Nguyên tắc của hệ thống này là điều khiển tối đa hóa mức năng lượng thu hồi trong điều kiện đáp ứng tổng lực phanh. Mô men phanh tái sinh sẽ được kích hoạt đến khoảng tối đa có thể, lực phanh thủy lực sẽ không được kích hoạt ở bánh xe dẫn động máy phát điện cho đến khi mô men phanh của mô tơ không đáp ứng đủ mô men phanh yêu cầu. Theo lý thuyết, phương pháp này sẽ tối đa hóa việc sử dụng mô men phanh tái sinh, đạt được mức năng lượng thu hồi lớn nhất. Tuy nhiên, khi cần lực phanh thủy lực, việc cung cấp dầu phanh cho xi-lanh phanh bánh trước sẽ bị giảm đi do giảm áp suất đột ngột trong xy-lanh chính đó là nguyên nhân của sự sụt chân phanh làm ảnh hưởng độ êm dịu khi phanh.
Phương án tối ưu hóa năng lượng thu hồi này lựa chọn vùng mà các điểm vượt qua đường thẳng giảm tốc (đường cong màu hồng hình 2.1) và tính toán năng lượng tái tạo trên mỗi điểm. Cuối cùng chọn ra điểm có mức năng lượng tái tạo cao nhất. Sự phân phối mô men tái sinh được xác định theo công thức (2.1) phân phối lực phanh.
(2.1)
(2.2)
(2.3) Trong đó được xác định:
(2.5)
2.5. Hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của ắc quy
Ngày nay thì ắc quy a-xít chì được thay thế bằng ắc quy khô với nhiều tiện ích. Ắc quy khô có công suất lớn hơn trong khi thể tích thì nhỏ hơn ắc quy a-xít. Năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh chỉ khoảng 10% nên chúng ta cần tăng tỷ lệ này lên càng nhiều càng tốt. Siddharth Mehta [1] trong nghiên cứu của mình đã sử dụng bộ chuyển đổi hai chiều với thuật toán điều khiển kép nhằm tăng công suất lưu trữ trung bình trong khoảng thời gian phanh tái sinh nhằm giảm thời gian dừng xe. Kết quả nghiên cứu cho thấy công suất lưu trữ trung bình bởi ắc quy tăng 2,5 lần so với kỹ thuật điều khiển trước đó. Khaled Itani [2] trong nghiên cứu của mình đã so sánh hai hệ thống tích trữ năng lượng đó là ắc quy Li-Ion kết hợp với siêu tụ và bánh đà. Kết quả cho thấy bánh đà thì có nhiều lợi điểm hơn so với siêu tụ về mặt thể tích, mật độ năng lượng và thậm chí cả giá thành.
L.Pugi đã thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh được lắp thêm với động cơ đốt trong [3]. Kết quả mô phỏng của nghiên cứu này cho thấy có sự cải thiện về hiệu suất làm việc của hệ thống từ đó là cơ sở cho việc thực nghiệm đánh giá hiệu quả của các thiết bị. M. Grandone [4] trong nghiên cứu của mình tập trung vào việc phát triển chiến lược kiểm soát lực phanh cho phép thay đổi tốt nhất giữa phanh cơ khí và phanh tái sinh trên xe hybrid và các chiến lược phanh khác nhau đã được nghiên cứu, nhằm tối đa hóa năng lượng phanh tái sinh. Kết quả cho thấy mô hình nghiên cứu là một công cụ hữu ích để thiết kế các chiến lược phân phối lực phanh theo thời gian thực nếu được kết hợp đúng với ước tính hệ số trượt và sử dụng hệ thống phanh ABS. V.A. Kalmakov [5] đã thực nghiệm với các điều kiện hoạt động khó khăn của một xe đua với yêu cầu phải tối ưu hóa việc thiết kế các ngăn ắc quy, các bộ tích năng…. dựa trên các thông số đã cho ban đầu. Zhongyue Zou [6] đã sử dụng siêu tụ có mật độ tích trữ năng lượng cao và có thể chịu được dòng điện lớn trong thời gian ngắn. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất biến đổi năng lượng có thể đạt tới gần như 88%. Byeong Heon Kim [7] đề xuất giải pháp để tăng năng lượng thu hồi bằng việc sử dụng các tấm điện cực polyme cho hệ thống fuel
cell hybrid. Hệ thống này bao gồm một máy phát điện, một siêu tụ và một ắc quy để tích trữ năng lượng. Siêu tụ có mật độ tích trữ năng lượng cao có điện áp 30V và 100F có thể giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng thông qua một mạch điện tế bào cân bằng.
