Đang tải... (xem toàn văn)
MỘT NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM bộ THU hồi NĂNG LƯỢNG tái tạo KHI PHANH áp DỤNG CHO XE ô tô có KIỂU hệ THỐNG TRUYỀN lực TRUYỀN THỐNG MỘT NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM bộ THU hồi NĂNG LƯỢNG tái tạo KHI PHANH áp DỤNG CHO XE ô tô có KIỂU hệ THỐNG TRUYỀN lực TRUYỀN THỐNG MỘT NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM bộ THU hồi NĂNG LƯỢNG tái tạo KHI PHANH áp DỤNG CHO XE ô tô có KIỂU hệ THỐNG TRUYỀN lực TRUYỀN THỐNG MỘT NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM bộ THU hồi NĂNG LƯỢNG tái tạo KHI PHANH áp DỤNG CHO XE ô tô có KIỂU hệ THỐNG TRUYỀN lực TRUYỀN THỐNG MỘT NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM bộ THU hồi NĂNG LƯỢNG tái tạo KHI PHANH áp DỤNG CHO XE ô tô có KIỂU hệ THỐNG TRUYỀN lực TRUYỀN THỐNG
Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MỘT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHI PHANH ÁP DỤNG CHO XE Ô TÔ CÓ KIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRUYỀN THỐNG AN EXPERIMENT RESEARCH ON BRAKING ENERGY RECOVERY ASSEMBLY APPLY TO CONVENTIONAL VEHICLE Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguyễn Trường Thịnh3c, Huỳnh Hữu Phúc4d 1, 2, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Công ty VMEP Việt Nam a b tungdt@hcmute.edu.vn; dodzung@hcmute.edu.vn; c thinhnt@hcmute.edu.vn; d huuphuc0606@yahoo.com; TÓM TẮT Quá trình phanh ô tô trình chuyển hóa lượng từ thành nhiệt Sự chuyển hóa làm giảm tuổi thọ chi tiết hệ thống phanh, đồng thời lãng phí lượng mà xe cần phải tiêu hao lượng nhiên liệu định đạt Tuy nhiên, lý an toàn nên hệ thống phanh truyền thống sử dụng lượng bị tiêu tán trình phanh không nhỏ Nghiên cứu phát triển thiết kế, chế tạo thực nghiệm thu hồi lượng tái tạo phanh lắp thêm vào xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Các phận thí nghiệm lắp thêm bao gồm: Một bánh hành tinh kép nhằm thay đổi tỷ số truyền mắc song song với trục đăng xe để làm quay bánh đà trình phanh hay giảm tốc thực hiện; máy phát điện nối đồng trục với bánh đà nhằm biến thành điện nạp lại cho ắc quy điều khiển điện tử giao tiếp với máy tính nhằm điều khiển thu thập liệu từ hệ thống Thực nghiệm cho thấy lượng lượng thu hồi phụ thuộc vào tốc độ xe bắt đầu trình phanh giảm tốc thời gian diễn trình phanh Kết thực nghiệm sở để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu xe có lắp thêm thu hồi lượng tái tạo phanh Từ khóa: hệ thống phanh tái tạo lượng, tích trữ động thu hồi, bánh hành tinh, hệ thống truyền lực truyền thống ABSTRACT The braking process in automotive is an energy conversion from mechanical energy into heat This transformation is a waste of energy and cause damage to components in braking system However, for safety reasons the traditional braking system is still used, although the energy dissipated during braking is not small This research will design, manufacture and testing of braking energy recovery assembly which is fitted to traditional powertrain vehicle The experimental unit is fitted include: A double planetary gear set to change gear ratio isparallel with the propeller shaft of the vehicle to rotate the flywheel when braking or deceleration; a generator is connected coaxial with the flywheel to convert mechanical energy into electrical energy and an electronic controller and computer interface to collect data The experiment results show that the amount of energy recovered depends on the speed of the vehicle at starting timing of braking or deceleration and duration of braking These results will be the fundamental to calculate of fuel consumption for the vehicle which is installed the braking energy recovery assembly Keywords: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage (KERS),planetary gear unit, conventional powertrain system 341 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV GIỚI THIỆU CHUNG Như biết, trình phanh ô tô trình làm tiêu tán lượng mà xe có để làm cho xe giảm tốc Năng lượng động xe lớn, phụ thuộc vào vận tốc xe thời điểm bắt đầu xảy trình phanh Ke = ½ mV2 Trong đó: Ke động xe [J]; m khối lượng xe [kg]; V vận tốc xe [m/s] Năng lượng thu hồi nhiều hay tùy thuộc vào kết cấu hệ thống, kỹ thuật điều khiển thu hồi lượng phanh phương pháp tích trữ lượng Theo nghiên cứu gần lượng tái tạo, biến đổi tích trữ dạng như: ắc quy điện cao áp, tích thủy lực/khí nén, bánh đà lò xo đàn hồi Với hệ thống tích trữ lượng phanh dạng điện cao áp cần phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, biến đổi điện áp cao phức tạp thường ứng dụng cho dòng xe điện xe lai điện với giá thành cao Với kiểu hệ thống tích trữ lượng phanh dạng thủy lực đa phần ứng dụng xe tải trọng lớn Trong phương án tích trữ lượng bánh đà phương thích hợp áp dụng cho dòng xe tải trọng nhỏ xe du lịch truyền thống Tuy nhiên việc tích trữ lượng bánh đà có nhiều dạng khác [6]: Tích trữ dạng lượng năng: Khi phanh lượng tích trữ vào bánh đà kết thúc trình phanh lượng giải phóng để tác động trực tiếp vào hệ thống truyền lực góp phần vào việc tăng tốc xe Với kiểu tích trữ kết cấu khí phức tạp; Tích trữ dạng điện năng: Khi trình phanh giảm tốc xe diễn động xe tích trữ vào bánh đà Năng lượng chuyển hoá thành điện nạp lại cho ắc quy thông qua máy phát điện gắn đồng trục với bánh đà Nghiên cứu gần tác giả Tai-Ran Hsu sử dụng bánh đà để tích trữ lượng phanh máy phát điện để biến thành điện Tuy nhiên, nghiên cứu thực bệ thử với mô tơ điện dẫn động hệ thống, bánh đà máy phát điện chưa ngắt khỏi hệ thống kết thúc trình phanh để tận dụng triệt để quán tính bánh đà tốc độ quán tính bánh đà thử nghiệm thấp nên lượng thu hồi chưa lớn Để khắc phục số nhược điểm trên, nghiên cứu tìm hiểu, chế tạo thực nghiệm thu hồi lượng phanh áp dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống với sơ đồ hình Hình Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo lượng Nguyên lý hoạt động hệ thống trình bày sau: Bộ truyền động xích kết nối từ trục đăng xuống bánh hành tinh kép Tuy nhiên, xe hoạt động bình thường điều khiển chưa tác động vào bánh hành tinh kép nên lượng chưa truyền vào bánh đà Khi có tín hiệu từ người lái báo hiệu trình phanh giảm tốc bắt đầu xảy ra, điều khiển kích hoạt hãm bánh bao bánh 342 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV hành tinh kép Lúc lượng truyền qua bánh hành tinh kép làm cho bánh đà quay dẫn động máy phát điện nạp lại cho ắc quy Lực cản tính bánh đà lực hãm điện động máy phát điện thông qua việc điều chỉnh dòng sạc lực phanh làm cho xe giảm tốc TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 2.1 Thông số xe thực nghiệm Để có sở tính toán thông số cụm chi tiết thu hồi lượng phanh, trước tiên ta phân tích tính toán sơ lượng sinh trình phanh ô tô Xe thử nghiệm xe TOYOTA HIACE 15 chỗ có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống với thông số trình bày bảng Điều kiện thử nghiệm đường đô thị nên thử nghiệm giải tốc độ xe từ 70 km/h trở lại Bảng Các thông số xe thực nghiệm Các thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài sở L 2570 mm Chiều rộng sở B 1655 mm Khối lượng xe m 1905 Kg Bán kính bánh xe Rω 0,33 m Mô men quán tính khối lượng bánh đà Jf 0,04 kg.m2 2.2 Thông số thu hồi lượng tái tạo phanh Các định luật nhiệt động lực học động lực học ô tô sử dụng để tính toán công suất cần thiết trình phanh giảm tốc xe thời điểm t bất ký tính theo công thức [1]: Trong đó: 𝑑𝑑 P (t) =𝑑𝑑𝑑𝑑 [𝐾𝐾𝐾𝐾(𝑡𝑡) + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡)] + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡) + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑡𝑡)+ P loss (1) Pe (t) xe thời điểm t, xe có ý nghĩa lớn xe thả dốc đèo Pe (t) = (mg)Δy vớiΔy độ dốc mặt đường; g gia tốc trọng trường Pa (t) công suất cản gió Pa = 0.5ρACD (V(t) + Vwind )3 với ρ mật độ không khí [kg/m3]; Cd hệ số cản gió; V(t) vận tốc xe [m/s]; Vwind vận tốc gió chống lại di chuyển xe [m/s] P(f) công