Tiểu luận nghiên cứu tối ưu thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực cửa xe hybrid

Phần Tổng quan về nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực hybrid giới thiệu một số công trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới về đề tài ô tô hybrid nói chung và tối ưu hóa hệ động lự

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID

VÀ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA

HỆ ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ HYBRID

Phần Tổng quan về ô tô hybrid đề cập đặc điểm cấu tạo của các loại ô tô

hybrid đã và đang được sử dụng phổ biến, so sánh giữa các loại ô tô hybrid với nhau cũng như giữa chúng và ô tô truyền thống về phương diện cấu trúc, tính kinh

tế nhiên liệu, mức độ phát thải gây ô nhiễm môi trường, v.v

Phần Tổng quan về nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực hybrid giới thiệu một

số công trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới về đề tài ô tô hybrid nói chung và tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid nói riêng, trên cơ sở đó xác định vấn đề cần nghiên cứu là phát triển, hoàn thiện mô hình tổng quát và sử dụng giải thuật mới có ưu điểm hơn để giải bài toán tối ưu hóa đồng thời độ lớn của các nguồn năng lượng và các tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực của ô tô hybrid

1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID

1.1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA Ô TÔ HYBRID

Về phương diện cấu tạo, ô tô truyền thống và ô tô hybrid chỉ khác nhau cơ

bản ở hệ thống động lực Hệ thống động lực của ô tô hybrid (sau đây gọi tắt là hệ

động lực hybrid) phổ biến hiện nay được cấu thành từ một ICE và một hoặc nhiều

EM Trong các ấn phẩm chuyên ngành bằng tiếng Anh, các thuật ngữ: "hybrid car",

"hybrid vehicle", "hybrid road vehicle" và "hybrid electric vehicle" thường được sử dụng để chỉ loại ô tô hybrid có hệ thống động lực như vậy Trong luận án này, thuật ngữ "xe hybrid" và "ô tô hybrid" được hiểu là có nội hàm tương đương

Căn cứ vào cách thức liên kết giữa ICE và EM, tỷ lệ công suất của ICE và của EM được sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, sự phân công về thời gian làm việc của ICE và của EM trong quá trình vận hành; ô tô hybrid hiện đại được phân thành 3 nhóm: ô tô hybrid kiểu nối tiếp, ô tô hybrid kiểu song song và ô tô hybrid kiểu hỗn hợp

1.1.1.1 Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP

Ô tô hybrid kiểu nối tiếp, trong tiếng Anh được gọi là Series Hybrid Electric

Vehicle, sau đây viết tắt là S-HEV

Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV bao gồm: một ICE, một hoặc một số EM, một EG, bộ AQ, bộ chuyển đổi điện và cặp bánh răng giảm tốc (xem Hình 1-1) Về cơ bản, hệ động lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ô tô điện ở chỗ có thêm một ICE và EG

điện cho AQ, EM đảm bảo 100% công suất yêu cầu để dẫn động các bánh xe chủ động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc EM chạy bằng điện từ AQ hoặc trực tiếp từ EG Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc

bố trí giữa EM và vi sai, thay cho hộp số nhiều cấp ở ô tô truyền thống Trong trường hợp EM được bố trí trực tiếp trong các moayơ của bánh xe chủ động, S-HEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động điện gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lượng hơn

Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu nối tiếp

EM trên S-HEV nói riêng và trên các loại ô tô hybrid khác nói chung, thường

được thiết kế để có thể hoạt động như một máy phát điện (sau đây gọi là môtơ-máy

phát điện liên hợp, viết tắt là MG) để có thể tận dụng động năng của ô tô trong quá

trình phanh hoặc xuống dốc Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện AQ bằng điện lưới trong thời gian ô tô không hoạt động nhằm mục đích giảm chi phí vận hành do giá điện lưới thường thấp hơn giá điện được sản xuất bằng ICE trên xe

1.1.1.2 Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG

Ô tô hybrid kiểu song song (P-HEV) có các nguồn động lực tương tự như ở

S-HEV, tức là cũng bao gồm một ICE và một MG ICE và MG của P-HEV được liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng MG hoặc bằng cả hai đồng thời

ICE và MG có thể được liên kết với nhau theo các phương án như sau:

 ICE và MG liên kết song song trên một trục (xem Hình 1-2): Ở phương

án này, tốc độ quay của ICE và MG phải được đồng bộ hóa, momen quay truyền đến bánh xe chủ động là tổng momen quay của ICE và MG Khi chỉ một nguồn động lực làm việc, nguồn động lực còn lại phải hoạt động ở chế độ không tải hoặc không hoạt động nếu được trang bị các ly hợp một chiều

 ICE và MG liên kết nối tiếp trên một trục: ICE và MG phải có cùng tốc

độ quay Nếu MG nằm giữa ICE và hộp số thì MG có thể có momen quay dương hoặc âm, tùy thuộc vào chế độ vận hành Honda Insight là mẫu P-HEV điển hình áp dụng phương án này

Hình 1-2 Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu song song

 ICE và MG liên kết qua mặt đường: ICE truyền momen quay đến bánh

xe chủ động qua hệ truyền động cơ khí truyền thống, MG được liên kết với bánh xe chủ động qua một trục khác AQ được MG nạp điện nhờ tận dụng động năng của xe khi phanh hoặc động năng của xe ở chế độ hành trình Trong trường hợp này, công suất của ICE được truyền đến MG thông qua mặt đường Phương án này có ưu điểm đặc biệt trong trường hợp ô tô nhiều cầu chủ động, trong đó ICE và MG sẽ liên kết

cơ khí với các cầu khác nhau Xe đạp máy có EM tích hợp trong moayơ của bánh xe trước và pedal quay bánh sau là ví dụ về kiểu hybrid song song có các nguồn động lực liên kết qua mặt đường

Hầu hết các mẫu P-HEV hiện nay được trang bị ICE với vai trò là nguồn động lực chính, còn MG chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc leo dốc Với cấu hình

như vậy, cả ICE và MG đều hoạt động với khoảng 50 % công suất cực đại khi ô tô chạy với tốc độ trung bình, ICE phát công suất gần tối đa và MG phát khoảng 50 % công suất hoặc nhỏhơn ở tốc độ lớn

Trên thị trường hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV Honda Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm thị phần đáng kể trong thời gian gần đây General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT), Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng

là những ô tô hybrid được xếp vào nhóm P-HEV

1.1.1.3 Ô TÔ HYBRID KIỂU HỖN HỢP

Ô tô hybrid kiểu hỗn hợp (SP-HEV), còn được gọi là ô tô hybrid chia công suất (power-split hybrid vehicle) hoặc ô tô hybrid kiểu nối tiếp-song song (series-

parallel hybrid vehicle)

Hệ động lực của Toyota Prius được xem là điển hình của SP-HEV và được trình bày dưới đây để minh họa đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ động lực SP-HEV

Hệ động lực hybrid của Toyota Prius, thường được viết tắt là THS (Toyota Hybrid System), được cấu thành từ các thành tố cơ bản với chức năng sau đây [60], [61]:

 Động cơ xăng 4 kỳ hoạt động theo chu trình Atkinson (ICE) có chức

năng dẫn động các bánh xe chủ động và lai môtơ-máy phát điện liên hợp MG1;

ICE dẫn động các bánh xe chủ động và chức năng phụ là phát điện nạp cho AQ trong quá trình phanh MG2 có tính năng động lực học cao để đảm bảo ô tô rời chỗ nhẹ nhàng và tăng tốc tốt;

 Môtơ-máy phát điện liên hợp MG1 có chức năng chính là phát điện cung cấp cho MG2 và nạp cho ắcqui, chức năng phụ là khởi động động cơ xăng;

 Bộ chia công suất (PSD);

 AQ cao áp và AQ phụ: AQ phụ 12 V có chức năng duy trì hoạt động của

hệ thống điều khiển AQ cao áp có chức năng cung cấp điện cho MG2 AQ cao áp thường xuyên được nạp điện từ máy phát MG1 trong quá trình ô tô chạy và từ MG2 trong quá trình phanh

Bộ chia công suất (Power Split Device - PSD) có cấu trúc và hoạt động tương

tự như một hộp số bánh răng hành tinh Giá đỡ các bánh răng hành tinh liên kết với ICE và được xem như đầu vào của hộp số, bánh răng mặt trời liên kết với MG1, vành răng liên kết với MG2 (Hình 1-3b)

Toyota Prius được chế tạo trong những năm gần đây được trang bị hệ động lực có cấu trúc và nguyên lý hoạt động tương tự như các Toyota Prius thế hệ trước nhưng các thành tố cơ bản như ICE, MG1, MG2 và AQ cao áp được nâng cấp chất lượng hoặc điều chỉnh một số thông số tính năng

