(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mô hình thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên ô tô

TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG

Lịch sử hình thành của hệ thống phanh RBS

Vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang trở thành thách thức lớn đối với ngành công nghiệp ô tô, khi năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm gia tăng Để giải quyết vấn đề này, các hãng xe đã phát triển dòng xe hybrid, sử dụng hai nguồn động lực: động cơ đốt trong và thiết bị tích trữ năng lượng Hệ thống xe hybrid hiện nay thường kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện, và được chia thành ba kiểu truyền lực: nối tiếp, song song và hỗn hợp Tất cả các hệ thống hybrid đều cần các bộ phận như động cơ đốt trong, mô tơ điện, máy phát điện và ắc quy cao áp Một trong những điểm nổi bật của xe hybrid là khả năng tiết kiệm nhiên liệu nhờ vào hệ thống phanh tái sinh năng lượng, giúp tận dụng năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc Ví dụ, một chiếc ô tô nặng 300kg di chuyển với vận tốc 72km/h có thể giảm tốc xuống 32km/h, và năng lượng tiêu tốn được tính toán theo công thức vật lý.

Khi xe di chuyển với động năng 47,8 KJ, trong đó Ek là động năng, m là khối lượng và v là tốc độ của xe, việc thu hồi và tích trữ 25% năng lượng này (tương đương 11,95 KJ) có thể giúp tăng tốc xe từ 0 đến 32 km/h, thay vì tiêu tán năng lượng thành nhiệt và tiếng ồn qua cơ cấu phanh.

Hệ thống phanh tái sinh năng lượng, một ý tưởng đã xuất hiện từ lâu, hiện đang được áp dụng phổ biến trên các tàu điện Công nghệ này sử dụng mô tơ điện để chuyển đổi năng lượng khi phanh thành điện năng, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu quả vận hành.

Trang 5 các máy phát điện trong khi tác động phanh [11] Với việc cải tiến công nghệ chế tạo các chi tiết và kỹ thuật điều khiển đã làm tăng hiệu suất của hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện Một nghiên cứu cho thấy giảm được 37% [12] năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh Đối với ô tô sử dụng động cơ đốt trong thì khó có thể đạt được đến mức này bằng việc sử dụng phanh tái sinh bởi vì không giống như mô tơ điện, quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ đốt trong không thể được phục hồi Mặt khác khối lượng của ô tô nhỏ hơn tàu điện do đó năng lượng tích trữ khi phanh ít hơn Thêm vào đó cần phải có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lượng Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng như: ắc quy điện, bộ tích năng thủy lực/khí nén, bánh đà hay là lò xo đàn hồi.[12]

 Các phương án tích trữ năng lượng phanh hiện nay:

 Tích trữ năng lượng kiểu pin điện

 Tích trữ năng lượng kiểu bánh đà

 Tích trữ năng lượng kiểu lò xo cuộn

 Tích trữ năng lượng kiểu thủy lực

 Tích trữ năng lượng kiểu tụ điện

 Tích trữ năng lượng kiểu pin điện và tụ điện

 Tích trữ năng lượng kiểu khí nén

Sau đây chúng ta cùng phân tích về các phương pháp tích trữ năng lượng trên.

Phương pháp tích trữ năng lượng phanh

1.2.1 Hệ thống tái tạo năng lượng động học bằng lò xo cuộn

Hệ thống phục hồi năng lượng động năng này hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như hệ thống KERS (hệ thống tích trữ năng lượng động năng) sử dụng bánh đà trong F1 Được thiết kế nhỏ gọn, hệ thống có thể được lắp đặt bên trong trung tâm bánh xe (đùm), giúp tiết kiệm không gian và dễ dàng vận hành.

Hệ thống này lưu trữ năng lượng khi phanh và cung cấp lại trong quá trình tăng tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu suất động cơ.

Hệ thống bao gồm một lò xo cuộn lưu trữ năng lượng với đầu vào để nạp năng lượng và đầu ra để giải phóng năng lượng Lò xo tạo ra tín hiệu theo dõi dựa trên thông số trạng thái hoạt động, cho phép giải phóng năng lượng lưu trữ phù hợp với tín hiệu điều khiển từ cảm biến tăng tốc.

Lò xo cuộn nạp năng lượng có khả năng lưu trữ và phản ứng với tín hiệu điều khiển nạp Mô-đun điều khiển phát sinh tín hiệu điều khiển nạp và tín hiệu điều khiển đầu ra dựa trên tín hiệu theo dõi.