suất cản lăn Ploss: công suất tiêu hao cho trình giảm tốc xe bao gồm ma sát chi tiết khí hệ thống truyền lực Trong nghiên cứu thực nghiệm này, xe thử đường nên độ dốc coi không Do mô men tốc độ góc trục đăng thời điểm bắt đầu phanh giảm tốc tính sau [5]: J d Tω (t) = R ω �R r + ρACD (V(t) + Vwind )2 + �Rω2 + m� dt v(t)� ωt = ωω i0 ω (2) (3) Trong đó: Tω (t) mô men tác dụng lên trục đăng; ω t tốc độ góc trục đăng [rad/s]; i tỷ số truyền truyền lực cuối ; ω ω tốc độ góc bánh xe [rad/s] 343 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Dựa thông số xe tốc độ xe thời điểm bắt đầu xảy trình phanh khoảng 70 km/h trở xuống, thông số thu hồi lượng tái tạo phanh sử dụng để thực nghiệm lắp đặt xe với thông sau: truyền động xích có tỷ số truyền 0,85; bánh hành tinh kép có tỷ số truyền 0,11; ly hợp; phanh thủy lực tác động để hãm bánh bao làm quay bánh đà dẫn động máy phát điện; bánh đà có khối lượng 4kg máy phát điện có công suất mã lực Hình Các phận hệ thống phanh tái tạo lượng lắp xe Trên hình vị trí phận mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo lượng lắp xe đưa xe vào bệ thử để kiểm tra thử nghiệm kết cấu khí chương trình điều khiển trước thử nghiệm đường Hình Bảng điều khiển giao diện hiển thị máy tính thông số thực nghiệm Hệ thống điều khiển thu thập số liệu thực nghiệm bao gồm phận sau: - Bộ điều khiển phanh mạch công suất có nhiệm vụ điều khiển phanh bánh bao bánh hành tinh kép cách tự động dựa tín hiệu từ người lái - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến điện xoay chiều từ máy phát thành điện chiều cung cấp cho phụ tải điện (máy phát sử dụng máy phát xoay chiều pha) - Bộ điều chỉnh dòng điện có tác dụng thay đổi dòng điện phụ tải tác dụng lên máy phát để sinh lực phanh làm cho xe giảm tốc - Bộ giao tiếp với máy tính có tác dụng thu thập số liệu như: tốc độ xe, tốc độ máy phát (tốc độ bánh đà); điện áp máy phát phát dòng điện phụ tải - Giao diện hiển thị giao tiếp với máy tính thiết kế dựa phần mềm LabVIEW 344 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 3.1 Mô tả điều kiện thực nghiệm Sau lắp đặt phận khí, kết nối cảm biến chấp hành với mạch điều khiển thu thập liệu nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm kiểm tra kết cấu khí chương trình điều khiển băng thử sau thực nghiệm đường với quy trình sau: Lần lượt tăng tốc xe lên tốc độ khác Khi xe đạt tốc độ mong muốn định, điều khiển bắt đầu kích hoạt cho hãm bánh bao truyền bánh hành tinh kép Cùng lúc ly hợp ngắt để hạn chế phanh động Các tín hiệu tốc độ xe; tốc độ máy phát; điện áp; dòng điện truyền liên tục lên máy tính Hình Lưu đồ điều khiển đồ thị tổng quát tốc độ máy phát theo thời gian Dựa lưu đồ giải thuật điều khiển lập trình cho vi xử lý, nhóm tiến hành làm thực nghiệm tốc độ xe thời điểm bắt đầu phanh 30km/h; 40km/h; 50 km/h 60km/h Các thông số liệu thu hồi tốc độ xe, tốc độ máy phát, dòng điện điện áp phát cập nhật cách liên tục Sau thu thập số liệu nhóm tiến hành phân tích xử lý số liệu thực nghiệm thu kết hình 4b hình Hình Đồ thị thể mối quan hệ điện áp, dòng điện theo thời gian phanh tốc độ xe khác 345 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Theo kết thu bắt đầu trình phanh, tốc độ máy phát (bánh đà) tăng lên nhanh làm cho dòng điện điện áp máy phát tăng theo tuyến tính Sau khoảng thời gian phanh, bánh đà quay tự theo quán tính với tốc độ giảm dần theo thời gian Điều làm cho điện áp dòng điện sinh giảm theo 3.2 Tính toán lượng thu Dựa thông số thực nghiệm thu hình ta tính lượng thu hồi trình xe phanh giảm tốc Tại thời điểm bất kì, công suất thu được tính theo công thức: P=U * I[W] Trong đó: U, I dòng điện điện áp máy phát phát thời điểm t Theo kết thực nghiệm thu ta xây dựng đồ thị công suất hình Dựa đường cong công suất ta tính lượng tái tạo phanh xe khoảng thời gian thu hồi lượng tái tạo hoạt động Năng lượng tạo từ hệ thống tính xác theo công thức: t E = ∫t n P(t)dt (3) E = P.