MỤC LỤC

MỤC LỤC…………………………………………………………………………..................................................….……i

DANH MỤC HÌNH.................................................................................................................................................... iii

DANH MỤC BẢNG.................................................................................................................................................. vi

MỞ ĐẦU................................................................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH TRÊN DÒNG XE HYBRID......................................................... 2

1.1. Khái niệm xe hybrid............................................................................................................................................2

1.2. Xu hướng phát triển của dòng xe hybrid........................................................................................................... 2

1.3. Giới thiệu xe Lexus RX 450h. ...........................................................................................................................3

1.4. Hệ thống phanh trên Lexus RX 450h................................................................................................................ 4

1.4.1. Hệ thống phanh cơ khí................................................................................................................................... 4

1.4.2. Hệ thống phanh tái sinh................................................................................................................................. 9

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH TRÊN DÒNG XE HYBRID....................... 27

2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh................................................................................................. 27

2.1.1. Tuyến hình xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012...................................................................................... 27

2.1.2. Thông số kỹ thuật xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012............................................................................ 27

2.1.3. Xây dựng mô hình động học của xe............................................................................................................. 28

2.2. Sử dụng phần mềm matlab simulink mô phỏng quá trình thu hồi năng lượng trên hệ thống phanh tái sinh.. 33

2.3. Khả năng thu hồi năng lượng của xe hybrid ở các mức tốc độ. ......................................................................37

2.3.1. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 100 km/h............................................................................................... 37

2.3.2. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 80 km/h................................................................................................ 38

2.3.3. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 60 km/h................................................................................................. 40

2.3.4. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 40 km/h................................................................................................. 41

2.3.5. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 30 km/h................................................................................................. 43

2.4. Nhận xét........................................................................................................................................................... 44

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH TRÊN DÒNG XE HYBRID..............................................46

3.1. Giới thiệu về mô hình........................................................................................................................................46

3.1.1. Hệ thống phanh thực tế trên xe..................................................................................................................... 46

3.1.2. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh................................................................................................................46

3.2. Nguyên lý hoạt động..........................................................................................................................................48

3.3. Thiết kế, chế tạo mô hình..................................................................................................................................49

3.3.1. Thiết kế, chế tạo bàn đạp...............................................................................................................................49

3.3.2. Thiết kế, chế tạo hộp điều khiển.....................................................................................................................50

3.3.3. Thiết kế, chế tạo mô hình xe Lexus RX 450h.................................................................................................52

3.4. Chọn linh kiện cho mô hình...............................................................................................................................53

3.4.1. Board Arduino UNO R3 Atmega 328P............................................................................................................53

3.4.2. Mạch arduino nano.........................................................................................................................................54

3.4.3. Mạch điều khiển động cơ BTS7960...............................................................................................................55

3.4.4. Màn hình hiển thị OLED 0.96 inch..................................................................................................................56

3.4.5. Động cơ DC 775.............................................................................................................................................57

3.4.6. Động cơ 3 pha không chổi than.....................................................................................................................58

3.4.7. Cảm biến hồng ngoại (cảm biến tiệm cận)....................................................................................................59

3.4.8. Mạch giảm áp DC XL4015.............................................................................................................................60

3.4.9. Cầu chỉnh lưu 3 pha.......................................................................................................................................60

3.4.10. Biến trở.........................................................................................................................................................61

3.5. Thử nghiệm mô hình........................................................................................................................................ 62

3.5.1. Tổng quan mô hình....................................................................................................................................... 62

3.5.2. Các hoạt động của mô hình.......................................................................................................................... 63

3.5.3. Cài đặt chương trình điều khiển.....................................................................................................................64

3.6. Kết quả thử nghiệm...........................................................................................................................................65

KẾT LUẬN...............................................................................................................................................................67

Tài liệu tham khảo..................................................................................................................................................69

PHỤ LỤC.................................................................................................................................................................71

MỞ ĐẦU

Thu hồi năng lượng khi phanh là một hướng nghiên cứu cứu mới trong lĩnh vực ô tô trên thế giới cũng như trong nước. Các hướng nghiên cứu về vấn đề này thường gắn liền với các dòng xe điện, xe lai điện và xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Một trong những mục tiêu chính của hướng nghiên cứu này là thu hồi nguồn năng lượng còn bị lãng phí trong hệ thống phanh để tái sử dụng lại nhằm giải quyết bài toán năng lượng trên ô tô. Bên cạnh đó, đối với các xe sử dụng động cơ đốt trong thì ngoài việc giải quyết bài toán năng lượng hướng nghiên cứu này còn góp phần vào việc nghiên cứu giảm khí thải ô nhiễm môi trường do các phương tiện này gây ra. Nên em chọn đề tài “Thiết kế mô hình hệ thống hệ thống phanh tái sinh dựa trên xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012” làm đề tài tốt nghiệp cho bản thân.

