BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ
THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

DƯƠNG TUẤN TÙNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ THU HỒI NĂNG
LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI
HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ
HỒ CHÍ MINH

DƯƠNG TUẤN TÙNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ THU HỒI
NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TÁI
SINH TRÊN Ô TÔ
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103

Hướng dẫn khoa học:
1. PGS-TS. ĐỖ VĂN DŨNG
2. PGS-TS. NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

Phản biện 1:
Phản biện 2:

Đơn vị công tác : Trường Đại học Sư Phạm Ky Thuật TP.Hồ Chí Minh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 40A, tổ 9, khu phố 3, phường An Bình, TP. Biên

Hòa, Tỉnh Đồng Nai
Điện thoại liên hệ: 0914805623

Email: [email protected]

AI. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Đại học
-

Hệ đào tạo: Chính qui

-

Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư hạm Ky thuật TP. HCM

-

Ngành học: Cơ khí động lực

-

Nước đào tạo: Việt Nam

Năm tốt nghiệp: 2004

2. Sau đại học
-


-

Hệ thống phanh tái sinh trên ô tô

-

Ky thuật sửa chữa thân vỏ và sơn xe

i


V. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

5.1.

Các công trình đã công bố

TT

Tên công trình

1

Thiết kế, chế tạo m áy
phân tích màu sơn ô tô

2

An overview of


6

Research on kinetic
energy recovery of
conventional vehicle
based on regenerative
braking system

Tên tác giả
Dương Tuấn
Tùng

Nơi công bố
(tên tạp chí, tuyển
tập)
Tạp chí khoa học và
công nghệ các trường
Đại học Ky thuật số
85-2011, ĐH Bách
khoa Hà Nội

Năm công
bố

2011

The International
Conference of Green
Duong Tuan


2015

Hội nghị khoa học và
công nghệ toàn quốc
về Cơ khí lần thứ 4
Tp.Hồ Chí Minh,
ngày 06 tháng 11 năm
2015

2015

Tạp chí khoa học giáo
dục ky thuật, Đại học
SPKT Tp.HCM

2016

The Fifth
International
Multi-Conference on
Engineering and T
echnology Innovation
2016 (IMETI2016),

2016


Taichung Taiwan,
November, 2016


IEEE International
Conference on Green
Technology and
Sustainable
Development (GTSD)
December 2018

2018

Research on
controlling of
Journal of Technical
experiment model to
Duong Tuan
9
Education Science,
evaluate of kinetic
Tung
2018
energy recovery system
based on driving cycles
Research on Designing
Journal of Science &
the Regenerative
Duong Tuan
Technology,
Braking System Apply
10
Tung


2019

2019

Năm
hoàn
thành

Đề tài cấp
(NN, Bộ, ngành,
trường)

Trách nhiệm
tham gia
trong đề tài

2006

Nghiên cứu khoa
học cấp Trường
T2006-64

Chủ trì

iii


2.


thử nghiệm hệ thống phanh tái
tạo năng lượng áp dụng cho xe
ô tô có kiểu hệ thống truyền lực
truyền thống

8

Nghiên cứu điều khiển hệ
thống thu hồi năng lượng quán
tính của ô tô dựa trên hệ thống
phanh tái tạo năng lượng

9

Nghiên cứu vấn đề quản lý
năng lượng thu hồi và phân
phối lực phanh trong hệ thống
phanh tái sinh trên ô tô

