 1.4: Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV

Một trong những ưu điểm của động cơ hybrid thủy lực là giảm thiểu lượng khí thải, giảm tác động tiêu cực đến môi trường Bên cạnh đó, động cơ này cũng cải thiện hiệu quả năng lượng và tăng tính tiện ích của xe Điều này đồng nghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí vận hành xe Nhiều hãng sản xuất ô tô đã sử dụng động cơ hybrid thủy lực trên xe để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải và năng lượng mới nhất.

1.2.2.2 Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực:

Hệ thống hybrid thủy lực bao gồm một loạt các bộ phận, kết hợp thủy lực và điện, nhằm đáp ứng các yêu cầu khác nhau trong quá trình điều khiển xe Các bộ phận chính của hệ thống hybrid thủy lực bao gồm:

- 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: Điều khiển hoạt động của hệ thống hybrid thủy lực, bao gồm giám sát 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 được đề suất ở chương 1, để có thể tiến hành mô phỏng cũng như tính toán và thiết kế bộ phanh tái sinh thì chúng em sẽ tiến hành xác định các lực bao gồm: Lực quán tính, lực chuyển động tịnh tiến và các lực quay Các thông số được chúng em tập hợp và tính toán từ thông số của xe Hiace và tổng kết ở chương 2 này. Việc tính toán còn bao hàm việc đưa ra các phương trình về cân bằng năng lượng khi phanh cũng như các thông số về tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Các thông số của bánh đà, công suất của máy phát… cũng được tính toán từ đó có thể tiến hành mô phỏng để có thể đánh giá hiệu quả cũng như 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 chính Dài 4900 mm

Tổng thể Rộng 1655 mm lượng

Cao 1945 mm trọng Chiều dài cơ sở 2570 mm

Chiều rộng cơ sở 1430 mm vàthước Khoảng sáng gầm 182 mm

Trọng lượng bản thân xe 1905 kg

Tốc độ tối đa 145 km/h

Số 1 32 km/h động Tốc độ tối đa ở Số 2 54 km/h

Số 3 93 km/h cơ các tay số

Công suất tối đa 75/5400 kW/rpm

Momen xoắn cực đại 165/2600 Nm/rpm

Tỷ số truyền ở Số 3 1,5 từng tay số Số 4 1,0 số Số 5 0,9

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 thực hiện tính toán các tham số và thiết kế cho bộ thu hồi năng lượng phanh, chúng ta cần phân tích động học của xe và lực phanh cần thiết khi phanh hoặc giảm tốc Đầu tiên, chúng ta sẽ 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 của dốc là θ, động cơ hoạt động ở một tốc độ định trước (không có lực kéo trên bánh xe chủ động) Lực tác dụng lên xe được đại diện như trong hình vẽ Sau đó, chúng ta có thể sử dụng những dữ liệu này làm cơ sở để tính toán các thông số kỹ thuật và mô phỏng bộ thu hồi năng lượng phanh.

Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe Ýnghĩa của các ký hiệu trên hình vẽ như sau:

G – Là trọng lượng toàn bộ của ô tô.

– Là lực cản không khí.

– Là lực cản xuống dốc.

– Là lực cản quán tính.

1 , 2 – Là phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe cầu trước và sau.

Khi xe di chuyển xuống dốc và ly hợp được ngắt, toàn bộ lực quán tính của xe sẽ được truyền vào bộ thu hồi năng lượng, và phương trình cân bằng lực kéo cũng sẽ được áp dụng trong trường hợp này.

: Là lực cản không khí [N]:

: Là khối lượng riêng của không khí (kg/ 3 )

: Là hệ số cản gió.

S: Là diện tích cản gió.

V: Là vận tốc của xe [m/s].

: Là vận tốc của gió cản lại sự di chuyển của xe [m/s].

1 , 2 : Là lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]:

2 m: Là khối lượng của xe [kg]. g: Là gia tốc trọng trường [m/ 2 ].

