Nghiên cứu các vấn đề quản lý năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ÐỀ QUẢN LÝ NĂNG LUỢNG THU HỒI ÐUỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LUỢNG TRÊN Ô TÔ GVHD: ThS DƯƠNG TUẤN TÙNG SVTH: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145069 SKC004478 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯƠNGG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ SVTH: CHU THÁI HƯNG PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145239 12145069 Khố : 2012-2016 Ngành : CNKT-ƠTƠ GVHD: THS DƯƠNG TUẤN TÙNG TP HỒ CHÍ MINH–26/07/2016 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯƠNGG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ SVTH: CHU THÁI HƯNG PHẠM HUY HOÀNG MSSV: 12145239 12145069 Khoá : 2012-2016 Ngành : CNKT-ÔTÔ GVHD: THS DƯƠNG TUẤN TÙNG TP HỒ CHÍ MINH–26/07/2016 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 Tel: 0903920645 Email: hungchu18610@gmail.com Họ tên: PHẠM HUY HỒNG MSSV: 12145069 Tel: 01633798799 Email: huyhoang12145@gmail.com Thơng tin đề tài Tên đề tài: Nghiên cứu vấn đề quản lý lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái tạo lượng ô tô Mục đích đề tài: Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ mơn Khung gầm, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: Từ ngày 25/2/2016 đến 18/7 /2016 Các nhiệm vụ cụ thể đề tài - Nghiên cứu tổng quan chung hệ thống phanh tái sinh - Phân tích phương án tích trữ lượng tự hệ thống phanh tái sinh - Tính tốn, lựa chọn phương án thích hợp cho mơ hình thực nghiệm - Phân tích, mơ thực nghiệm kết - Kết luận đề nghị Lời cam đoan sinh viên Chúng – Chu Thái Hưng Phạm Huy Hoàng cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu chúng tơi hướng dẫn thạc sỹ Dương Tuấn Tùng Các kết công bố ĐATN trung thực khơng chép từ cơng trình khác Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM Giáo viên hướng dẫn xác nhận mức độ hoàn thành cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………… Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Xác nhận Bộ Môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên học hàm học vị) Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* ́ PHIÊU NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ vàtên Sinh viên: CHU THÁI HƯNG MSSV: 12145239 PHẠM HUY HOÀNG 12145069 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Tên đề tài: Nghiên cứu vấn đề quản lý lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái tạo lượng ô tô Họ vàtên Giáo viên hướng dẫn: THS DƯƠNG TUẤN TÙNG NHÂṆ XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thưcc̣ hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghi chọ bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ́ PHIÊU NHÂṆ Họ vàtên Sinh viên: CHU THÁI HƯNG PHẠM HUY HỒNG Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật ơtơ Tên đề tài: Nghiên cứu vấn đề quản lý lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái tạo lượng ô tô Họ vàtên Giáo viên phản biện: NHÂṆ XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thưcc̣ hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghi chọ bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI CẢM ƠN TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: LƯỢNG 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA HỆ THỐNG PHANH RBS 1.2 PHƯƠNG PHÁP TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG PHANH 