Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird

Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, khi thay thế phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐT sang phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐ, thì khả năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Trần Văn Đăng, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Khổng Vũ Quảng và TS Trần Đăng Quốc Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo

và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và TS Trần Đăng Quốc đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô phản biện, các Thầy, Cô trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp

và những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Nghiên cứu sinh

Trần Văn Đăng

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục và các ký hiệu

Danh mục các biểu bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường 4

1.2 Nguồn động lực thay thế ĐCĐT… 9

1.2.1 Động cơ điện 9

1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao 9

1.2.3 Nguồn động lực hybrid 10

1.3 Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid 10

1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp 11

1.3.2 Xe hybrid song song 12

1.3.3 Xe hybrid hỗn hợp 12

1.4 Ưu và nhược điểm của xe hybrid 13

1.5 Các thành phần chính trong xe hybrid 14

1.5.1 Động cơ đốt trong 14

1.5.2 Động cơ điện 14

1.5.3 Ắc-quy 15

1.5.4 Hệ thống truyền lực 15

1.6 Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid 16

1.7 Nghiên cứu ngoài nước 16

1.8 Nghiên cứu trong nước 21

1.9 Các dòng xe hybrid trên thị trường 23

1.10 Phương pháp tiếp cận của đề tài 24

1.11 Kết luận 25

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 26

2.1 Quan điểm và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 26

2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid 26

2.1.2 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 27

2.2 Cơ sở tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 29

2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid 29

2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe hybrid 31

2.2.3 Cơ sở tính toán các nguồn động lực xe hybrid 38

2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực 46

2.3 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise 50

2.3.1 Phạm vi của AVL – Cruise 50

2.3.2 Phương pháp tính toán trong AVL – Cruise… 51

2.3.3 Tạo chu trình thử mới trong phần mềm AVL-Cruise… 62

2.3.4 Các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise… 63

2.4 Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVL-Cruise…

64 2.5 Kết luận 64

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 65

3.1 Tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 65

3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid 65

3.1.2 Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid 66

3.2 Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid 72

3.2.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid 72

3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid 75

3.2.3 Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp của xe hybrid 78

3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mô men 81

3.2.5 Chu trình tắt và khởi động ĐCĐT 83

3.3 Tính toán thiết kế cơ cấu phối hợp của hệ động lực 85

3.3.1 Tính toán bộ truyền CVT 85

3.3.2 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa trục ra CVT và trục chính 88

3.3.3 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục chính 90

3.3.4 Tính toán, thiết kế trục chính 91

3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid 92

3.3.6 Hiệu suất xe hybrid 97

3.4 Tính toán mô phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL – Cruise 99

3.4.1 Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid 99

3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống 100

3.4.3 Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mô phỏng xe hybrid và xe truyền thống trong AVL-Cruise 103

3.4.4 Kết quả chạy mô phỏng theo chu trình UDC 104

3.4.5 Kết quả chạy mô phỏng với chu trình có tốc độ ổn định 117

3.5 Kết luận 118

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 119

4.1 Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm 119

4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm 119

4.1.2 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm 119

4.2 Nội dung thử nghiệm 119

4.3 Trang thiết bị thử nghiệm 120

4.3.1 Lắp đặt mô hình lên băng thử 120

4.3.2 Băng thử phanh kiểu dòng điện xoáy 121

4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải 122

4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 124

4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ 125

4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm 125

4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm 126

4.3.8 Chế độ thử nghiệm 127

4.4 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 127

4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng 127

4.4.2 Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ 129

4.5 So sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm 135

4.5.1 Các công thức tính toán khi thử nghiệm 135

4.5.2 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng 136

4.6 Kết luận 141

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ……… 142

Danh mục các công trình công bố

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ra , MraA Mô men và tốc độ vòng quay trục ra tại điểm A

MD, nD Mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐ truyền đến trục và bộ

kết hợp công suất

MN, nN Mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐT truyền đến trục và bộ

kết hợp công suất

Mra, nra Mô men và tốc độ vòng quay trục ra của bộ kết hợp công suất

a,b Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục bánh xe trước và bánh

BEV Battery Electric Vehicle

Cl Hệ số ảnh hưởng bởi chiều dài đai

Cu Hệ số ảnh hưởng bởi tỉ số truyền

Cz Hệ số ảnh hưởng bởi tải trọng

Cα Hệ số ảnh hưởng bởi góc ôm đai

DC – AC Bộ đổi điện từ 1 chiều thành xoay chiều

DC – DC Bộ đổi dòng 1 chiều từ mức điện áp này sang mức điện áp khác

DLL Dynamic Link Library

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EVT Electric Variable Transmission

f Hệ số cản lăn vì giả thiết mặt đường bê tông

F a Lực cản quán tính đặt tại trọng tâm mô hình và sinh ra khi ô tô

F f Lực cản lăn sinh ra chủ yếu do biến dạng đàn hồi của bánh xe

Fm Lực kéo móc N

FTP Federal Test Procedure

hw Khoảng cách từ mặt đường đến điểm đặt lực cản không khí m

k Hệ số ma sát giữa dây đai và puly

k1 , k2 Hằng số được xác định bởi các thông số của kết nối mô men

LPI Liquefied Petroleum Injected

Mexh,d Khối lượng phân tử của khí ướt g/mol

Mexh,w Khối lượng phân tử của khí ướt g/mol

NDIR Nondispersive infrared sensor

NOx, CO,

HC

Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong bị

P ĐCĐ,

P ĐCĐT

PID Proportional Integral Derivative

PNVG Nghiên cứu phát triển các thế hệ mới xe cơ giới (Partnership

for a New Generation of Vehicles)

