Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu phương thức phân phối lực phanh tái sinh được thử nghiệm và áp dụng rộng rãi. Trên cơ sở kế thừa và phát triển các nghiên cứu cũ đó, sau đây là phần phân tích các công trình nghiên cứu phương thức phân phối lực phanh tái sinh được chọn lọc mới nhất để chỉ ra những ưu điểm tiến bộ và những nhược điểm từ đó xem xét tính khả thi trong việc ứng dụng các phương thức mới này vào thực tiễn.
I .Phương pháp phân phối dựa vào sự điều khiển kết hợp giữa phanh tái sinh và phanh thủy lực.
Với mục tiêu tăng hiệu suất của phanh tái sinh cùng với đảm bảo êm dịu và an toàn khi phanh, ba phương pháp điều khiển phân phối lực phanh đã được nghiên cứu với tên gọi : phương pháp tối đa hóa năng lượng thu hồi, phương pháp mang lại cảm giác chân phanh tốt và phương pháp kết hợp. Các phương pháp đều được mô phỏng trên MATLAB/Simulink cùng với được thử nghiệm trên đường thực tế. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp tối đa hóa năng lượng thu hồi gây ra sự mất ổn định khi phanh cho nên khó có thể được ứng dụng, tuy nhiên hai phương pháp còn lại thì mang lại kết quả khả quan khi giúp tăng lượng nhiêu liệu tiết kiệm được thêm hơn 25% mà vẫn giữ được sự ổn định khi phanh.
1. Hệ thống phanh thủy lực kết hợp phanh tái sinh
Một hệ thống phanh tái sinh mới dành cho xe điện dựa trên mô đun ESP đã được phát triển trên xe điện dẫn động cầu trước và có hệ thống phanh thủy lực. Mô hình tổng quát của hệ thống mới này được mô tả trong hình 3.1.
41 Phần cứng của hệ thống phanh tái sinh dựa trên mô đun ESP này được đặt giữa xy lanh chính và xy lanh phanh ở bánh xe. Hình 3.2 thể hiện cấu trúc của hệ thống phanh tái sinh này. Có hai đường van chính, thường được mở và được đặt giữa xy lanh chính và xy lanh phanh ở bánh xe. Hai bơm được dẫn động bằng mô tơ được dùng để tạo ra áp suất thủy lực. Bốn van đầu vào thường mở và bốn van đầu ra thường đóng được đặt tương ứng ở bốn xy lanh phanh ở bốn bánh xe. Hai bộ tích năng cũng được sử dụng để làm giảm nhanh chóng áp suất xy lanh ở bánh xe và tích trữ lại dầu thủy lực trong quá trình giảm áp. Hai van xả cũng được lắp đặt trong mô đun ESP, thường đóng và không được kích hoạt trong chế độ phanh tái sinh. Ba cảm biến áp suất giám sát áp suất ở xy lanh chính và áp suất xy lanh phanh hai bánh trước cũng lắp đặt.
Với phần cứng tích hợp vừa đề cập cùng với phần mềm điều khiển phanh tái sinh sắp được giới thiệu sau đây, hệ thống này sẽ cung cấp được lực phanh cơ khí phanh tái sinh và cả chống được bó cứng phanh.
Hình 3.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống phanh tái sinh.
42 Motor controller : bộ điều khiển motor.
Brake controller : bộ điều khiển phanh. Vehicle controller : bộ điều khiển xe. Battery : pin.
Transmission : hộp số. Modulator : bộ điều biến.
CANH: trình điều khiển đầu ra bus cao áp của mạng giao tiếp nội bộ giữa
các bộ điều khiển;
CANL: trình điều khiển đầu ra bus thấp áp của mạng giao tiếp nội bộ giữa các bộ điều khiển.
Hình 3.2 : Cấu trúc của hệ thống phanh tái sinh.
2. Phương pháp điều khiển phanh tái sinh
Phương pháp điều khiển phanh tái sinh là yếu tố quyết định đến mức năng lượng thu hồi được và hiểu quả phanh của xe.