ℎ : Là chiều cao trọng tâm xe [m].

Trong đó: f là hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nhau như:

“Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cản lăn bao gồm tính chất cơ lý và trạng thái mặt đường khi bánh xe lăn bánh, mức độ biến dạng của mặt đường, tải trọng lên bánh xe, chất liệu và áp suất lốp, cũng như mô men xoắn tác dụng lên các bánh dẫn động Tất cả các yếu tố này đều ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số cản lăn và lực cản lăn của bánh xe Vì vậy, khi tăng tải trọng và mô men xoắn, hoặc sử dụng lốp chất liệu kém hoặc áp suất không khí không đúng cũng sẽ làm tăng hệ số cản lăn và lực cản lăn của bánh xe.

Các yếu tố gây biến dạng riêng của bánh xe, ví dụ như lực ngang Fy, góc lệch bên δ 1 và góc nghiêng của bánh xe so với mặt phẳng thẳng đứng, có thể có tác động tiêu cực đến hệ số cản lăn Ngoài ra, tốc độ xe cũng là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn Thực nghiệm cho thấy khi tốc độ của xe chạy chậm hơn 80km/h (tức là 22m/s), thì hệ số cản lăn hầu như không đổi và được tính theo công thức đã nêu trên trong một đoạn đường cụ thể: f 1 ≈ f 2 ≈ f = const

Nếu xe di chuyển với vận tốc lớn hơn 22,2m/s (≈ 80km/h), hệ số cản lăn sẽ tăng đáng kể Điều này bởi vì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, mỗi lớp không có độ co giãn và dẫn đến mất đi một lượng nhỏ năng lượng do biến dạng Một phần năng lượng này được trả lại nhưng số lượng rất ít Hơn nữa, khi tốc độ xe tăng lên, tốc độ biến dạng cũng tăng nên sức cản ma sát của lốp cũng tăng Sau khi qua thực nghiệm, chúng ta có thể suy ra công thức xác đinh hệ số cản lăn như sau:

3Đặng Quý, Giáo trình lý thuyết ô tô 1, ĐH.SPKT

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 (≈

Giá trị của 0 cho một số loại đường xem ở bảng 2.2 Đặc biệt, trong trường hợp ô tô chuyển động trên đường nhựa bê tông và đường nhựa tốt, hệ số cản lăn còn có thể xác định theo công thức:

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 0 ứng với v ≤ 22,2 m/s (≈ 80 /ℎ)

Rải đá 0,023 ÷ 0,030 Đất khô 0,025 ÷ 0,035 Đất sau khi mưa 0,05 ÷ 0,15

Cát 0,1 ÷ 0,3 Đất sau khi cày 0,12

4Đặng 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:

Thông tin về bộ thu hồi năng lượng bao gồm các thông số như tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh, kích thước của bánh đà (momen quán tính), công suất của máy phát và các thông số của bộ điều khiển điện tử Để xác định các thông số này, chúng ta sử dụng phương trình động lực học và các thông số của xe thực tế để tính toán mô men xoắn và vận tốc góc của bánh chủ động trong quá trình phanh hoặc giảm tốc với dải tốc độ giới hạn của thử nghiệm là 80 km/h hoặc ít hơn Sau đó, ta sử dụng SimDriveline trong Matlab Simulink để chạy mô phỏng thử nghiệm ở các chế độ khác nhau và lựa chọn các thông số về tỷ số truyền và kích thước bánh đà phù hợp Đầu tiên, để tính toán các tham số cần thiết cho bộ thu hồi năng lượng phanh, ta cần xác định mô men quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc Khi xe bị giảm tốc, lực làm cho xe dừng lại chính là lực quán tính, trừ đi lực cản của gió và lực cản lăn trên mặt đường Tại thời điểm này, ta sẽ tính toán mô men xoắn tác dụng vào bánh chủ động (trong trường hợp xe có hệ thống cầu sau chủ động).