P tong Tổng công suất yêu cầu của xe kW

V1

Vận tốc xe phù hợp với cận dưới trong dải làm việc tối ưu của

ĐCĐT và vận tốc cho phép xe chạy trong khu vực đông dân

cư tương ứng với Vxe khi có ĐCĐ chạy độc lập

km/h

Vận tốc xe phù hợp với cận trên trong dải làm việc tối ưu của

ĐCĐT và vận tốc cho phép xe chạy ngoài khu vực đông dân

cư tương ứng với Vxe khi có ĐCĐT chạy độc lập

km/h

V3

Vận tốc xe chạy ngoài khu vực dân cư hoặc chạy trên đường

cao tốc tương ứng với trường hợp cả hai nguồn động lực cùng

làm việc

km/h

Bảng 2.3 Độ dốc lớn nhất của đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054 : 2005 40

Bảng 3.11 Thông số chi tiết của chu trình thử UDC (Urban Driving Cycle) 103

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phương tiện tham gia giao thông tại thành phố lớn ở Việt Nam 4 Hình 1.2 Ô nhiễm môi trường trong hoạt động giao thông vận tải 5 Hình 1.3 Doanh số xe điện – hybrid toàn cầu 6

Hình 1.4 Quãng đường di chuyển đối với xe thông thường, xe hybrid (HEV),

Hình 1.5 Thời gian cung cấp nhiên liệu cho xe thông thường và xe sử dụng

Hình 1.12 Đường cong điển hình của mô men xoắn/công suất so với tốc độ

Hình 1.16 Sơ đồ phối hợp nguồn động lực và xe máy hybrid sau khi cải tạo 19

Hình 1.17 Sơ đồ phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp 19

Hình 2.1 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong (Động cơ xăng) 26 Hình 2.2 Lưu đồ quy trình thực hiện tính toán thiết kế hệ thống hybrid 28

Hình 2.16 Lưu đồ chiến lược điều khiển tổng quan xe hybrid 47

Hình 2.22 Sơ đồ tổng quát tính toán phát thải và tiết kiệm nhiên liệu cho

Hình 2.23 Sơ đồ tính toán mô hình động cơ điện khi hoạt động ở chế độ đẩy 59

Hình 2.27 Chu trình thử mới được nạp vào mô hình mô phỏng trong phần

Hình 2.29 Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm

Hình 3.5 Chiến lược sạc ắc quy 77

Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử nguồn động lực xe hybrid 92

Hình 3.25 So sánh mô men xoắn ĐCĐT ở xe hybrid và xe truyền thống 106

Hình 3.30 So sánh lượng nhiên liệu tiêu thụ giữa xe truyền thống và xe

Hình 3.32 So sánh lực kéo của ĐCĐT giữa xe truyền thống và xe hybrid 116 Hình 3.33 So sánh lực cản không khí giữa xe hybrid và xe truyền thống 117 Hình 4.1 Hệ phối hợp nguồn động lực hybrid được lắp đặt trên băng thử 120

Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường do khí thải của ĐCĐT đã và đang là áp lực rất lớn đối với các nhà thiết kế và chế tạo xe cơ giới Với trình độ công nghệ hiện có và nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì xe chạy bằng động cơ điện (ĐCĐ) là giải pháp triệt để cho tình trạng ô nhiễm bởi khí thải của

xe cơ giới hiện nay Thực tế đã có hàng loạt mẫu xe cơ giới chạy bằng điện được sinh

ra từ các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên xe hoặc chạy bằng điện từ ắc quy đã được thiết kế và chế tạo [4] Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, khi thay thế phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐT sang phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐ, thì khả năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo và lắp ráp ĐCĐT dẫn đến lãng phí và thiệt hại cho các nhà chế tạo và lắp ráp phương tiện giao thông, cùng với các sự kết hợp phát triển các ngành sử dụng ĐCĐT cũng ảnh hưởng không nhỏ tới

sự thay thế này Do vậy việc giảm tính phụ thuộc vào nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa thạch và phát triển công nghệ tiết kiệm nhiên liệu cùng giảm sự ô nhiễm môi trường

do khí thải gây ra vẫn cần được phát triển và vai trò quan trọng trong nền kinh tế Phát triển xe hybrid được xem là một trong những giải pháp quá độ nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm mức độ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải của ĐCĐT trang bị trên xe cơ giới [5] Xe hybrid là phương tiện di động có hệ thống động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau Các loại phương tiện có thể coi là xe hybrid như xe đạp điện chạy bằng cách sử dụng bàn đạp và bằng động cơ điện, xe ô tô được trang bị cả ĐCĐT và ĐCĐ để dẫn động bánh xe chủ động,

xe lửa được trang bị cả ĐCĐ để chạy bằng điện lưới và động cơ diesel để chạy ở những khu vực không có lưới điện, máy bay được trang bị động cơ phản lực để bay

và ĐCĐ để di chuyển trên đường băng, tàu ngầm điện - diesel được trang bị ĐCĐ để chạy khi tàu lặn và động cơ diesel để chạy khi tàu nổi trên mặt nước

Xe hybrid có hệ động lực được cấu thành từ ĐCĐT và ĐCĐ đã được chế tạo từ những năm cuối thế kỷ XVIII và đã tạo được ấn tượng mạnh mẽ trong giai đoạn đầu mới phát triển nhờ các tính năng vượt trội so với ô tô truyền thống [6] Tuy nhiên, do vận hành và sửa chữa đơn giản hơn, giá thành ĐCĐT ngày càng giảm do được sản xuất hàng loạt, nhu cầu sử dụng ngày càng rộng Xe truyền thống đã chiếm lĩnh gần như toàn bộ thị trường của xe hybrid trong giai đoạn trước năm 1990 Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và các tiêu chuẩn về khí thải ngày càng khắt khe, xe hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990

và đã đạt được những thành tựu đáng kể Bên cạnh những ưu điểm vốn có của phương

án hybrid, cùng với đó là những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo như cơ khí, điện - điện tử, thông tin,… cũng được xem là yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành công của xe hybrid hiện đại