43 Với sự kết hợp hoạt động giữa phanh ma sát và phanh tái sinh, mô đun duy trì áp suất phanh ma sát có thể gây ra dao động mạnh trong áp suất xy lanh chính, làm giảm độ nhạy của chân phanh và tệ hơn có thể gây hoản sợ cho người lái. Rất nhiều hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe thương mại được trang bị bộ giả lập hành trình chân phanh, giúp tách biệt lực bàn đạp phanh với áp suất trong xy lanh chính, điều này giúp tránh được vấn đề nêu trên nhưng sẽ làm tăng chi phí sản xuất và độ phức tạp của hệ thống.
Hệ thống được đề cập tới không đòi hỏi cần có bộ giả lập hành trình chân phanh. Để đảm bảo được mục tiêu an toàn và êm dịu khi phanh, phải có phương pháp điều khiển thích hợp để giảm tối thiểu hóa ảnh hưởng của áp suất trong xy lanh chính đến bàn đạp phanh. Dựa trên điều kiện hiệu quả năng lượng thu hồi và êm dịu khi phanh, ba phương pháp phân phối lực phanh khác nhau được thiết kế như trong hình 3.3.
Ở tất cả ba phương pháp sắp được giới thiệu, sự phân phối lực phanh trước sau là
không có sự khác biệt. Như đã đề cập, những phương pháp này được thiết kế cho xe điện dẫn động cầu trước, lực phanh bánh sau không có sự tham gia của phanh tái sinh mà chỉ có phanh thủy lực.
Thêm vào đó, các hệ thống an toàn như ABS, ESP không được đề cập trong bài nghiên cứu về phương pháp điều khiển phanh tái sinh. Khi gặp trường hợp khẩn cấp, mômen phanh tái sinh sẽ được điều khiển, giảm về không một cách nhanh chóng khi phanh thủy lực được kích hoạt, tóm lại chỉ có phanh ma sát hoạt động trong trường hợp khẩn cấp.
Phương pháp điều khiển 1 (phương pháp điều khiển tối đa hóa năng lượng thu hồi) như thể hiện trong hình 3.3a. Mômen phanh tái sinh sẽ được kích hoạt đến khoảng tối đa có thể, lực phanh thủy lực sẽ không được kích hoạt ở bánh trước cho đến khi mômen phanh của mô tơ không đáp ứng đủ mômen phanh yêu cầu. Theo lý thuyết, phương pháp này sẽ tối đa hóa việc sử dụng mômen phanh tái sinh, đạt được mức năng lượng thu hồi tối đa. Tuy nhiên, khi lực phanh thủy lực cần được cung cấp,việc cung cấp dầu phanh cho xi-lanh bánh trước của xi-lanh chính sẽ bị giảm đi một lượng đáng kể dầu
44 phanh trong xi-lanh chính dẫn đến sự giảm áp suất đột ngột trong xy lanh chính, nguyên nhân của sự sụt chân phanh làm ảnh hưởng độ êm dịu khi phanh.
Hơn thế nữa, khi hệ thống phanh tái sinh được kích hoạt, yêu cầu phanh của người lái bắt nguồn từ áp suất trong xy lanh chính được đo bởi cảm biến. Sự giảm đột ngột áp suất trong xy lanh chính sẽ tạo ra tín hiệu phanh sai lệch so với ý muốn thực của người lái và kết quả là gây ra thay đổi lớn trong quá trình phanh, ảnh hưởng đến an toàn khi phanh. Phương pháp điều khiển 2 (phương pháp mang lại cảm giác chân phanh tốt), thể hiện ở hình 3.3b. Khi bắt đầu quá trình phanh, chỉ có lực phanh ma sát được kích hoạt. Một khi áp suất phanh của bánh trước ổn định, mômen phanh tái sinh sẽ được kích hoạt. Cùng lúc đó, van đầu vào ở bánh trước sẽ đóng và dầu thủy lực bánh trước sẽ bị rút ra được lưu trữ ở bộ tích năng. Khi lực phanh thủy lực cần được cung cấp, dầu trong bộ tích năng sẽ được bơm vào xy lanh phanh bánh xe thông qua van đầu vào cùng với đường van van chính bị đóng và xy lanh chính bị cách ly với các xy lanh bánh xe để tăng áp suất trong xy lanh phanh bánh xe. Nhờ vậy áp suất trong xy lanh chính sẽ không dao động khi áp suất trong xy lanh ở bánh xe thay đổi. Độ ổn định của cảm giác chân phân và tín hiệu lực phanh của người lái được đảm bảo.
Phương pháp điều khiển 3 (phương pháp kết hợp) thể hiện trong hình 3.3c, là phương pháp cân bằng hai phương pháp 1 và 2 giúp tối ưu hóa năng lượng thu được đến mức tối đa nhưng vẫn giữ được cảm giác chân phanh tốt. Trong khoảng hành trình tự do của bàn đạp phanh, một lượng mômen xoắn nhỏ của mô tơ sẽ được kích hoạt trên cầu trước giống với lực hãm của động cơ đốt trong truyền thống. Khi chân phanh được nhấn đủ sâu, áp suất phanh trên bánh trước sẽ tăng dưới sự điều khiển một cách chậm rãi, cung cấp một phần trong tổng lực phanh yêu cầu, trong khi phanh tái sinh sẽ cung cấp phần lực phanh còn thiếu theo yêu cầu. Sau khi áp suất phanh đạt đến một ngưỡng nhất định, mômen phanh tái sinh sẽ được nâng lên mức tối đa, van đầu vào của xy lanh phanh trước sẽ bị đóng, lượng dầu trong xy lanh phanh trước sẽ được đưa đến bộ tích năng. Đến khi phanh thủy lực trước cần được cung cấp áp suất, áp suất dầu sẽ được đưa trở lại từ bộ tích năng. Cuối cùng hệ thống đã có cảm giác chân phanh tốt, sự ổn định trong tín hiệu lực phanh và sự tối ưu hóa trong mức năng lượng thu được.
45 Hình 3.3 : Sơ đồ các phương pháp điều khiển phanh tái sinh.
3 .Thuật toán điều khiển áp suất thủy lực
Ảnh hưởng của mô đun áp suất thủy lực sẽ tác động đến sự tối ưu năng lượng thu hồi, sự êm dịu khi phanh và an toàn phanh. Vì vậy, với hệ thống phanh tái sinh, thuật toán điều khiển áp suất thủy lực là rất quan trọng.
Thuật toán điều khiển áp suất thủy lực mới được phát triển thể hiện trong hình 3.4. Van solenoid đầu vào và đầu ra của hai bánh trước cùng với mô tơ bơm có thể được điều khiển độ mở (PWM), trong khi hai đường van chính được điều khiển đóng mở còn hai van đầu vào và ra của hai bánh sau không được điều khiển.
pm là kí hiệu áp suất trong xy lanh chính,pw_actlà áp suất ở xy lanh phanh bánh xe và pw_tgtlà giá trị áp suất cần đạt ở xy lanh phanh bánh xe. MV_cmd là lệnh đóng mở đường van chính. Pump_cmd là lệnh PWM điều khiển bơm. Inlet_PWM và Outlet_PWM
là tính hiệu điều khiển PWM của van đầu vào và ra của bánh xe trước được tính toán theo thời gian thực ở chế độ tăng áp suất và giảm áp suất. Inlet_cmd và Outlet_cmd là lệnh điều khiển van đầu vào và đầu ra của hai bánh trước trong quá trình phanh tái sinh hoạt động. Ở chế độ tăng áp suất, lệnh Inlet_cmd được bắt nguồn từ lệnh Inlet_PWM. Cũng
46 tương tự như thế, ở chế độ giảm áp suất, lệnh Outlet_PWM được ấn định bởi lệnh
Outlet_cmd.