1.2.1 Hệ thống tái tạo lượng động học bằng lò xo cuộn 1.2.2 Hệ thống tích trữ lượng thủy lực HHV 1.2.2.1Động hybrid thủy lực HHV[2] 1.2.2.2Cấu tạo hệ thống hybrid thủy lực 1.2.2.3Hiệu HHV 1.2.2.4Các kiểu bố trí hệ thống xe hybrid thủy lực 1.2.2.5Nguyên lý làm việc hệ thống hybrid thủy lực 1.2.2.6Hiệu sử dụng 1.2.3 Tích trữ lượng phanh dạng điện nạp vào ắc quy 1.2.4 Tích trữ lượng phanh bằng siêu tụ [4] 1.2.5 Hệ thống tích trữ lượng kiểu bánh đà siêu tốc 1.2.5.1Cơ chế KERS bánh đà 1.2.5.2Ưu điểm nhược điểm hệ thống hybrid bánh đà[6] CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TỐN LỰC VÀ CÔNG SUẤT PHANH CẦN THIẾT 2.1 LỰA CHỌN XE ĐỂ TÍNH TỐN vii TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG QUÁN TÍNH CỦA XE KHI PHANH HOẶC GIẢM TỐC 26 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK .40 3.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA XE 40 3.2 MÔ PHỎNG CÁC LỰC CẢN 41 3.2.1 Lực cản gió 41 3.2.2 Lực cản lăn 41 3.2.3 Lực cản dốc 44 3.2.4 Lực quán tính 45 3.3 CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE 46 3.4 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG CỤM THU HỒI NĂNG LƯỢNG 46 3.5 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TỔNG QUÁT 47 3.6 BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHẾ ĐỘ MÔ PHỎNG .47 3.7 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 48 3.7.1 Tốc độ xe 48 3.7.2 Mô men tác dụng lên trục máy phát 49 3.7.3 Tốc độ trục Các đăng 50 3.7.4 Tốc độ máy phát 51 3.7.5 Công suất máy phát điện 52 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 53 4.1 MƠ TẢ ĐIỀU KIỆN THỰC NGHIỆM 53 4.2 CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 53 4.2.1 Xe bắt đầu phanh vận tốc xe bằng 40 km/h 55 4.2.2 Xe bắt đầu phanh vận tốc xe bằng 50 km/h 57 4.2.3 Xe bắt đầu phanh vận tốc xe bằng 60 km/h 60 4.3 TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG THU ĐƯỢC 63 4.4 TÍNH HIỆU SUẤT BỘ HỒI NĂNG LƯỢNG 65 CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG ĐẾN HỆ THỐNG PHANH CHÍNH 67 viii TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH 5.1 ẢNH HƯỞNG LỰC PHANH TÁI SINH ĐẾN HỆ THỐN CHÍNH TRÊN Ơ TÔ 5.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM THÍ NGHIỆM 5.3 LỰA CHỌN CẢM BIẾN ĐO MOMENT 5.4 THÔNG SỐ KỶ THUẬT CẢM BIẾN MOMENT 5.5 ĐỒ THỊ HIỂN THỊ MOMENT 5.6 TÍNH TỐN MOMENT BÁNH ĐÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHANH CỦA BÁNH XE TRONG QUÁ TRÌNH HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH HOẠT ĐỘNG CHƯƠNG 6:ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC 6.1 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TÍCH TRỮ NĂNG LƯ KHI PHANH 6.2 ỨNG DỤNG SIÊU TỤ TRONG VIỆC TÍCH TRỮ NĂN TÁI SINH 6.2.1 Cơ sở lý thuyết để tính tốn lựa chọn siêu tụ 6.2.2 Một số ứng dụng siêu tụ việc tích trữ lượng CHƯƠNG 7:KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 7.1 KẾT LUẬN 7.2 ĐỀ NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO ix TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ()= (1− − Từ 6.4 6.5 ta tính điện sạc tụ bằng 6.6 ()= Lấy đạo hàm 6.6 để có điều kiện cho việc tính điện sạc tối đa tụ điện = ln(2) Do đó, điện sạc tối đa tụ V g/4rc t = k.ln(2) Tại thời điểm hiệu điện tụ bằng Vg/2 Tại điều kiện cơng suất đặc tính tụ 6.8 (6.8) = Các ESRDC module 3.2m ohm Vì vậy, mười module cung cấp 32m ohm Điện sạc tối đa điện áp cuối max 24 V bằng 4,5 