Bài báo cáo gồm 3 chương với nội dung về việc tìm hiểu, phân tích và chê tạo mô hình về hệ thống phanh tái sinh trên dòng xe hybrid, dựa trên xe cơ sở Lexus RX 450h năm sản xuất 2012:

Chương 1: Tổng quan hệ thống phanh trên dòng xe hybrid.

Chương 2: Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống phanh trên dòng xe hybrid.

Chương 3: Chế tạo mô hình hệ thống phanh trên dòng xe hybrid.

Với sự quyết tâm và cố gắng của mình, cùng với sự chỉ dẫn nhiệt tình của thầy: Thạc Sĩ…………….., em đã thực hiện và hoàn tất tốt công việc theo yêu cầu. Tuy nhiên, vì đây là một đề tài mới và phạm vi rộng cũng như bị hạn chế nhiều về tư liệu và kiến thức thực tiễn, nên khó tránh được những sai sót, mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn nữa.

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH TRÊN DÒNG XE HYBRID

1.1. Khái niệm xe hybrid

Xe hybrid, còn có tên gọi khác là xe lai, đây là sự kết hợp giữa hai bộ truyền động, gồm một động cơ chạy bằng xăng và một mô tơ chạy bằng năng lượng điện lấy nguồn từ một ác quy cao áp. Mục đích chính là dùng môtơ điện hỗ trợ hoặc thay thế động cơ đốt trong (ĐCĐT) để kéo xe ở những thời điểm mà ĐCĐT làm việc không tối ưu trong các giai đoạn khởi động, gia tốc và tăng tốc. Hay nói cách khác là giúp cho ĐCĐT luôn làm việc trong vùng làm việc tối ưu, vận hành mạnh mẽ, khả năng tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường.

Xe hybrid có các ưu điểm sau: thân thiện với môi trường; kinh tế nhiên liệu cao so với xe động cơ đốt trong; đáng tin cậy hơn so với xe điện, vì có xăng là một nhiên liệu thay thế, xe điện bị hạn chế hành trình do dung lượng sạc có hạn; ít phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống; xe hybrid có động cơ đốt trong nhỏ hơn; được công nhận và đang phát triển, phổ biến trong tương lai.

1.2. Xu hướng phát triển của dòng xe hybrid

Sự phát triển của phương tiện giao thông ở từng quốc gia trên thế giới là không giống nhau, mỗi nước có một tiêu chuẩn riêng biệt đối với khí thải của ô tô, tuy nhiên nhìn chung có xu thế là từng bước cải thiện cũng như sản xuất những loại xe có mức khí thải là thấp nhất nhằm hạn chế tối thiểu sự tiêu thụ nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu khí ngày một khan hiếm dẫn đến giá dầu mỏ tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân thì tăng không tương xứng. Ô tô xanh không gây hiệu ứng nhà kính là mong muốn của các nhà thiết kế và sản xuất ô tô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được đề xuất bao gồm: cải thiện quá trình cháy của động cơ đốt trong, dùng các loại nhiên liệu không truyền thống trên ô tô như LPG, ethanol, methanol, biodiesel, điện, năng lượng mặt trời và ô tô lai (hybrid)... Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này sẽ tìm hiểu về loại ô tô hybrid (xe lai) phối hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ô tô hybrid phổ biến nhất.

1.3. Giới thiệu xe Lexus RX 450h

Lexus RX 450h là một chiếc xe SUV (Sport Utility Vehicle) của hãng xe hơi Nhật Bản Lexus, thuộc tập đoàn Toyota. Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2005 và hiện đang được sản xuất tại Nhật Bản, Mỹ và Canada.

Lexus RX 450h là một chiếc hybrid hoàn toàn, có khả năng vận hành riêng ở cả hai chế độ xăng và điện hoặc kết hợp cả hai. Nó mang lại lợi ích tiết kiệm năng lượng của hệ thống hybrid nối tiếp và hiệu suất tăng tốc của hệ thống hybrid song song.

1.4. Hệ thống phanh trên Lexus RX 450h

1.4.1. Hệ thống phanh cơ khí

Vị trí của các phần tử cấu tạo nên hệ thống phanh cơ trên thân xe:

Hệ thống phanh cơ khí (dẫn động thủy lực) trên xe Lexus RX 450h được bố trí như hình 1.4.