2.6. Vấn đề sử dụng năng lượng và không gian sử dụng của ắc quy
Ngoài các phương pháp trên, ta cũng có thể tăng hiệu suất bằng các phương pháp điều khiển khác nhau hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh để tiêu thụ năng lượng ít hơn cho xe ô tô. Chẳng hạn như thực hiện các kỹ thuật thích ứng với các địa hình của người lái. Liang Li [8] nghiên cứu xe Hybrid có trang bị hộp số tự động có chế độ điều khiển bằng tay. Ban đầu các mô hình động học được xây dựng sau đó các chế độ điều khiển xuống số được phân tích. Các tính chất hoạt động của hệ thống phanh tái sinh được thu thập với các vị trí tay số khác nhau từ đó đề xuất 2 chiến lược điều khiển xuống số được sử dụng phù hợp với phanh tái sinh.
Xujian Li [9] nghiên cứu hai vấn đề chính liên quan đến quá trình giảm tốc độ. Một là việc xác định điểm xuống số tối ưu, và thứ hai là kiểm soát sự kết hợp của phanh tái sinh và phanh thủy lực. Các kết quả mô phỏng và thử nghiệm bằng các công cụ thí nghiệm Hardware in loop cho thấy thuật toán được đề xuất có hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất năng lượng điện của xe điện. Ảnh hưởng của việc xuống số đến hiệu quả thu hồi năng lượng phụ thuộc vào tốc độ bắt đầu phanh và cường độ lực phanh. Hiệu quả thu hồi năng lượng cao tại các dải tốc độ trung bình và lực phanh ở mức trung bình. Bộ điều khiển phi tuyến được thiết kế chính xác trong việc ước tính mô men phanh thủy lực.
Jian Chen [10] đã điều khiển hệ thống phanh tái sinh bằng bộ điều khiển hai lớp được thiết kế để theo dõi tín các hiệu và cải thiện khả năng thu hồi năng lượng. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống được đề xuất không chỉ có thể theo dõi vận tốc mong muốn mà còn cải thiện khả năng thu hồi năng lượng của xe. Peter Clarke [11] phân tích về hệ thống phanh tái sinh trên xe như là một phương tiện làm giảm lượng khí thải nhanh chóng và tương đối dễ dàng để đạt được hiệu quả tiêu hao nhiên liệu cao hơn. Trong kết quả thí nghiệm tác giả đã thu thập được minh chứng và so sánh hai mẫu xe để suy ra khả năng tiết kiệm nhiên liệu và khí thải ra môi trường đối với xe có sử dụng phanh tái sinh.
Chương 3. NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TRÊN XE HYBRID
Mục tiêu chương này là thực hiện phân tích hệ thống phanh tái sinh trên xe Hybrid , xây dựng cơ sở lý thuyết mô hình tính toán hệ thống phanh thu hồi năng lượng. Sử dụng phần mềm kỹ thuật Matlab-Simulink để thực hiện mô phỏng hệ thống, tham khảo thông số của xe Toyota Prius để tính toán và phân tích, đánh giá khả năng thu hồi năng lượng và mức tiêu hao nhiên liệu của xe đối với xe thường chỉ dùng động cơ đốt trong có cùng dung tích xy-lanh.
3.1. Mô tả sơ lược về chế độ hoạt động của xe Prius
Chế độ hoạt động của xe Prius được điều khiển bởi hệ thống HSD (HYBRID SYNERGY DRIVE). HSD là thống được sử dụng trong Toyota Prius 1997-2003 thiết lập để giám hoạt động của chiếc xe, xác định động cơ/MG nào nên hoạt động hoặc cả hai cùng sử dụng, có thể điều khiển tắt động cơ đốt trong nếu động cơ điện đủ để cung cấp công suất.
Hình 3.1. Các chế độ hoạt động của xe Prius
Ở tốc độ khởi động/tốc độ thấp, HSD chỉ điều khiển cho động cơ điện hoạt động vì lúc này động cơ đốt trong hoạt động không hiệu quả.
Động cơ đốt trong tiết kiệm được năng lượng cho quá trình vận hành và tăng tốc. Năng lượng do nhiên liệu hóa thạch tạo ra từ động cơ được sử dụng để dẫn động các
bánh xe và cũng để dẫn động máy phát điện MG1. MG1 sau đó cung cấp năng lượng đến động cơ điện MG2 (để tăng tốc, truyền động trợ lực điện) hoặc để sạc ắc quy.