Hình 1.1: Cơ cấu lò xo cuộn [1]

Khi xe giảm tốc, năng lượng động học được chuyển đổi thành thế năng của lò xo thông qua hệ thống lò xo xoắn kết nối với bánh xe, thay vì bị lãng phí Tuy nhiên, lò xo không cung cấp mô men xoắn liên tục, do đó, cảm biến kiểm soát hộp số điều chỉnh tỉ số truyền qua CVT để duy trì giảm tốc độ ổn định Tỷ lệ giảm tốc mong muốn do người lái quyết định, trong khi các cảm biến gia tốc theo dõi và cung cấp phản hồi chính xác về tỷ lệ giảm tốc thực tế Nhờ vào giá trị điều khiển phản hồi và điều chỉnh liên tục tỷ số truyền, tỷ lệ giảm tốc có thể được giữ ở mức độ mong muốn Khi lò xo đạt tải tối đa, phanh bình thường sẽ được kích hoạt, và khi xe dừng lại, lò xo sẽ được giữ lại.

Khi xe tăng tốc, hệ thống sử dụng trục dẫn động kết nối với lò xo đến các bánh xe, thay vì động cơ hay mô tơ như những hệ thống khác, giúp cung cấp mô men xoắn tăng tốc hiệu quả.

Trang 7 xo Một lần nữa, thông qua cảm biến kiểm soát thông tin phản hồi, tỷ số truyền hộp số được điều chỉnh liên tục để duy trì tốc độ tăng tốc Khi lò xo được phóng thích toàn bộ năng lượng, hệ thống sẽ sẵn sàng kích hoạt lại khi phanh Sau mỗi chu kỳ tích trữ năng lượng, năng lượng đạt đến công suất tối đa của nó và người lái có thể bấm vào một nút nhấn sẽ có được 6,5s tăng tốc tăng thêm 82 mã lực cho công suất danh định của động cơ

Bộ truyền động có cấu tạo đơn giản và nhỏ gọn, mang lại hiệu quả cao với chi phí thấp Nó bao gồm các bộ phận chính như bộ bánh răng hành tinh, lò xo cuộn, ly hợp một chiều, ly-off và ly-on.

Hình 1.2: Cấu tạo của hệ thống lò xo cuộn [1]

Bộ bánh răng hành tinh kết nối với trục đầu vào, với một lò xo cuộn đặt ở trung tâm bánh xe Một đầu lò xo được gắn với bánh cóc chạy một chiều, liên kết với chốt trung tâm Tại trung tâm cũng có một phanh ma sát, trong đó trống phanh kết nối với đầu kia của lò xo và má phanh gắn với trục bánh xe Khi phanh được kích hoạt, lò xo bị biến dạng, tạo ra lực phanh lên bánh xe, trong khi khi không kích hoạt, bánh xe được dẫn động bởi lò xo khi nó bung ra.

Bằng việc áp dụng cảm biến gia tốc để điều khiển hộp số, quá trình tăng tốc và giảm tốc độ của xe được thực hiện thông qua việc chuyển giao năng lượng cơ học giữa xe và bộ lưu trữ năng lượng.

Trang 8 của lò xo cuộn Thiết kế gồm ba phần cơ bản: một bộ điều khiển, bộ truyền biến thiên liên tục và một hệ thống lưu trữ năng lượng

Hình 1.3: Mặt cắt của hệ thống lò xo cuộn [1]

Khi xe di chuyển trên đường cao tốc, bánh răng hành tinh quay chậm Khi dừng lại, hệ thống tích trữ năng lượng động năng hoạt động, với piston thủy lực khóa cần dẫn lại, khiến bánh răng quay bị động kết nối với lò xo cuộn qua bánh cóc Phanh đĩa hoạt động đồng thời với việc phanh cần dẫn, trong khi ly-on ngăn không cho lò xo cuộn quay ngược lại Khi đèn xanh, người lái đạp ga, áp lực dầu đóng ly-off, cho phép lò xo cuộn phóng thích và truyền mô men qua trục bánh xe, giúp tiết kiệm nhiên liệu Sau khi phóng thích, ly hợp cảo hồi về, ngăn chặn sự cố cho lò xo cuộn Hệ thống tích trữ năng lượng động năng không ảnh hưởng đến việc xe lùi.