1.4.1.1. Cấu tạo hệ thống phanh cơ khí

Hệ thống phanh cơ khí (dẫn động thủy lực) được sơ đồ hóa như hình 1.5.

Sơ đồ hệ thống phanh trên hình 1.4 bao gồm đường dầu trải dài trong hệ thống phanh và đường tín hiệu từ các bộ chấp hành đến các bộ phận điều khiển trên xe, đường truyền bao gồm tín hiệu điện áp và mạng CAN. Đường ống dẫn dầu trên hệ thống phanh được bố trí như hình trên, kiểm soát hệ thống phanh làm việc ổn định thông qua các tín hiểu khác nhau được gửi về ECU kiểm soát trượt. Từ đó điều khiển lực phanh tốt hơn giúp xe ổn định, chống trơn trượt khi cần giảm tốc độ. Các van điện từ có chức năng đóng ngắt dường dầu, giúp thân xe luôn ổn định trong quá trình giảm tốc, việc điều khiển được lập trình sẵn trên ECU. Bên cạnh đó, phanh đỗ được dẫn động bằng 2 sợi cáp độc lập với nhau, được nối từ cần gạt đến cơ cấu guốc phanh ở cầu sau, được điều khiển bằng cần gạt phanh đỗ.

1.4.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh cơ khí

* Chế độ phanh cơ khí: tất cả các van điện từ ở bộ chấp hành đều mở, khi ta dùng lực tác dụng vào bàn đạp phanh, dầu sẽ bị ép từ xylanh phanh chính đi đến các ống dẫn dầu, qua các van điện từ và phân phối đều lực dầu đến các xylanh công tác ở 4 bánh xe, từ đó tốc độ xe sẽ được giảm dần hoặc tốc độ sẽ được kiểm soát cho phù hợp với tình huống hiện tại.

* Chế độ phanh chống bó cứng (Anti-lock Braking System): Để điều khiển chống bó cứng bánh xe, trên xe được trang bị bốn cảm biến tốc độ bánh xe, ECU chứa chương trình chống bó cứng và bộ chấp hành ABS. Bộ chấp hành được bố trí trên đường dầu thủy lực đóng vai trò trung gian giữa bàn đạp phanh và cơ cấu phanh. Khi phát hiện bó cứng, ECU có nhiệm vụ điều khiển bộ chấp hành thay đổi giá trị áp lực dầu đến cơ cấu phanh theo 3 chế độ:

- Giai đoạn tăng áp lực phanh: ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý và điều khiển bộ chấp hành ABS mở các van điện SMC1, SMC2, SLARF, SLARL, SLAFL, SLARR. Dầu sẽ từ bình chứa và xylanh phanh chính sẽ đi thẳng đến các xy lanh công tác ở 4 bánh xe thông qua áp lực từ bàn đạp phanh điều khiển lực dầu ở xylanh phanh chính và nguồn áp lực thứ 2 đến từ bơm trợ lực.

- Giai đoạn giữ áp lực phanh: ECU điều khiển bộ chấp hành ABS đóng tất cả van điện để giữ áp lực dầu không đổi.

- Giai đoạn giảm áp lực phanh: Các van điện SLRFR, SLRRL, SLRFL, SLRRR sẽ được mở ra. Dầu sẽ được hồi về bình chứa.

1.4.2. Hệ thống phanh tái sinh

Với cơ chế hoạt động như những hệ thống phanh trước đó nhưng ở hệ thống phanh tái sinh có thể chuyển đổi động năng của xe thành năng lượng điện đến acquy, giúp tăng hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm hao mòn đáng kể đối với hệ thống phanh cơ khí truyền thống.

1.4.2.1. Ưu - nhược điểm của phanh tái sinh

* Ưu điểm:

- Bảo toàn năng lượng: bánh đà hấp thụ năng lượng khi phanh thông qua một hệ thống ly hợp làm giảm tốc độ xe và gia tăng vòng quay bánh xe. Để tăng tốc, một hệ thống ly hợp khác liên kết bánh đà với hệ thống truyền động, giúp gia tăng vận tốc xe và làm giảm bánh đà. Do vậy, năng lượng được bảo toàn bởi nhiệt và ánh sáng – điều thường xuyên xuất hiện trong hệ thống phanh đồng thời.

- Giảm bào mòn: một hệ thống truyền động điện cũng cho phép phanh tái sinh tăng hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và giảm mức độ hao mòn cho phanh. Trong phanh tái sinh, khi mô tơ không nhận điện từ gói pin nữa, nó sẽ đẩy lại vòng quay bánh xe, tận dụng cơ năng và phục hồi năng lượng tới pin lưu trữ. Do đó, việc giảm mức độ bào mòn và kéo dài tuổi thọ cho phanh xe là điều hiển nhiên.

