TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 261
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KIỂM BỀN PHANH TÁI SINH TRÊN XE VF E34
SIMULATION STUDY AND TESTING OF REGENERATIVE BRAKES
ON VF E34 VEHICLES
Bùi Trung Kiên1,*, Nguyễn Đức Hải2, Quách Thanh Huy3,
Phạm Duy Khiêm3, Nguyễn Tuấn Nghĩa4
1Lớp KTOT 03 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô,Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT 06 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô,Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp KTOT 03 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô,Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: Trungkien2002.haui@gmail.com
TÓM TẮT
Hệ thống phanh tái sinh là hệ thống chuyển đổi động năng, nhiệt năng của vật thể và lực quán tính sinh ra khi phanh
thành điện năng lưu trữ trong ắc quy hay pin để sử dụng lại khi cần thiết. Bài báo này đã xây dựng được một mô hình tính
toán các thông số của quá trình phanh cho phép nghiên cứu mô phỏng và kiểm bền phanh tái sinh trên xe VF e34 nhằm tối
ưu hóa năng lượng thu hồi, đảm bảo tính ổn định của xe trong quá trình phanh và giảm tốc. Để đạt được mục tiêu này, một
mô hình mô phỏng phanh tái sinh được xây dựng dựa trên phần mềm Ansys. Đồng thời nhờ sự trợ giúp của phần mềm
Ansys, bài báo đã đưa ra một số kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng tái sinh năng lượng, tính
chính xác và độ hiệu quả của mô hình được xây dựng.
Từ khóa: Phanh tái sinh, xe VF e34, tối ưu hóa, ổn định, tái sinh năng lượng.
ABSTRACT
A regenerative braking system is a system that converts kinetic energy, thermal energy of objects and inertial forces
generated when braking into electricity stored in a battery or battery for reuse when needed. This article has built a model
to calculate the parameters of the braking process, allowing research to simulate and test the regenerative braking on the
VF e34 vehicle to optimize energy recovery and ensure the stability of the vehicle. vehicle during braking and deceleration.
To achieve this goal, a regenerative braking simulation model is built based on Ansys software. At the same time, with the
help of Ansys software, the article presented a number of simulation results and experimental results showing the energy
regeneration ability, accuracy and efficiency of the built model.
Keywords: Regenerative braking, VF e34 car, optimization, stability, energy regeneration.
1. GIỚI THIỆU
Năng lựợng truyền thống (năng lựợng hóa thạch) đang
ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng
đã và đang là những vấn đề thách thức đối với các nhà
nghiên cứu sản xuất ô tô. Trong đó, ô tô điện là một giải
pháp hiệu quả trong việc giảm lượng phát thải tiềm năng
nhất mà các hãng xe đang đầu tư nghiên cứu. Bên cạnh đó,
xe điện còn có khả năng phanh tái sinh hấp thụ năng lượng,
một giải pháp để tái sinh một phần năng lượng sạc lại cho
pin xe điện. Nhóm nghiên cứu đã mô phỏng kiểm bền phanh
tái sinh trên xe VF e34 bằng phần mềm Ansys nhằm tối ưu
hóa năng lượng thu hồi, đảm bảo tính ổn định của xe trong
quá trình phanh và giảm tốc.
- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh tái
sinh. Phân tích các phương án thu hồi và tích trữ năng lượng
tái tạo khi phanh của các nghiên cứu trước từ đó đề ra mô
hình nghiên cứu và thực nghiệm cho đề tài.
- Nghiên cứu tính toán, thiết kế các thông số cho mô
hình thí nghiệm.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng kiểm bền mô hình thí
nghiệm.
- Thực nghiệm và phân tích các kết quả thực nghiệm.
Trong [1], hệ thống phanh tái tạo được sử dụng trên ô tô
nhằm mục đích tiết kiệm một phần năng lượng bị mất trong
quá trình phanh. Ngoài ra, nó có thể hoạt động ở phạm vi
nhiệt độ cao và hiệu quả hơn so với hệ thống phanh thông
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 262thường. Hệ thống phanh tái tạo đòi hỏi phải nghiên cứu sâu
hơn để phát triển một hệ thống tốt hơn, thu được nhiều năng
lượng hơn và dừng nhanh hơn. Tất cả các phương tiện đang
chuyển động có thể được hưởng lợi từ các hệ thống này bằng
cách lấy lại năng lượng đã bị mất trong quá trình phanh. Việc
sử dụng các hệ thống hiệu quả hơn có thể dẫn đến tiết kiệm
rất lớn cho nền kinh tế của bất kỳ quốc gia nào.
