5. Những nội dung chính của đề tài
1.4. Các nghiên cứu về hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên thế giới
Theo các kết quả của các công trình nghiên cứu được công bố gần đây nhất thì những nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh được tập trung vào các hướng như tính toán, mô phỏng năng lượng thu hồi được khi phanh, sự phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và hệ thống phanh cơ khí, nghiên cứu các thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh, nghiên cứu tối ưu hóa lực phanh tái sinh, nghiên cứu vấn đề quản lý năng lượng phanh tái sinh…. Được ứng dụng trên các kiểu xe khác nhau như xe điện EV, xe lai điện HEV và xe sử dụng động cơ đốt trong thuần túy có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống. Sau đây tác giả sẽ đi phân tích một số công trình tiêu biểu được ứng dụng trên các dòng xe này:
1.4.1. Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV và EV
Hiện nay trên thế giới những công trình nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh được áp dụng trên các dòng xe điện và xe lai điện đang tập trung nghiên cứu theo các hướng như sau:
Đối với các dòng xe điện: Đã có các nghiên cứu tập trung theo các hướng như: thu
16 thống phanh cơ khí, nghiên cứu các thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh, nghiên cứu tối ưu hóa lực phanh tái sinh, điều khiển thích ứng hệ số SOC (State Of Charge) với điều kiện phanh của ô tô….Với một số nghiên cứu tiêu biểu như:
Với nghiên cứu phân tích và sử dụng phần mềm AMESim để mô phỏng năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh áp dụng cho xe điện, tác giả Li-qiang Jin đã cho thấy kết quả nghiên cứu cải thiện được 30% hiệu quả sử dụng năng lượng của xe điện với 4 bánh chủ động được dẫn động bởi 4 mô tơ điện [8]. Cùng đối tượng nghiên cứu là xe điện với bốn bánh chủ động là các mô tơ tích hợp, các công trình nghiên cứu của tác giả G. Le Solliec, A. Chasse, M. Geamanu thì tập trung vào nghiên các thuật toán điều khiển để tối ưu hóa năng lượng được thu hồi khi phanh mà vẫn đảm bảo sự phân phối lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí tới các bánh xe một cách hiệu quả nhất [12, 16]. Với các tác giả Jinhyun Park, Houn Jeong, In Gyu Jang và Sung-Ho Hwang đã sử dụng MATLAB/Simulink và CarSim để mô phỏng điều khiển sự phân phối mô men phanh cho xe điện sử dụng phương pháp điều khiển lô gíc mờ [20].
Đối với các dòng xe lai điện HEV: Cũng tương tự như dòng xe điện, các nghiên cứu gần đây cũng tập trung vào việc tính toán năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh, các thuật toán điều khiển trên cơ sở tối ưu hóa năng lượng thu hồi được khi phanh mà vẫn đảm bảo các quy luật về phân phối lực phanh, các vấn đề về quản lý phân phối năng lượng phanh tái sinh…. Trong số đó phải kể tới các nghiên cứu tiêu biểu như: Công trình nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa lực phanh áp dụng cho xe HEV của các tác giả XIAO Wen-yong, WANG Feng và ZHUO Bin [21]. Cũng nghiên cứu về thuật toán điều khiển, tác giả Sanketh S. Shetty nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh tái tạo năng lượng áp dụng cho xe HEV bằng việc sử dụng mạng thần kinh nhân tạo. Theo kết quả mô phỏng của nghiên cứu này thì có thể thu hồi từ 30% đến 37% năng lượng của quá trình phanh tùy theo chu trình mô phỏng [22]. Ngoài ra cũng phải kể tới tác giả Piranavan Suntharalingam với công trình nghiên cứu thu hồi và quản lý năng lượng phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV. Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng siêu tụ (Ultra Capacitor) để tích trữ năng lượng mỗi khi quá trình phanh xảy ra. Kết quả thực nghiệm cho thấy tùy theo tốc độ giảm tốc khi phanh của xe mà năng lượng thu hồi được khoảng từ 16,33% đến 17,46% [23].
17
1.4.2. Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên các dòng xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống
Hệ thống phanh tái tạo năng lượng sử dụng bánh đà như là một thiết bị tích trữ năng lượng thực tế đã được nghiên cứu từ những thập niên 1940. Oerlikon (Switzerland) phát triển trên xe buýt sử dụng bánh đà đặc biệt bằng thép có khối lượng 1500(kg)với tốc độ quy cực đại tới 3000 (vòng/phút) năng lượng tích trữ có thể làm cho xe chạy được khoảng 6 (km) [6]. Một nghiên cứu khác vào những năm 1960 bởi công ty Garrett Air Research nghiên cứu và sản xuất bánh đà sử dụng cho hệ thống phanh tái sinh cho các xe buýt và xe thương mại.