* Nhược điểm:

Hệ thống phanh tái tạo năng lượng có ưu điểm riêng khi xe di chuyển trong thành phố. Tuy nhiên, mức độ tiêu thụ nhiên liệu của xe lúc này vẫn cao hơn khi di chuyển trên đường cao tốc.

1.4.2.3. Động cơ MG1, MG2 và MGR

MG1, MG2 và MGR là động cơ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều nhỏ gọn, nhẹ và hiệu quả cao.

Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua các cuộn dây ba pha của cuộn dây stato thì trong động cơ điện tạo ra từ trường quay. Bằng cách điều khiển từ trường quay theo vị trí, tốc độ quay của roto, các nam châm vĩnh cửu được cung cấp trong roto sẽ bị hút bởi từ trường quay, tạo ra mô-men xoắn.

Mô-men xoắn được tạo ra dành cho tất cả các mục đích thực tế tỷ lệ với lượng dòng điện và tốc độ quay được điều khiển bởi tần số của dòng điện xoay chiều. Hơn nữa, một mức mô-men xoắn cao, từ tốc độ cao, có thể được tạo ra một cách hiệu quả bằng cách kiểm soát đúng mối quan hệ của từ trường quay với góc của nam châm roto.

1.4.2.5. Bộ chuyển đổi điện (Inverter with Converter Assembly)

Bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ chuyển đổi tăng áp và MG ECU được kết hợp trong bộ biến tần với cụm bộ chuyển đổi. Cùng với MG1 và MG2, bộ biến tần có cụm bộ chuyển đổi được làm mát bằng bộ tản nhiệt chuyên dụng của hệ thống làm mát tách biệt với bộ chuyển đổi của hệ thống làm mát động cơ.

Trong trường hợp xảy ra va chạm liên quan đến phương tiện, cảm biến ngắt mạch, được lắp đặt trên bộ chuyển đổi với cụm chuyển đổi, phát hiện va chạm và gửi tín hiệu để dừng hệ thống. Để biết chi tiết, hãy tham khảo kiểm soát va chạm.

1.4.2.7. Bộ chuyển đổi DC-DC (DC-DC Converter)

Vì hệ thống THS-II tạo ra đầu ra với điện áp danh định là DC 288V, nên bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng để biến đổi điện áp từ DC 288V thành DC 14V để sạc lại pin phụ. Bộ chuyển đổi được cài đặt ở mặt dưới của biến tần. Nguồn điện cho các thiết bị phụ trợ của xe như đèn, hệ thống âm thanh và các ECU.

1.4.2.9. Pin HV (HV battery)

* Sơ đồ mạch điện pin HV:

Bộ phận thông minh của pin chuyển đổi các tín hiệu tình trạng pin HV (điện áp, dòng điện và nhiệt độ), những tín hiệu này cần thiết để xác định giá trị sạc hoặc xả được ECU điều khiển xe hybrid tính toán thành tín hiệu kỹ thuật số và truyền chúng đến bộ điều khiển xe hybrid ECU thông qua giao tiếp nối tiếp.

Một mạch phát hiện rò rỉ được cung cấp trong thiết bị thông minh của pin để phát hiện bất kỳ sự rò rỉ nào từ pin HV. Hơn nữa, bộ phận thông minh của pin phát hiện điện áp của quạt làm mát, điện áp này cần thiết cho ECU điều khiển xe hybrid để điều khiển quạt làm mát. Bộ phận thông minh pin cũng chuyển đổi các tín hiệu này thành tín hiệu kỹ thuật số và truyền chúng đến ECU điều khiển xe hybrid thông qua giao tiếp nối tiếp.

Chương 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANHTRÊN DÒNG XE HYBRID

2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh

2.1.1. Tuyến hình xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012

Bản vẽ tuyến hình xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012 thể hiện 4 hình chiếu các kích thước tổng thể của xe, đồng thời bản vẽ thể hiện rõ nét các thiết kế, đường nét trên xe.

2.1.2. Thông số kỹ thuật xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012

Bảng thông số kỹ thuật và các kết cấu phanh treo lái trên xe như bảng 2.1.

2.1.3. Xây dựng mô hình động học của xe

Xây dựng mô hình tính toán khi xe đang chuyển động trên đường bằng.

2.1.3.1. Lực cản không khí, P_w

Khi ô tô chuyển động bộ phận không khí bao quanh xe bị xáo trộn gây ra sự thay đổi áp suất không khí ở phía trước và phía sau xe, tạo ra lực cản chống lại chuyển động của xe. Lực cản này gọi là lực cản không khí.