Trong [9] có đề cập rằng phanh tái sinh có thể tiết kiệm
tới 25% đến 28% năng lượng lãng phí. Các hệ thống đã
được cải tiến với các linh kiện điện tử công suất tiên tiến
như siêu tụ điện, bộ chuyển đổi DC-DC (Buck-Boost) và
bánh đà. Siêu tụ điện, giúp cải thiện trạng thái tạm thời của
ô tô trong quá trình khởi động, mang lại đặc tính sạc pin
mượt mà hơn và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống
xe điện. Bộ chuyển đổi Buck-Boost giúp duy trì việc quản
lý năng lượng trong hệ thống phanh tái tạo, chẳng hạn như
tăng tốc. Cuối cùng, bánh đà được sử dụng để cải thiện quá
trình thu hồi năng lượng thông qua bánh xe ô tô. Chúng tôi
đã học được khuyến nghị và kết luận từ nhà nghiên cứu
trước đó và sau đó chúng tôi đã áp dụng vào thử nghiệm của
mình. Chúng tôi cũng đã thay đổi các thành phần và phương
pháp theo đề xuất của nhà nghiên cứu để thí nghiệm trở nên
thiết thực và hiệu quả hơn.
Trong [12], các kỹ thuật nhằm tăng hiệu quả của hệ
thống phanh tái tạo được đề cập. Kỹ thuật được đề cập là
giảm trọng lượng của ô tô giúp tăng hiệu suất, sử dụng siêu
tụ điện còn cải thiện tỷ lệ chuyển đổi năng lượng trong hệ
thống phanh tái tạo, làm cho ô tô nhỏ gọn cũng có xu hướng
tăng hiệu quả của hệ thống.
Trong [14], đề xuất hệ thống phanh điện tử cho EV và
HEV tích hợp phanh tái tạo, phanh cơ điều khiển tự động
cùng nhau. Hệ thống phanh này có thể phục hồi phần lớn
năng lượng phanh. Vì vậy, hiệu quả sử dụng năng lượng
của xe có thể được cải thiện đáng kể. Trong khi đó, hệ thống
phanh có thể thực hiện chức năng chống bó cứng bánh xe
bằng cách điều khiển động cơ điện và/hoặc bộ truyền động
phanh chạy bằng điện.
Như vậy ta thấy rằng đây là vấn đề nghiên cứu mới trong
lĩnh vực ô tô, trong nước chưa có nhiều công trình nghiên
cứu về vấn đề này. Do đó các tài liệu tham khảo đều được
nhóm nghiên cứu lựa chọn và tìm hiểu thông qua các công
trình công bố của nước ngoài. Dựa trên sự phân tích các
nghiên cứu trước, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn và đề xuất
mô hình nghiên cứu theo hướng khắc phục các hạn chế của
các nghiên cứu trước, từ đó tính toán, xây dựng mô hình mô
phỏng và kiểm bền phanh tái sinh của xe VF e34 dựa trên
các yêu cầu về thu hồi tối đa năng lượng quán tính của xe
mà vẫn đảm bảo được sự ổn định khi phanh.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Áp suất trên bề mặt ma sát được xác định bằng cách chia
lực ép má phanh vào đĩa phanh cho diện tích của má phanh.
Áp suất lên bề mặt má phanh được hạn chế bởi sức bền
của vật liệu.
≤ []= (1,5 ÷ 2,0).10 ()
Lực ép má phanh
- Đối với má phanh ở cầu trước:
= 11786 ()
- Đối với má phanh ở cầu sau: = 6502 ()
Diện tích một má phanh là: = ∑
=,
=
0,01 ()
Ta có áp suất lên bề mặt má phanh là:
- Đối với má phanh ở cầu trước: =
=
, =
1,1786. 10 ()
- Đối với má phanh ở cầu sau: =
=
, =
0,6502. 10 ()
Vậy áp suất trên các bề mặt má phanh đều nằm trong
giới hạn cho phép.
Các bước mô phỏng kết cấu kết hợp với nhiệt phanh đĩa
trên phần mềm Ansys workbench.
- Mô phỏng phanh đĩa:
+) Thiết lập bài toán nhiệt:
Trong bài toán này khi mà ta bắt đầu phanh xe thì má
phanh sẽ áp vào đĩa phanh sẽ sinh sự ma sát làm cho sinh
nhiệt độ và và để phanh đĩa hoạt động an toàn thì ta thiết
lập nhiệt độ này với mức 100°C.
Hình 1. Nhiệt độ của đĩa phanh
+) Thiết lập bài toán tĩnh:
Lấy áp lực phanh q = 1,1786.10Pa.
Hình 2. Tổng độ biến dạng của đĩa phanh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 263- Kiểm bền má phanh:
+) Thiết lập bài toán nhiệt:
Chọn mức nhiệt 100°C.