kW Hiệu sạc tụ điện = Có thể đơn giản = (1 − ) (6.10) Từ 6.9 6.10, số liệu 6.4 thu cho tụ, nơi mô tả thay đổi hiệu sạc tụ điện điện sạc điện áp ban đầu Trường hợp, điện áp cuối đặt vào khơng đổi Như minh họa hình, người ta nhận thấy rằng hai hiệu sạc khác kết sạc được, xác định điện áp ban đầu tụ Năng suất sạc hiểu 50% sạc tối đa Khi điện áp ban đầu tụ điện gần với điện áp cuối sạc, điện sạc mức thấp đạt hiệu sạc cao Tuy nhiên, phụ thuộc nhiều vào điện áp ban đầu tụ 78 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 6.6: Sự thay đổi hiệu sạc tụ liên quan đến phí tiêu thụ điện điện áp ban đầu 6.2.2 Một số ứng dụng siêu tụ việc tích trữ lượng Do q trình phanh diễn nhanh acquy axit chì lại nạp chậm nên cần nối siêu tụ song song với acquy siêu tụ có khả nạp nhanh Ứng dụng siêu tụ việc tích trữ lượng thu hồi xe Hybrid (được mô dựa Matlab Simulink) 79 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 6.7: Sơ đồ mô xe Hybrid bằng matlab simulink Hình 6.8: Sơ đồ mơ hệ thống điện điều khiển (acquy mắc song song siêu tụ) Hình 6.9: Tốc độ xe, tốc độ động tốc độ máy phát 80 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 6.10: Điện áp acquy Hình 6.11: Dịng điện acquy, máy phát động Tính tốn lựa chọn siêu tụ để sử dụng cho mơ hình thực nghiệm: - Công suất tiêu thụ tải điện: Bảng 6.1: Tiêu thụ điện tải điện hoạt động liên tục Tải điện hoạt động liên tục Hệ thống đánh lửa Bơm nhiên liệu Hệ thống phun nhiên liệu 81 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Radio, cassette Đèn đầu (pha cos) Đèn kích thước Đèn bảng số Đèn soi sáng tableau Tổng công suất Bảng 6.2: Tiêu thụ điện tải điện hoạt động gián đoạn Tải điện hoạt động gián đoạn Quạt điều hịa giàn nóng giàn lạnh Xơng kính Gạt nước Quạt tản nhiệt Đèn lái Đèn thắng Đèn tín hiệu báo rẽ Đèn sương mù Đèn báo sương mù Tổng công suất Như vậy, tổng công suất tải hoạt động liên tục lớn nhiều so với tải hoạt động gián đoạn 82 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Bảng 6.3: Thông số lưu trữ ắc quy, tụ điện thường, siêu tụ pin lượng Các thông số Nhiệt độ làm việc ((̊C) Điện áp (V) Thời gian nạp Số lần phóng/nạp (lần) Điện dung (F) 83 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Năng lượng riêng (Wh/kg) Công suất riêng (kW/kg) Thời gian tự phóng nhiệt độ phịng (25 (̊C) Hiệu suất (%) Tuổi thọ (năm) nhiệt độ phòng độ C) Từ bảng so sánh trên, nhận thấy siêu tụ đáp ứng yêu cầu điện áp, thời gian nạp, tuổi thọ, lượng công suất Đặc biệt, Siêu tụ đảm bảo hiệu suất thu hồi cao thu hồi Nên định chọn siêu tụ điện làm thiết bị lưu trữ đề tài 84 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 6.12: Ultracapacitor Engine Battery Starter Booster Car Ultra/Super Capacitor By CoolEStore - Thông số siêu tụ: + Điện áp chứa 15V + Điện dung 233F + 120A cầu chì (3 cầu chì 40A) o o + Có thể hoạt động nhiệt độ từ -40 C tới 60 C Mô hệ thống thu hồi lượng phanh có sử dụng siêu tụ: Hình 6.13: Mơ matlab nối siêu tụ song song với acquy 85 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 6.14: Điện áp sạc Hình 6.15: Dòng điện sạc 86 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 6.16: Cơng suất 87 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG 7: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 7.1 KẾT LUẬN Qua thời gian thực đề tài, tính tốn thơng số thu hồi lượng phanh dựa mơ hình thực nghiệm xe Toyota