Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM DƯƠNG TUẤN TÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số chun ngành: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học 1: PGS-TS Đỗ Văn Dũng Người hướng dẫn khoa học 2: PGS-TS Nguyễn Trường Thịnh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án tiến sĩ bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Ngày tháng năm LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu Luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan tham khảo cho việc thực luận án trích dẫn rõ ràng Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2020 (Ký tên ghi rõ họ tên) Dương Tuấn Tùng LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ ngành Kỹ thuật Cơ khí “Nghiên cứu nâng cao hiệu thu hồi lượng hệ thống phanh tái sinh ô tô” kết q trình nghiên cứu, cố gắng khơng ngừng tác giả suốt thời gian qua với giúp đỡ tận tình q thầy, giáo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhà khoa học ngành ô tô, bạn bè, đồng nghiệp Đặc biệt tác giả xin bày tỏ biết ơn đến quý thầy hướng dẫn PGS-TS Đỗ Văn Dũng PGS-TS Nguyễn Trường Thịnh trực tiếp hướng dẫn tận tình, ln giúp đỡ, quan tâm đơn đốc NCS để luận án hoàn thành Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí Đợng lực, Khoa Cơ khí chế tạo máy, bộ môn chuyên môn tạo điều kiện giúp đỡ để NCS hoàn thành luận án tiến sĩ Sau cùng, NCS xin cảm ơn gia đình ln bên cạnh đợng viên suốt thời gian qua để NCS hoàn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Trân trọng! Tp Hồ Chí Minh, 15 tháng 06 năm 2020 TĨM TẮT Thu hồi lượng phanh một hướng nghiên cứu cứu lĩnh vực ô tô giới nước Các hướng nghiên cứu vấn đề thường gắn liền với đối tượng nghiên cứu áp dụng dòng xe điện, xe lai điện xe sử dụng động đốt truyền thống Mợt những mục tiêu hướng nghiên cứu thu hồi nguồn lượng còn bị lãng phí hệ thống phanh để tái sử dụng lại nhằm giải toán lượng ô tô Bên cạnh đó, xe sử dụng đợng đốt ngồi việc giải toán lượng hướng nghiên cứu còn góp phần vào việc nghiên cứu giảm khí thải nhiễm môi trường phương tiện gây nên Luận án tiến sĩ tính tốn, thiết kế thử nghiệm một hệ thống thu hồi lượng phanh lắp thêm lên xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Dựa mô hình tính tốn đó, thuật tốn điều khiển phân phối lực phanh tái sinh PSO xây dựng nhằm tối ưu hóa lượng thu hồi đảm bảo tính ổn định phanh Ngồi ra, chu trình lái xe tiêu chuẩn đưa vào mô hình nghiên cứu mơ phỏng thực nghiệm để từ đó tìm quy luật phân bố lượng thu hồi trình xe phanh hoặc giảm tốc Kết nghiên cứu cho thấy xe trang bị thêm hệ thống thu hồi lượng phanh có thể cải thiện từ 10,49% đến 24,44% suất tiêu hao nhiên liệu tùy tḥc vào chu trình thử nghiệm Luận án trình bày chương bao gồm 112 trang (không kể phần tài liệu tham khảo phụ lục) Trong đó, chương trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu hệ thống thu hồi lượng phanh đề xuất hướng nghiên cứu mơ hình nghiên cứu Chương nghiên cứu sinh tính tốn xây dựng mơ hình tốn hệ thống thể mối quan hệ thông số đầu vào như: hệ số khối lượng quay; vận tốc xe tại thời điểm giảm tốc; thống số bộ thu hồi lượng với lượng thu hồi trình xe phanh hoặc giảm tốc thể thông qua cường độ dòng điện, điền áp máy phát phát mỗi q trình phanh xảy Ngồi ra, chương trình bày việc xây dựng mơ hình mơ phỏng dựa phương trình tốn xây dựng Từ sở đó xây dựng bộ điều khiển PID để điều khiển mơ hình hệ thống phanh tái sinh theo chu trình lái xe tiêu chuẩn Một những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu thu hồi lượng vấn đề ổn định phanh đó chiến lược điều khiển phân phối lực phanh tái sinh lực phanh khí nghiên cứu phân tích chương Bài toán điều khiển phân phối lực phanh tái sinh toán tối ưu đa mục tiêu Trong chương này, nghiên cứu sinh phân tích so sánh thuật toán điều khiển phân phối lực phanh tái sinh đảm bảo cân