Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí_ Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô (download tai tailieutuoi.com)

- Luận án tiến sĩ này đã đi tính toán, thiết kế và thửnghiệm một hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh được lắp thêm lên xe ô tô có kiểuhệ thống truyền lực truyền thống.
- Dựa trên mô hình tính toán đó, thuật toán điều khiểnphân phối lực phanh tái sinh PSO được xây dựng nhằm tối ưu hóa năng lượng thu hồivà đảm bảo tính ổn định khi phanh.
- Ngoài ra, các chu trình lái xe tiêu chuẩn cũngđược đưa vào trong các mô hình nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm để từ đó tìmra quy luật phân bố năng lượng thu hồi trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc.
- Kếtquả nghiên cứu cho thấy rằng xe được trang bị thêm hệ thống thu hồi năng lượng khiphanh có thể được cải thiện từ 10,49% đến 24,44% về suất tiêu hao nhiên liệu tùythuộc vào từng chu trình thử nghiệm.
- Trong đó, chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề nghiêncứu về hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh và đề xuất hướng nghiên cứu cũng nhưmô hình nghiên cứu.
- Để đánh giá hiệu quả của hệ thống thu hồi năng lượng khiphanh, một mô hình thí nghiệm đã được thiết kế và tính toán trong chương 4.
- Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng động lực học bộ thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh trên ô tô”, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ khí lần thứ 4, Tp.
- Phân tích và so sánh các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống RBS 81.4.
- Các hướng nghiên cứu về thu hồi năng lượng khi phanh 111.5.
- Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh 242.2.1.
- Các kết quả mô phỏng và tính toán năng lượng thu hồi 48Chương 3: TỐI ƯU HÓA THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHÂN PHỐI LỰCPHANH TÁI SINH3.1.
- Tổng quan về các hướng nghiên cứu nhằm tăng hiệu quả thu hồi năng lượng khi phanh 573.1.1.
- Các hướng nghiên cứu trong việc tăng hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của ắc quy 583.1.3.
- Tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và không gian sử dụng của ắc quy 593.2.
- Phương pháp tối đa hóa năng lượng thu hồi khi phanh 623.2.2.
- m là khối lượng của xe 2và v là vận tốc của xe.
- Giả sử thu hồi lại được 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47, 8 kJ =11,95kJ).
- Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe đó lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [2].
- Thêm vào đó, cần phải có các thiết bị biến đổivà tích trữ năng lượng.
- Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biếnđổi và tích trữ dưới các dạng khác nhau được mô tả như trong hình 1.1 [5].
- Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu tích trữ năng lượng khi phanh [5] 21.2 Phân loại hệ thống phanh tái sinh 1.2.1 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng.
- Kiểu tích trữ năng lượng này được áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe laiđiện (HEV).
- Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bịlưu trữ điện.
- Hệ thống RBS với thiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụngcho các xe EV và HEV và cần phải có các bộ biến đổi điện (Inverter và Converter)[7].
- Thiết bị này tích trữ năng lượng bằng việc nénmột chất khí (thường là khí Nitơ) [8].
- Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực [8] Ưu điểm của hệ thống tích trữ năng lượng kiểu thủy lực là dễ vận hành, côngsuất thu hồi cao.
- 1 Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức E = J.ω2 2trong đó J là mô men quán tính và ω là tốc độ góc của bánh đà.
- Năng lượng này tỷ lệvới bình phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiềuhơn [1].
- Do đó một bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng.
- Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà [9] Ngoài ra, hệ thống bánh đà Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng compositetừ tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao nên có giá thành cao hơn, hệ thốngnày được ứng dụng cho xe cao cấp [9].
- Các ưu điểm của phương pháp tích trữ năng lượng bằng bánh đà là: Mật độ tíchtrữ năng lượng cao.
- 7 Hình 1.8: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lò xo cuộn [9] Trên bán trục của mỗi bánh xe được lắp một bộ bánh răng hành tinh.
- Với kết cấu này, năng lượng khi phanh đã được tích trữ và sử dụng lại cho việctăng tốc của xe nên giảm tiêu hao nhiên liệu.
