Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

231
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án xây dựng mô hình tối ưu hóa và phát triển giải thuật để tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tối ưu hóa các tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid, nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải các chất độc hại có trong khí thải của ICE.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VŨ THĂNG LONG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ ĐỘ LỚN VÀ THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận Khánh Hòa, 2015
1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong (ICE) 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 (EM) là giải pháp triệt để nhất 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 ắcqui đã được thiết kế và chế tạo. Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, trong đó có cả khả năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo và lắp ráp xe cơ giới hiện nay thì xe chạy bằng ICE vẫn là loại phương tiện giao thông cơ giới có vị trí độc tôn và hàng triệu chiếc xe chạy bằng ICE ở khắp nơi trên thế giới vẫn sẽ là những hình ảnh quen thuộc cho nhiều thế hệ mai sau. 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 ICE trang bị trên xe cơ giới. Trong tiếng Anh, từ "hybrid" có nghĩa là "lai/ ghép/ kết hợp", thuật ngữ "hybrid vehicle" được định nghĩa 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 di động như: xe đạp điện chạy bằng cách đạp pedal và bằng EM, ô tô được trang bị cả động cơ xăng và EM để dẫn động bánh xe chủ động, xe lửa được trang bị cả EM 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 EM để di chuyển trên đường băng, tàu ngầm điện-diesel được trang bị EM để chạy khi tàu lặn và động cơ diesel để chạy khi tàu nổi trên mặt nước, v.v. đều được xếp vào đối tượng "hybrid vehicle". Ô tô hybrid có hệ động lực được cấu thành từ động cơ xăng và EM đã được chế tạo từ những năm cuối thế kỷ XVIII và đã tạo được ấn tượng mạnh đối với
2 khách hàng và giới kỹ nghệ gia ở giai đoạn đầu mới phát triển do đạt được các tính năng vượt trội so với ô tô truyền thống (ô tô chỉ được trang bị một loại nguồn động lực, hoặc là ICE hoặc là động cơ đốt ngoài hoặc là EM). Tuy nhiên, do vận hành và sửa chữa đơn giản hơn, giá thành động cơ xăng và diesel ngày càng giảm do được sản xuất hàng loạt, nguồn cung xăng dầu ngày càng dồi dào với giá rẻ, v.v., ô tô truyền thống đã chiếm lĩnh gần như toàn bộ thị trường của ô tô hybrid trong giai đoạn trước 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, ô tô hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và đã phát triển nhảy vọt cho đến nay. Bên cạnh những ưu điểm vốn có của phương án hybrid, những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo, điện-điện tử, thông tin, v.v. cũng được xem là yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành công của ô tô hybrid hiện đại. Toyota được xem là hãng chế tạo ô tô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực phát triển ô tô hybrid hiện đại. Dòng ô tô hybrid thương mại hiện đại đầu tiên có tên Toyota Prius được bán ở thị trường Nhật Bản vào năm 1997. Đến tháng 6 năm 2013, khoảng 3 triệu Toyota Prius đã được bán ở 80 quốc gia và khu vực. Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ô tô hàng đầu trên thế giới đều đã cho ra đời các các mẫu ô tô hybrid của mình và ô tô hybrid đã được khẳng định là một phần của thị trường ô tô hiện nay và trong tương lai. Trong quá trình thiết kế ô tô truyền thống, công suất cực đại của động cơ được xác định trên cơ sở một số tính năng kỹ thuật của ô tô, ví dụ: tính năng động lực học, tính năng việt dã, v.v. được đặt ra khi thiết kế. Đối với ô tô hybrid, các nguồn động lực khác nhau không những phải có độ lớn sao cho tổng công suất do chúng đồng thời cung cấp cho bánh xe chủ động phải bằng công suất cực đại của động cơ ở ô tô truyền thống có tính năng kỹ thuật tương đương, mà công suất của mỗi nguồn động lực còn phải được lựa chọn sao cho cả hệ thống làm việc với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường cao nhất có thể. Trong quá trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa ô tô chỉ có thể đạt được mục tiêu khi tối ưu hóa được các chế độ làm việc của các nguồn năng lượng,
3 ví dụ: thời điểm mà một hoặc một số nguồn năng lượng sẽ ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ nào để phát huy ưu điểm và hạn chế nhược điểm của chúng, tỷ lệ đóng góp công suất của các nguồn động lực cùng tham gia dẫn động các bánh xe chủ động tại một thời điểm, chiến lược tái sử dụng năng lượng mà các nguồn động lực đã cung cấp cho bánh xe chủ động, v.v. Các vấn đề kể trên thuộc nội hàm của khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid. Làm chủ kỹ thuật tối ưu hóa độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid là điều kiện tiên quyết để có thể thiết kế và khai thác ô tô hybrid với những lợi ích mà phương án hybrid có thể mang lại. Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm hiện nay, ở Việt Nam chưa có công trình khoa học chuyên sâu nào đã công bố về tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid. Hầu hết ấn phẩm tiếng Việt về ô tô hybrid mới chỉ đề cập đến những khái niệm cơ bản hoặc giới thiệu những thành tựu mới của các hãng chế tạo ô tô hybrid hoặc thiết kế chế tạo cụm thiết bị, mô hình ô tô hybrid trong phạm vi các đồ án tốt nghiệp đại học hoặc luận văn thạc sĩ, ... Kỹ thuật và công nghệ tối ưu hóa hệ động lực hybrid được áp dụng cho các mẫu ô tô hybrid hiện đại vẫn còn là bí quyết của một số hãng chế tạo ô tô hybrid hàng đầu trên thế giới. Với mục đích nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn của giải pháp hybrid hóa để làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo xe hybrid, đồng thời cho phép đánh giá mức độ phù hợp của các mẫu xe hybrid được khai thác trong điều kiện ở Việt Nam, nghiên cứu sinh (NCS) chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid ". 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng mô hình tối ưu hóa và phát triển giải thuật để tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tối ưu hóa các tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid, nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải các chất độc hại có trong khí thải của ICE.
4 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Ô tô hybrid có hệ thống động lực được cấu thành từ hai loại nguồn động lực là ICE và EM. 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU (1) Các nguồn năng lượng trong cấu trúc tổng thể của hệ động lực của ô tô hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp, bao gồm: ICE, EM, máy phát điện (EG) và ắcqui điện (AQ). (2) Tối ưu hóa thiết kế độ lớn của các nguồn năng lượng thuộc hệ động lực của ô tô hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp. Độ lớn của ICE, EM và EG trong luận án này được hiểu là công suất có ích lớn nhất. Độ lớn của AQ được hiểu là dung lượng tổng cộng của các AQ. Tối ưu hóa thiết kế độ lớn các nguồn năng lượng trong luận án này được hiểu là việc xác định công suất có ích lớn nhất của ICE, EM, EG và dung lượng AQ nhằm thỏa mãn các mục tiêu đặt ra. (3) Tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp. Tối ưu hóa tham số điều khiển được hiểu là việc xác định và kiểm soát chế độ làm việc của các nguồn năng lượng sao cho đạt được các mục tiêu mà phương án hybrid có thể mang lại. Ô tô truyền thống không có yêu cầu tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực. Ở loại ô tô này, người lái quyết định vận tốc tức thời của ô tô và công suất tức thời của động cơ thông qua việc tác động lên cần gạt hộp số, bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh. Đối với một số loại ô tô được trang bị động cơ phun nhiên liệu điều khiển điện tử và hộp số tự động, mong muốn của người lái được hiện thực hóa bằng chiến lược điều khiển cấp thành tố (component- level control strategies), ví dụ: bộ điều khiển trung tâm của động cơ quyết định lượng nhiên liệu phun vào xylanh tương ứng với vị trí của bàn đạp ga và bộ điều khiển hộp số quyết định chuyển số, phù hợp với vận tốc của ô tô. Trong trường hợp ô tô hybrid, cần có thêm các quyết định khác nữa, ví dụ: mỗi nguồn năng lượng phải cung cấp bao nhiêu năng lượng để có tổng năng lượng cần thiết cung cấp cho bánh
5 xe chủ động, mỗi nguồn năng lượng phải hoạt động ở chế độ nào để cả hệ thống làm việc với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường tối ưu, v.v. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm với mô hình đối tượng trên máy tính là hai phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng trong luận án. Nội dung nghiên cứu lý thuyết bao gồm:  Tìm hiểu các công trình khoa học ở trong và ngoài nước về đề tài ô tô hybrid nói chung và tối ưu hóa hệ động lực hybrid nói riêng. Trên cơ sở đó xác định một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo định hướng đã đặt ra, bao gồm: tối ưu hóa đồng thời độ lớn và các tham số điều khiển các nguồn năng lượng của hệ động lực nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm mức độ phát thải các chất độc hại của ICE nằm trong cấu trúc tổng thể của hệ động lực ô tô hybrid;  Xây dựng và phát triển mô hình tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid, trong đó có tính đến các điều kiện thực tế ở Việt Nam;  Nghiên cứu cải tiến giải thuật đàn ong (Bees Algorithm) và ứng dụng nó trong bài toán tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid. Bài toán tối ưu hóa đồng thời độ lớn của các nguồn năng lượng và tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid được giải và đánh giá kết quả bằng mô phỏng thực nghiệm trên máy tính. 6. NỘI DUNG VÀ BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Nội dung luận án được bố cục thành 4 chương, không kể phần Mở đầu và Phụ lục, bao gồm : Chương 1 : Tổng quan về ô tô hybrid và nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid 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 3 : Mô phỏng thực nghiệm tối ưu hóa độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực ô tô hybrid Chương 4 : Kết luận và khuyến nghị
6 7. NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN (1) Phát triển mô hình 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 được cấu thành từ ICE và EM, trong đó cho phép xét đến các điều kiện khai thác kỹ thuật thực tế ở Việt Nam; (2) Cải tiến giải thuật đàn ong và ứng dụng nó trong bài toán tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid; (3) Phát triển mô đun giải thuật đàn ong và tích hợp nó với phần mềm ADVISOR do NREL (National Renewable Energy Laboratory - Hoa Kỳ) xây dựng phục vụ mô phỏng thực nghiệm tối ưu hóa độ lớn và các tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực ô tô hybrid. 8. HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN Luận án mới chỉ đề cập vấn đề tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tham số điều khiển nguồn năng lượng thuộc hệ động lực của ô tô hybrid với mục tiêu là giảm tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát thải của ICE trong điều kiện vẫn đảm bảo các yêu cầu về tính năng động lực học. Phương pháp tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid bằng giải thuật đàn ong chưa được khảo nghiệm trên các mẫu ô tô hybrid thực trong phòng thí nghiệm hoặc vận hành trong điều kiện thực tế.
7 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.
8 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. Ở S-HEV, ICE chỉ có chức năng lai EG để cung cấp điện cho EM hoặc nạp 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.
9 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.
10  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
11 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 nhỏ hơn 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;  Môtơ-máy phát điện liên hợp MG2 có chức năng chính là phối hợp với 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);
12  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;
13 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;
14 (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;  Mặc dù ICE, MG1 và MG2 được liên kết với nhau thông qua một hộp số 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;
15  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
16 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 S- HEV nhưng cao hơn so với ICE trên P-HEV; (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.
17 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. Vào năm 1915, công ty Woods Motor Vehicle tại Hoa Kỳ đã chế tạo mẫu ô 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
18 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.
19 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