1.2.2 Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực HHV

1.2.2.1 Động cơ hybrid thủy lực HHV[2]

Xe hybrid kết hợp hai nguồn năng lượng để vận hành, thường bao gồm động cơ đốt trong và động cơ thủy lực Hệ thống hybrid thủy lực chủ yếu gồm bình chứa chất lỏng và bơm/mô tơ dẫn động Công nghệ này nổi bật với tính đơn giản, sạch sẽ, hiệu quả và chi phí thấp, mang lại lợi ích cho người sử dụng.

 Đơn giản: Công nghệ này không đòi hỏi những đột phá, có thể được sản xuất với các kỹ thuật và cơ sở sản xuất đã có sẵn ở Mỹ

 Sạch: Đã được chứng minh để giảm lượng khí thải lên đến 40%

 Hiệu quả: HHV tăng đáng kể hiệu quả nhiên liệu từ 60 % đến hơn 100 %

Chi phí sản xuất thấp và giảm bảo trì phanh giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả, đồng thời gia tăng tuổi thọ xe Điều này khiến công nghệ HHVs trở thành một trong những lựa chọn xanh tốt nhất để đầu tư Công nghệ này được phát triển bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) cùng các đối tác.

1.2.2.2 Cấu tạo của hệ thống hybrid thủy lực

Động cơ hybrid thủy lực, tương tự như xe điện hybrid, kết hợp giữa động cơ diesel và hệ thống năng lượng thủy lực, đã cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, với mức tiết kiệm lên đến 70% so với năng lượng truyền thống Bên cạnh đó, công nghệ này cũng giúp giảm lượng phát thải tới 40%.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN LỰC VÀ CÔNG SUẤT PHANH CẦN THIẾT

Lựa chọn xe để tính toán

Xe Toyota Hiace được lựa chọn để nghiên cứu, tính toán với các thông số cơ bản của xe được trình bày trong bảng 2.1:

Bảng 2.1: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace

Các thông số cơ bản Giá trị Đơn vị

Kích thước và trọng lượng chính

Chiều dài cơ sở 2570 (mm)

Chiều rộng cơ sở 1430 (mm)

Trọng lượng bản thân xe 1905 (kg)

Tốc độ tối đa 145 (km/h)

Tốc độ tối đa ở các tay số

Công suất tối đa 74/5400 (kW/rpm)

Mômen xoắn cực đại 165/2600 (Nm/rpm)

Tỷ số truyền ở từng tay số

Tỷ số truyền bộ truyền lực cuối 4.3

Diện tích cản chính diện 2.325 (m 2 )

Bán kính bánh xe 0.33 mét là yếu tố quan trọng trong việc tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần phân tích động lực học và công suất phanh cần thiết cho một chiếc xe khi thực hiện quá trình phanh hoặc giảm tốc Phân tích này bắt đầu bằng việc xem xét phương trình động lực học tổng quát của ô tô.

Trang 25 tô khi chuyển động trên đường Giả sử xe đang chuyển động xuống dốc với góc dốc là θ, động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng (không có lực kéo tại bánh xe chủ động) Khi đó các lực tác dụng lên xe được trình bày như trong hình vẽ

Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe

Khi xe xuống dốc và ly hợp được ngắt, toàn bộ lực quán tính của xe sẽ được truyền vào bộ thu hồi năng lượng thông qua phương trình cân bằng lực kéo.

F a : lực cản gió [N] ρ: mật độ không khí (kg/m 3 )

V wind : vận tốc của gió chống lại sự di chuyển của xe [m/s]

F f1 , F f2 : lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]

Khối lượng của xe được ký hiệu là m (kg), trong khi gia tốc trọng trường được biểu thị bằng g (m/s²) Góc dốc được ký hiệu là θ (độ), và chiều cao trọng tâm của xe là h_g (m) Cuối cùng, khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió đến mặt đường được gọi là h_a (m).

Trong đó: f là hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nhau như:

Tính chất cơ lý và trạng thái mặt đường, cùng với mức độ biến dạng khi bánh xe lăn, là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn.

Tải trọng tác dụng lên bánh xe là trọng lượng mà bánh xe truyền xuống từng bánh, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số cản lăn Khi tải trọng tăng, biến dạng của lốp và mặt đường cũng tăng theo, dẫn đến sự gia tăng của hệ số cản lăn và lực cản lăn.