Trong quá trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa ô tô chỉ có thể đạt được khi tối ưu hóa được các chế độ làm việc của các nguồn năng lượng Đây là vấn đề thuộc nội hàm của khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực trên xe hybrid Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm hiện nay, ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về hoán cải một mẫu xe đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam hoặc nghiên cứu thiết kế cụm chi tiết thiết bị đươc đánh giá cao về tính ứng dụng

Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong nước về xe hybrid vẫn còn ít và chưa nhiều về tính mới chỉ đề cập đến những khái niệm cơ bản hoặc giới thiệu những thành tựu mới của các hãng chế tạo xe hybrid hay thiết kế chế tạo cụm thiết bị nên vẫn còn nhiều vấn đề nghiên cứu cần được giải quyết Mặt khác, công nghệ chế tạo cũng như đánh giá hiệu quả các nguồn động lực hybrid vẫn còn là bí quyết của một số hãng chế tạo xe hybrid hàng đầu trên thế giới

Với mục đích nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn nhằm xây dựng quy trình tính toán và thiết kế hệ động lực cho xe hybrid cũng như mô phỏng sự hoạt động của xe hybrid để đánh giá mức độ tin cậy của việc thiết kế và chế tạo hệ động lực làm cơ sở cho nghiên cứu phát triển công nghệ xe hybrid

Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird” góp

phần bổ sung những kiến thức và công nghệ liên quan đến lĩnh vực xe hybrid ở Việt Nam

ii Mục tiêu của đề tài

- Đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid

- Áp dụng giải pháp và quy trình trên để tính toán thiết kế một mô hình hệ động lực trên xe hybrid

Mô hình xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp với hệ động lực được cấu thành từ ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:

• Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra giải pháp phối hợp các nguồn động lực theo kiểu hỗn hợp và cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid

• Nghiên cứu mô phỏng, gồm:

- Tính toán thiết kế các bộ truyền dẫn của hệ động lực trên phần mềm Inventor;

- Nghiên cứu mô phỏng mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp theo chu trình thử bằng phần mềm AVL - Cruise

• Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid

v Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

- Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ động lực xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp, gồm ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy cỡ nhỏ

- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Luận án đã đưa ra quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid và áp dụng quy trình để tính toán thiết kế một hệ động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi

- Luận án sử dụng thành công phần mềm AVL - Cruise trong tính toán mô phỏng động học, động lực học và tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe hybrid theo chu trình thử

- Đã thành công trong thiết kế, chế tạo và thử nghiệm để đánh giá khả năng phối hợp các nguồn động lực trong hệ động lực xe hybrid

- Kết quả của luận án là một trong những giải pháp có thể lựa chọn để góp phần giảm phát thải ô nhiễm môi trường và tiêu hao nhiên liệu cho các phương tiện tham gia giao thông nội đô

vii Bố cục của luận án

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:

- Mở đầu

- Chương1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid

- Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ động lực xe hybrid

- Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm

- Kết luận chung và hướng phát triển

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường

Ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề không chỉ của một quốc gia, một khu vực mà là mối quan tâm chung của toàn nhân loại Quá trình phát triển kinh tế -

xã hội của các quốc gia trên thế giới đã gây ra những ảnh hưởng nặng nề đến môi trường Nó làm cho môi trường sống của loài người bị biến đổi và ngày càng xuống cấp Đó là sự biến đổi của khí hậu - nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axít,…và đặc biệt là ô nhiễm không khí do hoạt động giao thông vận tải gây ra

Ở Việt Nam, ô nhiễm không khí trên địa bàn các đô thị lớn đã và đang trở thành một vấn đề cấp bách Sự ô nhiễm này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó sự gia tăng về số lượng phương tiện tham gia giao thông tại các thành phố lớn như thể hiện trên Hình 1.1 được coi là một trong những nguyên nhân chính, bởi mức độ ô nhiễm không khí tỷ lệ thuận với số lượng phương tiện tham gia giao thông Theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 toàn quốc có 41.941.332 phương tiện (4.180.478 xe ô tô, 37.760.854 xe mô tô, xe máy) [7,8]

Tính đến tháng 7/2020, thành phố Hồ Chí Minh có 8,94 triệu phương tiện cá nhân, tăng gần 7% so với cùng kỳ năm 2018 Trong đó, có hơn 825.000 ô tô (tăng gần 16%) và 8,12 triệu xe máy (tăng hơn 6%) Như vậy, chỉ trong khoảng 10 năm (từ năm 2010 đến nay) đã tăng thêm hơn 4 triệu phương tiện giao thông Theo thống kê, bình quân mỗi tháng có 30.000 phương tiện giao thông đăng ký mới, tức mỗi ngày

có 1.000 phương tiện đăng ký mới [7]

Còn theo phòng CSGT Hà Nội, tính đến Quý 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản

lý 6.649.596 phương tiện Trong đó có 739.731 ô tô, 5.761.436 xe máy và xe máy điện là 148.429 chiếc Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, trong năm 2017, số

Hình 1.1 Phương tiện tham gia giao thông tại thành phố lớn ở Việt Nam

lượng phương tiện tăng 5,3%, đến năm 2018 tăng 4,2% và năm 2019 so với 2018 đã tăng 1,5% Theo số liệu phương tiện được phòng CSGT thống kê, xe máy đang chiếm đến 86% lượng phương tiện giao thông đang tham gia ở Hà Nội [7]

Ngoài ra, chất lượng của các phương tiện giao thông cũng là một vấn đề rất đáng bàn Hình 1.2 cho thấy hầu hết những loại xe ô tô cũ và xe máy sau một thời gian lưu hành đều có mức phát thải cao ra môi trường do nhiều người tham gia giao thông tại Việt Nam còn chưa có thói quen bảo dưỡng phương tiện định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất [7] Chính vì vậy làm giảm chất lượng quá trình cháy, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và đồng nghĩa với đó là tăng phát thải ô nhiễm môi trường