2.1.3.2.Lực cản lăn, P_f

Lực cản lăn là thành phần lực cản xuất hiện do biến dạng của lốp và đường, do khắc phục ma sát trong các ổ lăn. Thực tế xác định các thành phần lực này rất phức tạp vì vậy mà người ta quy lực cản lăn là thành phần ngoại lực tác dụng lên ô tô và có hướng ngược chiều chuyển động của ô tô

Tốc độ chuyển động của xe càng tăng thì tốc độ biến dạng càng tăng, nội ma sát trong lốp tăng do đó cũng làm tăng lực cản lăn. Theo thực nghiệm cho thấy, khi tốc độ của xe còn nhỏ hơn 80km/h (tương ứng 22,2 m/s) thì hệ số cản lăn hầu như không thay đổi nhưng khi tốc độ xe lớn hơn 80 km/h thì hệ số cản lăn sẽ thay đổi và tăng theo công thức 2.6.

2.1.3.4.Lực cản quán tính, Pj

Lực quán tính tác dụng lên ô tô khi phanh  (cùng chiều với chiều chuyển động do ô tô giảm tốc độ)

2.2. Sử dụng phần mềm matlab simulink mô phỏng quá trình thu hồi năng lượng trên hệ thống phanh tái sinh

Mô hình mô phỏng khả năng thu hồi năng lượng bao gồm 5 khối chính: khối đầu vào, khối động lực học, khối điều khiển, khối động cơ, khối đầu ra.

* Khối đầu vào: mô phỏng bàn đạp khi xe bắt đầu phanh ở từng dải tốc độ khác nhau (từ 100 km/h đến 10 km/h), tốc độ xe thay đổi từ vận tốc ban đầu sau đó giảm dần về 0 và dừng lại hẳn.

* Khối động lực học: bao gồm các lực cản không khí, lực cản lăn, lực cản quán tính, lực phanh và mômen cản ở bánh xe quy dẫn lên động cơ.

- Trường hợp v > 22 [m/s]:

- Trường hợp v < 22 [m/s]:

* Khối điều khiển: nhận tín hiệu đầu vào, từ đó tạo tín hiệu bật tắt các IGBT.

* Khối động cơ: bao gồm động cơ không đồng bộ 3 pha, được nối với bộ đổi điện và ác quy.

Sau khi kết hợp các khối trên lại với nhau cùng với khối đầu ra là các bảng thể hiện đồ thị, thì ta được mô hình mô phỏng khả năng thu hồi năng lượng trên xe hybrid như hình 2.14.

2.3. Khả năng thu hồi năng lượng của phanh tái sinh ở các mức tốc độ

2.3.1. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 100 km/h

Xe đang chạy với vận tốc 100km/h bắt đầu quá trình phanh khi đạp bàn đạp phanh, xe bắt đầu giảm tốc độ và dừng hẳn sau Dt = 4,05s. Dòng điện, điện áp và giá trị thu hồi năng lượng khi phanh ở tốc độ 100km/h như hình 2.15, 2.17.

2.3.2. Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 80 km/h

Xe đang chạy với vận tốc 80km/h bắt đầu quá trình phanh khi đạp bàn đạp phanh, xe bắt đầu giảm tốc độ và dừng hẳn sau Dt = 3,24s. Dòng điện, điện áp và giá trị thu hồi năng lượng khi phanh ở tốc độ 80km/h như hình 2.18; 2.19.

2.3.4.Trường hợp xe phanh lại ở vận tốc 40 km/h

Xe đang chạy với vận tốc 40km/h bắt đầu quá trình phanh khi đạp bàn đạp phanh, xe bắt đầu giảm tốc độ và dừng hẳn sau Dt = 1,62s. Dòng điện, điện áp và giá trị thu hồi năng lượng khi phanh ở tốc độ 40km/h như hình 2.24; 2.25.

2.4. Nhận xét

Kết quả trên phần mềm mô phỏng cho thấy tại thời điểm bắt đầu quá trình phanh: vận tốc càng cao thì năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh càng lớn, điều đó được thể hiện ở đồ thị mô men cản ở động cơ. Năng lượng thu được từ mômen cản động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có gia tốc chậm dần khi phanh, lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản quán tính, tổn hao cơ khí và tổn hao về điện trong quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành điện năng và kỹ thuật điều khiển. Bên cạnh đó, trạng thái sạc của ắc quy nằm ở mức 79% khi ở trạng thái phanh tái sinh, nếu thực hiện phanh tái sinh ở đường đèo hoặc đường có độ dốc thì giảm tải lên hệ thống phanh chính (phanh cơ khí), đồng thời góp phần nạp lại năng lượng cho ắc quy.