Chiến lược điều khiển THS được thực hiện bằng bộ điều khiển điện tử trung tâm trong suốt quá trình hoạt động của ô tô Có thể phân biệt các chế độ hoạt động đặc trưng sau đây:

(1) Chế độ điện: Chế độ điện bao gồm các chế độ như ô tô bắt đầu chuyển

động, chạy từ từ, xuống dốc trên đoạn đường có độ dốc nhỏ Ở chế độ điện, ICE không hoạt động, MG2 chạy bằng điện từ AQ Toyota Prius được trang bị ắcqui cao

áp có dung lượng vừa phải (6,5 Ah) nên chỉ cho phép hoạt động ở chế độ điện trong một thời gian tương đối ngắn;

(2) Chế độ hành trình (còn gọi là chế độ chạy bình thường) là chế độ ô tô

chạy đường dài Công suất của ICE được chia cho bánh xe chủ động và máy phát điện MG1 với tỷ lệ sao cho ICE làm việc ở vùng có hiệu suất tối ưu MG2 chạy bằng điện từ máy phát Nếu dung lượng của AQ thấp, một phần công suất của máy phát dùng để nạp điện cho AQ;

(3) Chế độ trợ lực (còn gọi là chế độ gia tốc tối đa): Trong các điều kiện mà

ICE không đáp ứng được (tăng tốc để vượt xe phía trước, leo dốc, v.v.), MG2 sẽ

chạy bằng điện từ AQ cao áp để trợ lực cho ICE;

a)

b)

Hình 1-3 Sơ đồ cấu tạo hệ động lực (a)

và bộ chia công suất (b) của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp - Toyota Prius

(4) Chế độ nạp AQ (còn gọi là chế độ giảm tốc và phanh): AQ được nạp điện

trong quá trình phanh hoặc xuống dốc bằng điện từ MG2 hoặc bằng điện từ MG1 ở chế độ hành trình Đối với Toyota Prius, bộ điều khiển trung tâm đảm bảo AQ phải luôn được nạp đầy, tức là không yêu cầu nạp điện thủ công;

(5) Chế độ chia công suất ngược: Ô tô chạy ở chế độ hành trình và AQ đầy

điện AQ cung cấp điện cho cả MG2 để dẫn động bánh xe và cho cả MG1 MG1 chạy sẽ làm ICE quay chậm hơn với mục đích giảm tiêu hao nhiên liệu trong khi momen quay không đổi

Có thể liệt kê một số đặc điểm của THS như sau:

 THS cho phép ô tô hoạt động theo kiểu hybrid song song, tức là các bánh

xe chủ động có thể được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM hoặc bằng ICE

và EM đồng thời;

cơ khí, nhưng PSD hoạt động như một hộp số vô cấp, cho phép ICE thường xuyên làm việc ở vùng có suất tiêu thụ nhiên liệu tối ưu;

 PSD có nhược điểm là hiệu suất phụ thuộc nhiều vào lượng công suất được chia cho đường điện (MG1) vì năng lượng được biến đổi qua lại nhiều lần

(động năng  điện năng  động năng) Ở những chế độ như vậy, hiệu suất chỉ đạt

khoảng 70 % so với 98 % ở chế độ cơ khí thuần túy

1.1.2 SO SÁNH ÔTÔ HYBRID VỚI Ô TÔ TRUYỀN THỐNG

Ô tô hybrid hiện đại có những đặc điểm cơ bản sau đây:

 Được trang bị hệ động lực hybrid với một ICE và một hoặc nhiều EM;

 Các nguồn năng lượng được điều khiển theo một chiến lược xác định để đảm bảo đạt được các chỉ tiêu mong muốn mà phương án hybrid có thể mang lại;

 Có hệ thống thu hồi động năng của ô tô khi phanh

So với ô tô truyền thống, ô tô hybrid có những ưu điểm và nhược điểm sau đây:

(1) Ô tô hybrid tiết kiệm nhiên liệu hơn và phát thải ít hơn: Ô tô hybrid được

phát triển chủ yếu do áp lực của vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và giảm mức độ phát thải Mục tiêu này đạt được nhờ những đặc điểm sau đây :

 ICE của ô tô hybrid nhỏ hơn nên tổn thất năng lượng ít hơn;

 Ở S-HEV và SP-HEV, tốc độ quay của ICE có thể độc lập hoàn toàn đối với vận tốc của ô tô nên ICE được cho làm việc ở những chế độ tối ưu về phương diện tiết kiệm nhiên liệu hoặc phát thải;

 Tái sử dụng động năng của ô tô trong quá trình phanh và xuống dốc;

 Cho phép ICE không hoạt động ở các chế độ đặc biệt như: chờ trước đèn

đỏ, chạy không tải, xuống dốc, v.v

(2) Hầu hết các mẫu ô tô hybrid hiện nay có giá bán cao hơn ô tô truyền

thống: Để đảm bảo tính năng kỹ thuật cần thiết, kích thước nhỏ gọn và tuổi thọ hợp

lý, các thiết bị điện (EM, EG, AQ, v.v.) trang bị cho ô tô hybrid thường là loại cao

cấp với giá thành cao hơn

Một số vấn đề khác liên quan đến ô tô hybrid cũng đã được đề cập đến như sau:

(1) Vật liệu chế tạo: Công nghiệp chế tạo các loại thiết bị điện cao cấp trang

bị cho ô tô hybrid tiêu thụ một lượng lớn vật liệu đặc biệt được chế biến từ đất hiếm Cho đến nay, trên 90 % lượng đất hiếm được sử dụng trên toàn thế giới do Trung Quốc cung cấp;

(2) Vấn đề tuổi thọ của hệ động lực: Hầu hết ô tô hybrid hiện nay đều được

thiết kế để ICE không hoạt động ở một số chế độ đặc biệt như: chờ trước đèn đỏ, phanh, xuống dốc hoặc chạy ở tốc độ thấp Như vậy, trong quá trình vận hành, ICE

ở ô tô hybrid sẽ được tắt và khởi động lại nhiều lần hơn so với ô tô truyền thống Đặc điểm này có thể làm giảm tuổi thọ của ICE do chất lượng bôi trơn thường rất thấp và chế độ nhiệt thường không tối ưu ở giai đoạn ngay sau khởi động;

(3) Vấn đề ô nhiễm môi trường do AQ: Hầu hết ô tô hybrid hiện nay được

trang bị AQ loại Nickel - Metal Hydride hoặc Lithium Ion Cả hai loại này được đánh giá là thân thiện với môi trường hơn so với AQ loại axit - chì và Nickel - Cadmium Mặc dù vậy, vẫn tồn tại những hoài nghi về tác hại của nguồn rác thải

AQ đối với môi trường và sức khỏe con người;

(4) Vấn đề an toàn giao thông: Trong báo cáo năm 2009 của National

Highway Traffic Safety Administration (USA) có nhận định rằng: trong một số

hoàn cảnh, ô tô hybrid có xu hướng gây tai nạn giao thông cho người đi bộ và đi xe đạp nhiều hơn so với ô tô truyền thống Ô tô hybrid va chạm với người đi bộ và đi

xe đạp nhiều hơn khi rẽ ở các góc phố Báo cáo cũng chỉ ra rằng không có sự khác nhau về tai nạn giao thông khi ô tô chạy trên các đường lớn

1.1.3 SO SÁNH CÁC KIỂU Ô TÔ HYBRID

(1) Hiệu suất của ICE :

 Do chỉ có chức năng lai máy phát điện nên ICE trên S-HEV làm việc ở tốc độ quay không đổi với suất tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất, không phụ thuộc vào vận tốc của ô tô Hiệu suất của động cơ xăng trên S-HEV có thể đạt đến trị số gần giới hạn lý thuyết (khoảng 37 %), trong khi hiệu suất trung bình của động cơ xăng trên ô tô truyền thống và trên P-HEV chỉ đạt dưới 30 % [61];

 Khi hoạt động trên đường cao tốc, P-HEV có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn S-HEV do không cần biến đổi cơ năng của ICE thành điện năng để cung cấp cho EM;

 ICE trên SP-HEV có hiệu suất trung bình thấp hơn so với ICE trên HEV nhưng cao hơn so với ICE trên P-HEV;

S-(2) Công suất của EM và dung lượng của AQ: EM của S-HEV phải có công

suất lớn, đảm bảo ô tô đạt được các thông số tính năng động lực học tối đa theo

thiết kế (tốc độ cực đại, gia tốc cực đại, khả năng leo dốc, v.v.), trong khi phần lớn

các chế độ vận hành yêu cầu công suất thấp hơn Với P-HEV và S-HEV có tính năng động lực học tương đương, P-HEV được trang bị bộ AQ và EM nhỏ hơn do có ICE cùng làm việc khi yêu cầu công suất lớn;