“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.

= f.m.g.cos với là bán kính bánh xe

: Để tính toán mô men quán tính của xe, ta cần lấy tổng của mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay trong hệ thống truyền lực, bao gồm từ động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh các xe chủ động Điều này có thể được thực hiện bằng cách xác định lực quán tính trong trường hợp này.

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:

′′ là lực quán tính của các chi tiết chuyển động quay được xác định theo biểu thức sau:

: Đây là momen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác của động cơ quy đưa về trục khuỷu Momen quán tính là một chỉ số cho biết sự khó khăn của việc thay đổi trạng thái chuyển động của một vật thể.

: Đây là momen quán tính của chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đối với trục quay của chính nó Thuật ngữ này cũng liên quan đến sự khó khăn của việc thay đổi trạng thái chuyển động của một chi tiết quay trong hệ thống.

: Đây là momen quán tính của bánh xe chủ động đối với trục quay của nó Momen quán tính của bánh xe chủ động sẽ ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và tốc độ của xe.

: 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.

: Tỷ số truyền tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động.

: 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 tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động Hiệu suất này liên quan đến mức độ mất mát năng lượng khi chuyển động từ chi tiết quay đến bánh xe chủ động trong hệ thống truyền lực.” 5

Từ đây ta có lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là

5Đặng 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, ta có thể tính được mô men quán tính tổng cộng của xe quy về bánh xe chủ động bằng công thức sau:

Có một công thức thực nghiệm để tính toán , nhằm giúp quá trình tính toán trở nên dễ dàng và nhanh chóng Công thức này có dạng như sau:

ℎ : Hệ số truyền của hộp số.

Sau khi hoàn tất việc xác định các thông số cần thiết để tính mô men quán tính của xe, ta có thể suy ra mô men tác dụng lên trục bánh xe chủ động bằng cách sử dụng các thông số này.

Vận tốc góc của bánh xe chủ động:

Sau khi xác định được mô men và vận tốc góc của bánh chủ động trong dải tốc độ từ 0 đến 80km/h, ta có thể tính được số vòng quay của trục khuỷu trong khoảng từ 0 đến

2800 vòng/phút Để đạt hiệu suất tối đa, tốc độ vận hành của máy phát điện ô tô cần nằm trong khoảng từ 2000 vòng/phút đến 3500 vòng/phút Thời gian hoạt động của bộ lưu trữ năng lượng có thể dao động từ 3 đến 15 giây, tùy thuộc vào phương pháp điều khiển trong quá trình phanh hoặc giảm tốc Dựa trên các giá trị đầu vào này, nhóm thực hiện sử dụng công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink để mô phỏng và lựa chọn phân bố tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh.

Khi biết tỷ số truyền của bộ truyền lực chính là 0 = 4,3, chúng ta có thể tính toán được momen và vận tốc góc tác động lên trục động cơ khi thực hiện phanh xe.

Bộ truyền xích và bộ bánh răng hành tinh kép sẽ chuyển đổi mô men từ trục các đăng để truyền tải đến trục máy phát Tỷ số truyền giữa các trục này cũng được xác định i

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.

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 có thể được xếp vào cùng nhóm với các mất mát cơ học của hệ thống truyền động xích và hệ thống BRHT Trong khi đó, các mất mát do quá trình biến đổi điện được xếp vào nhóm tương tự với các mất mát điện của máy phát. Bảng 2.4 chứa thông tin chi tiết về các mất mát này.

Bảng 2.4: Công suất tổn thất

Tổn thất cuộn dây Stator

Tổn thất do điện áp rơi trên diot chỉnh = 3 lưu

Tổn thất do thiết bị công suất

Tổn thất của bộ chổi than

Tổn thất hiện tượng trễ = 2

Xích dẫn động số và bánh răng hành

: Hệ số dòng Eddy. t: Độ dày hay độ dài của đường sức từ trong kim loại.

: Tốc độ của máy phát.