- Hình 1.10: Khả năng chịu nhiệt của các phương án [11] Khi các thiết bị tích trữ năng lượng phóng nạp sẽ sinh nhiệt.
- Kiểu hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dưới dạng thủy lựcchỉ ứng dụng trên những xe tải trọng lớn với kết cấu phức tạp.
- Bên cạnh đó cũng có hướng nghiên cứu vềphương án tích trữ năng lượng khi phanh sử dụng bánh đà áp dụng cho các dòng xecó kiểu hệ thống truyền lực truyền thống.1.4 Các hướng nghiên cứu về thu hồi năng lượng khi phanh.
- Các nghiên cứu tập trung theo các hướng như: thu hồi năng lượng khi phanh.
- Geamanu tập trungvào các thuật toán điều khiển để tối ưu hóa năng lượng được thu hồi khi phanh màvẫn đảm bảo sự phân phối lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí tới các bánh xe mộtcách hiệu quả nhất [12] [13].
- Shetty nghiên cứu điều khiển hệ thống phanh tái tạonăng lượng áp dụng cho xe HEV bằng việc sử dụng mạng thần kinh nhân tạo.
- Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụngsiêu tụ (Ultra Capacitor) để tích trữ năng lượng mỗi khi quá trình phanh xảy ra.
- Hệ thống phanh tái tạo năng lượng sử dụng bánh đà như là một thiết bị tích trữnăng lượng đã được nghiên cứu từ những thập niên 1940.
- Năng lượng thu hồi được tích trữ dưới dạng cơ năng cần phải giảiphóng ngay sau mỗi lần phanh hoặc giảm tốc.
- Hệ thống điều khiển sẽ điềukhiển cho bánh đà được nạp năng lượng thông qua động cơ đốt trong và trong quátrình phanh tái sinh xảy ra.
- Tối ưu hóa các chế độ hoạt động củađộng cơ bằng việc sử dụng hộp số CVT và bộ bánh đà tích trữ năng lượng .
- Bánh đà được nạp lại vàtích trữ năng lượng khi phanh do đó giảm tiêu hao nhiên liệu cho xe.
- Nghiên cứu của Ayala thiết kế và thử nghiệm một hệ thống tích trữ năng lượngsử dụng một bánh đà để tích trữ năng lượng khi phanh.
- Hình 1.17: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng cơ khí [23] Kết quả mô phỏng của nghiên cứu cho thấy: với hệ thống này suất tiêu hao nhiênliệu của xe giảm và giảm khí thải gây ô nhiễm môi trường do giảm thời gian làm việccủa động cơ đốt trong [23].
- Với sự phát triển của vật liệu composite được sử dụnglàm bánh đà càng ngày càng có nhiều nghiên cứu mới về bánh đà sử dụng cho hệthống phanh tái tạo năng lượng.
- Kết quả chothấy hệ thống KERS có thể góp 21% năng lượng vào việc hoạt động của xe.
- Đa phần các nghiên cứu đều tích 17trữ năng lượng thu hồi được dưới dạng cơ năng do đó cần thiết phải giải phóng nănglượng ngay sau khi quá trình phanh hoặc giảm tốc xảy ra.
- Luận án “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệthống phanh tái sinh trên ô tô” được thực hiện với mục tiêu như sau.
- Thiết kế và tính toán hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh sử dụng phươngpháp phối kết hợp giữa bánh đà và máy phát điện áp dụng cho xe có kiểu truyền lựctruyền thống.
- Xây dựng thuật toán điều khiển phân phối lực phanh tái sinh tối ưu nhằm nângcao hiệu quả thu hồi năng lượng khi phanh mà vẫn đảm bảo tính ổn định của xe.
- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh tái tạo năng lượng.
- Phân tíchcác phương án thu hồi và tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh các nghiên cứu trướctừ đó đề ra mô hình nghiên cứu và thực nghiệm cho đề tài.