Hình 3. Nhiệt độ của má phanh
+) Thiết lập bài toán tĩnh:
Lấy áp lực phanh q = 1,1786.10Pa.
Hình 4. Tổng độ biến dạng của má phanh
- Các trường hợp khác khi sử dụng phanh tái sinh:
+) Thiết lập bài toán tĩnh với trường hợp phanh nhẹ:
Lấy áp lực khi phanh chậm q = 0,5.10Pa.
Hình 5. Tổng độ biến dạng của má phanh khi phanh nhẹ
Lấy áp lực phanh khi phanh chậm là q = 0,5.10Pa.
Hình 6. Tổng độ biến dạng của đĩa phanh khi phanh nhẹ
+) Thiết lập bài toán tĩnh với trường hợp phanh gấp:
Lấy áp lực khi phanh gấp q = 3.10Pa.
Hình 7. Tổng độ biến dạng của má phanh khi phanh gấp
Lấy áp lực phanh khi phanh gấp là q = 3.10Pa.
Hình 8. Tổng độ biến dạng của đĩa phanh khi phanh gấp
- Thiết lập bài toán tĩnh với phanh thông thường:
+) Thiết lập bài toán tĩnh với đĩa phanh:
Chọn hệ số tái sinh là 75%. Vậy áp lực phanh thông
thường sẽ là:
qth = q:75% = 1,1786.10:75% = 1,5714. 10 (Pa)
Hình 9. Tổng độ biến dạng của đĩa phanh
+) Thiết lập bài toán tĩnh với má phanh:
Lấy áp lực khi phanh gấp q = 1,5714.10Pa.
Hình 10. Tổng độ biến dạng của má phanh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 2643. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
- Nhận xét về đĩa phanh:
Dựa trên kết quả mô phỏng, cả ba loại vật liệu đều có
khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt, đáp ứng được các yêu
cầu cơ bản về độ bền nhiệt của đĩa phanh. Tuy nhiên, gang
xám có khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt kém hơn so với
thép và hợp kim titan, đồng thời có sự phân bố nhiệt và dòng
nhiệt không đồng đều hơn. Do đó, thép và hợp kim titan có
thể là lựa chọn tốt hơn cho đĩa phanh về mặt độ bền nhiệt.
Dựa trên kết quả mô phỏng, gang xám có khả năng chịu ứng
suất và biến dạng kém hơn so với thép và hợp kim titan. Do
đó, thép và hợp kim titan có thể là lựa chọn tốt hơn cho đĩa
phanh về mặt độ bền tĩnh.
- Nhận xét về má phanh:
Dựa trên kết quả mô phỏng, cả ba loại vật liệu đều có
khả năng dẫn nhiệt tốt. Tuy nhiên, gang xám có nhiệt độ tối
đa cao nhất, vượt quá nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hóa
rắn của gang xám. Do đó, gang xám không phù hợp để sử
dụng làm má phanh. Dựa trên kết quả mô phỏng, gang xám
có khả năng chịu ứng suất và biến dạng kém hơn so với thép
và hợp kim titan. Do đó, thép và hợp kim titan có thể là lựa
chọn tốt hơn cho má phanh về mặt độ bền tĩnh.
- So sánh giữa các trường hợp phanh của phanh tái sinh:
Dựa trên kết quả của bài toán kiểm bền tĩnh, có thể kết
luận rằng đĩa phanh có khả năng chịu tải tốt trong cả 3
trường hợp phanh gấp, phanh nhẹ và phanh bình thường.
Đĩa phanh không bị hư hỏng trong bất kỳ trường hợp nào,
và nó có thể đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất và độ an
toàn. Dựa trên kết quả của thử nghiệm cấu trúc tĩnh, có thể
thấy rằng má phanh chịu nhiều áp lực nhất trong trường hợp
phanh gấp, dẫn đến biến dạng, căng thẳng và biến dạng đàn
hồi cao hơn. Điều này cho thấy rằng má phanh có thể dễ bị
hư hỏng hơn trong trường hợp phanh gấp. Do đó, cần lưu ý
khi phanh gấp để tránh làm hỏng má phanh.
- So sánh giữa phanh tái sinh và phanh thông thường:
Dựa trên kết quả kiểm tra bằng phương pháp kiểm bền
tĩnh, có thể kết luận rằng má phanh và đĩa phanh tái sinh có
hiệu suất tốt hơn má phanh và đĩa phanh thông thường. Má
phanh và đĩa phanh tái sinh có tổng độ biến dạng, ứng suất
và biến dạng đàn hồi thấp hơn, cho thấy khả năng chống
biến dạng, chịu tải và phục hồi tốt hơn.