giữa hai tiêu chí đó lượng thu hồi lớn mà thỏa mãn điều kiện đảm bảo an toàn ổn định phanh Do đó, việc sử dụng thuật toán PSO tối ưu hóa điều khiển phân phối lực phanh chương đóng vai trò quan trọng vào việc nâng cao hiệu phanh tái sinh hệ thống Để đánh giá hiệu hệ thống thu hồi lượng phanh, một mơ hình thí nghiệm thiết kế tính tốn chương Mơ hình thực nghiệm thực hai giai đoạn: thử nghiệm xe để tính tốn lượng thu hồi dải vận tốc bắt đầu phanh khác băng thử (mơ hình bán thực nghiệm) để thử nghiệm theo chu trình lái xe tiêu chuẩn Từ kết thực nghiệm thu được, đường cong xu hướng phân phối lượng theo vận tốc xe xây dựng phương pháp nội suy để từ đó thấy vùng phân bố lượng thu hồi xe trình phanh hoặc giảm tốc DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 1 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “An overview of research and proposed experiment model of regenerative braking system based on the conventional vehicle powertrain”, the International Conference of Green Technology and Sustainable Development 2nd, HCMUTE, 2014 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng động lực học bộ thu hồi lượng từ hệ thống phanh ô tơ”, Hợi nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ 4, Tp Hồ Chí Minh tháng 11 năm 2015 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh, “Một nghiên cứu thực nghiệm bộ thu hồi lượng tái tạo phanh áp dụng cho xe tơ có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống”, Hợi nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ 4, Tp Hồ Chí Minh tháng 11 năm 2015 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh, “Research on kinetic energy recovery of conventional vehicle based on regenerative braking system” The Fifth International Multi­Conference on Engineering and Technology Innovation 2016 (IMETI2016), Taichung Taiwan, November, 2016 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Research on using PID algorithm to control the inertial energy recovery of vehicle based on regenerative braking system” IEEE International Conference on Systems Science and Engineering, July 21-23, 2017, HCMUTE Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Research on braking force distribution in regenerative braking system apply to conventional vehicle” IEEE International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD) December 2018 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Research on controlling of experiment model to evaluate of kinetic energy recovery system based on driving cycles” Journal of Technical Education Science, 2018 Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Research on Designing the Regenerative Braking System Apply to Conventional Vehicle” Journal of Science & Technology, Technical University No 135 (2019) Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Research on improving the fuel consumption of conventional powertrain vehicle by using a kinetic energy recovery system” IJSRD - International Journal for Scientific Research & Development| Vol 7, Issue 03, 2019 | ISSN (online): 2321-0613 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Vấn đề nhiên liệu ô nhiễm môi trường thách thức hãng sản xuất ô tô Năng lựợng truyền thống (năng lựợng hóa thạch) ngày cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày gia tăng những vấn đề thách thức nhà nghiên cứu sản xuất ô tô Một những giải pháp nhằm cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường mà nghiên cứu hướng tới hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Brake System: RBS) Trong nghiên cứu tác giả phân tích hướng nghiên cứu hệ thống phanh tái sinh để từ đó đề hướng nghiên cứu phù hợp Theo đó hệ thống phanh tái sinh tập trung vào hướng tính tốn, mơ phỏng lượng thu hồi phanh; phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh hệ thống