B: Mật độ từ thông trong mặt cắt ngang.

: Hệ số tổn hao do hiện tượng trễ.

: Hệ số tổn hao ổ bi.

: Hệ số tổn hao do khe hở.

: Điện áp qua diot chỉnh lưu.

: Dòng điện pha trong cuộn dây stator.

( ) + ( ) : thời gian đóng + thời gian ngắt.

Tổn hao trong lõi sắt của máy phát bao gồm tổn hao của cả stator và rotor Theo các thí nghiệm của Henneberger, tổn hao sắt của rotor gấp đôi stator Để tính toán tổn hao sắt, các phép đo được thực hiện trong các thí nghiệm và sử 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 giả định là hằng số.

Bảng 2.5: Hằng số hao tổn

Trước khi vào cổng chỉnh lưu trạng thái cân bằng công suất như sau:

Trong đó là tổn hao trước khi vào cổng chỉnh lưu Thay = vào công thức ta có:

Suy ra công suất ra của máy phát điện được tính theo công thức: = ụ á ℎá − = 3

=> 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.

Theo các tính toán, chúng em đã nghiên cứu và sử dụng công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink để thực hiện mô phỏng quá trình phanh hoặc giảm tốc của xe ở các chế độ khác nhau Từ đó, năng lượng thu được có thể tính toán dựa trên thời gian thực hiện 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 như khối lượng xe, kích thước cơ sở cũng như khoảng sáng gầm xe (thông số dựa vào tài liệu nhà sản xuất ô tô đưa ra). Đây chính là những thông số cơ bản cần thiết để thiết lập mô hình đồ hoạ trênMatlab.

Mô phỏng các lực cản

Hình 3.2: Mô phỏng lực cản gió

Ta có lực cản gió được tính theo công thức:

Khi ô tô chuyển động, lực cản không khí xuất hiện bởi các lực khí động học. Thông qua công thức lực cản gió và dùng các khối là các sơ đồ tính toán trong Matlab Simulink Chúng ta sẽ tính toán được cản gió của ô tô trong quá trình phanh.

: Là mật độ không khí.

: Là diện tích cản không khí.

: Là hệ số cản không khí.

Ta có công thức của lực cản lăn là:

1 , 2 : Là lực cản lăn ở các bánh xe trước và bánh xe sau (N).

Công thức trên dùng để mô phỏng tính toán lực cản lăn của bánh xe trước và sau của ô tô Lực cản lăn này được sinh ra để cản lại sự chuyển động trong quá trình tăng tốc hay giảm tốc của ô tô Lực này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào khối lượng ô tô và giá trị của hệ số cản lăn.

: 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/ 2 ).

: Là góc dốc mặt đường

Ta có công thức của lực cản dốc là:

Lực cản dốc được sinh ra trong quá trình ô tô đang leo dốc hay đang xuống dốc. Góc dốc ảnh đến moment kéo của ô tô Nếu ô tô leo dốc độ dốc mặt đường càng lớn thì lực kéo, moment phải càng lớn.

: Là lực cản dốc. g: Là gia tốc trọng trường.

: Là góc dốc của mặt đường.

Ta có công thức của lực quán tính như sau:

Lực quán tính được sinh ra trong quá trình ô tô tăng tốc hay giảm tốc Lực quán tính này xuất hiện hầu hết trong suốt quá trình chuyển động ô tô Biểu thức và sơ đồ trên tính toán lực quán tính, trong đó:

: Là lực quán tính ô tô. m: Là khối lượng ô tô.

: Là đạo hàm vận tốc theo thời gian.

Các thông số động lực học của xe

Hình 3.6: Thông số động lực học

Các thông số động học của xe được mô phỏng bằng Matlab Simulink có thể thấy trên hình bao gồm thân xe, các bánh xe của trục cầu sau, các khối thành phần để tính các lực cản tác dụng lên xe Và trên hình ta có thể thấy được các sơ đồ là các khối dùng để tính 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 ở đây bao gồm một máy phát điện và một acquy, cụm thu hồi còn các hệ thống truyền lực từ cầu chủ động (cầu sau) đến máy phát điện để có thể tái sử dụng và tích năng lượng hao tổn khi ô tô giảm tốc hoặc phanh.