Đứng trước thực trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do các hoạt động giao thông vận tải, gây tác động tiêu cực đến cuộc sống sinh hoạt và sức khỏe của con người, đã có nhiều biện pháp được triển khai thực hiện Trong đó, vào năm 2019 Thủ tướng ban hành Quyết định 16/2019 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu Theo đó, các mức tiêu chuẩn áp dụng cho xe ô tô được nâng lên so với mức quy định tại Quyết định 249/2005 và áp dụng từ ngày 1/1/2020 Để cải thiện chất lượng khí thải thì một trong những giải pháp đem lại hiệu quả từ những phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng hoặc diesel

là sử dụng nhiên liệu thay thế như xăng sinh học, diesel sinh học, khí CNG, LPG,

…[7] Những ưu điểm vượt trội về khía cạnh phát thải của nhiên liệu sinh học so với nhiên liệu hóa thạch là không thể phủ nhận, tuy vậy vẫn còn tồn tại những hạn chế cần phải xem xét đến như: quá trình để sản xuất nhiên liệu sinh học cũng gây phát thải khí CO2; việc phá rừng để có diện tích canh tác các loại cây trồng làm nhiên liệu

Hình 1.2 Ô nhiễm môi trường trong hoạt động giao thông vận tải

sản xuất nhiên liệu sinh học làm giảm diện tích rừng tự nhiên, làm tăng thêm lượng phát thải khí CO2; việc canh tác các loại cây nhiên liệu cần nước để tưới tiêu hợp lý, điều này có thể tạo sức ép lên nguồn nước ngầm của địa phương và khu vực; để tinh chế nhiên liệu sinh học thành năng lượng hiệu quả hơn cần xây dựng các nhà máy sản xuất cần thiết để tăng sản lượng nhiên liệu sinh học, thường đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu cao, khiến giá thành của nó hiện tại còn tương đối cao; việc sử dụng các loại cây trồng biến đổi gen để tăng năng suất sản xuất nhiên liệu sinh học tạo ra nguy cơ gây biến đổi gen sẽ di truyền gây hại cho các loại cây nông nghiệp khác và

sự du nhập của các loài xâm lấn thông qua trồng trọt làm thức ăn chăn nuôi cũng có thể gây hại Vì những lí do đó thì bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu thay thế việc hướng tới phương tiện giao thông sử dụng nguồn năng lượng điện hoặc hydro cũng

là một hướng đi giàu tiềm năng [10] Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng các loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế, năng lượng điện, hydro cũng đã có những sự gia tăng đáng kể Bên cạnh đó trên thế giới những nghiên cứu về vấn đề này cũng được chú trọng và đang rất phát triển góp phần nâng cao sự hoàn thiện về mặt kĩ thuật của những dòng xe này Hơn nữa, việc đầu tư cải tạo hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng hết sức được chú trọng Vì vậy ta có thể tin rằng trong tương lai chắc chắn nhu cầu sử dụng dòng xe này sẽ còn tiếp tục tăng cao

Tuy nhiên để sử dụng năng lượng điện hoặc hydro trên phương tiện giao thông cần một trong hai giải pháp đó là thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ ĐCĐT (xe thuần điện (BEV) hoặc xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV)) hoặc phối hợp nguồn năng lượng từ ĐCĐT với ĐCĐ (xe hybrid) [11]

Trên thế giới lượng xe có yếu tố “điện” (xe điện, xe hybrid và xe sử dụng pin nhiên liệu) được bán trên toàn cầu đạt 1,3 triệu xe, chiếm hơn 6% lượng xe tiêu thụ toàn cầu Mẫu xe Tesla Model 3 chạy hoàn toàn bằng điện là mẫu xe bán chạy thứ 11

ở Mỹ năm 2018 và đặc biệt là vào thời điểm cuối năm Khả năng lớn Tesla sẽ còn

đẩy được doanh số bán mạnh mẽ hơn nữa trong thời gian tới Hình 1.3 cho thấy xu hướng thay đổi như vậy có thể coi là đã rõ ràng, có thể sẽ cần nhiều thời gian nữa để những thay đổi này được áp dụng ở các nước đang phát triển như Việt Nam Lợi ích

to lớn về môi trường của xe điện là không thể chối cãi Quá trình từ sản xuất, vận hành đến loại bỏ một xe điện tạo ra lượng khí thải chỉ bằng một nửa xe chạy xăng thông thường, tính cả ô nhiễm từ việc sản xuất pin

Quãng đường di chuyển của xe điện trên một lần sạc là thấp hơn so với xe truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch Xe hybrid lại có quãng đường di chuyển tương đương với xe truyền thống như thể hiện ở Hình 1.4 Trong đó, xe Hyundai Tucson và xe Mercedes-Benz GLK250 là xe thông thường; xe Toyota Highlander là

xe hybrid; xe Hyundai 2015 là xe fuel cell và xe RAV4 2014 là xe điện thuần Tuy nhiên xe điện vẫn còn nhiều thách thức để trở nên thông dụng Thời gian sạc điện lâu

là một trong những hạn chế của xe điện, xe điện cần trạm sạc điện chuyên dụng mà thời gian chờ sạc lại lâu, điều này được thể hiện rõ ràng trên Hình 1.5 Chi phí để lắp đặt trạm sạc điện cao Bên cạnh đó, hiện nay giá thành xe điện cao do sử dụng công nghệ cao và quy mô thị trường chưa đủ lớn Khối pin sau nhiều năm sử dụng cần thay mới chi phí cao có thể chiếm đến 20% giá trị chiếc xe lúc mua vào Việc sửa chữa, thay thế, bảo dưỡng xe điện cũng gặp khó khăn do chưa phổ biến Ngoài ra, người dùng còn chịu hạn chế trong việc sử dụng các ứng dụng trên xe do yếu tố khấu hao pin Đó là những thách thức cơ bản, khiến xe điện còn chưa được sử dụng rộng rãi trên thế giới đặc biệt là một quốc gia còn đang phát triển như Việt Nam Chính vì vậy