phanh khí; nghiên cứu thuật tốn điều khiển hệ thống phanh tái sinh; nghiên cứu tối ưu hóa lực phanh tái sinh; nghiên cứu vấn đề quản lý lượng phanh tái sinh… ứng dụng kiểu xe khác xe điện (Electric Vehicle: EV); xe lai điện (Hybrid Electric Vehicle: HEV) xe sử dụng động đốt túy có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống (Conventional Vehicle) Dựa sở phân tích tài liệu nghiên cứu tác giả đề phương án thu hồi tích trữ lượng quán tính xe sử dụng bánh đà kết hợp với bợ tích trữ lượng ắc quy Đối tượng áp dụng xe tơ có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống với mơ hình nghiên cứu sau: Hình 1.21: Mơ hình nghiên cứu đề xuất Từ hệ thống truyền lực xe ô tô truyền thống kết nối với hệ thống phanh tái sinh thông qua bộ bánh hành tinh kép Bộ bánh hành tinh cho phép kết nối tới cụm CVT thông qua việc điều khiển khóa bánh bao bộ bánh hành tinh kép Bộ bánh hành tinh kép có tác dụng thay đổi tỷ số truyền để khuếch đại tốc tới bộ CVT bánh đà Bánh đà máy phát điện nối đồng trục quay mỗi q trình giảm tốc xảy Khi xe hoạt đợng đường chế độ tăng tốc, lực chủ động truyền tới bộ bánh hành tinh quay không tải Khi xe phanh hoặc giảm tốc (xuống dốc dài) phanh bộ bánh hành tinh hoạt động hãm bánh bao làm cho lực truyền tới hệ thống làm cho bánh đà quay dẫn động máy phát phát điện tích trữ vào ắc quy 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Luận án “Nghiên cứu nâng cao hiệu thu hồi lượng hệ thống phanh tái sinh ô tô” thực với mục tiêu sau: - Thiết kế tính tốn hệ thống thu hồi lượng phanh sử dụng phương pháp phối kết hợp giữa bánh đà máy phát điện áp dụng cho xe có kiểu truyền lực truyền thống - Xây dựng thuật toán điều khiển phân phối lực phanh tái sinh tối ưu nhằm nâng cao hiệu thu hồi lượng phanh mà đảm bảo tính ổn định xe - Đánh giá tính kinh tế nhiên liệu xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống sử dụng hệ thống phanh tái sinh 1.3 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề luận án thực với nội dung sau: - Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống phanh tái tạo lượng Phân tích phương án thu hồi tích trữ lượng tái tạo phanh nghiên cứu trước từ đó đề mơ hình nghiên cứu thực nghiệm cho đề tài - Xây dựng mô hình tốn mơ phỏng số thơng số bộ thu hồi lượng, ảnh hưởng giữa vận tốc đầu trình phanh, thời gian phanh, phương pháp phân phối lực phanh tới lượng thu hồi - Nghiên cứu tính tốn, thiết kế thơng số cho mơ hình thí nghiệm - Tối ưu hóa thuật toán điều khiển phân phối lực phanh - Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hệ thống cho mô hình mơ phỏng thực nghiệm - Thực nghiệm phân tích kết thực nghiệm liên quan đến tối ưu hóa phân phối lực phanh, biến thiết kế X tối ưu hóa là: 𝑋 = [𝐹b1, 𝐹b2, 𝐹reg] Trong đó, Fb1, Fb2 Freg lực phanh bánh trước, lực phanh bánh sau lực phanh tái sinh tương ứng Thiết lập hàm mục tiêu: Độ ổn định phanh chọn mục tiêu dựa phân tích Hệ số bám lựa chọn sử dụng để mô tả điều kiện bám đường, hệ số bám cường đợ phanh sử dụng gần với thực tế phân phối lực phanh hợp lý Do đó, hàm mục tiêu ổn định phanh Y1 có thể thiết lập theo công thức sau: (3.1) MinY1 = (φ1 -z)+(φ -z) Trong đó, φ1, φ2 tương ứng với hệ số bám bánh trước sau; z cường độ phanh Một phần lượng truyền từ bánh xe sang động thông qua hệ thống truyền lực biến đổi thành lượng điện lưu trữ ắc quy cuối trình phanh Do đó, hiệu suất lưu trữ lượng ắc quy lựa chọn hàm mục tiêu hiệu suất thu hồi lượng phanh tái sinh Y2 (3.2) MaxY2 =Fm Vηm ηb ηtl Trong đó, ηm, ηb ηtl hiệu suất mô tơ, hiệu suất ắc hiệu suất hệ thống truyền lực V tốc độ xe hành Phương pháp trọng số tuyến tính sử dụng để chuyển đổi tốn tối ưu hóa đa mục tiêu thành mợt toán mục tiêu nhất, đó, hàm mục tiêu Y sau: (3.3) MinY=k1Y1 -k Y2 Trong đó k1 k2 hệ số trọng số hai hàm mục tiêu, giá trị tính toán dựa điều khiển người lái Giả sử 0,1