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

3.5 Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng:

Theo hình thì gear 1, gear 2, gear 3, gear 4 thể hiện các tay số được mô phỏng.Đường màu tím biểu thị sự đóng ngắt của ly hợp khi xe được tăng tốc hay giảm tốc.Đường màu xanh lam biểu thị bàn đạp ga hay ở đây là sự đóng mở của bướm ga Đường màu xanh lá cây biểu thị ly hợp từ của bộ phanh tái tạo năng lượng Khi đạp ly hợp và thả bàn đạp ga, động cơ chạy về mức cầm chừng, ly hợp từ đóng lại.

Mô hình mô phỏng tổng quát

Mô hình hóa của xe Hiace sau khi đã nhập các thông số đầu vào và tổng hợp các khối tính toán các lực cản, khối tính toán động lực học của xe, khối bộ thu hồi năng lượng cùng với sự trợ giúp của công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink Mô hình mô phỏng còn bao gồm giá trị đầu vào là các tay số và cũng bao gồm động cơ xe Hiace cũng như các hệ thống truyền lực của xe như ly hợp, hộp số… Từ mô hình mô phỏng chúng em bắt đầu tinh chỉnh các thông số cũng như điều chỉnh tính toán các giá trị tham chiếu để có thể chạy mô phỏng và cho ra các đồ thị là các kết quả về năng lượng thu hồi của bộ thu hồi năng lượng.

Hình 3.9: Sơ đồ tổng quát

Các kết quả mô phỏng

Hình 3.10: 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:

Hình 3.11: Sự thay đổi 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.

3.7.3 Tốc độ của trục các đăng:

Hình 3.12: Tốc độ trục các đăng

Tốc độ của trục các đăng cũng tăng theo từng tay số Khi vào tay số 1 thì trục các đăng có tốc độ khoảng 698 (vòng/phút) Sau đó tốc độ tăng dần và vào tay số 2 ta sẽ được tốc độ ở trục các đăng sẽ là 1340 (vòng/phút) Tương tự khi vào tay số 3 tốc độ của trục các đăng sẽ đạt gần đến hơn 2000 (vòng/phút) Khi đến xe chạy ở tay số 4 thì lúc này tốc độ của trục các đăng đã đạt đến được gần 2290 (vòng/phút).

Cũng như tốc độ của xe, tốc độ của các đăng sẽ giảm theo tỷ lệ thuận với tốc độ xe Tốc độ các đăng giảm nhanh trong quá trình khi ly hợp từ phanh tái sinh hoạt động. Truyền momen từ các đăng qua bánh đà, máy phát (từ 2290 vòng/phút xuống còn khoảng

3.7.4 Tốc độ của máy phát:

Hình 3.13: Tốc độ máy phát

Máy phát từ lúc đầu đứng yên, đến lúc nhận moment thì tăng tốc nhanh đến tốc độ cao nhất mà trục các đăng có thể truyền Sau đó tốc độ máy phát giảm dần cho đến khi dừng hẳn, tốc độ máy phát cũng tương tự như tốc độ của các đăng, tốc độ máy phát giảm tuyến tính.

3.7.5 Động năng của máy phát:

Hình 3.14: Động năng của máy phát

Sau khi có được giá trị của tốc độ máy phát thì ta có thể tính được giá trị của động năng của máy phát theo các công thức bằng các khối trong Matlab Simulink và thu được đồ thị như trên hình.

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.