Hình 3.4 : Sơ đồ của thuật toán điều khiển áp suất thủy lực.
Trong đó:Outlet_cmd: giá trị điều khiển yêu cầu của van đầu ra bánh trước; Inlet_cmd: giá trị điều khiển yêu cầu của van đầu vào bánh trước;Inlet_PD: bộ điều khiển dẫn xuất tỷ lệ đầu vào;Outlet_PD: bộ điều khiển dẫn xuất tỷ lệ đầu ra;Inlet_PWM:tín hiệu điều khiển biến điệu độ rộng xung của van đầu vào bánh trước;Outlet_PWM: tín hiệu điều khiển biến điệu độ rộng xung của van đầu ra bánh trước;MV_cmd: giá trị đóng mở yêu cầu của các giá trị định tuyến chính, Pump_cmd:giá trị biến điệu độ rộng xung yêu cầu của motor bơm.
Lực phanh thủy lực được điều khiển theo ngưỡng, có 7 pha bao gồm cả tăng áp suất, giữa áp suất và giảm áp suất. Chi tiết thuật toán điều khiển dòng thủy lực được thể hiện ở hình 3.5. Pha mặc định của thuật toán là giữ áp suất “Pressure Hold”, có nghĩa là áp suất phanh bánh xe trước sẽ được giữ nguyên. Cả hai pha tăng áp suất “Pressure Increase” và giảm áp suất “Pressure Decrease” còn có hai pha con là Inc 1 và Inc 2, Dec 1 và Dec 2, giúp nhận ra tỉ lệ tăng giảm áp suất phanh thủy lực. Các pha này có thể
47 chuyển đổi nhau bằng quyết định của các mức logic, bao gồm 8 mức en (n= 1,2,…,8), và 4 mức thay đổi áp suất của xy lanh chính Pmn (n=1,2,3,4). MV1 và MV2 là hai giá trị tín hiệu điều khiển cố định của đường van chính. Pump1và Pump2 là hai giá trị tín hiệu điều khiển khác nhau của mô tơ bơm. Inlet1 và Inlet_PWM là giá trị tín hiệu điều khiển van đầu vào của bánh trước. Inlet_PWM được sử dụng ở pha tăng áp suất và được tính toán theo thời gian thực, trong khi Inlet1 là giá trị cố định và được sử dụng ở pha khác. Tương tự với van đầu vào, Outlet1, Outlet2 và Outlet_PWM là những giá trị tín hiệu điều khiển của van đầu ra bánh xe trước. Outlet_PWM được sử dụng ở pha tăng áp suất và được tính theo thời gian thực, trong khi Outlet1 và Outlet2 là những giá trị cố định và được sử dụng ở những pha khác.
Bảng 3.1: Sự so sánh các kết quả mô phỏng của ba phương pháp.
Phương pháp điều khiển Năng lượng phục hồi(KJ)
Năng lượng tái sinh(KJ)
Hiệu quả tái sinh(%) Tối đa hóa mức năng
lượng thu hồi
39.688 26.33 65.92
Mang lại cảm giác chân phân tốt
39.868 22.48 56.39
Kết hợp 39.842 25.87 64.94
Bảng 3.2: Các thông số của xe điện thí nghiệm.
Thông số Giá trị
Khối lượng toàn bộ (m) 1060 kg
Khoảng cách giữa hai cầu xe (L) 2.33 m Diện tích mặt trước (A) 2.142 m
Hệ số cản gió (Cd) 0.32
Bán kính danh nghĩa của lốp xe ( r ) 0.275 m Tỷ số ổ đĩa cuối cùng (i0) 3.79
Tỷ số truyền (ig) 2.08
48
Hình 3.5: Dòng trạng thái của thuật toán điều khiển ban đầu logic phanh thủy lực.