để phù hợp với mục tiêu giảm ô nhiễm môi trường mà không làm ảnh hưởng nhiều đến thói quen sử dụng cũng như đòi hỏi một sự thay đổi đồng bộ về cơ sở hạ tầng giao thông thì việc phát triển xe hybrid ở Việt Nam là một hướng đi phù hợp trong

Hình 1.4 Quãng đường di chuyển đối với xe thông thường, xe hybrid (HEV), xe sử

dụng pin nhiên liệu (FCV) và xe thuần điện (BEV)

giai đoạn hiện nay, nhất là đối với các phương tiện cá nhân thì xu hướng này hoàn toàn phù hợp với chiến lược phát triển phương tiện giao thông “sạch” được thể hiện trên Hình 1.6 Do đó, việc ưu tiên nghiên cứu phát triển về xe hybrid cũng là một hướng đi cần được chú trọng trong thời gian tới

Hình 1.5 Thời gian cung cấp nhiên liệu cho xe thông thường và xe sử dụng pin

nhiên liệu (FCV) và thời gian sạc điện cho xe

Hình 1.6 Chiến lược phát triển xe sử dụng năng lượng điện và hydro

1.2 Nguồn động lực thay thế ĐCĐT

Sử dụng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đang là hướng đi

mà các nhà khoa học đã và đang thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề như giảm sự phụ thuộc nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm ô nhiễm môi trường do ĐCĐT gây ra Cùng xu hướng phát triển chung của các ngành khoa học, ngành cơ khí động lực cũng có những bước phát triển đáng kể, nhiều công nghệ thân thiện với môi trường đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, trong đó phải kể đến

xu hướng dùng động cơ điện, động cơ sử dụng pin nhiên liệu, động cơ khí nén để thay thế một phần ĐCĐT trên các trang bị động lực [10,13,14] Các vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong các nội dung nghiên cứu dưới đây

1.2.1 Động cơ điện

Với đặc tính được thể hiện trên Hình 1.7 Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc

tính gần sát với đặc tính kéo lý tưởng của ô tô Thông thường mô-tơ điện khởi động

từ tốc độ bằng 0 Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổi còn dòng thì yếu

đi Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi mô men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ Do đó hệ dẫn động từ động cơ đến cầu chủ động chỉ cần đơn cấp hay hai cấp đủ để thỏa mãn lực kéo yêu cầu, trong khi ĐCĐT lại cần phải có bộ truyền đa cấp Đây chính là ưu điểm của ĐCĐ so với ĐCĐT khi trang bị trên các phương tiện vận tải [10,14]

1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao

Với mục tiêu không khí thải, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giải pháp động cơ

sử dụng khí nén có áp suất cao để thay thế cho ĐCĐT Phương án này sử dụng khí

có áp suất cao đưa vào xilanh để giãn nở sinh công, như vậy khí nén cần được tích trong bình có áp suất cao tới 300 bar và thể tích đủ lớn để đảm bảo cung cấp cho động

cơ làm việc trong khoảng thời gian cần thiết Tuy nhiên lưu trữ khí có áp suất cao vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục phải nghiên cứu giải quyết, vì vậy hiện nay giải pháp này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và có nhiều hứa hẹn trong tương lai [9,10]

Hình 1.7 Đặc tính của một ĐCĐ

1.2.3 Nguồn động lực hybrid

Để phát huy các ưu điểm cũng như hạn chế các vấn đề còn tồn tại của động cơ điện khi dùng trên phương tiện vận tải, các nhà khoa học đã đưa ra giải pháp phối hợp giữa ĐCĐ với ĐCĐT, hay thường gọi là xe hybrid Với phương án này, không chỉ giải quyết được vấn đề hạn chế của động cơ điện mà còn phát huy được lợi thế của ĐCĐT Như vậy nguồn động lực hybrid là sử dụng ít nhất 2 nguồn động lực bổ sung cho nhau trong quá trình hoạt động của phương tiện Với các ưu điểm vượt trội

về hiệu suất của nguồn động lực hybrid cũng như khả năng tương thích về mô men kéo của hệ động lực hybrid với đặc tính kéo của phương tiện, như thể hiện trên Hình 1.8

Như vậy có thể thấy rằng, ô tô sử dụng hydro, ô tô điện, ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời, ô tô chạy bằng khí nén cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định mà chưa dễ thực hiện với thực trạng kinh tế kỹ thuật hiện nay Trong bối cảnh đó thì xe hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và ĐCĐ được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trường đô thị và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch [10,13] Chính vì vậy, để có thể làm chủ công nghệ xe hybrid và khai thác hiệu quả cũng như định hướng phát triển công nghệ xe hybrid, việc nghiên cứu về xe hybrid cần được quan tâm và đẩy mạnh hơn nữa

1.3 Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid

Về cơ bản có ba kiến trúc phối hợp khác nhau:

(a) Xe hybrid nối tiếp, trong đó động cơ, kết hợp với máy phát điện, cung cấp năng lượng sạc cho pin và cung cấp năng lượng điện cho ĐCĐ, ĐCĐ cung cấp mô-men xoắn cho các bánh xe