(3) Hệ thống truyền động: S-HEV có hệ thống truyền động đơn giản nhất so

với các kiểu ô tô hybrid khác Do chỉ có EM có liên hệ cơ khí với bánh xe chủ động nên không cần trang bị hộp số nhiều cấp cho S-HEV, thay vào đó chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai Do chỉ có truyền động điện giữa EM với tổ hợp ICE-máy phát điện nên có nhiều lựa chọn về vị trí bố trí tổ hợp này Những đặc điểm trên cho phép dễ dàng bố trí các thành tố của hệ động lực để tăng không gian của cabin và tối ưu hóa phân bố trọng lượng ô tô

1.1.4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ô TÔ HYBRID [58-61]

Lohner-Porsche Mixte được xem là chiếc ô tô hybrid đầu tiên trên thế giới

do Ferdinand Porsche (1875 – 1951) - kỹ sư ô tô người Đức - thiết kế

Hình 1-4 Lohner-Porsche Mixte

Tiền thân của Lohner-Porsche Mixte là chiếc ô tô điện Egger-Lohner do

Porsche thiết kế vào năm 1898 cho Lohner-Werke (Áo) – hãng chuyên chế tạo xe cao cấp do ngựa kéo Egger-Lohner được trang bị 2 môtơ điện bố trí trong moayơ của hai bánh xe phía trước, mỗi môtơ có công suất 2,5  3,5 HP và có thể đạt được công suất cực đại 7 HP trong thời gian ngắn Porche đã cải tiến Egger-Lohner bằng cách bổ sung một động cơ xăng với công suất 2,5 HP với chức năng lai máy phát nạp điện cho AQ Phiên bản cải tiến này được trình diễn tại Paris Auto Show vào

năm 1901 với tên Lohner-Porsche Mixte

Ý tưởng hệ động lực hybrid kiểu nối tiếp của Porsche đã được ứng dụng cho đầu máy xe lửa điện – diesel và được xem là phương án tối ưu cho loại phương tiện này Thiết kế của Lohner-Porsche Mixte cũng đã được Boeing và NASA nghiên cứu và áp dụng cho xe tự hành trên Mặt trăng (Lunar Rover) trong chương trình Apollo

tô hybrid với hệ động lực có 1 EM và 1 động cơ xăng 4 xylanh Ô tô chỉ chạy bằng

EM khi tốc độ dưới 15 mph (24 km/h) Để đạt tốc độ cao hơn, động cơ xăng được

cho hoạt động cùng với EM và ô tô có thể đạt tốc độ tối đa 35 mph (56 km/h) Woods Motor Vehicle đã bán được khoảng 600 chiếc ô tô loại này trong giai đoạn

1915  1918 Mẫu ô tô này được đánh giá là thất bại về phương diện thương mại do giá thành cao, tốc độ không thỏa mãn yêu cầu của khách hàng, v.v

Trong khi hệ động lực hybrid đã không ngừng được hoàn thiện và trở thành giải pháp độc tôn đối với tàu ngầm truyền thống hoặc là giải pháp tối ưu cho đầu máy xe lửa điện-diesel và máy bay phản lực với các EM để chạy trên đường băng, ô

tô hybrid đã không được thương mại hóa ở qui mô đáng kể cho đến đầu những năm

1990 của thế kỷ XX do những ưu thế áp đảo của ô tô truyền thống chạy bằng động

cơ xăng hoặc diesel được chế tạo hàng loạt với giá rẻ trong điều kiện nguồn cung xăng dầu dồi dào với giá thấp

Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do khí thải của ICE, ô tô hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và đã phát triển nhảy vọt cho đến nay

Toyota Prius là mẫu ô tô con du lịch đầu tiên được chế tạo hàng loạt Toyota Prius được bán ở thị trường Nhật Bản lần đầu tiên vào năm 1997, sau đó đã có mặt

ở khoảng 80 quốc gia và vùng lãnh thổ vào năm 2000 Khoảng 300 xe Toyota Prius

đã được bán trong năm 1997, 19.500 xe được bán trong năm 2000 Tổng cộng đã có khoảng 1.000.000 xe Toyota Prius được bán tính đến tháng 5 năm 2008, 2.000.000

xe được bán tính đến tháng 8 năm 2010, 3.000.000 xe được bán tính đến tháng 6 năm 2013, 4.800.000 đã được bán tính đến tháng 9 năm 2014

Hiện nay, hàng loạt mẫu ô tô hybrid thương mại như Honda Insight, Honda Civic Hybrid, Ford Escape Hybrid, Ford Fusion Hybrid, Saturn Aura Greenline, Mailbu Hybrid, Camry Hybrid, Cadillac Escalade Hybrid, Mercury Milan Hybrid, Mercedes-Benz S400 BlueHybrid, Mercedes-Benz ML450 Hybrid, BMW ActiveHybrid 7, Porshe Cayenne Hybrid, Volkswagen Jetta Hybrid, Hyundai Elantra LPI Hybrid, Hyundai Sonata Hybrid, Kia Optima Hybrid, v.v của các hãng chế tạo ô tô hàng đầu đã có mặt trên thị trường thế giới với những mức độ thành công khác nhau

1.2 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HỆ ĐỘNG LỰC HYBRID

1.2.1 NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ Ô TÔ HYBRID

Trường Đại học Nha Trang là một trong những cơ sở đào tạo đã đưa nội dung

xe hybrid vào chương trình đào tạo kỹ sư ngành Kỹ thuật ô tô từ rất sớm, ngay sau khi ô tô hybrid xuất hiện trên thị trường Việt Nam

Dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Bá Khang, các sinh viên Lê Quang

Khải và Đào Thanh Lý đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế kỹ thuật và

chế tạo bộ phận phân phối công suất nhằm cải hoán mô hình tổng thành ô tô thành

mô hình ô tô hybrid tại bộ môn Kỹ thuật ô tô" Sản phẩm của đồ án là bộ phân phối

công suất (PSD) mô phỏng theo PSD của ô tô Toyota Prius Tuy nhiên sản phẩm này chỉ có phần cơ khí mà chưa có phần điện điều khiển nên phải hoạt động bằng cách quay tay và dùng phục vụ công tác dạy-học các nội dung về đặc điểm cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của PSD [7]

Trong giai đoạn 2012  2013, kỹ sư Nguyễn Văn Định thuộc bộ môn Cơ điện

tử, trường Đại học Nha Trang, đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường

"Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo kỹ sư

ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật ô tô" (mã số : TR2002-13-05) Sản phẩn của đề tài là

một ô tô 4 bánh được trang bị hệ động lực hybrid được cấu thành từ 1 động cơ xăng

có dung tích công tác Vice = 110 cm3, 1 máy phát điện công suất Neg = 1kW và

2 môtơ điện có tổng công suất Nem = 960W lắp trực tiếp trong moayơ của hai bánh xe sau Thời gian hoạt động của động cơ xăng và quá trình nạp điện cho ắcqui được tự động hóa nhờ một vi mạch do tác giả thiết kế và chế tạo Do không có li hợp để đóng ngắt nguồn động lực từ ICE với bánh xe chủ động nên mô hình chế tạo chưa thể hiện đầy đủ chức năng của ô tô hybrid và sản phẩm của đề tài chỉ được sử dụng phục vụ đào tạo sinh viên ngành Công nghệ Cơ điện tử và Kỹ thuật ô tô tại trường Đại học Nha Trang [1]

Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công

suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp" của học viên Nguyễn Trí Thành

[8] được phát triển trên cơ sở kế thừa sản phẩm của đề tài khoa học TR2002-13-05

nói trên Học viên đã thiết kế và chế tạo bộ chia công suất (PSD) mô phỏng theo cấu trúc PSD của Toyota Prius, tính chọn công suất của máy phát điện EG và lắp ráp trên mô hình ô tô 2 chỗ ngồi Động cơ xăng và máy phát điện được liên kết với nhau thông qua ly hợp điện từ có chức năng giúp mô phỏng cơ chế hoạt động của

hệ động lực hybrid kiểu hỗn hợp Do mục tiêu của đề tài là phục vụ dạy-học nên các

bộ phận được chế tạo với kích thước lớn và được "khai triển" cho dễ quan sát nên

bộ PSD này không thể sử dụng được cho xe thật chạy trên đường

Hình 1-5 thể hiện sơ đồ hệ thống động lực hybrid do PGS.TS Bùi Văn Ga và Nguyễn Quân của Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng thiết kế [2] Ô tô thiết kế

có hai chỗ ngồi, khối lượng toàn bộ xe 500kg, vận tốc cực đại 70km/h Cơ cấu truyền động cơ khí của ô tô được chia ra làm hai nhóm chính:

 Hệ thống truyền lực ô tô, bao gồm: EM, hộp giảm tốc (truyền lực chính),

bộ vi sai, các bán trục và bánh xe chủ động

phát điện và bộ truyền động liên kết với cầu chủ động

Hình 1-5 Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid 2 chỗ

Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:

(i) Ở chế độ bình thường, EM kéo bánh xe chủ động quay thông qua bộ bánh răng giảm tốc và bộ vi sai

(ii) Ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc khi xe xuống dốc, người lái nhả bàn đạp ga, EM được cắt điện

(iii) Khi cần chạy đường dài, người lái chuyển điều khiển xe sang hoạt động ở chế độ "phụ trợ" Khi ICE hoạt động kéo máy phát điện hỗ trợ cùng bình ắc quy cung cấp điện năng cho EM

(iv) Khi xe chạy vào đường có độ dốc lớn, người lái nhấn nút "vượt dốc" trên bảng điều khiển, ICE được khởi động và ly hợp điện từ được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng để ICE hỗ trợ EM kéo xe vượt dốc

Để đạt được các tính năng yêu cầu, EM một chiều kiểu ZYT145/06-90 của Trung Quốc có hiệu điện thế 90V, tốc độ quay định mức 3.000 v/ph và mô men xoắn cực đại 60 Nm Động cơ xe gắn máy có dung tích xi lanh 110cm3 và máy phát điện xoay chiều G263-A sử dụng trên xe ô tô tải với điện áp 28V công suất 4,5kW Động cơ xe gắn máy 110cm3 nguyên thủy chạy bằng xăng có công suất cực đại 5,5kW được cải tạo sang chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng

Các bộ phận cơ bản của ô tô hybrid giới thiệu ở trên đều có sẵn trên thị trường nên việc chế tạo có tính khả thi cao, đặc biệt động cơ xăng được cải hoán để chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng, là những điểm đặc trưng của sản phẩm

Tuy nhiên, tương tự như những nghiên cứu đã giới thiệu ở trên, bài toán tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tham số điều khiển hệ động lực hybrid hầu như chưa được đề cập đến hoặc nếu có thì có thể đã được giải bằng phương pháp

"thử và sai" hoặc bằng kinh nghiệm của người nghiên cứu

1.2.2 NGHIÊN CỨU CỦA NƯỚC NGOÀI VỀ TỐI ƯU HÓA

HỆ ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ HYBRID

Nếu xét về phương diện cấu trúc, ô tô truyền thống và ô tô hybrid chỉ khác nhau ở hệ thống động lực Nếu hiểu theo nghĩa rộng, khái niệm tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid có thể bao gồm :

 Thay thế nguồn động lực truyền thống (động cơ xăng hoặc động cơ diesel) bằng các loại nguồn động lực khác như turbine khí, động cơ Atkinson, động

cơ Wankel, động cơ Stirling, v.v.;

 Tái sử dụng động năng của xe trong quá trình phanh hoặc xuống dốc bằng máy phát điện nạp cho ắcqui, bằng bánh đà tích trữ động năng, v.v.;

 Tối ưu hóa cấu trúc của hệ thống động lực;

 Tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng;

 Tối ưu hóa chiến lược điều khiển và tự động hóa quá trình kiểm soát các tham số điều khiển, v.v

Tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tối ưu hóa các tham số điều khiển các nguồn năng lượng của hệ động lực được cấu thành từ ICE và EM là hai vấn đề thuộc phạm vi nghiên cứu trong luận án này

1.2.2.1 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ TỐI ƯU HÓA ĐỘ LỚN

NGUỒN NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID

Liu X và các cộng sự [14], [36] đã nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế xe buýt hybrid kiểu nối tiếp phục vụ Olimpic Bắc Kinh 2008 Tác giả đã sử dụng giải thuật

di truyền (Genetic Algorithm - GA) kết hợp với giải thuật tìm kiếm cục bộ SQP (Sequential Quadratic Programming) để xác định độ lớn tối ưu của các nguồn năng

lượng của hệ động lực Mục tiêu đặt ra là nâng cao tính kinh tế nhiên liệu với chu trình vận hành là tổng hợp chu trình vận hành trên đường cao tốc và trong thành phố

Hàm mục tiêu được xây dựng như sau:

highway city

total

MPG MPG

MPG

45,055

,0

Trong giải thuật di truyền, tác giả đã chọn kích thước quần thể là 20 và chương trình sẽ dừng lại sau 50 vòng lặp Kết quả tối ưu hóa (Bảng 1-1) cho thấy cần phải tăng công suất cực đại của ICE và EG, đồng thời giảm công suất của EM

và số lượng AQ

Bảng 1-1 Kết quả tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng

bằng giải thuật di truyền của Liu X [36]

Gao W and Porandla S K đã sử dụng 3 giải thuật là: Giải thuật di truyền (GA), Giải thuật mô phỏng quá trình ủ kim loại (SAA) và Giải thuật phân chia hình chữ nhật (DIRECT) để giải bài toán tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song [16] Tương tự như nghiên cứu của Liu X [36], các tác giả cũng sử dụng hàm tối ưu theo công thức (1.1) và chu trình vận hành là tổng hợp chu trình vận hành trong thành phố và trên đường cao tốc Giới hạn dưới

và giới hạn trên của các biến cần tối ưu được thể hiện trong Bảng 1-2 Kết quả tối

ưu độ lớn các nguồn năng lượng bằng các giải thuật khác nhau được thể hiện ở Bảng 1-3

Bảng 1-2 Giới hạn độ lớn các nguồn năng lượng trong nghiên cứu

của Gao W and Porandla S K [16]

Tham số Giới hạn dưới Giới hạn trên

1.2.2.2 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA THAM SỐ

ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG

(1) Tối ưu hóa tham số điều khiển bằng giải thuật PSO

Wu X và các cộng sự [53] đã nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa các tham số điều khiển cho ô tô hybrid kiểu song song có AQ dung lượng lớn bằng giải thuật đám đông phần tử (Particle Swarm Optimization - PSO)

Khi trạng thái năng lượng của ắcqui (SOC) ở mức cao, toàn bộ công suất để dẫn động ô tô được phát ra bởi EM, lúc này ô tô hoạt động như ô tô hybrid kiểu nối tiếp

Khi SOC giảm xuống dưới ngưỡng giới hạn dưới, ICE trở thành nguồn cung

cấp công suất chính cho ô tô Lúc này EM đóng vai trò là EG được dẫn động bởi ICE để duy trì SOC và đảm bảo tuổi thọ của AQ Ngoài ra khi công suất yêu cầu lớn hơn công suất của ICE thì EM hoạt động ở chế độ động cơ điện để hỗ trợ công suất dẫn động ô tô

Bảng 1-4 Các tham số điều khiển trong nghiên cứu của Wu X [53]

EM cung cấp khi SOC ở mức thấp

EM cung cấp khi SOC ở mức cao Các tác giả xây dựng hàm mục tiêu như sau :





dt t FE

FE x

) ( )

trong đó : J(x) - hàm mục tiêu; FE - tính kinh tế nhiên liệu (Fuel Economy)

Để áp dụng giải thuật PSO, các tác giả đã sử dụng hàm phù hợp (fitness

function) để đánh giá độ phù hợp của mỗi một phần tử Phần mềm ADVISOR được

sử dụng để tính toán FE Kết quả cho thấy FE được cải thiện đáng kể so với mô

hình ô tô chưa được tối ưu hóa

(2) Tối ưu hóa tham số điều khiển bằng GA

Huang B và các cộng sự [14], [18] đã nghiên cứu tối ưu hóa các tham số điều khiển của ô tô hybrid kiểu nối tiếp bằng cách sử dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) và so sánh với kết quả tối ưu sử dụng phương pháp nhiệt

tĩnh (Thermostatic) và phương pháp phân chia hình chữ nhật (Divided Rectangles)

Bài toán tối ưu nhằm mục tiêu nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm mức độ phát thải của ICE, đồng thời thỏa mãn một số điều kiện ràng buộc phi tuyến về tính năng động lực học

Hàm mục tiêu đã được các tác giả xây dựng như sau:

trong khí thải của động cơ xăng; w 1 , w 2 , w 3 , w 4 - các trọng số

Bảng 1-5 Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển

hệ động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp bằng GA [18]

dưới

Giới hạn trên

Kết quả tối

ưu hóa

Bảng 1-6 Giá trị đích và trị số trọng số theo mục tiêu tối ưu

trong nghiên cứu của Huang B [18]

Mục tiêu Giá trị đích Trọng số w i

Kết quả tối ưu khi sử dụng giải thuật GA cho thấy khả năng tìm kiếm trị số tối

ưu của nó tốt hơn khi sử dụng giải thuật nhiệt tĩnh và giải thuật chia đôi hình chữ nhật Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng giải thuật GA, nên kết quả tìm được

có thể là trị số tối ưu toàn cục Tuy nhiên, giải thuật GA chỉ cho giá trị tối ưu toàn cục khi số lượng vòng lặp rất lớn, ngoài ra các trọng số được tác giả chọn cố định với trị số lớn cho FE và NOx , nên kết quả tối ưu tìm được sẽ theo hướng ưu tiên cho FE và NOx nhỏ, số lượng tập hợp tối ưu tìm được của tập biến đầu vào trong Bảng 1-5 không nhiều nên giảm khả năng lựa chọn bộ tham số tối ưu

(3) Tối ưu hóa tham số chiến lược điều khiển bằng SAA

Tiếp nối nghiên cứu của Huang B [18], Wang Z và cộng sự đã sử dụng giải thuật mô phỏng quá trình ủ kim loại (Simulated Annealing Algorithm - SAA) trong bài toán tối ưu hóa các tham số điều khiển hệ động lực của ô tô hybrid kiểu nối tiếp [14], [50] Trong nghiên cứu này, các tác giả đã thay đổi giới hạn tìm kiếm của thành phầncông suất như Bảng 1-7

Tương tự như khi dùng GA, kết quả tối ưu khi sử dụng SAA cho thấy khả năng tìm kiếm trị số tối ưu của nó tốt hơn khi sử dụng giải thuật nhiệt tĩnh Tuy nhiên, vấn đề tốc độ hội tụ của giải thuật SAA và việc chọn các trọng số có trị số cố định theo kinh nghiệm nên kết quả vẫn chưa có giải đáp thỏa đáng

Bảng 1-7 Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển

hệ động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp bằng SAA [50]

dưới

Giới hạn trên

Kết quả tối ưu hóa

1.2.2.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA ĐỒNG THỜI

ĐỘ LỚN NGUỒN NĂNG LƯỢNG VÀ THAM SỐ

ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐỘNG LỰC

(1) Tối ưu hóa bằng giải thuật tiến hóa đối với ô tô hybrid kiểu nối tiếp

Zhang B và cộng sự đã nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời độ lớn các nguồn năng lượng và tham số chiến lược điều khiển cho ô tô hybrid kiểu nối tiếp bằng giải thuật tiến hóa (Evolution Algorithm - EA) Mục tiêu tối ưu nhằm đạt đến là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của ICE [14], [55]

Các tác giả đã xây dựng mục tiêu tối ưu như sau :

K1,2, ,k

,

J1,2, , j

,

u i i

x x

HC X

CO X

Fuel X

J

Min

0)

(

0)(

)(1,0)(1,0)(1,0)(7,0)((

(1.4)

trong đó : J(X) - hàm đa mục tiêu; Ω - không gian các lời giải khả thi; Fuel(X) -

tính kinh tế nhiên liệu; HC(X), CO(X), NOx(X) - hàm lượng các chất hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO) và nitrogen oxide (NOx) trong khí thải của ICE; g j (X)

≥ 0; h k (X) = 0 - điều kiện ràng buộc; x i - biến thiết kế bị giới hạn bởi giới hạn dưới

x i và trên x i u

Chiến lược điều khiển được chọn như sau :

 ICE hoạt động ở vùng có hiệu suất cao nhất và khi SOC giảm xuống dưới mức thấp LSOC;

 ICE sẽ dừng khi SOC đạt mức cao HSOC

Chu trình vận hành được sử dụng là UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule) áp dụng cho ôtô có chế độ làm việc nhẹ được vận hành trong điều kiện của thành phố và HWFET (Highway Fuel Economy Driving Schedule) mô phỏng chu trình vận hành trên đường cao tốc do Tổ chức bảo vệ môi trường của Hoa Kỳ (Environmental Protection Agency) xây dựng

Các tác giả đã sử dụng phần mềm ADVISOR để tính toán lượng tiêu thụ nhiên liệu và phát thải Theo tác giả, khi giải thuật di truyền được thực hiện với số cá thể

khởi tạo trong quần thể là 40 và kết thúc sau 80 thế hệ, chương trình tính toán hoàn thành sau 4 ngày chạy liên tục với máy tính có tốc độ 3,4 GHz Kết quả thực nghiệm mô phỏng được thể hiện trong Bảng 1-8

Bảng 1-8 Kết quả tối ưu đồng thời cho ô tô hybrid kiểu nối tiếp [55]

định

Giới hạn dưới

Giới hạn trên

Kết quả tối ưu hóa

(2) Tối ưu hóa bằng giải thuật tiến hóa đối với ô tô hybrid kiểu song song

Fang và Qin đã nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời độ lớn các nguồn năng lượng và tham số chiến lược điều khiển hệ động lực của ô tô hybrid kiểu song song [14], [15]

Hàm mục tiêu được các tác giả xây dựng có dạng như sau :

k1,2, , j

u i i l

i

j

x X

x x

x

X

g

X NO X HC X CO X Fuel X

J

Min

0)

(

)(),(),(),()

((

(1.5)

trong đó : J(X) - hàm đa mục tiêu; Ω - không gian các lời giải khả thi; g j (X) > 0 -

các ràng buộc thỏa mãn tiêu chuẩn về tính năng động lực học do PNGV xây dựng;

xi - biến thiết kế bị giới hạn bởi giới hạn dưới xi và trên xiu

Tương tự như nghiên cứu của Zhang B và cộng sự [55] đối với ô tô hybrid kiểu nối tiếp, các tác giả cũng sử dụng giải thuật di truyền (GA) và phần mềm

ADVISOR để giải bài toán với mục tiêu là tối ưu hóa tính kinh tế nhiên liệu và mức

độ phát thải của ICE Giải thuật di truyền được sử dụng với độ lớn quần thể là 200,

số thế hệ tối đa là 2.000, tỉ số lai 0,9 và tỉ số đột biến là 0,01, số lần chạy mô phỏng khoảng 400.000 lần Do số lần chạy mô phỏng đòi hỏi rất lớn nên nếu giảm số lần chạy mô phỏng, kết quả tìm được chưa đạt đến giá trị tối ưu hoặc có thể chỉ là điểm tối ưu cục bộ

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN ĐƯỢC NGHIÊN CỨU

VỀ TỐI ƯU HÓA HỆ ĐỘNG LỰC HYBRID

Phần lớn các công trình nghiên cứu về đề tài ô tô hybrid ở một số cơ sở đào tạo trong nước tập trung vào vấn đề thiết kế và chế tạo các mô hình ô tô và một số thành tố cơ bản của hệ động lực ô tô hybrid nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về ô tô hybrid hoặc phục vụ công tác đào tạo [1-9] Hầu hết các sản phẩm được thiết kế mô phỏng theo nguyên lý hoạt động của hệ động lực ô tô hybrid nhưng chưa phản ánh đúng cấu trúc và chiến lược điều khiển thực tế của hệ động lực ô tô hybrid thương mại hiện nay, ví dụ: sử dụng truyền động đai hoặc truyền động xích thay vì liên kết trực tiếp giữa các thành tố trong tổ hợp động cơ đốt trong - máy phát điện - động cơ điện, khởi động ICE một cách thủ công thay vì tự động theo chiến lược điều khiển

đã được tối ưu hóa, v.v Độ lớn của các nguồn năng lượng thường được tính theo các phương pháp truyền thống với tham số đầu vào là khối lượng, vận tốc và khả năng leo dốc của ô tô, tuy nhiên việc chọn nguồn năng lượng cụ thể và lắp đặt trên ô

tô phụ thuộc chủ yếu vào khả năng tài chính và điều kiện thực tế của tác giả

Cho đến nay, đa số các nghiên cứu ở nước ngoài được công bố về đề tài tối

ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid tập trung vào 2 vấn đề: tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tối ưu hóa các tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp và kiểu song song Một số nghiên cứu chỉ đề cập vấn đề tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng [16], [36], một số khác chỉ đề cập vấn đề tối ưu hóa tham số điều khiển [18], [50], [53], hoặc cả 2 vấn đề nhưng không đồng thời Mặc dù các nghiên cứu này là một bước tiến đáng kể theo hướng nâng cao hiệu quả của giải

pháp hydrid hóa xe cơ giới so với phương pháp lựa chọn theo kinh nghiệm, nhưng chưa phải là cách tiếp cận hợp lý và toàn diện, vì độ lớn của các nguồn năng lượng, các tham số điều khiển và các tham số cần tối ưu khác luôn có ảnh hưởng chi phối lẫn nhau ở các mức độ khác nhau

Một số nghiên cứu được công bố gần đây [15], [55] đã giới thiệu một số phương pháp tối ưu hóa đồng thời độ lớn các nguồn năng lượng và tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid bằng các giải thuật cổ điển như giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA), giải thuật tiến hóa (Evolution Algorithm), v.v và đã cho những kết quả có tính thuyết phục cao hơn vì đáp số là có thể là kết quả tối ưu toàn cục

Một trong những điểm được xem là hạn chế của các nghiên cứu nói trên là việc sử dụng các giải thuật cổ điển và khá thông dụng như GA hoặc EA có nhược điểm là tốc độ hội tụ khá chậm, yêu cầu công đoạn lập trình khá phức tạp do đòi hỏi phải có một số công đoạn như mã hóa gien, gây đột biến, lai ghép, v.v

Theo các tài liệu tham khảo mà NCS tiếp cận được, vấn đề tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp - kiểu ô tô hybrid thương mại có cấu trúc hệ động lực và chiến lược điều khiển phức tạp hơn so với ô tô hybrid kiểu nối tiếp và kiểu song song - hầu như chưa được đề cập đến

Trong luận án của NCS, mô hình tối ưu hóa được xây dựng để giải bài toán tối ưu hóa đồng thời độ lớn của các nguồn năng lượng và các tham số điều khiển

các nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid nói chung (sau đây gọi tắt là tối

ưu hóa hệ động lực hybrid) Bài toán tối ưu hóa có dạng như sau :

1( ) 0

động lực học

Giải thuật đàn ong đã được lựa chọn và cải tiến để giải bài toán nói trên đối với xe hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp Phần mềm ADVISOR và phần mềm

Matlab được sử dụng để thực hiện mô phỏng thực nghiệm với 2 đối tượng thực

nghiệm là ô tô Honda Insight 2000 và Toyota Prius 1998, trong đó có xét đến các điều kiện ràng buộc là điều kiện khai thác kỹ thuật ở Việt Nam

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Phát triển ô tô hybrid được xem là một trong những giải pháp quá độ nhằm tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường so với ô tô truyền thống

Về phương diện cấu tạo, ô tô truyền thống và ô tô hybrid chỉ khác nhau cơ bản ở hệ thống động lực Ngược lại, trong thiết kế và khai thác kỹ thuật hệ thống động lực hybrid có sự khác biệt cơ bản so với trường hợp ô tô truyền thống, bởi vì phương án hybrid chỉ có thể mang lại hiệu quả mong muốn nếu độ lớn của các nguồn năng lượng (ICE, EM, EG, AQ) được lựa chọn một cách hợp lý và các nguồn năng lượng đó được điều khiển sao cho chúng chỉ làm việc ở những chế độ tối ưu nhất có thể Nói cách khác, làm chủ kỹ thuật tối ưu hóa độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực ô tô hybrid là điều kiện tiên quyết để có thể thiết kế và khai thác ô tô hybrid với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường cao nhất có thể

Chương 2

TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ ĐỘ LỚN VÀ THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID BẰNG GIẢI THUẬT ĐÀN ONG

Chương 2 trình bày mô hình tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và các tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực của ô tô hybrid được cấu thành từ ICE và EM Những thông tin cơ bản về giải thuật đàn ong, một số nội dung cải tiến giải thuật đàn ong cơ sở do NCS thực hiện và phương pháp sử dụng giải thuật đàn ong trong bài toán tối ưu hóa riêng lẻ các tham số điều khiển và bài toán tối ưu hóa đồng thời độ lớn của các nguồn năng lượng và các tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid được trình bày trong các mục 2.2 và 2.3 được xem là cơ sở lý thuyết của phần mô phỏng thực nghiệm sẽ được trình bày trong Chương 3

2.1 MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA ĐỘ LỚN NGUỒN NĂNG LƯỢNG

VÀ THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID

2.1.1 SƠ ĐỒ MÔ HÌNH TỔNG QUÁT

NCS sử dụng phương pháp Tối ưu hóa thiết kế đa ngành (Multidisciplinary Design Optimization - MDO) để giải bài toán tối ưu hóa đồng thời nhiều tham số của hệ động lực hybrid được cấu thành từ nhiều thành tố có đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động rất khác nhau theo sơ đồ trên Hình 2-1

Hình 2-1 Mô hình tổng quát tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid

0 ) (

X k

X h

q l

CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN

2.1.2 HÀM MỤC TIÊU

Khi giải quyết bất kỳ vấn đề gì trong kỹ thuật, chúng ta đều mong muốn có phương án tốt nhất theo một hoặc một số tiêu chí nào đó Tiết kiệm nhiên liệu do ICE tiêu thụ và giảm hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của ICE là hai mục tiêu cơ bản nhất của giải pháp hybrid hóa xe thương mại Căn cứ vào các mục tiêu nói trên, bài toán tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và các tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid được viết dưới dạng như sau :

1( ) 0

Trong đó : G(X) - hàm mục tiêu; X - tập biến đầu vào; FC - suất tiêu thụ

nhiên liệu; HC, CO, NO - hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của ICE; w 1 ,

w 2 , w 3 và w 4 - các trọng số; h l (X) ≤ 0 và k q (X) ≥ 0 - các điều kiện ràng buộc

Các trọng số w i thể hiện “độ ưu tiên” của mục tiêu tương ứng, như vậy nếu tổng độ ưu tiên của FC, HC, CO và NO là 1 (tương ứng 100%) thì mỗi mục tiêu sẽ

có độ ưu tiên được biểu diễn qua hệ số w i sao cho tổng độ ưu tiên đạt được là 100%, hay nói cách khác khi đó

4 1

1

i i

w







Tập hợp các biến đầu vào (sau đây gọi tắt là tập biến đầu vào) bao gồm các

tham số đặc trưng cho độ lớn của các nguồn năng lượng và các tham số đặc trưng cho chiến lược điều khiển hệ động lực ô tô hybrid, được biểu diễn như sau :

_

max _ min

_ 1

max _ min

_

max _ min

_ 1

m CS m

CS m CS

CS CS

CS

n CZ n

CZ n CZ

CZ CZ

CZ

x x

X

x x

X

x x

X

x x

X

Trong đó : X = { XCZ-i , XCS-j} - tập biến đầu vào; XCZ-i (i = 1 ÷ n) - tập biến

đầu vào về độ lớn các nguồn năng lượng của hệ động lực, bao gồm công suất có ích

lớn nhất của ICE, EM, EG và dung lượng AQ; XCS-j (j = 1 ÷ m) - tập biến đầu vào

về tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực

Tập biến đầu ra bao gồm các tham số đặc trưng cho các mục tiêu cần đạt

được, bao gồm: suất tiêu thụ nhiên liệu của ICE và hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải của ICE

)(

)(

)(

X NO

X CO

X HC

X FC

Suất tiêu thụ nhiên liệu và hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của ICE

là những đại lượng có trị số thay đổi theo chế độ làm việc của ICE và chúng không đồng thời đạt cực trị ở một chế độ làm việc xác định Ở động cơ xăng, khí thải sẽ

có nhiều hydrocarbon (HC) và oxit carbon (CO) nhưng có ít oxit nitơ (NO) ở những chế độ làm việc với hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu ( < 1); khí thải sẽ có ít CO và

NO nhưng có nhiều HC ở những chế độ với hỗn hợp cháy nghèo nhiên liệu ( > 1);

ở các chế độ với hỗn hợp cháy hơi đậm, hàm lượng HC và CO có trị số nhỏ nhưng hàm lượng NO lại đạt cực đại (Hình 2-2)

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 

HC CO

NO

Hình 2-2 Đặc điểm biến thiên của hàm lượng các chất hydrocarbon (HC) oxit carbon (CO) và oxit nitơ (NO) theo hệ số dư lượng không khí () ở động cơ xăng

Ngoài ra, suất tiêu thụ nhiên liệu của ICE cũng không đạt giá trị cực tiểu ở các chế độ làm việc tại đó công suất và momen quay của động cơ đạt các giá trị cực đại Như vậy, bài toán tối ưu hóa đặt ra ở trên thuộc dạng đa mục tiêu, trong đó

có các mục tiêu xung đột lẫn nhau Để các mục tiêu được tối ưu một cách đồng thời, một giải pháp “dung hòa (trade-off)” được sử dụng và bài toán đa mục tiêu được đưa về bài toán đơn mục tiêu bằng cách sử dụng hàm tổng mục tiêu theo trọng số

dưới dạng phương trình (2.1), trong đó : w 1 , w 2 , w 3 và w 4 là các trọng số [10], [22], [30], [47] Các trọng số được chọn tùy theo mức độ quan trọng của mục tiêu tối ưu của biến số tương ứng, biến số nào được ưu tiên hơn sẽ có trọng số lớn và ngược lại Phương pháp này không cho một kết quả tối ưu duy nhất mà kết quả là một

“pareto nghiệm” Khi đó, tập các lời giải X tương ứng cho giá trị G(X) nhỏ xấp xỉ

nhau tạo thành một “pareto front”, tạm dịch là “mặt trước pareto” Căn cứ vào mặt

trước pareto, người thiết kế sẽ xây dựng bộ tiêu chí lựa chọn để chọn một lời giải

thuộc X cho G(X) thuộc mặt trước pareto phù hợp nhất với mục tiêu do người thiết

kế đề ra

Hình 2-3 Minh họa tập tối ưu Pareto và Pareto front

Hình 2-3 minh họa một ví dụ tập biến đầu vào cần tối ưu gồm công suất có ích lớn nhất của ICE và EM, tập biến đầu ra gồm hai mục tiêu là FC và HC, ứng với một điểm nào đó trong không gian cần tối ưu của tập biến công suất có ích lớn nhất của đầu vào (ICE, EM) sẽ có một điểm tương ứng trong không gian mục tiêu (FC,

HC) Tại các điểm thuộc “pareto front” sẽ có tổng theo trọng số của FC và HC đạt

giá trị nhỏ xấp xỉ nhau Mục tiêu tối ưu là tìm những tập X để G(X) đạt giá trị nhỏ

nhất

2.1.3 ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC

Điều kiện ràng buộc trong bài toán tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid có thể bao gồm: tính năng kỹ thuật của ô tô, kích thước và khối lượng của các thành tố cấu thành hệ động lực, đặc điểm đường sá, phong cách lái xe, sở thích của khách hàng, giá thành, v.v Tính năng động lực học của ô tô được chọn làm điều kiện ràng buộc trong bài toán tối ưu hóa đặt ra ở trên vì nó có quan hệ trực tiếp nhất về phương diện kỹ thuật đến mục tiêu tối ưu hóa Đặc điểm đường sá và phong cách lái xe ở Việt Nam sẽ được tính

đến trong các tiêu chí về tính năng động lực học của ô tô và trong thành phần Chu

trình vận hành do các cơ quan hoặc tổ chức hữu quan của Việt Nam ban hành

Ngoài ra, phong cách lái xe ở Việt Nam cũng được tính đến một phần trong thành

phần Chiến lược điều khiển của mô hình tối ưu hóa Các điều kiện ràng buộc khác

có thể được xem xét đến trong các bài toán tối ưu với các mục tiêu khác để bài toán tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng và tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid không trở nên quá phức tạp hoặc có tính thực tiễn thấp

Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới do một quốc gia, một nhóm các quốc gia hoặc các tổ chức liên quan qui định Chương trình hợp tác giữa chính phủ Hoa Kỳ và các hãng chế tạo ô tô hàng đầu trên thế giới về nghiên

cứu phát triển các thế hệ mới xe cơ giới có tên Partnership for a New Generation of

Vehicles (PNGV) đã xây dựng các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe

cơ giới được giới thiệu trong Bảng 2-1

Ở Việt Nam hiện nay chưa có tiêu chuẩn riêng qui định thống nhất các chỉ tiêu

về tính năng động lực học áp dụng cho từng loại xe cơ giới Tuy nhiên, có thể xác định một cách gián tiếp 3 tiêu chí cơ bản nhất đánh giá tính năng động lực học của

xe cơ giới được thể hiện trong các văn bản do cơ quan có thẩm quyền ở Việt Nam ban hành là vận tốc tối đa, khả năng leo dốc của xe và thời gian tăng tốc từ khi khởi hành cho đến khi xe chạy được 200 m

Bảng 2-1 Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học

của xe cơ giới theo PNGV [29]

Bảng 2-2 Vận tốc thiết kế của các cấp đường ở Việt Nam

theo tiêu chuẩn TCVN 4054 : 2005

Vận tốc tối đa của xe cơ giới lưu thông ở Việt Nam được qui định trong luật giao thông đường bộ và theo loại đường giao thông (Bảng 2-2)

Theo Bảng 2-2, xe tham gia giao thông trên đường cấp I ở đồng bằng có thể chạy với vận tốc tối đa 120 km/h Tuy nhiên, do chất lượng đường thực tế và một số yếu tố khác, hầu hết các loại xe ở Việt Nam chưa được phép lưu thông với tốc độ tối đa 120 km/h Ví dụ: theo thông tư số 13/2009/TT-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải, ô tô chở người đến 30 chỗ ngồi và ô tô tải có trọng tải dưới 3.500 kg tham gia giao thông trên đường bộ trong khu vực đông dân cư chỉ được phép lưu thông

Thời gian tăng tốc

Thời gian tăng tốc từ 0 đến 96,6 km/h ≤ 12 s Thời gian tăng tốc từ 64,4 đến 96,6 km/h ≤ 5,3 s Thời gian tăng tốc từ 0 đến 136,8 km/h ≤ 23,4 s

mang theo khối lượng 272 kg trong 20 phút

Quảng đường tăng

với vận tốc tối đa 50 km/h; khi tham gia giao thông trên đường bộ ngoài khu vực đông dân cư, vận tốc tối đa cho phép là 80 km/h Đường cao tốc có tốc độ tối đa khoảng (80-100) km/h, một số đường cao tốc mới như cao tốc TP HCM – Long Thành được phép chạy tốc độ tối đa 120km/h từ ngày 01/11/2014

Bảng 2-3 thể hiện độ dốc tối đa cho phép đối với đường giao thông theo TCVN 4054 : 2005 Độ dốc thực tế của những đường giao thông tại một số địa điểm được giới thiệu trong Bảng 2-4

Bảng 2-3 Độ dốc lớn nhất của đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054 : 2005

bằng

Đồng bằng

Đồng bằng, đồi

Núi

Đồng bằng, đồi Núi

Đồng bằng, đồi

Núi

Đồng bằng, đồi

Núi

Độ dốc

Bảng 2-4 Độ dốc của một số đường giao thông

tại một số địa điểm ở Việt Nam

hành của ô tô (vận tốc, gia tốc, v.v.) và điều kiện vận hành (độ dốc, tính chất mặt

đường, tốc độ gió, v.v.) thường thay đổi, các chỉ tiêu chất lượng của động cơ (suất tiêu thụ nhiên liệu, mức độ phát thải, v.v.) luôn thay đổi theo chế độ làm việc Như

vậy, suất tiêu thụ nhiên liệu và mức độ phát thải của ô tô không chỉ phụ thuộc vào

bản thân ô tô (khối lượng, hệ số cản lăn, hệ số cản khí động học, v.v.) mà còn phụ

thuộc nhiều vào chế độ vận hành và điều kiện vận hành

Để kết quả thực nghiệm xe phản ánh gần đúng nhất với quá trình vận hành thực tế và có giá trị so sánh giữa các mẫu ô tô khác nhau, ô tô phải được thực nghiệm với một chuỗi vận tốc, gia tốc, v.v khác nhau Chuỗi vận tốc, gia tốc, v.v

như vậy được tiêu chuẩn hóa và được đặt tên trong tiếng Anh là Driving Cycle, tạm dịch là Chu trình vận hành

Chu trình vận hành xe cơ giới thường do các tổ chức nhà nước, hiệp hội chuyên môn hoặc hãng chế tạo xe nghiên cứu và thiết lập Ở Hoa Kỳ, EPA (Environmental Protection Agency) là tổ chức xây dựng các chu trình vận hành và các qui định liên quan để theo đó xe cơ giới được thực nghiệm

Ở Việt Nam, Học viện Kỹ thuật quân sự và bộ phận quản lý môi trường đã phối hợp với Đại học Hong Kong (Trung Quốc) đã xây dựng hai chu trình vận hành được ký hiệu là CEMDC áp dụng cho xe gắn máy và CECDC áp dụng cho ô tô con [48] Một số thông tin về các chu trình vận hành của EPA và của Việt Nam được giới thiệu trong Phụ lục 3 [31], [48]

Trong thực tế, hầu như không thể dự đoán chính xác một loại ô tô sẽ được vận hành trong thực tế theo một chu trình như thế nào vì mỗi ô tô được sử dụng vào mục đích khác nhau và mỗi người lái cũng có phong cách lái xe khác nhau Bởi vậy,

mặc dù thường xuyên được cải tiến để gần đúng hơn với điều kiện thực và phù hợp hơn với các mẫu ô tô mới, nhiều chuyên gia đã khuyến nghị chỉ nên xem chu trình vận hành như là công cụ so sánh hơn là công cụ dự đoán Mặc dù vậy, để kết quả thu được có giá trị so sánh và gần với điều kiện vận hành thực tế nhất có thể, việc

áp dụng các chu trình vận hành trong thực nghiệm là qui trình phổ biến hiện nay

2.1.5 MÔ HÌNH HÓA CÁC THÀNH TỐ CƠ BẢN

CỦA HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID

Theo mô hình tổng quát ở Hình 2-1, để tính được hàm mục tiêu thì cần phải

xác định các thành phần của tập biến đầu ra Y gồm FC, HC, CO và NO theo tập biến đầu vào X gồm độ lớn các nguồn năng lượng và tham số chiến lược điều khiển Việc xác định tập Y theo X có thể tiến hành bằng thực nghiệm trên bệ thử trong

phòng thí nghiệm hoặc thực nghiệm trong điều kiện vận hành thực tế với đối tượng nghiên cứu là một tập hợp các tổ hợp ICE, EM, EG và AQ có độ lớn khác nhau theo các tham số điều khiển khác nhau Cách làm này không khả thi về phương diện kinh

tế Với các đối tượng nghiên cứu vừa phức tạp về mặt kỹ thuật vừa đòi hỏi chi phí rất lớn như hệ động lực ô tô hybrid, giải pháp được chọn là mô hình hóa và thực nghiệm trên mô hình đối tượng theo một phương pháp có chi phí hợp lý hơn

Mô hình là dạng toán học, hình vẽ, v.v của đối tượng tồn tại trong thế giới thực Mô hình hóa là việc xây dựng mô hình của đối tượng sao cho có thể thử nghiệm hoặc thay đổi các đặc tính của mô hình nhằm rút ra được các kết luận về ứng xử của đối tượng đó Mức độ chi tiết hóa mô hình của đối tượng tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu Mô hình càng được chi tiết hóa thì kết quả mô phỏng thực nghiệm càng gần đúng với thực tế, nhưng số lượng tính toán cũng tăng lên Để đánh giá suất tiêu thụ nhiên liệu và mức độ phát thải, mô hình toán học của hệ động lực

xe cơ giới không đòi hỏi phải mô tả mọi ứng xử động lực học của hệ, nhưng phải thể hiện được dòng lưu chuyển năng lượng và tính đến các loại tổn thất năng lượng trong tất cả các thành tố cơ bản của hệ

Mô hình toán học của các thành tố cơ bản của hệ động lực hybrid điển hình

(động cơ đốt trong cổ điển, môtơ điện, máy phát điện, ắcqui) và các thành tố liên quan (hộp số, vi sai, phanh, người lái) đã được nhiều tác giả [14], [44] xây dựng và

sử dụng vào những mục đích khác nhau

Vấn đề cân bằng năng lượng ở ô tô hybrid, mô hình năng lượng và phát thải của ICE được trình bày dưới đây nhằm minh họa cơ sở lý thuyết của phương pháp tối ưu hóa và của phần mềm ADVISOR được sử dụng trong luận án để thực hiện nội dung mô phỏng thực nghiệm

2.1.5.1 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Ở XE HYBRID

Mô tả chính xác vấn đề cân bằng năng lượng để đánh giá được những tổn thất năng lượng và những khu vực có thể tiết kiệm được là điều kiện trước tiên để định hướng nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu ở xe hybrid

Phương trình cân bằng các ngoại lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động thẳng có thể viết dưới dạng như sau :

trong đó : Ftrac - lực kéo; Froll - lực cản lăn; Fgrad - lực cản dốc; Faero - lực cản khí động học; Finer - lực quán tính

trac gear

ice tire

trac trac

r

i M r

trac - hiệu suất của hệ thống truyền lực

Lực cản lăn (Froll) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và

do biến dạng của bánh xe và của mặt đường

Trị số của lực cản lăn được xác định bằng biểu thức :

Froll = Froll 1 + Froll 2 = Croll Z1 + Croll Z2 = Croll mcar g cos  (2.7) trong đó : Froll 1, Froll 2 - lực cản lăn tại các bánh xe phía trước và phía sau, [N]; Z1,

Z2 - phản lực vuông góc ở các bánh xe phía trước và phía sau, [N] ; Croll - hệ số cản lăn [-]; mcar - khối lượng của xe, [kg]; g - gia tốc trọng trường, [m/s2];  - độ dốc của mặt đường, [0]

Do mối quan hệ phức tạp giữa hệ số cản lăn (Croll) và hàng loạt yếu tố liên quan đến lốp xe (vật liệu, kết cấu, tình trạng kỹ thuật, v.v.) cũng như mặt đường (vật liệu làm mặt đường, độ ướt, v.v.) nên cho đến nay người ta chưa thể xác định được hệ số cản lăn bằng phương pháp giải tích Trong tính toán kỹ thuật, Crollthường được chọn từ số liệu thực nghiệm có sẵn hoặc được xác định bằng các công thức được thiết lập trên cơ sở các số liệu thực nghiệm Ví dụ, đối với ô tô con chạy trên đường bê tông với vận tốc v  128 km/h (80 mph), có thể xác định gần đúng

Croll theo công thức sau [51] :

trong đó v là vận tốc của ôtô tính bằng km/h

Lực cản dốc (Fgrad) là lực xuất hiện khi ô tô chuyển động trên đường dốc Lực cản dốc có chiều ngược chiều chuyển động của ô tô khi xe lên dốc và cùng chiều khi ô tô xuống dốc

Lực cản khí động học (Faero), còn gọi là lực cản của gió hoặc lực cản của

không khí, là lực của không khí tác dụng lên ô tô khi chuyển động

Trị số của lực cản khí động học thường được xác định bằng thực nghiệm Lực cản khí động học có thể xác định như sau [51] :

trong đó : air - mật độ của không khí quanh xe, [kg/m3] ; Caero - hệ số cản khí động học ; Acar - tiết diện ngang chắn gió của xe, [m2] ; v - vận tốc của ô tô, [m/s]

Lực quán tính (Finer) là lực cần thiết để gia tốc các khối lượng chuyển động của ô tô Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của ô tô thay đổi

dt

dv m

Ngoài các loại lực và momen đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực

và momen khác tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động, như: Lực ly tâm, Lực ngang, Lực ma sát, Lực phanh, Momen phanh, Momen quán tính của các bánh

xe, v.v Lực ma sát và momen quán tính của các bánh xe thường được bỏ qua khi khảo sát động lực học ô tô vì chúng có trị số rất nhỏ so với các lực và momen khác Lực ly tâm, lực ngang, lực phanh và momen phanh chỉ có ảnh hưởng trực tiếp đến các tính năng quay vòng, tính năng phanh và tính năng ổn định của xe cơ giới

Phương trình (2.4) có thể viết lại như sau :

aero grad

roll trac

F iner car

Trong trường hợp này, phải giả định ô tô sẽ chạy theo một chu trình vận hành nào

đó và lực kéo là lực mà hệ động lực phải tạo ra

Lực quán tính có trị số dương (Finer > 0) khi ô tô tăng tốc và có trị số âm (Finer

< 0) khi ô tô giảm tốc Lực cản dốc Fgrad < 0 khi ô tô xuống dốc và Fgrad > 0 khi ô tô lên dốc Lực cản lăn (Froll) và lực cản khí động học (Faero) chỉ có trị số dương

Tùy thuộc vào trị số của lực kéo, có thể phân biệt 3 nhóm chế độ vận hành của xe như sau :

(1) Chế độ kéo nếu Ftrac > 0 ;

(2) Chế độ phanh nếu Ftrac < 0;

(3) Chế độ thả trôi nếu Ftrac = 0

Lực cản lăn (Froll) và lực cản khí động học (Faero) là các lực bị "tiêu hao" hoàn toàn, tức là không thể tái sử dụng được Lực cản dốc (Fgrad) và lực quán tính (Finer) có tính chất "bảo tồn", tức là có thể được sử dụng lại, tùy thuộc vào tốc độ và

độ cao của ô tô so với điểm chuẩn Như vậy, một phần lực kéo do hệ động lực sinh

ra sẽ làm tăng động năng (tăng tốc) và thế năng (kéo xe lên dốc) của ô tô, một phần

bị tiêu hao để thắng lực cản lăn và lực cản khí động học

Khi ô tô giảm tốc hoặc xuống dốc, động năng và thế năng của ô tô sẽ được tiêu hao bởi sức cản lăn, sức cản khí động học và hệ thống phanh Như vậy, toàn bộ năng lượng mà hệ động lực sinh ra được tiêu hao dưới 3 hình thức: sức cản lăn, sức cản khí động học và phanh Mặt khác, lượng thay đổi động năng của ô tô giữa thời điểm đầu và cuối của chu trình vận hành luôn bằng 0 (vận tốc ô tô tại thời điểm bắt đầu chạy và kết thúc chu trình vận hành bằng nhau và bằng 0), lượng thay đổi thế năng chỉ phụ thuộc vào sự khác nhau về độ cao giữa điểm đầu và điểm cuối của chu trình vận hành

Nhân cả 2 vế phương trình (2.4) với vận tốc của ô tô ta được phương trình cân bằng công suất như sau :

Ntrac = Niner + Ngrad + Nroll + Naero (2.13) trong đó :

 Ntrac = (Ftrac v) - công suất kéo tại các bánh xe chủ động Ntrac có thể có trị số dương hoặc âm Hệ động lực luôn cung cấp Ntrac với trị số dương, còn trị số