3.7.6 Vận tốc góc bánh xe:

Hình 3.15: Vận tốc góc bánh xe

Sau khi có được đồ thị vận tốc trong khoảng từ 0 đến 80 km/h thì ta có được đồ thị của vận tốc góc của bánh xe Cũng như vận tốc xe thì khi xe tăng theo từng tay số thì vận tốc góc bánh xe cũng tăng theo và khi ở tay số 4 thì vận tốc xe đạt được là 80 km/h thì vận tốc góc của bánh xe đạt khoảng 644 vòng trên phút với bán kính bánh xe là 0.33 m. Ở đây vận tốc góc của bánh xe được tính theo công thức:

: Là vận tốc góc bánh xe.

V: Là vận tốc của xe.

: Là bán kinh bán xe.

3.7.7 Công suất máy phát điện:

Hình 3.16: Công suất máy phát điện

Khi mô phỏng ô tô đạt đến tốc độ 80 km/h sau đó cho ô tô phanh thì lúc này hệ thống phanh tái sinh hoạt động, tốc độ máy phát tăng giá trị lên nhanh và làm cho điện áp và dòng điện tăng lên nhanh tuyến tính và làm cho tích của hai giá trị trên là công suất máy phát tăng lên nhanh chóng Trong khoảng tốc độ này, công suất máy phát có thể đạt đến hơn 600W.

Sau khi khoảng thời gian phanh kết thúc thì bánh đà được quay tự do, do quán tính từ khối lượng của nó nên sẽ giảm dần theo thời gian và điều này làm cho dòng điện và điện áp cũng giảm theo dẫn đến công suất của máy phát giảm theo Công suất của máy phát gần như không đổi trong suốt quá trình phanh (giảm nhẹ khi tốc độ bánh đà máy phát giảm).

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

Tính toán năng lượng thu được

Dựa trên các đồ thị và thông số thu hồi được ở chương 3 thì chúng em tiến hành tính toán lượng năng lượng thu hồi được khi tiến hành phanh và giảm tốc khi sử dụng phanh tái tạo năng lượng Tại một thời điểm bất kì, công suất của máy phát thu được được tính theo công thức:

Trong đó U và I là điện áp và dòng điện áp được sinh ra của máy phát tại thời điểm t nào đó bất kỳ Dựa trên đồ thị công suất của máy phát thì chúng em sẽ tiến hành tính toán năng lượng tái sinh khi sử dụng phanh tái tạo năng lượng được tạo ra từ hệ thống, năng lượng được tạo ra trong quá trình này được tính chính xác theo công thức:

Nếu công suất thu được là hằng số, có đồ thị là một đường thẳng song song với trục thời gian thì năng lượng thu được được tính như sau:

Tuy nhiên, dựa theo đồ thị thu được với các giá trị thay đổi ta có thể tính gần đúng giá trị năng lượng thu được trên đồ thị như sau:

3 2 Để tính toán năng lượng một cách chính xác, ta cần thu thập nhiều điểm giá trị và lấy mẫu với tần suất cao Khi tần suất lấy mẫu tăng, năng lượng tính được càng chính xác hơn Ta có thể dùng công thức tổng quát sau để tính toán năng lượng:

Do khoảng thời gian giãn cách để lấy mẫu ∆ = 1 nên ta có:

Từ công thức trên và các số liệu thu thập được, chúng em đã tính toán xấp xỉ năng lượng thu được ứng với các tốc độ bắt đầu phanh khác nhau.

Bảng 4.1: Tính giá trị lượng năng lượng thu được khi cho xe chạy theo từng chế độ khác nhau

Tốc độ bắt đầu phanh (km/h) Năng lượng thu hồi được (J)

60 60116,27 ĐỒ THỊ GIÁ TRỊ NĂNG LƯỢNG THU HỒI

Năng lượng thu hồi (KJ) 6700 6600 6526.683 6614.583

Hình 4.1: Đồ thị năng lượng

Dựa vào bảng 4.1, ta thấy được rằng năng lượng thu hồi khi tác dụng phanh ở tốc độ càng cao thì năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái tạo năng lượng càng lớn.Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc thu hồi năng lượng trong thực tế có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như gia tốc phanh chậm dần, tổn thất cơ khí và hao tổn về điện trong quá trình chuyển đổi năng lượng thành điện năng từ cơ năng và kỹ năng điều khiển cũng như kỹ thuật và cách thức điều khiển.