Hình 1.8 Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc

(b) Xe hybrid song song sử dụng ĐCĐT hoặc ĐCĐ hoặc cả hai để dẫn động bánh xe, ĐCĐ hoạt động như một máy phát điện để sạc lại pin trong quá trình phanh tái sinh hoặc khi ĐCĐT sản xuất nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để dẫn động bánh xe [10,11,15]

(c) Xe hybrid kết hợp giữa nối tiếp và song song sử dụng ĐCĐT hoặc ĐCĐ hoặc cả hai để dẫn động bánh xe Mặc dù sở hữu các tính năng ưu việt của cả xe hybrid nối tiếp và song song, xe hybrid hỗn hợp tương đối phức tạp và tốn kém hơn Tuy nhiên, hệ thống này đã được sử dụng trong một số xe hybrid hiện đại vì các công nghệ điều khiển và sản xuất tiên tiến có thể được áp dụng

1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp

Xe hybrid kiểu nối tiếp được thể hiện trên Hình 1.9 cho thấy, ĐCĐ sẽ là nguồn động lực chính dẫn động bánh xe, còn ĐCĐT có nhiệm vụ dẫn động máy phát điện

để cung cấp năng lượng cho ĐCĐ và sạc điện cho ắc quy [5,10,13] Như vậy, với phương pháp phối hợp kiểu nối tiếp cho phép ĐCĐT luôn hoạt động ở vùng tải trọng

và tốc độ tối ưu, nhờ đó nâng cao được hiệu suất nhiệt của động cơ Hơn nữa, mô men xoắn truyền đến các bánh xe do ĐCĐ sinh ra nên việc điều khiển tốc độ của xe tương đối đơn giản Thêm vào đó, cấu trúc đơn giản của dòng truyền công suất (thẳng) nên không cần thiết phải thiết kế bộ truyền, vì thế nên xe có cấu tạo đơn giản Tuy nhiên, hệ thống phối hợp nối tiếp cần sử dụng ĐCĐ có công suất lớn để đáp ứng được công suất của xe nên dẫn đến kích thước ĐCĐ lớn và đặc biệt kích thước và dung tích ắc quy khá lớn để cung cấp đủ năng lượng cho xe hoạt động Hơn nữa do phải thực hiện nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng, gồm chuyển từ hóa năng của nhiên liệu sang cơ năng của ĐCĐT và tiếp tục chuyển sang điện năng của máy phát và nạp vào ắc quy ở dạng điện năng, cuối cùng chuyển sang cơ năng ở ĐCĐ, do vậy có thể làm giảm hiệu suất tổng của hệ thống

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo xe hybrid nối tiếp

1.3.2 Xe hybrid song song

Sơ đồ cấu tạo xe hybrid kiểu song song được thể hiện trên Hình 1.10, với kiểu phối hợp này cho phép ĐCĐT và ĐCĐ có thể độc lập dẫn động bánh xe hoặc cùng phối hợp nguồn động lực để dẫn động bánh Chính vì thế phương án phối hợp song song không cần ĐCĐ có kích thước lớn và không cần các khâu biến đổi năng lượng

từ ĐCĐT tới các bánh xe, do đó hiệu suất hệ thống có thể cao hơn so với phương án phối hợp nối tiếp [12,14,15]

Ngoài ra, với hệ thống phối hợp song song có thể cho phép công suất định mức của ĐCĐ nhỏ hơn nhiều công suất định mức của ĐCĐT vì đặc tính mô men – tốc độ của ĐCĐ tốt hơn so với đặc tính mô men – tốc độ của ĐCĐT Hơn nữa bộ truyền động từ hệ thống phối hợp đến cầu chủ động có thể chỉ cần lựa chọn bộ truyền một cấp là phù hợp Với phương án này, phương tiện sử dụng nguồn động lực hybrid song song sẽ có khả năng leo dốc, gia tốc tốt, tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất tổng cao Tuy nhiên, việc điều khiển hệ thống dẫn động hybrid song song phức tạp hơn nhiều so với hệ dẫn động nối tiếp vì hệ thống phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT

và ĐCĐ với cầu chủ động khá phức tạp Khớp nối cơ học giữa động cơ và bánh xe chủ động khiến các điểm làm việc của động cơ không thể duy trì trong một dải tốc

độ hẹp

1.3.3 Xe hybrid hỗn hợp

Trong xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐ, máy phát điện, ĐCĐT và bánh xe của xe

có thể được liên kết với nhau thông qua một hoặc nhiều bộ bánh răng hành tinh hoặc các thiết bị khác Hình 1.11 cho thấy sơ đồ hệ thống hybrid hỗn hợp Trong đó năng lượng do ĐCĐT và ĐCĐ cung cấp được phân chia và truyền đến các bánh xe thông

qua hai đường dẫn: nối tiếp và song song Các đường dẫn dẫn qua máy phát điện

được kết nối với hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) tới ĐCĐ đến các bánh xe Trong đường dẫn này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua máy phát điện và năng lượng điện có thể một phần năng lượng sạc

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo xe hybrid song song

cho ắc quy và một phần năng lượng thông qua ĐCĐ để dẫn động bánh xe hoặc toàn

bộ năng lượng đến ĐCĐ để dẫn động bánh xe Trong đường dẫn song song, động cơ được kết nối thông qua bánh răng cùng với hệ thống truyền lực liên kết Trong đường dẫn này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được truyền một phần hoặc toàn bộ cơ học đến các bánh xe, và phần không được truyền tới các bánh xe sẽ được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua máy phát điện để sạc ắc quy Nếu công suất ĐCĐT không thể đáp ứng công suất yêu cầu của xe, hệ thống truyền động ĐCĐ sẽ cung cấp thêm mô men xoắn cho các bánh xe Xe hybrid kiểu hỗn hợp hoạt động mọi lúc như

là sự kết hợp của nối tiếp và song song Nó cho phép hệ thống truyền động động cơ điện điều chỉnh tải động cơ để đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu tối ưu [10,13,15] Như vậy xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ phát huy được ưu điểm của xe hybrid kiểu nối tiếp khi chạy trong thành phố và ưu điểm của xe hybrid kiểu song song khi chạy ngoài xa lộ mang lại hiệu quả cao cho xe hybrid trong khi với xe hybrid nối tiếp hay song song chỉ phát huy được ưu điểm đối với một dạng địa hình nhất định