Trong các thí nghiệm trên mới chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm điều khiển và tính toán năng lượng thu hồi được ở từng mức tốc độ khác nhau khi phanh đến khi dừng hẳn, chưa đánh giá được hệ thống trên toàn bộ chu trình thử nghiệm. Do đó việc thực nghiệm theo các chu trình lái xe tiêu chuẩn cần phải được thực hiện.

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH TRÊN DÒNG XE HYBRID

3.1. Giới thiệu về mô hình

3.1.1. Hệ thống phanh thực tế trên xe

Mô hình mô phỏng hệ thống phanh ở cầu trước được xây dựng dựa theo hệ thống phanh trên xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012.

Mô phỏng hệ thống phanh thực tế trên phần mềm solidwork gồm: 1, Bộ chấp hành ABS ; 2, Bình dầu phanh ; 3, Bơm trợ lực ABS ; 4, Đường ống dầu ; 5, Xylanh phanh chính ; 6, Bàn đạp phanh ; 7, Bơm trợ lực ; 8, Càng phanh ; 9, Má phanh ; 10, khung càng phanh ; 11, Đĩa phanh.

3.1.2. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh

Mô hình mô phỏng hệ thống phanh cùng với khả năng thu hồi năng lượng tương tự như trên xe hybrid, được xây dựng dựa trên xe là Lexus RX 450h năm sản xuất 2012 (tỉ lệ 1:160). Mô hình có 3 chế độ chạy xe, chân ga và chân phanh giúp kiểm soát tốt tốc độ động cơ và trạng thái mong muốn khi thu hồi năng lượng. Bên cạnh đó, mô hình có 2 màn điện tử cùng các đèn leb tín hiệu giúp quan sát rõ ràng các giá trị phanh, ga hiện tại khi đang vận hành hệ thống. Mô hình có 2 khối chính, bao gồm:

* Khối truyền động cơ khí: động cơ điện 2 pha dẫn động nối với cầu sau xe bằng truyền động đai, tương tự động điện 3 pha thu hồi năng lượng được nối với trục bánh xe bằng truyền động đai. Nguồn năng lượng từ động cơ 2 pha (DC) được truyền xuống bánh xe sau đó truyền ngược lên động cơ 3 pha (AC) thông qua bộ truyền động đai

* Khối điều khiển:

- Hộp điều khiển: giúp ổn định dòng điện từ nguồn và điều khiển tốc độ động cơ 2 pha và năng lượng thu hồi được từ động cơ 3 pha.

- Bàn đạp ga và bàn đạp phanh: điều chỉnh tốc độ bằng chân ga và kích hoạt chế độ phanh tái sinh, phanh cơ từ chân phanh.

* Các bước chế tạo, lắp ráp mô hình:

Phân tích xe thực tế -> Lên ý tưởng thiết kế trên giấy -> Thiết kế mô hình trên phần mềm Solidworks -> Mô phỏng lại mạch điện -> Chọn linh kiện -> Code điều khiển -> Lắp các linh kiện và tiến hành canh chỉnh -> Hoàn thiện mô hình.

3.2. Nguyên lý hoạt động

Cấp nguồn điện áp 12V từ Acquy vào mạch giảm áp BTS7960, lúc này dòng điện được hạ xuống phù hợp với việc điều khiển động cơ.

Khi nhấn công tắc Start, dòng điện từ nguồn sẽ đi qua mạch Arduino uno và đến động cơ, tốc độ động cơ sẽ được điều chỉnh thông qua các chế độ chạy xe và hệ thống bàn đạp ga và bàn đạp phanh.

Có 3 chế độ trên mô hình: eco, sport, lùi. Để động cơ chạy, đầu tiên phải chọn 1 chế độ và đạp bàn đạp ga, tín hiệu điện áp từ chiết áp được truyền vào mạch arduino, sau đó đến mạch điều khiển động cơ. Khi đó tốc độ động cơ sẽ tỷ lệ thuận với lực tác dụng vào bàn đạp ga.

3.3. Thiết kế, chế tạo mô hình

3.3.1. Thiết kế, chế tạo bàn đạp

Thiết kế bàn đạp phanh, ga trên phần mềm solidwork, gia công cắt lazer vật liệu mica có độ dày từ 2mm đến 10mm. Sau đó cố định lại bằng keo chuyên dùng.

3.3.2. Thiết kế, chế tạo hộp điều khiển

Thiết kế hộp điều khiển trên phần mềm solidwork, gia công cắt lazer vật liệu mica có độ dày từ 3mm làm các bề mặt xung quanh. Sau đó cố định lại bằng keo chuyên dùng.