Đến năm 1986 General Motor (GM) mở rộng nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bánh đà cho xe hybrid kiểu cơ khí (động cơ đốt trong IEC: Internal Combustion Engine và bánh đà kết hợp). Bánh đà của GM có tốc độ quay lên tới 12000 (vòng/phút) và năng lượng tích trữ được tới 60 (Wh), hệ thống này có tích hợp hộp số (CVT). Nhưng kết quả thử nghiệm sau khi mô phỏng không được như mong muốn do đó dự án đó không được tiếp tục triển khai [13]. Đến những thập niên 80 công ty Layland Bus ở Anh thử nghiệm thành công hệ thống phanh tái tạo năng lượng kiểu cơ khí với bánh đà làm bằng vật liệu compsite và hộp số (CVT) [24].
Sau đây là một số nghiên cứu tiêu biểu gần đây về ứng dụng bánh đà trong việc tích trữ năng lượng khi phanh:
Nghiên cứu của các tác giả Jefferson and Ackerman[25]
Năm 1996 Jefferson và Ackerman thiết kế và thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh với bánh đà bằng composite với mô men quán tính là 1.05 (kg.m2) và hộp số (CVT KOPP) thay đổi tỷ số truyền liên tục (tỷ số truyền 9.5-1) được kết nối với hệ thống truyền lực. Bánh đà được thử nghiệm quay với tốc độ từ 440 đến 4200 (vòng/phút). Kết quả thử nghiệm cho thấy năng lượng có thể thu hồi được 100 (kJ) ở tại số vòng quay của bánh đà là 4200 (vòng/phút). Khi sử dụng bánh đà này thử nghiệm cho xe điện chạy trên đường ray có thể tiết kiệm năng lượng khoảng 24% [25].
18
Hình 1.17: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman [25]
Nghiên cứu của tác giả R.J.Hayes [26]
Tới năm 1999 dự án nghiên cứu Flywheel Battery (FWB) cho xe buýt chạy bằng điện của trung tâm nghiên cứu cơ điện tử Đại học Texas. Nghiên cứu này sử dụng bánh đà phát điện nạp lại cho ắc quy và sau đó cung cấp cho mô tơ điện để tăng tốc xe. Bánh đà sử dụng làm bằng composite có công suất 2 (kWh) và mô tơ/máy phát nam châm vĩnh cửu với các ổ bi từ [9].
Cũng trong thời gian này, dự án nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền lực Hybrid song song của viện ngiên cứu công nghệ liên bang Thụy Sỹ (Swiss Federal Institute of Technology: ETH) đã nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh bao gồm: Một động cơ đốt trong, một mô tơ/máy phát điện, một bánh đà, một hộp số (CVT) và một ắc quy có dung lượng 5 (kWh). Hệ thống truyền lực này được thử nghiệm với các chế độ lái xe khác nhau như: Chế độ chỉ có mình động cơ (ICE) dẫn động xe hoặc chế độ kết hợp giữa mô tơ và bánh đà. Hệ thống điều khiển sẽ điều khiển cho bánh đà được nạp năng lượng thông qua động cơ đốt trong và trong quá trình phanh tái sinh xảy ra. Hệ thống này được thử nghiệm trên băng thử và sau đó được tích hợp và thử nghiệm trên xe. Kết quả thử nghiệm theo chu trình châu Âu (ECE-R15/04) cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu giảm gần một nửa so với xe không sử dụng năng lượng điện từ hệ thống phanh tái sinh [26].
19
Hình 1.18: Sơ đồ thử nghiệm của của tác giả R.J.Hayes [26]
Zero Inertia Powertrain at Eindhoven University (2001-06)
Dự án EcoDrive được thực hiện tại trường Đại học công nghệ Eindhoven từ năm (2001-2006) cho thấy một khái niệm mới về hệ thống truyền lực được gọi là “TheZeroInertiapowertrain(ZI)” với mục đích cải thiện tính kinh tế nhiên liệu của xe bằng phương pháp điều khiển chia sẻ tải trọng với động cơ. Tối ưu hóa các chế độ hoạt động của động cơ bằng việc sử dụng hộp số (CVT) và bộ bánh đà tích trữ năng lượng [7, 10, 14].
Hình 1.19: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh ZI
Một ứng dụng của hệ thống truyền lực được gọi là hệ thống truyền lực “Idle Stop and Go” sử dụng cho phép xe hoạt động ở chế độ start - stop và động cơ có thể được tắt
20 khi năng lượng từ bánh đà được giải phóng để dẫn động xe. Bánh đà được nạp lại và tích trữ năng lượng khi phanh do đó giảm tiêu hao nhiên liệu cho xe.
U.Diego – Ayala (2008) [27]
Nghiên cứu của Ayala thiết kế và thử nghiệm một hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng một bánh đà để tích trữ năng lượng khi phanh. Bánh đà được sử dụng là bánh đà sợi các bon với mô men quán tính là 0.11 (kg.m2), bộ bánh răng hành tinh kép (Planetary Gear System: PGS) được kết nối với hệ thống truyền lực của xe truyền thống.
Hình 1.20: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng cơ khí [27]
Hệ thống hoạt động ở 3 chế độ: Chế độ trung gian, chế độ phanh tái sinh và chế độ tăng tốc nhờ bánh đà. Kết quả mô phỏng cho thấy với hệ thống này suất tiêu hao nhiên liệu của xe giảm và giảm khí thải gây ô nhiễm môi trường do giảm thời gian làm việc của động cơ đốt trong [27].
Cross and Brockbank [28, 29,30,31]
Với sự phát triển của vật liệu composite được sử dụng làm bánh đà càng ngày càng có nhiều nghiên cứu mới về bánh đà sử dụng cho hệ thống phanh tái tạo năng lượng. Một trong những nghiên cứu có ý nghĩa nhất gần đây đó là hệ thống truyền lực kết hợp sử dụng cho xe đua F1 mùa đua năm 2009 hệ thống này có tên gọi “Kinetic Energy Recovery System (KERS)” sử dụng bánh đà sợi các bon của hãng Flybrid (LLP) và hộp số (CVT) của Torotrak với công suất cực đại đạt 60 (kW) tại số vòng quay 64500 (vòng/phút). Kết quả thử nghiệm trên băng thử sử dụng thắng điện từ (Dynamometer) và
21 động cơ V8 kết hợp với mô phỏng máy tính được thực hiện theo chu trình (US FTP 75). Kết quả cho thấy hệ thống (KERS) có thể góp 21% năng lượng vào việc hoạt động của xe.
Hình 1.21: Bánh đà siêu tốc của hãng Flybird
Boretti (2011) [32]
Với công trình nghiên cứu: “Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu của xe ô tô bằng việc sử dụng hệ thống phanh tái sinh kiểu cơ khí” tác giả Boretti đã sử dụng bánh đà như là một thiết bị tích trữ năng lượng cùng với hộp số (CVT) để thay đổi tỷ số truyền. Nghiên cứu mô phỏng theo chu trình (NEDC) được thực hiện trên xe khách có trang bị động cơ đốt trong 6 xy lanh thẳng hàng với kết quả giảm suất tiêu hao nhiên liệu 25% đối với động cơ có dung tích xy lanh 4L và 33% đối với động cơ có dung tích xy lanh là 3.3L [32].
SJSU-RBS (2013) [33]
Tại hội nghị về các hệ thống năng lượng xanh được tổ chức ở Mỹ ngày 25/11/2013 tác giả Tai-Ran Hsu đã trình bày một hệ thống tái sinh năng lượng dùng một bánh đà để thu hồi, lưu trữ năng lượng tái sinh và việc giải phóng năng lượng tái sinh được dự trữ trong bánh đà được chuyển đổi thành điện năng bởi một máy phát xoay chiều được gắn đồng trục với bánh đà, hệ thống được gọi là SJSU-RBS.
22
Hình 1.22: Sơ đồ thử nghiệm trong hệ thống SJSU-RBS [33]
Trong nghiên cứu này tác giả Tai-Ran Hsu cùng các cộng sự đã sử dụng mô tơ điện để dẫn động bánh đà mỗi khi quá trình phanh hoặc giảm tốc xảy ra. Thực nghiệm được thử trên băng thử với bánh đà không được đặt trong buồng chân không nên tốc độ thử nghiệm của bánh đà thấp từ khoảng 300 đến 500 (vòng/phút) do đó năng lượng thu được cũng chưa cao [33].
23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN PHỐI LỰC PHANH 2.1. Cơ sở lý thuyết về phân phối lực phanh của hệ thống xe thuần cơ khí 2.1.1.Khái niệm về quá trình phanh
Quá trình phanh là quá trình tạo ra và thay đổi lực cản chuyển động nhân tạo đối với ô tô nhằm mục đích giảm vận tốc chuyển động của nó hoặc giữ cố định ô tô trên đường.
Khi ôtô phanh gấp hay phanh trên các loại đường có hệ số bám φ thấp như đường trơn, đường đóng băng, tuyết thường dễ xảy ra hiện tượng sớm bị hãm cứng bánh xe và sự hãm cứng của các bánh xe cầu trước và cầu sau thường xảy ra không đồng thời.
Khi các bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống phanh với má phanh cũng như sự cản lăn của tất cả lốp xe với mặt đường không còn nữa. Như vậy, hệ số bám φ giữa bánh xe với mặt đường sẽ giảm nhiều và đồng thời có sự trượt lết. Chính sự trượt lết này, sẽ làm giảm dần hiệu quả phanh, tăng nhanh độ mòn lốp, tăng độ trượt dọc, ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang và tính dẫn hướng của ôtô.
Nhưng khi phanh với lực phanh lớn, trọng tâm của ôtô có xu hướng dịch chuyển về phía trước do quán tính, nên sẽ tăng tải trọng cho cầu trước và giảm tải trọng cho cầu sau và nếu như ta giả thiết rằng các bánh xe trước và bánh xe sau cùng chịu lực phanh như nhau, thì do các bánh xe phía sau chịu tải nhỏ sẽ có xu hướng bị bó cứng sớm và làm cho bánh xe sau bị trượt lết.
(Hình 2-1) trình bày sự dịch chuyển trọng tâm của ôtô trong quá trình phanh.Vì những lý do nêu trên, một số hãng xe đã trang bị van điều hòa lực phanh để điều chỉnh momen phanh tại các bánh xe trước và sau một cách tự động khi điều kiện phanh thay đổi nhằm tránh hiện tượng sớm bó cứng các bánh xe sau đồng thời tận dụng hết trọng lượng bám của ôtô.
24
Hình 2.1: Sự dịch chuyển trong tâm của ô tô trong quá trình phanh 2.1.2.Ổn định động học của ô tô trong quá trình chuyển động
Khi xe quay vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm thân xe bị nghiêng quanh trục nào đó gần sát trục dọc của xe một góc nào đó. Mô men quay do lực ly tâm đặt cách trục nghiêng thân xe là h. Khi đó mô men quay do lực ly tâm sẽ là:
Mn = M.v2
R . h (2.1)
Mô men này làm thay đổi các phản lực đặt lên bánh xe. Giả sử xe quay vòng, ở cầu trước tải trọng thay đổi một lượng ∆Zt, bánh xe phía trong giảm đi ∆Zt, bánh xe phía ngoài tăng lên một lượng ∆Zt. Tương tự, ở cầu sau bánh phía trong giảm một lượng ∆Zs và bánh xe phía ngoài tăng một lượng ∆Zs.
Giả thiết với vận tốc quay vòng không đổi tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau là:
Zt = M. g.b
L , Zs = M. g. a L Khi đó tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe:
{Z1 = 1 2M. g.b L− ∆Zt Z2 =1 2M. g.b L+ ∆Zt (2.2) {Z3 = 1 2M. g.a L− ∆Zs Z4 =1 2M. g.a L+ ∆Zs (2.3)
25
Hình 2.2: Sự thay đổi phản lực thẳng đứng khi ô tô quay vòng
Từ (Hình 2.2) và các công thức (2.2), (2.3) ta thấy rằng khi ôtô chuyển động trên đường vòng, các bánh xe phía trong dễ bị trượt hơn các bánh xe phía bên ngoài vì lực kéo hay lực phanh cực đại phụ thuộc vào phản lực từ mặt đường lên bánh xe.
Sự chuyển động của ôtô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạo rất phức tạp, người lái luôn phải điều khiển góc quay vành tay lái. Khi chuyển động với tốc độ cao, mối quan hệ giữa quỹ đạo chuyển động với góc quay vành tay lái càng phải chặt chẽ. Trong nhiều trường hợp chỉ cần một sự sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và có thể dẫn đến tai nạn giao thông. Khi ô tô chuyển động trên đường vòng với tốc độ cao, gặp chướng ngại vật cần phải phanh xe đột ngột dẫn tới bánh xe bị trượt lết, gia tốc hướng tâm tăng đột ngột sẽ làm các bánh xe bị trượt bên làm cho xe mất