+ Vật liệu chế tạo lốp và áp suất không khí trong lốp cũng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn

Mômen xoắn tác dụng lên bánh xe chủ động càng lớn thì hệ số cản lăn càng tăng Khi trị số mômen xoắn Mk tăng, các thớ lớp không chỉ biến dạng hướng kính mà còn biến dạng tiếp tuyến, dẫn đến tổn thất nội ma sát trong lốp tăng lên và hệ số cản lăn cũng tăng theo.

Biến dạng của bánh xe, bao gồm lực ngang Fy, góc lệch bên và góc nghiêng so với mặt thẳng đứng, có ảnh hưởng tiêu cực đến hệ số cản lăn Bên cạnh đó, tốc độ di chuyển của xe cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số này Các thực nghiệm cho thấy, khi tốc độ của ôtô máy kéo dưới 80 km/h (22 m/s), hệ số cản lăn gần như không thay đổi và có thể được tính theo công thức f1  f2  f = const cho một đoạn đường nhất định.

Do đó: Ff = Ff1 + Ff2 = f1Z1 + f2Z2 = f(Z1 + Z2) (2.4)

Khi xe di chuyển với tốc độ vượt quá 22,2 m/s (khoảng 80 km/h), hệ số cản lăn sẽ tăng rõ rệt do các thớ lớp ở khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường không kịp đàn hồi, dẫn đến việc chỉ một phần nhỏ năng lượng tiêu hao được tái sử dụng Đồng thời, khi tốc độ xe tăng, tốc độ biến dạng cũng gia tăng, làm tăng nội ma sát trong lốp Thực nghiệm đã chỉ ra công thức xác định hệ số cản lăn.

Hệ số cản lăn f0 được xác định theo tốc độ chuyển động của xe, với vận tốc ôtô tính bằng m/s (khoảng 80 km/h) Giá trị của f0 cho các loại đường khác nhau được trình bày trong bảng 2-1 Đặc biệt, đối với ôtô di chuyển trên đường nhựa bêtông và đường nhựa chất lượng tốt, hệ số cản lăn có thể được tính toán theo một công thức cụ thể.

Hệ số cản lăn có thể xác định bằng cách thí nghiệm trên đường hoặc trong phòng thí ngiệm

Bảng 2.2 Hệ số cản lăn của các loại mặt đường

Hệ số cản lăn f 0 đối với các loại đường khi vận tốc không vượt quá 22,2 m/s (khoảng 80 km/h) như sau: đường nhựa tốt có hệ số cản thấp nhất, tiếp theo là đường nhựa bê tông, sau đó là đường rải đá Đối với các loại đường tự nhiên, đường đất khô có hệ số cản cao hơn, trong khi đường đất sau khi mưa và đường cát có hệ số cản còn lớn hơn Cuối cùng, đất sau khi cày có hệ số cản lăn cao nhất trong danh sách này.

Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng quán tính của xe khi phanh hoặc giảm tốc

Các thông số quan trọng của bộ thu hồi năng lượng bao gồm tỷ số truyền của bộ truyền động bánh răng hành tinh, kích thước bánh đà (mô men quán tính), công suất máy phát điện và bộ điều khiển điện tử.

Để xác định mô men và tốc độ góc của bánh xe chủ động trong quá trình phanh hoặc giảm tốc của xe thí nghiệm, chúng ta dựa vào các phương trình động lực học đã được nghiên cứu và các thông số kỹ thuật của xe Phạm vi tốc độ thử nghiệm được giới hạn để đảm bảo tính chính xác trong quá trình phân tích.

Để thực hiện mô phỏng thử nghiệm trong Matlab Simulink, cần xác định các giá trị tốc độ tối đa 80 km/h trở xuống Sau đó, sử dụng SimDriveline để lựa chọn hợp lý các thông số như tỷ số truyền và kích thước bánh đà.

Khi xe bắt đầu quá trình phanh hoặc giảm tốc, mô men quán tính của xe được xác định bằng lực quán tính đang tác động trừ đi các lực cản như lực cản gió và lực cản lăn Trong trường hợp xe cầu sau chủ động, mô men tác động vào bánh xe chủ động sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.

Mô men tại bánh xe chủ động = Mô men quán tính của xe + Mô men cản dốc – Mô men cản lăn – Mô men cản gió

M f  f mg cos  r b với r b là bán kính bánh xe

Mô men quán tính của xe được xác định dựa trên bánh xe chủ động, bao gồm cả mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và các chi tiết quay trong hệ thống truyền lực như động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động Để tính toán mô men quán tính, cần xem xét lực quán tính trong tình huống này.