Tính hiệu suất bộ thu hồi năng lượng

“Nếu ta đang xét theo lý thuyết, giả sử có một chiếc xe đang di chuyển với vận tốc ban đầu là 1 và có khối lượng là m Khi sử dụng hệ thống phanh thủy lực, chiếc xe sẽ giảm vận tốc xuống còn 2 Như vậy, ta có thể tính toán năng lượng tiêu tốn bởi hệ thống phanh theo công thức sau:

E: Là năng lượng động của xe trong quá trình phanh.

M: Là khối lượng của xe đang di chuyển.

1 : Là vận tốc ban đầu khi xe bắt đầu phanh.

2 : Là vận tốc kết thúc phanh.” 6

Với năng lượng tiêu tốn xác định được, ta có thể suy ra công suất cần thiết để hệ thống phanh hoạt động bằng cách sử dụng công thức tương ứng:

Nếu lấy thời gian giảm tốc t là 12 giây (thời gian mà mô phỏng đang sử dụng) và sử dụng chỉ hệ thống phanh thông thường, lượng công suất sẽ được tiêu tán và chuyển thành nhiệt năng, gây ra hiện tượng nóng cơ cấu phanh Nhưng nếu sử dụng hệ thống thu hồi năng lượng, công suất đó sẽ được thu hồi và tính toán bằng công thức tương ứng.

Thực hiện thí nghiệm giảm tốc, E là năng lượng được thu hồi theo thí nghiệm từ vận tốc ban đầu 1 xuống vận tốc kết thúc 2 trong khoảng thời gian bộ tích trữ năng lượng hoạt động là t, ta có thể tính toán và trình bày kết quả vào bảng Dựa trên bảng này, chúng ta có thể đánh giá và tính toán hiệu suất của hệ thống thu hồi năng lượng trong từng chế độ hoạt động.

6Đặng 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 khi đã tiến hành 3 đợt thí nghiệm mô hình phanh tái sinh với các tốc độ ô tô tăng tốc khác nhau, đó là 60 - 70 - 80 km/h Thì có thể thấy được rằng là lượng năng lượng mà cơ năng được sinh ra trong quá trình phanh là rất lớn Lượng cơ năng này sẽ chuyển hóa gần như thành nhiệt năng lên các cơ cấu phanh và làm cho các chi tiết của hệ thống phanh giảm tuổi thọ vận hành.

Kết quả cho thấy rằng là hiệu suất điện năng thu được khi sử dụng phanh tái sinh càng cao hơn khi tốc độ ô tô càng lớn Điều này có thể lý giải được rằng là do việc năng lượng được tích trữ trong bánh đà càng lớn khi tốc độ cao hơn và thời gian quay tự do của bánh đà kéo dài, giúp máy phát điện hoạt động lâu hơn và phát ra công suất lớn nhất trong khoảng thời gian từ 25-31 (s) kể từ thời điểm hệ thống phanh tái sinh bắt đầu hoạt động.

Hệ thống đã thành công trong việc thu hồi khoảng 8% đến khoảng 9% năng lượng công suất ban đầu từ cơ năng và chuyển đổi thành điện năng sau đó nạp lại cho acquy để có thể sử dụng, giúp cho ô tô giảm thiểu đi mức tiêu thụ năng lượng và giúp giảm tải cho máy phát điện chính từ đó làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu của xe trong điều kiện thí nghiệm ban đầu Đồng thời hiệu suất thu hồi năng lượng còn có thể tăng thêm phụ thuộc vào các chế độ xe chạy Khi quá trình giảm tốc diễn ra liên tục khi xe di chuyển trong điều kiện thực tế Kết quả này có thể được cải thiện nhờ vào việc phân phối tốt hơn giữa dùng phanh cơ khí và phanh tái sinh Nhờ đó có thể đảm bảo được rằng sự an toàn, ổn định khi phanh và có tối ưu hóa được lượng năng lượng có thể thu hồi.