Hiace Đã ứng dụng Matlab Simulink việc mô động lực học ô tô thu hồi lượng Ứng dụng phần mềm LabView việc thu thập tín hiệu hiển thị thông số đo dạng đồ thị Đã thử nghiệm mơ hình băng thử tơ Đo công suất chế độ hoạt động thiết bị Đã thực nghiệm đường để xác định lượng thu hồi trình phanh giảm tốc xe Đo đươc ảnh hưởng hệ thống phanh tái tạo tới hệ thống phanh Đã tính tốn đề xuất phương án tích trữ lượng tái tạo phanh sử dụng ắc quy kết hợp với siêu tụ 7.2 ĐỀ NGHỊ Năng lượng qn tính xe q trình phanh giảm tốc lớn, nhiên nghiên cứu thu hồi 10-11.5% ( tùy theo tốc độ thời điểm phanh giảm tốc) kết cấu khí phương pháp điều khiển chưa tối ưu Hướng phát triển đề tài tối ưu hóa kết cấu phương pháp điều khiển để đưa hiệu suất thu hồi lượng lên mức cao Ngoài phương pháp để tối ưu hố q trình điều khiển Chúng ta quan tâm đến ảnh hưởng hệ thống phanh tái sinh đến hệ thống phanh thuỷ lực Người nghiên cứu phải xác định mô-men phanh tái sinh để điều khiển tối ưu với hệ thống phanh thủy lực Trong việc lưu trữ sử dụng lượng tái sinh mang ý nghĩa quan trọng Vì cần có phương pháp tích trữ chuyển hố nguồn lượng hợp lý đạt hiệu suất cao Có nhiều phương pháp tích trữ lượng (điện năng), 88 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP cơng nghệ tích trữ điện bằng siêu tụ điện phương pháp khả quan nhất.Vì siêu tụ có khả nạp nhanh Tất phương pháp nhằm mang lại tối ưu hoá thiết bị đáp ứng nhu cầu thiết yếu hệ thống phanh tái sinh Nâng cao hiệu suất làm việc ô tô, tiết kiệm nhiên liệu, giảm giá thành khả ứng dụng rộng rãi hầu hết dòng ô tô 89 TRƯỜNG ĐHSPKT - TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.youtube.com [2] http://www.epa.gov/otaq/technology/research/research-hhvs.htm http://www.fueleconomy.gov/feg/hybridanimation/fullhybrid/fullhybridstopped.html [3] http://www.resilience.org/stories/2011-10-05/energy-storage-flywheel [4] http://berc.berkeley.edu/storage-wars-batteries-vs-supercapacitors/ [5] http://auto.howstuffworks.com/hydraulic-hybrid2.htm [6] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144 [7] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS) for formula SAE type racecar and system testing on a virtual test rig modeled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas [8] Design principles of a flywheel regenerative braking systemby Anirudh Pochiraju [9] F J Thoolen, "Development of an advanced high speed flywheel energy storage system," Ph.D Thesis, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, The Netherlands, 1993 [10] L.E.Unnewehr, S.A>Nasar, 1982, Wiley , Electric Vehicle Technology [11] R.G.Fletcher, International Railway Journal and rapid Transit Review, 1993 [12] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System Institute of Transport Studies, University of Leeds 90 ... CÔNG NGHỆ KỸ THU? ??T Ô TÔ Tên đề tài: Nghiên cứu vấn đề quản lý lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái tạo lượng ô tô Họ vàtên Giáo viên hướng dẫn: THS DƯƠNG TUẤN TÙNG NHÂṆ XÉT Về nội dung đề. .. SƯ PHẠM KỸ THU? ??T TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯƠNGG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ SVTH: CHU... SƯ PHẠM KỸ THU? ??T TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯƠNGG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG THU HỒI ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG TRÊN Ô TÔ SVTH: CHU