Lực quán tính Fj tác động lên ô tô máy kéo khi chuyển động sẽ là:

Trong đó lực quán tính chuyển động tịnh tiến F j ' được xác định theo biểu thức sau:

F j là lực quán tính của các chi tiết chuyển động quay được xác định theo biểu thức sau:

I e : mômen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác của động cơ quy dẫn về trục khuỷu;

I n : mômen quán tính của chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đối với trục quay của chính nó

I b : mômen quán tính của bánh xe chủ động đối với trục quay của nó i t : tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

Trang 30 i n : tỷ số truyền tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động η t : hiệu suất của hệ thống truyền lực η n : hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động

Từ đây ta có lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là:

Trong đó I là mô men quán tính tổng cộng của các chi tiết chuyển động quay tính từ động cơ tới bánh xe chủ động

Do đó lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là: j i

Suy ra mô men quán tính tổng cộng của xe quy về bánh xe chủ động được xác định theo công thức:

 i : Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động

Để xác định chính xác mô men quán tính của xe phục vụ cho việc tính toán, trước tiên cần xác định hệ số δi Hệ số δi có thể được xác định bằng hai phương pháp khác nhau.

Theo công thức lý thuyết bên trên ta có:

Mô men quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác liên quan đến trục khuỷu được xác định bằng công thức I e.

( ) 2 e cgi fw c cr c cyl fw

Mô men quán tính của trục khuỷu và các chi tiết gắn trên trục được ký hiệu là I cgi (kg.m²), trong khi mô men quán tính của bánh đà được ký hiệu là I fw (kg.m²) Khối lượng trục khuỷu được ký hiệu là m c (kg) và khối lượng đầu to thanh truyền là m cr (kg) Bán kính quay của trục khuỷu được biểu thị bằng R c (m) và số xi lanh của động cơ được ký hiệu là n cyl.

Mô men quán tính của hộp số Ih được xác định theo công thức:

Mô men quán tính của trục sơ cấp của hộp số (trục ly hợp) được ký hiệu là I, trong khi mô men quán tính của trục trung gian là III Tỉ số truyền của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp trong hộp số được ký hiệu là ia, và mô men quán tính của bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp là I zk Tỉ số truyền của hộp số tương ứng với cặp bánh răng gài số thứ k được ký hiệu là i k, trong đó m là số lượng bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp Mô men quán tính của bánh răng số lùi được ký hiệu là I l, và tỉ số truyền của các bánh răng số lùi tính từ trục sơ cấp đến bánh răng số lùi có quan hệ động học với bánh răng trên trục trung gian Để đơn giản hóa việc tính toán, công thức thực nghiệm để xác định  i đã được đưa ra.

(2.19) ih: Tỉ số truyền của hộp số

Bảng 2.3 Tính  i theo công thức thực nghiệm ih1= 4,452 ih2= 2.619 ih3= 1.517 ih4= 1 ih5= 0.895

Trang 32 Để có được kết quả tin cậy người nghiên cứu đề tài cũng xác định i bằng thực nghiệm: Thực nghiệm được thực hiện trên bệ thử con lăn tại phòng thí nghiệm ô tô Khoa cơ khí động lực

Bảng 2.4: Thông số của bệ thử:

Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 ru-lô 800 mm

Khoảng cách lớn nhất giữa 2 ru-lô 2300 mm Đường kính bánh xe nhỏ nhất để thử nghiệm 12’’ Đường kính ru-lô 318 mm

Khoảng cách 2 trục lăn 540 mm

Khí nén Tối đa 8 bar

Cung cấp năng lượng 230 V/ 50 Hz

Tốc độ kiểm tra Tốc độ tối đa 260 km/h

Công suất bánh xe Tối đa 260 kW

Lực kéo Tối đa 6 kN

Kiểm tra độ chính xác 2 %

Hình 2.2 Thử nghiệm trên bệ thử xe

Trong điều kiện thử nghiệm, xe được đặt trên bệ thử con lăn với bánh xe chủ động (bánh sau) nằm trên con lăn Xe hoạt động ở từng tay số khác nhau, và khi đạt tốc độ cực đại, thiết bị sẽ đo công suất kéo tại bánh xe chủ động, tạo ra đường đặc tính số 1 Sau khi nhả ga và ngắt ly hợp, lực quay của bánh xe chủ động sẽ được xác định bởi lực quán tính của hệ thống truyền lực và con lăn, được thể hiện qua đường đặc tính công suất cản (đường đặc tính số 2) Cuối cùng, thiết bị đo sẽ tính toán công suất cản và công suất kéo tại bánh xe chủ động, từ đó suy ra công suất của động cơ, tạo thành đường đặc tính số 3.

Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo

Dựa trên kết quả đo ta có: P qt  F V qt ( ) t

. qt qt qt qt qt b b t t

Trong quá trình thử nghiệm, vận tốc xe (v) được đo bằng km/h, công suất kéo của con lăn (P) được xác định bằng kW, và lực kéo của con lăn (F) được tính bằng N, tất cả đều được lấy trực tiếp từ bệ thử Các tham số khác như mô men ngoại lực tác động lên bánh xe chủ động (M) được tính bằng Nm, và gia tốc góc của bánh xe chủ động (ε) được xác định bằng m/s², đều được tính toán gián tiếp từ các thông số đo (F, v) của bệ thử k.

Trong đó: M k , M c , ε k , ε c - lần lượt là mô men ngoại lực và gia tốc góc bánh xe chủ động khi con lăn tăng tốc và giảm tốc

Tay số Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5

Hình 2.4: Công suất kéo và công suất cản ở từng tay số

Bảng 2.6: Bảng so sánh  i lý thuyết và thực nghiệm

Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5

Tỷ lệ thực nghiệm so lý thuyết (%)

Sau khi xác định các thông số cần thiết để tính toán mô men quán tính của xe, chúng ta có thể tính được mô men tác dụng lên trục bánh xe chủ động.

(2.22) Tốc độ góc của bánh xe chủ động: b b

Sau khi xác định mô men và tốc độ góc của bánh xe chủ động trong dải tốc độ từ 0 đến 80 km/h, số vòng quay của trục các đăng được tính toán trong khoảng từ 0 đến 2800 vòng/phút Tốc độ tối ưu để máy phát điện ô tô hoạt động hiệu quả nằm trong khoảng 2000 đến 3500 vòng/phút Thời gian hoạt động của bộ tích trữ năng lượng dao động từ 3 đến 15 giây, tùy thuộc vào chế độ điều khiển khi phanh hoặc giảm tốc Dựa trên dữ liệu này, nghiên cứu đã sử dụng công cụ SimDriveline trong Matlab Simulink để mô phỏng và lựa chọn tỷ số truyền cho bộ bánh răng hành tinh và bộ truyền xích.

Thông số bộ thu hồi năng lượng:

 Tỷ số truyền của bộ BRHT: 0.049

 Tỷ số truyền bộ truyền xích: 1.305

 Kích thước bánh đà: 220x30 mm, 2.7 kg

 Mô men quán tính của bánh đà: 0.04 kg.m2

 Công suất của máy phát: 500W

Do bộ truyền lực chính có tỷ số truyền là: i 0 =4.3 nên suy ra mô men và vận tốc góc tác dụng lên trục các đăng khi xe phanh là:

Từ trục các đăng mô men được truyền qua bộ truyền xích, bộ bánh răng hành tinh kép đến trục máy phát với tỷ số truyền i= 0,064

Suy ra mô men đặt vào trục máy phát là:

Tốc độ góc của máy phát:

Bộ truyền xích và bộ tăng tốc

Bộ tiết chế Ắc quy (2.26)

Công suất sử dụng được để phát ra điện được xác định bằng phương trình cân bằng công suất:

MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK

Các thông số đầu vào của xe

Hình 3.1: Các thông số đầu vào của xe

Trong cuộc họp này, chúng ta sẽ nhập các thông số cơ bản đầu vào của xe, dựa trên dữ liệu từ nhà sản xuất ô tô Những thông số này là cần thiết để thiết lập mô hình đồ họa trong Matlab Simulink.

Mô phỏng các lực cản

Thông qua công thức và sơ đồ tính toán trong Matlab Simulink Chúng ta sẽ tính toán được cản gió của ô tô trong quá trình phanh Trong đó:

F a : lực cảng gió (N) ρ: Mật độ không khí

A: diện tích cản không khí

C D : Hệ số cảng không khí

F f1 , F f2 : lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]

Công thức này được sử dụng để tính toán lực cản lăn của bánh xe trước và sau của ô tô Lực cản lăn này ảnh hưởng đến sự chuyển động của xe trong quá trình tăng tốc và giảm tốc Độ lớn của lực cản lăn phụ thuộc vào khối lượng của ô tô và hệ số cản lăn.

F f: là lực cản lăn (N) f: hệ số cảng lăn m: khối lượng ô tô (kg) g: gia tốc trọng tường (m/s 2 ) θ: góc dốc của mặt đường

Lực cản dốc xuất hiện khi ô tô di chuyển lên hoặc xuống dốc, và góc dốc có tác động trực tiếp đến mô men kéo của xe Khi ô tô leo dốc với độ dốc lớn hơn, lực kéo và mô men cần thiết để di chuyển sẽ tăng lên.

F i : lực cản dốc g: gia tốc trọng tường θ: góc dốc của mặt đường

Lực quán tính xuất hiện khi ô tô tăng tốc hoặc giảm tốc, và nó tồn tại hầu hết trong suốt quá trình chuyển động của xe Biểu thức và sơ đồ được sử dụng để tính toán lực quán tính trong các tình huống này.

F j : lực quán tính ô tô m: khối lượng ô tô δ i : mô men quán tính

𝒅𝒕: đạo hàm vận tốc theo thời gian

Các thông số động lực học của xe

Hình 3.6: Các thông số động lực học của xe

Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng

Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng

Sơ đồ mô phỏng tổng quát

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng tổng quát

Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng

Hình 3.9: Bản đồ điều khiển các chế độ mô phỏng

Theo hình, các tay số được biểu thị bởi s1, s2, s3, s4 Đường màu tím đại diện cho ly hợp của xe, trong khi đường màu xanh lam thể hiện bàn đạp ga Cuối cùng, đường màu xanh lá cây biểu thị ly hợp từ.

Khi đạp ly hợp và thả bàn đạp ga, động cơ chạy về mức cầm chừng, ly hợp từ đóng

Các kết quả mô phỏng

Đồ thị trong Hình 3.10 thể hiện tốc độ xe khi tăng tốc từ số 1 đến số 4 Khi xe đạt tốc độ khoảng 80 km/h, hệ thống phanh tái sinh năng lượng được kích hoạt để tiến hành phanh.

Ban đầu, ô tô giảm tốc độ nhanh từ 80km/h xuống còn 30km/h Sau đó, tốc độ giảm chậm lại do hệ thống phanh tái sinh tách kết nối với trục các đăng Máy phát vẫn tiếp tục hoạt động nhờ vào năng lượng tích trữ trong bánh đà.

3.7.2 Mô men tác dụng lên trục máy phát

Hình 3.11: Sự thay đổi mô men tác dụng lên trục máy phát

Sự thay đổi tốc độ góc của máy phát (Bánh đà)

Momen giảm dần từ tay số 1 đến số 4

Phần âm của đồ thị biểu thị momen quán tính

Khi momen dần về 0 là quá trình phanh kết thúc

3.7.3 Tốc độ của trục Các đăng

Hình 3.12: Tốc độ của trục Các đăng

Tốc độ trục các đăng cũng tăng theo từng tay số;

Cũng như tốc độ xe Tốc độ các đăng cũng giảm theo tỷ lệ thuận với tốc độ xe

Tốc độ của các đăng giảm nhanh khi ly hợp từ phanh tái sinh hoạt động, với mô men được truyền từ các đăng qua bánh đà và máy phát, giảm từ 2250 vòng/phút xuống còn 750 vòng/phút.

3.7.4 Tốc độ của máy phát

Hình 3.13: Tốc độ máy phát

Hình 3.14: Động năng của máy phát

Máy phát từ trạng thái đứng yên tăng tốc nhanh chóng đến tốc độ tối đa mà trục các đăng truyền tải Sau đó, tốc độ của máy phát giảm dần một cách tuyến tính cho đến khi dừng hoàn toàn.

3.7.5 Công suất máy phát điện

Khi ô tô đạt tốc độ 80 km/h và sử dụng chế độ phanh tái sinh, công suất máy phát điện có thể đạt tới 600 W Hệ thống hoạt động hiệu quả trong khoảng tốc độ này, cho phép tối ưu hóa năng lượng tái sinh.

Công suất này gần như không đổi trong suốt quá trình phanh (giảm nhẹ khi tốc độ bánh đà, máy phát giảm)

THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