Tuy nhiên, chỉ có kiểm tra và tính toán năng lượng thu hồi được ở từng tốc độ khác nhau trong các thử nghiệm Hiệu quả hoạt động của hệ thống thu hồi năng lượng trong chu kỳ thử nghiệm chưa được đánh giá.

Ngày đăng: 11/12/2023, 09:37

HÌNH ẢNH LIÊN QUAN

Hình 1.1: Cơ cấu lò xo cuộn - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.1 Cơ cấu lò xo cuộn (Trang 21)
Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.2 Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn (Trang 22)
Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.3 Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn (Trang 23)
Hình 1.4: Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.4 Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV (Trang 24)
Hình 1.7: Kiểu bố trí thứ 3 - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.7 Kiểu bố trí thứ 3 (Trang 28)
Hình 1.8: Kiểu bố trí thứ 4 - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.8 Kiểu bố trí thứ 4 (Trang 29)
Hình 1.10: Chế độ tăng tốc nhẹ - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.10 Chế độ tăng tốc nhẹ (Trang 30)
Hình 1.12: Chế độ phanh tái tạo - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.12 Chế độ phanh tái tạo (Trang 32)
Hình 1.13: Chế độ Cruising 1.2.2.6. Hiệu quả sử dụng của hệ thống hybrid thủy lực: - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.13 Chế độ Cruising 1.2.2.6. Hiệu quả sử dụng của hệ thống hybrid thủy lực: (Trang 33)
Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà (Trang 37)
Hình 1.16: Vị trí bánh đà đặt cạnh người lái của Porches 918 - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.16 Vị trí bánh đà đặt cạnh người lái của Porches 918 (Trang 38)
Hình 1.17: Hệ thống tích năng lượng bằng bánh đà trên Volvo - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.17 Hệ thống tích năng lượng bằng bánh đà trên Volvo (Trang 39)
Hình 1.19: Khả năng chịu nhiệt - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.19 Khả năng chịu nhiệt (Trang 42)
Hình 1.20: Hiệu suất - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.20 Hiệu suất (Trang 44)
Hình 1.22: Giá thành - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.22 Giá thành (Trang 45)
Hình 1.23: Phương án đề xuất - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.23 Phương án đề xuất (Trang 46)
Hình 1.24: Sơ đồ phanh cơ khí - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.24 Sơ đồ phanh cơ khí (Trang 47)
Hình 1.26: Mô hình RBS đề xuất - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 1.26 Mô hình RBS đề xuất (Trang 49)
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 2.1 Các lực tác dụng lên xe (Trang 53)
Hình 3.5: Lực quán tính - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.5 Lực quán tính (Trang 68)
Hình 3.6: Thông số động lực học - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.6 Thông số động lực học (Trang 69)
Hình 3.9: Sơ đồ tổng quát - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.9 Sơ đồ tổng quát (Trang 71)
Hình 3.10: Tốc độ xe - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.10 Tốc độ xe (Trang 72)
Hình 3.11: Sự thay đổi momen tác dụng lên trục máy phát - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.11 Sự thay đổi momen tác dụng lên trục máy phát (Trang 73)
Hình 3.12: Tốc độ trục các đăng - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.12 Tốc độ trục các đăng (Trang 74)
Hình 3.13: Tốc độ máy phát - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.13 Tốc độ máy phát (Trang 75)
Hình 3.14: Động năng của máy phát - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.14 Động năng của máy phát (Trang 76)
Hình 3.16: Công suất máy phát điện - Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên động cơ đốt trong
Hình 3.16 Công suất máy phát điện (Trang 78)

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w