Khi động cơ hoạt động, ta có thể thấy các chế độ sau:
Trong điều kiện lái xe bình thường: Động cơ đốt trong cung cấp công suất.
Hình 3.2. Mô tả chế độ vận hành ở điều kiện lái bình thường
HSD điều khiển động cơ đốt trong trong dải hoạt động với hiệu suất năng lượng tốt. Công suất do động cơ đốt trong tạo ra được sử dụng để truyền động trực tiếp các bánh xe và một phần của công suất được truyền cho máy phát MG1. MG1 cung cấp điện đến MG2, MG2 đang thêm mô men xoắn ở trục lái để bổ sung cho động cơ đốt trong dẫn động các bánh xe.
Trong quá trình tăng tốc: Động cơ đốt trong và động cơ điện cùng cấp công suất được mô tả trong hình 3.3.
Hình 3.3. Mô tả chế độ vận hành khi xe tăng tốc
Trong quá trình tăng tốc (như leo dốc hoặc vượt) năng lượng từ ắc quy cao áp được cung cấp cho động cơ điện MG2 để bổ sung năng lượng truyền động. Bằng cách kết hợp sức mạnh từ động cơ đốt trong và động cơ điện, HSD giúp cung cấp năng lượng tương đương với những chiếc xe có động cơ đốt trong lớn hơn. Hầu hết các hệ thống HSD để có pin với kích thước lớn để có thể tăng tối đa trong một lần tăng tốc từ 0 đến tốc độ tối đa của xe. Nếu nhu cầu nhiều hơn nguồn năng lượng có thể cung cấp, ắc quy có thể bị cạn kiệt hoàn toàn, do đó không có khả năng tăng mô men xoắn bổ sung này. Sau đó hệ thống sẽ quay về sử dụng nguồn điện có sẵn từ động cơ.
Trong điều kiện lái xe bình thường: Động cơ đốt trong cung cấp công suất và ắc quy cao áp được sạc.
Hình 3.4. Mô tả chế độ vận hành ở điều kiện lái bình thường và ắc quy được sạc Dung lượng của ắc quy sắp hết, xe đang hoạt động trong điều kiện lái xe bình thường và động cơ có thể đáp ứng nhu cầu tải đường bộ. Công suất từ động cơ đốt trong sẽ được phân chia một phần để dẫn động bánh xe và một phần để kéo máy phát điện MG1 sạc cho ắc quy cao áp.
Hệ thống HSD sử dụng động năng của xe khi giảm tốc hoặc phanh để quay động cơ điện (lúc này động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát) và thu hồi năng lượng để sạc lại cho ắc quy.
Hệ thống phanh tái sinh trong hệ thống HSD hấp thụ đáng kể động năng khi phanh, nếu ắc quy đầy hệ thống sẽ chuyển qua hệ thống phanh thủy lực, lấy sức mạnh từ động cơ điện MG2 truyền sang MG1, tăng tốc độ động cơ khi bướm ga đóng và do đó xe sẽ chậm lại.
3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Toyota Prius 3.2.1.Hệ thống truyền lực. 3.2.1.Hệ thống truyền lực.
Prius là một trong những xe hybrid của hãng Toyota kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ điện theo kiểu hỗn hợp. Với động cơ đặt trước và cầu trước chủ động được mô tả như hình 3.6.
3.2.2. Động cơ điện.
Hình 3.7. Động cơ điện trên xe Toyota Prius
Một mô tơ điện có thể hoạt động ở chế dộ máy phát được lắp trên xe Hybrid có nhiệm vụ tạo nguồn động lực trong quá trình chuyển động hoặc tăng tốc. Đồng thời có vai trò là máy phát để thu hồi năng lượng và nạp cho pin cao áp khi xe bắt đầu phanh. Động cơ điện được sử dụng là động cơ điện xoay chiều ba pha 3 pha có chổi than.
3.2.3. Bộ phận chuyển đổi điện.
Hình 3.9. Bộ chuyển đổi điện
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc quy cao áp thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho mô tơ hoạt động hoặc biến dòng điện xoay chiều từ máy phát để nạp cho ắc quy cao áp.
3.2.4. Ắc quy cao áp.