3.3.3. Thiết kế, chế tạo mô hình xe Lexus RX 450h

Thiết kế mặt gầm xe và 4 tấm đỡ trục bánh xe trên phần mềm solidwork, gia công cắt lazer vật liệu mica có độ dày 5mm cho mặt gầm xe và 10mm cho 4 tấm đỡ trục. Sau đó cố định lại bằng keo chuyên dùng.

Mặt đế xe có nhiệm vụ cố định các chi tiết, tạo nên chuyển động xoay và thu hồi năng lượng, có rãnh trượt để thuận tiện cho việc tăng và giảm độ căng của dây đai.

3.4. Chọn linh kiện cho mô hình

Chọn linh kiện cần thiết cho mô hình theo bảng 3.1.

3.4.1. Board Arduino UNO R3 Atmega 328P

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là: ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, …

3.4.3. Mạch điều khiển động cơ BTS7960

Mạch điều khiển động cơ BTS7960 dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver với đầy đủ các tính năng current sense (kết hợp với điện trở đo dòng), mạch này chứa một MOSFET bên cao kênh p và một MOSFET bên thấp kênh n, với một vi mạch trình điều khiển tích hợp trong một gói. tạo dead time, chống quá nhiệt, quá áp, quá dọng, sụt áp và ngắn mạch.

3.4.5. Động cơ DC 775

Motor 775 là dòng motor (12-24)V được lựa chọn phổ biến để chế tao ra các dụng cụ D.I.Y bởi ưu điểm mạnh mẽ, gọn nhẹ và có nhiề phụ kiện đi kèm, dễ dàng thay thế khi hư hỏng: máy mài mini, máy cưa mini, máy cắt cỏ, máy bơm nước mini, bình phun thuốc sâu khoan mini các loại, …

3.4.7. Cảm biến hồng ngoại (cảm biến tiệm cận)

Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường với một cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra với tần số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền của LED phát nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật cản trên module sẽ sáng, khi không có vật cản, LED sẽ tắt.

Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách này có thể điều chỉnh thông qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như: xe dò line, xe tránh vật cản,…

3.4.9. Cầu chỉnh lưu 3 pha

Cầu chỉnh lưu 3 pha chuyên dùng để đổi điện 3 pha thành điện 1 chiều.

3.5. Thử nghiệm mô hình

3.5.1. Tổng quan mô hình

Sau khi lắp ráp các khối mica cùng các linh kiện điện tử lại với nhau, thì ta được tổng quan mô hình mô phỏng hệ thống phanh dựa trên xe Lexus RX450h năm sản xuất 2012. Đế mô hình có kích thước 60x60 có nhiệm vụ đỡ tất cả các chi tiết trên nó, bên trên nó là 2 khối chính: khối điều khiển và khối động cơ.

Khối điều khiển bao gồm bàn đạp ga, bàn đạp phanh và hộp điều khiển điều khiển. Khối động cơ bao gồm: motor DC đại điện cho động cơ, motor AC đại diện cho máy phát, nối với trục bánh xe bằng truyền động đai.

3.5.2. Các hoạt động của mô hình

* Chế độ Eco: Khi chọn chế độ Eco, chương trình điều khiển sẽ hiểu và chọn tốc độ, gia tốc như đã lập trình sẵn. Khi nhận được tín hiệu từ bàn đạp ga, xe bắt đầu di chuyển tùy vào tín hiệu của biến trở đưa cho Ecu mà tốc độ xe sẽ thay đổi.

* Chế độ Sport: Khi chọn chế độ Sport, chương trình điều khiển sẽ hiểu và chọn tốc độ, gia tốc như đã lập trình sẵn. Khi nhận được tín hiệu từ bàn đạp ga, xe bắt đầu di chuyển tùy vào tín hiệu của biến trở đưa cho Ecu mà tốc độ xe sẽ thay đổi.

Chế độ Reverse (Lùi): Khi chọn chế độ Lùi, chương trình điều khiển sẽ hiểu và đảo chiều động cơ.

3.6. Kết quả thử nghiệm

Việc lập trình điều khiển vô cùng quan trọng, cùng một độ mở bàn đạp ga chế độ Sport cho khả năng tăng tốc nhanh hơn chế độ Eco. Từ cơ sở trên ta có thể tối ưu hệ thống truyền động một cách dễ dàng, tùy thuộc vào điều kiện vận hành. Do đó, sẽ phù hợp với nhu cầu thực tế của người sử dụng. Hơn nữa, khi có chương trình điều khiển sẽ điều khiển động cơ theo nhiều chế độ khác nhau tùy thuộc vào việc lập trình điều khiển.

Bên cạnh đó, sau khi vận hành thì mô hình còn một số hạn chế:

- Thời gian thu hồi năng lượng cho chế độ phanh tái sinh rất ngắn do mô hình chỉ cho bánh xe quay và bánh xe không tiếp xúc với mặt phẳng, các lực cản ở bánh xe bị triệt tiêu.

Biện pháp khắc phục:

- Thiết kế buồng chạy thử nghiệm và cho bánh xe tiếp xúc với bề mặt con lăn để mô phỏng khả năng vận hành của mô hình

- Tăng khối lượng bánh xe và mô hình để tạo lực quán tính và các lực cản đặt lên mô hình.

KẾT LUẬN

Đề tài “Thiết kế mô hình hệ thống hệ thống phanh tái sinh dựa trên xe Lexus RX 450h năm sản xuất 2012” được ứng dụng từ lý thuyết các môn cơ sở chuyên ngành, môn ô tô công nghệ mới, ngôn ngữ lập trình C/C++, vẽ kỹ thuật, kỹ thuật chế tạo máy, chi tiết máy, …

Đây là ý tưởng không phải là mới, mô hình hóa và mô hình khối trong matlab/simulink đã chứng minh là phương pháp hiệu quả trong việc khảo sát về năng lượng, đặc tính của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô hybrid, kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống phanh tái sinh thu hồi năng lượng ổn định và hiệu quả ở từng khung tốc độ khác nhau (từ 100km/h đến 30km/h), có tính năng động lực học tốt. Đây là hướng nghiên cứu mới có ý nghĩa khoa học cao góp phần vào việc nghiên cứu giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khí thải cho các xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong và hệ thống truyền lực truyền thống. Hướng nghiên cứu này là phù hợp với xu thế bởi lẽ cũng khá nhiều những công trình nghiên cứu liên quan được tham khảo và trích dẫn.

Quá trình nghiên cứu đề tài đã đạt được các kết quả sau:

- Mô phỏng chương trình tính toán các chế độ thu hồi năng lượng ở phanh tái sinh bằng phần mềm matlab/simulink. Phân tích sự ảnh hưởng giữa vận tốc đầu quá trình phanh, thời gian phanh, các lực cản, lực phanh đến thân xe, động cơ và năng lượng thu hồi được.

- Thiết kế mô hình hệ thống thu hồi năng lượng trên phanh tái sinh.

- Lập trình chương trình điều khiển các chế độ thu hồi năng lượng cho mô hình hoạt động.

- Tính toán được các lực cản tác dụng vào bánh xe, động cơ khi xe bắt đầu phanh và trong quá trình xe giảm tốc độ.

- Mô hình thu nhỏ đã đáp ứng gần đúng các yêu cầu so với xe thực tế, Việc điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc lập trình trong hộp điều khiển ở các chế độ và lực tác dụng vào cụm bàn đạp

Bên cạnh đó, việc thiết kế mô hình còn nhiều hạn chế về mặt thời gian và kinh phí, em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy, cô và các bạn để có thể hoàn thiện, tối ưu mô hình hơn. Từ đó em có thể dùng mô hình trong môi trường giáo dục để giúp các bạn tìm hiểu, hiểu rõ về khả năng thu hồi năng lượng trên xe hybrid cũng như cách vận hành, điều khiển tốc độ động cơ của loại xe này.

Em xin chân thành cảm ơn!

                                                                                                                   TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                                                Sinh viên thực hiện

                                                                                                               …………………

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

1. Lập trình trên Arduino Uno (điều khiển động cơ bằng xung PWM và giao tiếp với Arduino Nano)

#define RPWM 3 // define pin 3 for RPWM pin (output)

#define R_EN 4 // define pin 2 for R_EN pin (input)

#define R_IS 5 // define pin 5 for R_IS pin (output)

#define LPWM 6 // define pin 6 for LPWM pin (output)

#define L_EN 7 // define pin 7 for L_EN pin (input)

#define L_IS 8 // define pin 8 for L_IS pin (output)

#define CW 1 // chạy nghịch

2. Lập trình trên Arduino Nano 1

#include "U8glib.h"

U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE|U8G_I2C_OPT_DEV_0); // SW SPI Com: SCK = 13, MOSI = 11, CS = 10, A0 = 9, Res = 12

int xmax=128;                                   // max length x-axis

int ymax=62;                                    // max length y-axis

int xcenter=xmax/2;                             // center of x-axis

int ycenter=ymax/2+10;                          // center of y-axis

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"