4. KẾT LUẬN
Cả thép và hợp kim titan đều có khả năng chịu nhiệt và
dẫn nhiệt tốt, phù hợp để sử dụng làm má phanh và đĩa
phanh.
Đĩa phanh có khả năng chịu tải tốt trong cả 3 trường hợp
phanh gấp, phanh nhẹ và phanh bình thường. Đĩa phanh
không bị hư hỏng trong bất kỳ trường hợp nào và nó có thể
đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất và độ an toàn.
Má phanh chịu nhiều áp lực nhất trong trường hợp
phanh gấp, dẫn đến biến dạng, căng thẳng và biến dạng đàn
hồi cao hơn. Điều này cho thấy rằng má phanh có thể dễ bị
hư hỏng hơn trong trường hợp phanh gấp. Do đó, cần lưu ý
khi phanh gấp để tránh làm hỏng má phanh.
Phanh tái sinh có hiệu suất vượt trội so với phanh thông
thường bởi vì chúng có khả năng chống biến dạng tốt hơn,
chịu tải tốt hơn và có khả năng phục hồi sau khi chịu tác
động lớn hơn.
Hiệu suất cao của má phanh và đĩa phanh tái sinh có thể
góp phần kéo dài tuổi thọ của các bộ phận này, giảm tần
suất bảo trì và thay thế, đồng thời đảm bảo an toàn và hiệu
quả phanh trong điều kiện sử dụng khắc nghiệt.
Ngoài ra, việc sử dụng các vật liệu tái sinh không chỉ
giúp cải thiện hiệu suất kỹ thuật mà còn góp phần bảo vệ
môi trường bằng cách giảm lượng rác thải và tài nguyên
thiên nhiên sử dụng.
Từ những ưu điểm này, việc áp dụng má phanh và đĩa
phanh tái sinh trong công nghiệp ô tô và các lĩnh vực liên
quan có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường
đáng kể.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. A. Eswaran, S Ajith, V Karthikeyan, P Kavin, S Loganandh, 2018. Design and Fabrication of Regenerative Braking
System, International Journal of Advance Research and Innovative Ideas in Education-Vol-4 Issue-3, pp. 2395-4396, 2018.
[2]. C. Jagadeesh Vikram, D. Mohan Kumar, Dr. P. Naveen Chandra, 2018. Fabrication of Regenerative Braking
System, International Journal of Pure and Applied Mathematics Volume 119, pp. 9973-9982.
[3]. Huỳnh Quốc Việt, 2018. Ứng dụng logic mờ để điều khiển năng lượng phanh tái tạo cho xe điện hybrid, Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
[4]. Ketan Warake, Dr. S. R. Bhahulikar, Dr. N. V. Satpute, 2018. Design & Development of Regenerative Braking
System at Rear Axle, International Journal of Advanced Mechanical Engineering. Volume 8, Number 2, pp. 2250-3234.
[5]. Khushboo Rahim, and Mohd. Tanveer, 2018. Regenerative Braking System: Review Paper, International Journal
on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, pp. 736-739.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 265[6]. Nguyễn Khắc Tuân, 2017. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ phanh đến năng lượng tái sinh khi phanh. Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái nguyên.
[7]. Phùng Văn Trang, 2011. Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh trong vận hành ô tô điện, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội.
[8]. Sayed Nashit, Sufiyan Adhikari, Shaikh Farhan, Srivastava Avinash and Amruta Gambhire, 2016. Design,
Fabrication and Testing of Regenerative Braking Test Rig for BLDC Motor, pp. 1881-1884.
[9]. Siddharth K Sheladia, Karan K Patel, V raj D Savalia, Rutvik G Savaliya, 2018. A Review on Regenerative Braking
Methodology in Electric Vehicle, International Journal of Creative Research Thoughts, Volume 6, Issue 1, pp. 2320-2882.
[10]. ThS. Dương Tuấn Tùng, 2020. Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái sinh trên ô tô,
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
[11]. ThS. Lê Văn Tụy và KS. Phạm Quốc Thái, 2011. Thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô
tô hybrid bốn chỗ, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
[12]. Tushar L. Patil, Rohit S. Yadav, Abhishek D. are, Mahesh Saggam, Ankul Pratap, 2018. Performance
Improvement of Regenerative braking system, International Journal of Scientific & Engineering Research Volume 9, Issue
5, pp. 2229-5518.
[13]. Vũ Ngọc Minh và Phạm Thị Hồng Anh, 2023. Nghiên cứu thiết kế bộ hãm tái sinh cho xe điện sử dụng động cơ
BLDC, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
[14]. Yimin Gao and Mehrdad Ehsani, 2021. SAE Transactions. Vol. 110, Section 7: “Journal of Passenger Cars:
Electronic and Electrical Systems, published by: SAE International, pp. 576-582.