10

Nghiên cứu tối ưu hóa năng
lượng thu hồi từ hệ thống
phanh tái sinh trên ô tô

2010

Nghiên cứu khoa
học cấp Trường
T2010-22

Nghiên cứu khoa
học cấp Trường
T2015-63

Chủ trì

2016

Nghiên cứu khoa
học cấp Trường
trọng điểm
T2016-63TĐ

Chủ trì

2017

Nghiên cứu khoa
học cấp Trường
trọng điểm
T2017-28TĐ

Chủ trì

2018

Nghiên cứu khoa
học cấp Trường
trọng điểm
T2018-97TĐ

đỡ tận tình của quý thầy, cô giáo Trường Đại học Sư Phạm Ky thuật Thành phố Hồ
Chí Minh, các nhà khoa học trong ngành ô tô, bạn bè, đồng nghiệp.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ sự biết ơn đến quý thầy hướng dẫn PGS-TS. Đỗ
Văn Dũng và PGS-TS. Nguyễn Trường Thịnh đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, luôn
giúp đỡ, quan tâm đôn đốc NCS để luận án được hoàn thành.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng Đào
tạo Sau đại học, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí chế tạo máy,
Khoa Đào tạo Chất lượng cao và các bộ môn chuyên môn đã tạo điều kiện giúp đỡ
để NCS hoàn thành luận án tiến sĩ của mình.
Sau cùng, NCS xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên cạnh và động viên trong
suốt thời gian qua để NCS hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình.
Trân trọng!
Tp. Hồ Chí Minh, 15 tháng 06 năm
2020
Nghiên cứu sinh

Dương Tuấn Tùng

vi


TÓM TẮT
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 đối tượng nghiên cứu áp dụng trên 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

sinh và lực phanh cơ khí sẽ được nghiên cứu và phân tích trong chương 3. Bài toán
điều khiển phân phối lực phanh tái sinh là bài toán tối ưu đa mục tiêu. Trong chương
này, nghiên cứu sinh đã phân tích và so sánh các thuật toán điều khiển phân phối lực
phanh tái sinh đảm bảo cân bằng giữa hai tiêu chí đó là năng lượng thu hồi được lớn
nhất mà vẫn thỏa mãn các điều kiện đảm bảo an toàn và ổn định khi phanh. Do đó, việc
sử dụng thuật toán PSO trong tối ưu hóa điều khiển phân phối lực phanh trong chương
này đóng vai trò hết sức quan trọng vào việc nâng cao hiệu quả phanh tái sinh của hệ
thống. Để đánh giá hiệu quả của hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh, một mô hình
thí nghiệm đã được thiết kế và tính toán trong chương 4. Mô hình thực nghiệm được
thực hiện ở cả hai giai đoạn: thử nghiệm trên xe để tính toán năng lượng thu hồi được ở
các dải vận tốc bắt đầu phanh khác nhau và trên băng thử (mô hình bán thực nghiệm)
để thử nghiệm theo các chu trình lái xe tiêu chuẩn. Từ các kết quả thực nghiệm thu
được, đường cong xu hướng của sự phân phối năng lượng theo vận tốc xe được xây
dựng bằng phương pháp nội suy để từ đó thấy được vùng phân bố năng lượng thu hồi
được của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc.

viii


ABSTRACT
The brake energy regeneration is a new direction in doing researches of the
automotive industry domestically and globally. These researches usually use the
electric vehicle, hybrid vehicle and internal combustion engine vehicle as the main
subject to go deep. One of the main objects of this study is to recover the wasted
energy in the braking system for reusing which will solve the energy problem on
automobiles in general. Besides, this study does not only deal with the energy
problems but also the pollution that internal combustion engine vehicles produce
during their working process. This Doctoral thesis has already calculated, designed
and run experiments on a regenerative braking system when the brake was installed
on a vehicle having a traditional powertrain system. Based on the mathematic

was designed and calculated in chapter 4. An empirical model was used in the two
following stages: run an experiment to calculate the regenerative energy in various
velocity ranges when starting the braking process and on the dynamometer (semiempirical model) to meet with the standard driving cycles. From the experiment
results, the tendency curve of energy distribution based on vehicle velocity was
established by the interpolation method in order to clarify the energy distributing
area of the vehicle when deceleration or braking happened.

x


CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ
1. Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh “An overview of

research and proposed experiment model of regenerative braking system based
on the conventional vehicle powertrain”, the International Conference of Green
nd

Technology and Sustainable Development 2 , HCMUTE, 2014
2. 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. Hồ Chí Minh tháng
11 năm 2015
3. Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh, “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”, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ
khí lần thứ 4, Tp. Hồ Chí Minh tháng 11 năm 2015
4. Duong Tuan Tung, Do Van Dung, Nguyen Truong Thinh, “Research on kinetic
energy recovery of conventional vehicle based on regenerative braking system”
The Fifth International Multi-Conference on Engineering and Technology
Innovation 2016 (IMETI2016), Taichung Taiwan, November, 2016

i

Lời cam đoan

v

Lời cảm ơn

vi

Tóm tắt

vii

Các công trình công bố

xi

Mục lục

xii

Danh sách các chữ viết tắt

xv

Danh sách các bảng

xvi


1.5.

Đề xuất phương án nghiên cứu

17

1.6.

Mục tiêu nghiên cứu

19

1.7.

Nội dung nghiên cứu

20

1.8.

Đối tượng nghiên cứu

20

1.9.

Phạm vi nghiên cứu

20




2.3. Thiết lập phương trình toán cho hệ thống

30

2.4. Tính toán mô hình hóa ắc quy

33

2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng các thông số động lực học của xe

34

2.6. Tính toán và mô phỏng các giá trị tổn hao

37

2.7. Xây dựng bộ điều khiển

40

2.7.1. Phân tích các chu trình lái xe được sử dụng trong mô phỏng và tính toán bộ
điều khiển

40

2.7.2. Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống RBS theo các chu trình lái xe

43


60

Cơ sở lý thuyết về điều khiển phân phối lực phanh tái sinh

3.2.1. Phương pháp tối đa hóa năng lượng thu hồi khi phanh

62

3.2.2. Phương pháp tối ưu sự phân phối lực phanh

63

3.2.3. Phương pháp điều khiển phối hợp

64

3.3.

Phân tích các thuật toán điều khiển tối ưu phân phối lực phanh tái sinh

65

3.4.

Tối ưu hóa thuật toán điều khiển bằng phương pháp Particle Swarm
Optimization – PSO

66


Chương 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
4.1

Đặt vấn đề

82

4.2

Thiết kế các cụm chi tiết trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng

82

4.3

Thí nghiệm đánh giá hệ thống trên xe với các tốc độ bắt đầu quá trình phanh
khác nhau

84

4.3.1 Mô tả điều kiện thực nghiệm

84

4.3.2 Tính toán năng lượng thu được

87

4.3.3 Tính hiệu suất bộ thu hồi năng lượng



104

4.6.2 Xác định đường xu hướng năng lượng theo vận tốc chu trình ECE-R15

106

4.6.3 Xác định đường xu hướng của năng lượng theo vận tốc chu trình NEDC 107
4.6.4 Xác định đường xu hướng của năng lượng theo vận tốc chu trình FTP 75 109
Chương 5: KÊT LUẬN – KIẾN NGHỊ
5.1.

Kết luận

111

5.2.

Kiến nghị

112

xiv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt
RBS


CICE

Giải thích ý nghĩa

Ghi chú

Động cơ đốt trong truyền thống

KERS

Kinetic Energy Recovery System

FCV

Fuel Cell Vehicles

Hệ thống thu hồi năng lượng động
năng
Các xe sử dụng pin nhiên liệu

FWB

Flywheel Battery

Bánh đà tích điện

PGS

Planetary Gear System


Hệ thống định vị

PSO

Particle Swarm Optimization
Multiple Objective Particle Swarm
Optimization

Tối ưu hóa bầy đàn

MOPSO

xv

Tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Tính δi theo công thức thực nghiệm

29

Bảng 2.2: Công suất tổn hao từ các bộ phận

31


80

Bảng 4.1: Các thông cơ bản của bộ thu hồi năng lượng

83

Bảng 4.2: Bảng giá trị năng lượng thu được theo vận tốc xe tại thời điểm phanh 80
Bảng 4.3: Hiệu suất của bộ thu hồi năng lượng ở các chế độ giảm tốc

90

Bảng 4.4: Công suất và số vòng quay cực đại của mô tơ điện theo từng chu trình 99
Bảng 4.5: Thông số các thiết bị trong thí nghiệm
Bảng 4.5: Kết quả thực nghiệm

93
101

xvi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh

2


9

Hình 1.10: Khả năng chịu nhiệt của các phương án

9

Hình 1.11: Hiệu suất của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh

10

Hình 1.12: Suất tiêu hao nhiên liệu của các phương án

10

Hình 1.13: Giá thành của các phương án tích trữ năng lượng khi phanh

11

Hình 1.14: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman

14

Hình 1.15: Sơ đồ thử nghiệm của của tác giả R.J. Hayes

15

Hình 1.16: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh

15


35

Hình 2.4: Lực cản lăn

35

Hình 2.5: Lực cản dốc

35

xvii


Hình 2.6: Mô hình tính toán lực quán tính có sự thay đổi hệ số δi ở từng tay số

36

Hình 2.7: Mô hình mô phỏng bộ CVT

37

Hình 2.8: Mô hình phỏng tổn hao về điện

38

Hình 2.9: Mô phỏng tổn hao về từ tính

38

Hình 2.10: Mô phỏng tổn hao về cơ khí của máy phát


Hình 2.18: Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống

43

Hình 2.19: Sơ đồ điều khiển kín

44

Hình 2.20: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mô hình mô phỏng

46

Hình 2.21: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

47

Hình 2.22: Sơ đồ giải thuật điều khiển phân phối lực phanh

48

Hình 2.23: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn FTP-75 sau khi điều khiển bằng
PID

49

Hình 2.24: Kết quả tốc độ máy phát khi mô phỏng theo chu trình FTP-75

49




xviii


Hình 2.35: Tốc độ xe so với chu trình chuẩn EUDC sau khi điều khiển bằng PID 54
Hình 2.36: Kết quả tốc độ máy phát sau khi mô phỏng theo chu trình EUDC

54

Hình 2.37: Công suất máy phát điện khi mô phỏng theo chu trình EUDC

54

Hình 2.38: Năng lượng thu được trên toàn chu trình EUDC

55

Hình 2.39: Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng giữa các chu trình

55

Hình 3.1: Đặc tính phân phối lực phanh

61

Hình 3.2: Biểu đồ các phương pháp điều khiển phanh tái sinh

62


76

Hình 3.11: Đồ thị tỷ lệ tiêu hao nhiên liệu theo chu trình mô phỏng

78

Hình 3.12: Sơ đồ dòng năng lượng trên xe

79

Hình 4.1: Mô hình được thết kế bằng Solidworks

82

Hình 4.2: Mô hình được thết kế bằng Solidworks

84

Hình 4.3: Các bộ phận của hệ thống phanh tái tạo năng lượng được lắp trên xe

85

Hình 4.4: Hình ảnh quá trình thực nghiệm trên xe

85

Hình 4.5: Lưu đồ điều khiển và đồ thị tốc độ của máy phát theo thời gian

86


96

Hình 4.13: Đồ thị thể hiện sự thay đổi tốc độ bánh xe và tốc độ máy phát

97

Hình 4.14: Đồ thị các thông số sau khi thực nghiệm chu trình FTP 75

97

Hình 4.15 Đồ thị thể hiện sự thay đổi của tốc bánh xe và tốc độ máy phát

98

Hình 4.16: Đồ thị các thông số sau khi thực nghiệm chu trình ECE-R15

98

Hình 4.17: Biểu đồ cho thấy hệ thống kích hoạt khi tốc độ xe giảm

99

Hình 4.18: Đồ thị các thông số sau khi thực nghiệm chu trình NEDC

99

Hình 4.19: Biểu đồ cho thấy hệ thống kích hoạt khi tốc độ xe giảm

100