Hình 3.10. Ắc quy cao áp trên xe Toyota Prius
Ắc quy được gắn trên xe là loại pin niken-hydrua (NiMH), thường gồm 120-250 cặp cực với điện áp chuẩn là 144-350 Votl ( 1,2 V trên cặp cực ). Được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình phanh tái sinh năng lượng.
Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của xe phục vụ cho quá trình tính toán và mô phỏng.
Các thông số cơ bản Giá trị
Khối lượng bản thân xe [Kg] 1360
Chiều dài cơ sở [mm] 2700
Chiều cao trọng tâm [mm] 500
Động cơ đốt trong Dung lích xy lanh [cc] Công suất động cơ cực đại [kW]
1497 57 (5000 rpm) Máy phát điện [MG1]
Công suất cực đại [KW] Tốc độ cực đại [rpm] Mô men xoắn cực đại [Nm]
30 10000 160 (0-1800 rpm) Động cơ điện [MG2]
Công suất cực đại [KW] Tốc độ cực đại [rpm] Mô men xoắn cực đại [Nm]
50 6000 400 (0-1200 rpm) Ắc quy NiMh
Số mô đun
Năng lượng ắc quy [kWh] Điện áp của ắc quy [V]
28 1,3 201,6 Điện áp cực đại của bộ chuyển đổi điện [V] 510
Bộ bánh răng hành tinh
(Vòng ngoài,hành tinh,mặt trời) (78/23/30)
3.3. Cơ sở lí thuyết và xây dựng mô hình thuật toán
Để có cơ sở tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh trước tiên ta hãy đi phân tích động lực học cũng như công suất phanh cần thiết đối với một chiếc xe khi phanh hoặc giảm tốc. Trước tiên ta đi xét phương trình động lực học tổng quát của ô tô khi chuyển động trên đường. Mô hình khảo sát là mô hình phanh ½ khi phanh xe trên đường bằng có hệ thống thu hồi năng lượng phanh kết hợp với hệ thống phanh thủy lực. Từ đó lập các hệ phương trình tính toán hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh thu hồi và điều khiển hệ thống theo thuật toán. Khi đó các lực tác dụng lên xe được trình bày như trong hình 3.11.
Hình 3.11. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh
Trong đó:
Lực Fx1 và Fx2 : Là lực dọc của bánh xe cầu trước và cầu sau.
Với lực dọc bánh xe cầu trước là : Fx1 = Fp1 + Ff1 (3.1) Và lực dọc bánh xe cầu sau là : Fx2 = Fp2 + Ff2 (3.2) Fp1 và Fp2 là lực phanh các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau.
Lực pháp tuyến Z1 và Z2 : là các phản lực từ mặt đường lên các bánh xe cầu trước và cầu sau.
Lực cản gió Fω.
ω1 và ω2 là vận tốc góc của bánh trước và bánh sau. V là vận tốc của Ô tô.
Fqt là lực quán tính của Ô tô khi phanh.
Mô men phanh bánh trước Mp1 và bánh sau Mp2. Với Mp1 = Mth + Mck1 (3.3) Mth là lực phanh của hệ thống phanh thu hồi trên cầu trước.
Mck1 là lực phanh của hệ thống phanh thủy lực trên bánh trước.
3.3.1. Tính toán động lực quá trình phanh.
Phương trình cân bằng lực kéo trong trường hợp khi phanh xe trên đường bằng: =F
G , G
.v .j +F +F +F +F
p p1 p2 f1 f2 ω
g g (3.4) Lực cản gió Fω được tính theo công thức : Fω = w.F.v2tđ [N]
Với w là hệ số cản không khí ta chọn w = 0,36 [Ns2/m4] F là diện tích cản chính diện [m2]
vtd là vận tốc tương đối giữa Ô tô và không khí. vtđ = V ± vg vg là vận tốc gió. Chọn vận tốc gió vg = 0. Nên vtđ = V. [m/s] jp là gia tốc phanh [m/s2]
Lực cản lăn được tính theo công thức: F +F =f Z +Zf1 f2 1 2 (3.5) = j .h a p g Z m.g. + 1 L g.L [N] (3.6) Z = m.g. b- j .hp g 2 L g.L [N] (3.7) Trong đó: m là khối lượng của xe [kg]; g là gia tốc trọng trường [m/s2]; hg là chiều cao trọng tâm xe [m]; L là chiều dài cơ sở của ô tô [m]
Xác định mô men quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc.
đi các lực cản gió, lực cản lăn… Lúc này mô men đặt vào bánh xe chủ động (xe cầu sau