△ t = P �t n – t � (4) Nếu công suất thu số, có đồ thị đường thẳng song song với trục thời gian lượng thu được tính sau: Tuy nhiên, dựa theo bảng số liệu thu giá trị thay đổi liên đường công suất đường cong nên ta sử dụng phương pháp tính gần giá trị lượng thu Hình Đồ thị công suất thu theo thời gian Theo đồ thị trên, ta tính gần lượng thu theo điểm giá trị hình: = E = E1 + E2 + ⋯ + E4 = Ptb1 (t1 − t ) + Ptb2 (t − t1 ) + ⋯ + Ptb4 (t − t ) P1 + P0 (t1 − t ) + P2 + P1 (t − t1 ) + ⋯ + P5 + P4 (t − t ) (5) Các điểm giá trị lấy nhiều khoảng thời gian lấy mẫu giá trị nhỏ lượng tính xác Ta có công thức tổng quát sau: E = ∑n−1 i=1 � Pi +Pi+1 � (t i+1 − t i ) (6) E = ∑n−1 i=1 � Pi +Pi+1 � (7) Do khoảng thời gian giãn cách để tính toán là△t = 1s nên ta có: 346 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Dựa vào công thức bảng số liệu có ta tính gần lượng thu ứng với tốc độ bắt đầu phanh khác nhau: Bảng Bảng giá trị lượng thu theo vận tốc xe thời điểm phanh Tốc độ bắt đầu phanh (km/h) Năng lượng thu (J) 30 1528,47 40 1922,35 50 2496,96 60 3293,98 E (J) 3500 3000 2500 Năng lượng thu (J) 2000 1500 1000 500 v (km/h) 0 20 40 60 80 Hình Đồ thị lượng thu theo vận tốc xe Vận tốc xe thời điểm bắt đầu phanh cao động chuyển động xe lớn, lượng thu hệ thống RBS nhiều Động chuyển động xe hàm số bậc theo vận tốc Do đó, đồ thị lượng thu gần giống hàm bậc theo tốc độ xe Trong nghiên cứu này, khả gia công xác kết cấu khí chưa cao nên lượng thu hồi trình phanh chưa lớn Để lượng tái tạo phanh thu hồi lớn nữa, nghiên cứu tính toán tối ưu hoá cụm chi tiết hệ thống đặc biệt bánh đà đặt môi trường chân không để giảm lực cản gió, sử dụng ổ bi từ để giảm tổn hao ma sát KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương án thiết kế, xây dựng mô hình thực nghiệm, điều khiển thu thập liệu hệ thống phanh tái tạo lượng dựa xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Thực nghiệm tính toán lượng tái tạo phanh tốc độ khác Kết thực nghiệm sở cho việc tính toán tối ưu hóa kết cấu hệ thống, tính toán sức tiêu hao nhiên liệu xe trang bị thêm thu hồi lượng tái tạo phanh phanh Hướng phát triển tính toán cân công suất, mô men phanh hệ thống phanh tái tạo lượng hệ thống phanh khí từ đưa giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tai-Ran Hsu, On a Flywheel-Based Regenerative Braking System for Regenerative Energy Recovery, Department of Mechanical Engineering, San Jose State University, San Jose, Canada, 2013 [2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144 347 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS) for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas [4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011 [5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands [6] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System Institute of Transport Studies, University of Leeds THÔNG TIN TÁC GIẢ Dương Tuấn Tùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tungdt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0914805623 Đỗ Văn Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM dodzung@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903644706 Nguyễn Trường Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM thinhnt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903675673 Huỳnh Hữu Phúc, Công ty VMEP Việt Nam; huuphuc0606@yahoo.com; Điện thoại: 0985330603 348 ... nghiệm thu hồi lượng phanh áp dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống với sơ đồ hình Hình Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo lượng Nguyên lý hoạt động hệ thống. .. thống phanh tái tạo lượng dựa xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Thực nghiệm tính toán lượng tái tạo phanh tốc độ khác Kết thực nghiệm sở cho việc tính toán tối ưu hóa kết cấu hệ thống, ... xe trang bị thêm thu hồi lượng tái tạo phanh phanh Hướng phát triển tính toán cân công suất, mô men phanh hệ thống phanh tái tạo lượng hệ thống phanh khí từ đưa giải thu t điều khi n tối ưu cho