Trong đó: MV_cmd: giá trị đóng mở yêu cầu của các giá trị định tuyến chính; MV1,MV2: hai giá trị tín hiệu điều khiển cố định; Pump_cmd:giá trị biến điệu độ rộng xung yêu cầu của motor bơm;pump1,pump2:hai giá trị tín hiệu điều khiển khác nhau của motor bơm;Inlet1,Inlet_cmd:các giá trị điều khiển yêu cầu của van đầu vào bánh trước;Outlet_cmd,Outlet1,Outlet2:các giá trị điều khiển yêu cầu của van đầu ra bánh trước.
4. Mô hình hóa hệ thống
Với mục đích kiểm tra và tinh chỉnh các phương pháp điều khiển phanh tái sinh cùng với tính toán phản ứng điều khiển và hiệu quả thu hồi năng lượng trước khi kiểm tra trên đường giao thông thực tế, đòi hỏi cần phải mô hình hóa hệ thống. Để thực hiện mô hình hóa, cần có hệ thống thích hợp bao gồm (kể cả động lực học của xe), pin, lốp xe, mô tơ và hệ thống phanh thủy lực đã được phát triển.
49
a. Động học của xe
Mô hình động học của xe được xây dựng trong MATLAB/Simulink có tám bậc tự do.
Hệ trục tọa độ OXYZ và mô hình xe được thể hiện trong hình 3.6, góc tọa độ đặt tại trọng tâm xe. OX là trục tọa độ dọc thân xe, hướng về phía trước. Hệ trục tọa độ OXY song song với mặt đất có thêm trục OZ hướng vuông góc lên trên.
Tám bậc tự do của mô hình bao gồm: OX và OY thay cho phương dọc và ngang của xe, được kí hiệu là x và y; góa xoay thân xe xung quanh trục OZ, được kí hiệu là γ; Sự quay của bốn bánh xe và góc đánh lái δ của bánh xe trước.
Các biểu thức động học của xe: Chuyển động thẳng của xe
m(𝑢̇-vγ) = (Fx11 + Fx12)cosδ-( Fy11 +Fy12)sinδ + Fx21 + Fx22 -𝐶𝐷𝐴
21.15(3.6𝑢)2 (3.1) Chuyển động ngang của xe
m(𝑣̇-uγ) = (Fx11 + Fx12)sinδ+( Fy11 +Fy12)cosδ + Fy21 + Fy22 (3.2) Góc xoay thân xe
Jz𝛾̇ = 𝐵𝐹
2 [(Fx12-Fx11)cosδ+( Fy11 -Fy12)sinδ] + a[(Fx12 + Fx11)sinδ+( Fy12 +Fy11) + 𝐵𝑅
50 Hình 3.6: Sơ đồ của mô hình xe và hệ thống kết hợp OXYZ.
Chuyển động của bánh xe dẫn động (Jw+1
2𝐽𝑝𝑡)𝜔̇ij=Tdij -Tbij +Fxijr (i=1,j=1,2) (3.4) Chuyển động của các bánh xe không dẫn động
Jw𝜔̇ij = -Tbij +fFzijr (i=2,j=1,2) (3.5) Ở các biểu thức trên, m là tổng trọng lượng của xe, u là vận tốc theo trục OX và y là vận tốc theo trục OY. Fxij là lực tiếp tuyến của bánh xe ij, Fyij là lực ngang ở bánh xe ij, Fzij là lực thẳng đứng ở bánh xe ij, kí hiệu ij = 11 là đại diện cho bánh xe trước bên trái, ij = 12 là đại diện cho bánh xe trước bên phải, ij = 21 là đại diện cho bánh xe sau bên trái và ij = 22 là đại diện cho bánh xe sau bên phải. CD là hệ số cản không khí, A là diện tích mũi xe và Jz là quán tính xe theo trục OZ. a là khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước theo chiều dọc thân xe, b là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau theo chiều dọc thân xe và L là trục cơ sở, a + b = L. BF và BR là khoảng cách giữa hai bánh xe trước và khoảng
51 cách giữa hai bánh xe sau, JW là quán tính của bánh xe, Jpt là quán tính của hệ thống