1.4 Ưu và nhược điểm của xe hybrid

Xe hybrid đã và đang được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội so với phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT truyền thống Cụ thể như:

- Thu hồi năng lượng: với hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ hóa năng sang

cơ năng một cách hiệu quả hơn, xe hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi năng lượng

bị tổn hao trong quá trình vận hành Đối với xe thông thường khi được phanh lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa phanh Trong khi đó, đối với xe hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp vào ắc quy, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong quá trình vận hành xe được thu hồi và tái sử dụng Tuy nhiên xe hybrid vẫn được trang bị hệ thống phanh như xe thông thường trong trường hợp người lái cần phanh khẩn cấp [10,15]

- Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: xe hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều

so với ĐCĐT thông thường nhờ có các chiến lược phối hợp nguồn động lực một cách

Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo xe hybrid hỗn hợp

hợp lý Ngoài ra, khi vận hành trên đường trường, nguồn động lực chính là ĐCĐT hoạt động ở chế độ có hiệu suất cao nên sẽ giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu [5]

- ĐCĐ được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên ĐCĐT chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ giúp làm giảm được kích thước của hệ thống

- Phạm vi vận hành rộng và tính năng kỹ thuật đảm bảo như những phương tiện

1.5 Các thành phần chính trong xe hybrid

So với một chiếc xe truyền thống thì xe hybrid gồm: ắc quy, ĐCĐT, ĐCĐ hệ thống truyền động và mô đun điện tử công suất như bộ chuyển đổi DC - DC và bộ biến tần DC - AC trong hệ thống xe hybrid

1.5.1 Động cơ đốt trong

Đối với hệ động lực xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐT chính là nguồn động lực chính cung cấp năng lượng vận hành cho cả hệ thống ĐCĐT sử dụng trên xe hybrid thường có tỷ số nén cao hơn động cơ thông thường, do đó hiệu suất và công suất riêng cao hơn động cơ thông thường [10,15]

1.5.2 Động cơ điện

ĐCĐ cũng đóng vai trò quan trọng trong công nghệ hybrid Tùy thuộc vào cấu trúc của xe hybrid, ĐCĐ có thể được sử dụng làm thiết bị điều chỉnh công suất cực đại, thiết bị chia sẻ tải hoặc nguồn mô men xoắn nhỏ ĐCĐ trong xe hybrid cần hoạt động tốt ở hai chế độ bình thường và mở rộng Ở chế độ bình thường, động cơ sẽ tạo

ra mô men xoắn không đổi trong phạm vi tốc độ định mức Trên tốc độ định mức, động cơ chuyển sang chế độ kéo, trong đó mô men xoắn giảm theo tốc độ Trong xe hybrid, ĐCĐ cung cấp mô men xoắn cần thiết để tăng tốc đầy đủ trong chế độ bình thường trước khi nó chuyển sang chế độ mở rộng để có tốc độ ổn định Chức năng thứ hai của ĐCĐ là thu năng lượng từ phanh

ĐCĐ là một trong những thành phần quan trọng nhất trong một chiếc xe hybrid Động cơ DC không chổi than và động cơ cảm ứng AC được sử dụng rộng rãi do hiệu quả cao hơn, chi phí thấp hơn, bảo trì ít hơn và tuổi thọ dài hơn Động cơ cảm ứng có

vẻ không phù hợp với nguồn DC của xe hybrid vì nó yêu cầu nguồn cung cấp AC,

nhưng AC có thể dễ dàng bị đảo ngược từ nguồn DC do những tiến bộ trong điện tử công suất hiện đại

Do điện áp DC thay đổi theo trạng thái sạc của ắc quy (SOC) và điều kiện hoạt động trong xe điện hybrid, nên động cơ BLDC hoặc động cơ cảm ứng AC phải làm việc với bộ chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC, để chuyển đổi điện áp DC thành mức điện áp hoạt động cần thiết của động cơ điện Hiệu suất cần thiết của bộ chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC thường trên 95% trong các ứng dụng xe hybrid [9,10,15]

Trong thiết kế hệ thống xe hybrid, cần biết các đường đặc tính mô men/ công suất so với đường viền tốc độ như thể hiện trên Hình 1.12

1.5.3 Ắc quy

Một trong những hệ thống quan trọng trong xe hybrid, ắc quy ảnh hưởng trực

tiếp đến hiệu quả của phương tiện Trong xe hybrid, ắc quy có mật độ năng lượng cao, độ bền bên trong thấp, chu kỳ dài và tuổi thọ ngắn Tùy thuộc vào mục tiêu thiết

kế, ắc quy có mật độ năng lượng cao hơn thường được sử dụng cho xe hybrid truyền thống và sạc ngoài Một thành phần lưu trữ năng lượng khác là tụ điện, tồn tại vô thời hạn có tốc độ sạc và xả cực nhanh Những ưu điểm này làm cho tụ điện trở nên lý tưởng cho việc cung cấp các mức năng lượng cần thiết để tăng tốc một phương tiện chạy bằng điện và tích lũy điện tích hiệu quả trong quá trình phanh hãm tái sinh [15]

Hệ thống truyền lực thực hiện các chức năng sau:

- Đạt được sự chuyển đổi từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động;

- Chuyển đổi mô men xoắn và tốc độ quay từ động cơ để đáp ứng các yêu cầu lực kéo nhất thời của xe cung cấp cho chuyển động tiến và lùi;