- Xây dựng mô hình toán và mô phỏng số các thông số của bộ thu hồi năng lượng,sự ảnh hưởng giữa vận tốc đầu quá trình phanh, thời gian phanh, phương pháp phânphối lực phanh tới năng lượng thu hồi được.
- Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu về mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm hệthống thu hồi năng lượng trong quá trình phanh hoặc giảm tốc được thực hiện trên xecó kiểu hệ thống truyền lực truyền thống.
- Nghiên cứu này tập trung tính toán và đánh giá thực nghiệm năng lượng thu hồiđược trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án được xác định đó là tính toán các thông số củahệ thống thu hồi năng lượng dựa trên đối tượng nghiên cứu là xe Toyota Hiace.1.10 Tính mới của luận án.
- Đã xây dựng được mô hình toán của hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh,mô hình mô phỏng các thông số của bộ thu hồi năng lượng, sự ảnh hưởng giữa vậntốc đầu quá trình phanh, thời gian phanh, phương pháp phân phối lực phanh tới nănglượng thu hồi được.
- Đồng thời đã sử dụng thuật toán tối ưu hóa PSO để điều khiển phân 21phối lực phanh nhằm đảm bảo nâng cao được hiệu quả thu hồi năng lượng đồng thờivẫn giữ ổn định khi phanh.
- Đã tính toán, thiết kế được bộ thu hồi năng lượng cho mô hình thực nghiệmnhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống.
- Đã thực hiện thành công các thí nghiệm trên xe cũng như trên băng thử để tínhtoán năng lượng thu hồi được khi trang bị thêm hệ thống thu hồi năng lượng.
- 22 - Chương 3: Tập trung phân tích về các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả của việcthu hồi năng lượng khi phanh.
- Một trong những yếu tố quan trọng liên quan đến vấnhiệu quả thu hồi năng lượng đó là chiến lược điều khiển phân phối lực phanh tái sinhvà lực phanh cơ khí.
- Từ đó tính toán được các thông số của bộ thu hồi năng lượng như thông số về tỷ số truyền của bộ truyền động bánh răng hành tinh, kích thước bánh đà (mô men quán tính), công suất của máy phát điện và bộ điều khiển điện tử.
- Việc xây dựng phương trình cân bằng năng lượng khi phanh đóng vai trò hế sức quan trọng trong việc xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống.2.2.
- mc là khối lượng trục khuỷu [kg].
- mcr làkhối lượng đầu to thanh truyền [kg].
- 3Es Is cos dt ωmp Trong đó: Es = K M Is ωmp irbs là tỷ số truyền của bộ thu hồi năng lượng.
- δi là hệ số khối lượng quay (được xác định theo thực nghiệm).
- Do đó, việc mô phỏng được sự thay 35đổi của hệ số δi có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tính toán năng lượng thu hồiđược theo 1 chu trình lái xe.
- Lúc này hệ thống thu hồi năng lượng không hoạt động.
- Khi xegiảm tốc thì hệ thống RBS được kích hoạt và quá trình thu hồi năng lượng bắt đầudiễn ra.
- Dựa trên tín hiệu vận tốc và gia tốc đo đượcbộ điều khiển được thiết kế sẽ tác động vào hệ thống thu hồi năng lượng trước, sauđó sẽ tác động đến bướm ga và hệ thống phanh thủy lực.
- Dòngđiện và điện áp phát ra được thu thập để từ đó tính toán công suất và năng lượng thuhồi được trên toàn bộ chu trình.
- Bộ điều khiển xe được sử dụngđể điều khiển động cơ đốt trong và bộ thu hồi năng lượng khi phanh.
- Trong quá trìnhphanh, bộ thu hồi năng lượng được kích hoạt để biến đổi động năng của xe thành điệnnăng được sử dụng để sạc cho ắc quy.
- Kết quả mô phỏng được thể hiện thông qua các thông số: Vận tốc thực tế của xe, tốc độ của máy phát trong hệ thống RBS mỗi khi quá trình thu hồi năng lượng xảy ra.
- Từ các thông số đó năng lượng thu hồi đượctính toán trên mỗi chu trình lái xe.