Hình 1.12 Đường cong điển hình của mô men xoắn/công suất so với tốc độ

của hệ thống động cơ BLDC

- Có tính kinh tế nhiên liệu tốt nhất và lượng khí thải tối thiểu trong khi đáp ứng yêu cầu lái xe

Vì một chiếc xe hybrid có hai hoặc nhiều động cơ chính với các đặc điểm khác nhau, nên việc truyền tải đóng vai trò quan trọng hơn so với một chiếc xe thông thường Để đạt được hiệu quả tối đa và hiệu suất tối ưu, một bộ truyền được thiết kế đặc biệt là cần thiết cho một cấu hình hệ thống xe hybrid nhất định Bộ truyền động bằng điện (EVT) và bộ truyền phân chia công suất (PST) là hai dạng truyền động được sử dụng phổ biến trên xe hybrid [10,13]

1.6 Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid

Quản lý năng lượng trên xe hybrid bao gồm việc quyết định lượng điện năng được cung cấp tại mỗi thời điểm bởi các nguồn năng lượng có trong xe khi tồn tại một số ràng buộc (như duy trì giá trị SOC của ắc quy theo một giá trị quy định) Để đạt được điều này thì bài toán quản lí năng lượng trên xe hybrid có thể chuyển thành một bài toán tối ưu trong đó các giá trị tối ưu bao gồm chủ yếu là dòng năng lượng của hệ thống, nguồn năng lượng, ĐCĐT và ĐCĐ Bài toán trên dẫn đến một số vấn

đề kiểm soát xe hybrid điển hình như sau: [10,13,16]

a Tối ưu hóa ĐCĐT: mỗi ĐCĐT đều có điểm tối ưu về mô men, tiết kiệm nhiên liệu

và khí thải Nếu ĐCĐT hoạt động ở những điểm này, có thể đạt được mức tối đa về tiết kiệm nhiên liệu, lượng khí thải tối thiểu Đồng thời gia tăng tuổi thọ của ĐCĐT qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng của phương tiện

b Giảm thiểu động lực học ĐCĐT: vì ĐCĐT có quán tính, năng lượng bổ sung

được tiêu thụ để tạo ra tốc độ hoạt động thay đổi Do đó, tốc độ hoạt động của ĐCĐT nên được giữ cố định càng nhiều càng tốt và nên tránh mọi thay đổi nhanh

c Tối ưu hóa tốc độ hoạt động của ĐCĐT: theo nguyên tắc làm việc của ĐCĐT, hiệu

suất nhiên liệu của nó thấp nếu ĐCĐT hoạt động ở vùng tốc độ thấp Tốc độ ĐCĐT

có thể được kiểm soát độc lập với tốc độ xe và thậm chí có thể tắt khi tốc độ của nó thấp hơn một giá trị nhất định để đạt được lợi ích tối đa

d Giảm thiểu thời gian bật/tắt ĐCĐT: ĐCĐT trong xe hybrid có thể được bật và

tắt thường xuyên vì nó có nguồn điện thứ cấp; hơn nữa, khi bật/tắt ĐCĐT có thể được xác định dựa trên phương pháp kiểm soát tối ưu để giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu

và khí thải

e Quản lý tối ưu trạng thái sạc pin (SOC): SOC của pin cần được kiểm soát tối ưu

để cung cấp năng lượng cho xe và chấp nhận năng lượng tái tạo trong quá trình phanh hoặc xuống dốc cũng như tối đa hóa tuổi thọ của nó Chiến lược điều khiển đơn giản nhất là tắt ĐCĐT nếu SOC của pin quá cao và bật ĐCĐT nếu SOC quá thấp Chiến lược kiểm soát tiên tiến hơn sẽ có thể điều chỉnh công suất đầu ra của ĐCĐT dựa trên mức SOC thực tế của ắc quy

1.7 Nghiên cứu ngoài nước

Để phát huy những ưu điểm và hạn chế nhược điểm, cũng như áp dụng các công nghệ phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT và ĐCĐ cũng như những chiến lược sử dụng các nguồn năng lượng cho xe hybrid, nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

đã được tiến hành Trong thời gian qua có nhiều hãng sản xuất ô tô và các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đầu tư nhiều thời gian và công sức cho việc nghiên cứu để đưa ra

những giải pháp tối ưu cho công nghệ hybrid và đã đạt được những thành công nhất định Trong đó, có một số nghiên cứu có tính chất điển hình được trình bày sau đây Nhóm nghiên cứu gồm Saurabh Mahapatra và các cộng sự đã đưa ra cơ sở thiết

kế và các yêu cầu cơ bản của các kiểu xe hybrid [17] Nhóm nghiên cứu đã đưa ra quy trình thiết kế nguồn động lực hybrid dựa trên nền tảng Matlab Simulink Nghiên cứu đưa ra các yêu cầu thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng hệ động lực hybrid bao gồm các mô hình như hệ thống phân phối động lực, cơ cấu truyền động, ĐCĐT,

ắc quy, ĐCĐ và các thông số chung của xe hybrid Chiến lược điều khiển phối hợp nguồn động lực hybrid đã được đưa ra để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của phương tiện

Hình 1.13 thể hiện sơ đồ hệ thống động lực hybrid kiểu song song đưa ra bởi nhóm tác giả

Nhóm nghiên cứu gồm Feng Wang, Xiaojian Mao và Bin Zhuo đã thực hiện công trình nghiên cứu tích hợp ly hợp điện điều khiển phân phối mô men trên xe bus Hybrid [18] Nghiên cứu này đưa ra một phương pháp ngắt nối ĐCĐT với bộ truyền

Hình 1.13 Mô hình hybrid hỗn hợp đưa ra bởi Saurabh Mahapatra

Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống ly hợp điều khiển điện tử [18]