- Kết quả mô phỏng đối với Chu trình FTP-75 - Tốc độ xe Hình 2.23: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn FTP-75 sau khi điều khiển bằng PID - Tốc độ của máy phát khi quá trình thu hồi năng lượng xảy ra.
- Từ kết quả đường cong công suất ta sẽ tínhđược năng lượng tái tạo khi phanh của xe trong khoảng thời gian bộ thu hồi nănglượng tái tạo hoạt động.
- t E = ∫t n P(t)dt Năng lượng (J Thời gian (s) Hình 2.26: Năng lượng thu được trên toàn chu trình FTP-75 Tổng năng lượng trên toàn chu trình là.
- E J )với tổng thời gian toàn bộ chu trình là 195 (s) trong đó thời gian bộ thu hồi nănglượng hoạt động là 36(s)Kết quả mô phỏng đối với Chu trình NEDC - Tốc độ xe Hình 2.31: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn NEDC sau khi điều khiển bằng PID - Tốc độ của máy phát khi quá trình thu hồi năng lượng xảy ra.
- E J ) với tổng thời gian toàn bộ chu trình là 400(s) trong đó thời gianbộ thu hồi năng lượng hoạt động là 94(s) Hình 2.39: Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng giữa các chu trình 55 Bảng 2.8: Tính toán năng lượng thu hồi được trên các chu trình.
- Tăng hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của ắc quy - Tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và không gian sử dụng của ắc quy3.1.1 Tối ưu hóa kỹ thuật điều khiển hệ thống phanh tái sinh.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy cóthể cải thiện 5% đến 8% về suất tiêu hao năng lượng.
- Zhang Junzhi [30] đã thực nghiệm các kỹ thuậtđiều khiển mới nhằm cải thiện hiệu quả thu hồi năng lượng so với các kỹ thuật điềukhiển cơ bản.
- Khaled Itani [32] trong nghiên cứu của mình đã sosánh hai hệ thống tích trữ năng lượng với ắc quy Li-Ion kết hợp với siêu tụ và bánhđà.
- Byeong Heon Kim [37] đề xuất giải pháp tăng năng lượng thu hồi bằngviệc sử dụng các tấm điện cực polyme cho hệ thống fuel cell hybrid.
- Hệ thống nàybao gồm một máy phát điện, một siêu tụ và một ắc quy để tích trữ năng lượng.
- Ảnh hưởng của việc xuống sốđến hiệu quả thu hồi năng lượng phụ thuộc vào tốc độ bắt đầu phanh và cường độ lựcphanh.
- Hiệu quả thu hồi năng lượng cao tại các dải tốc độ trung bình và lực phanh ởmức trung bình.
- Theo lýthuyết, phương pháp này sẽ tối đa hóa việc sử dụng mômen phanh tái sinh, đạt đượcmức năng lượng thu hồi lớn nhất.
- Phương pháp này giúp tối ưu hóa năng lượng thu đượcđến mức tối đa nhưng vẫn giữ được cảm giác chân phanh tốt.
- Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủyếu tập trung vào mục tiêu cải thiện việc thu hồi năng lượng dựa trên các yếu tố đầuvào thông thường và chưa cân bằng với các mục tiêu ổn định khi phanh.
- Phương pháp PSO đã thực hiện được việc tối ưu hóa thuật toán điều khiểnphân phối lực phanh nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng cũng như đảm bảođộ ổn định khi phanh [51].
- Tuy nhiên sự phân phối lực phanh cơ khí vàphanh tái sinh ảnh hưởng chủ yếu đến hiệu quả thu hồi của năng lượng khi phanh.
- Dođó, nghiên cứu này đã lấy độ ổn định của phanh và hiệu quả thu hồi năng lượng khiphanh là hai mục tiêu kiểm soát để tối ưu hóa các thông số chính của chiến lược điềukhiển.
- Do đó, hiệu suất lưu trữ năng lượng của ắc quy được lựa chọnnhư là hàm mục tiêu của hiệu suất thu hồi năng lượng phanh tái sinh Y2

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt