Tài liệu 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Khánh Hòa, 2016 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: Mã số: Kỹ thuật cơ khí động lực 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận Khánh Hòa, 2016 i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .......................................................................................................i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH ...............................................................................xi LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................xiii LỜI CẢM ƠN ................................................................................................xiv MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID VÀ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ HYBRID 1.1. Tổng quan về ô tô hybrid ........................................................................8 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của ô tô hybrid ..............................................8 1.1.2. So sánh ôtô hybrid với ô tô truyền thống .................................14 1.1.3. So sánh các kiểu ôtô hybrid .....................................................16 1.1.4. Sơ lược lịch sử phát triển ô tô hybrid .......................................17 1.2. Tổng quan về nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực hybrid .......................19 1.2.1. Nghiên cứu trong nước về ô tô hybrid ......................................19 1.2.2. Nghiên cứu của nước ngoài về tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid .....................................................22 1.3. Những vấn đề cần được nghiên cứu về tối ưu hóa hệ động lực hybrid .............................................................30 1.4. Kết luận chương 1 ....................................................................................32 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 2.1. Mô hình tối ưu hóa độ lớn nguồn năng lượng và tham số ii điều khiển hệ động lực ô tô hybrid ..........................................................34 2.1.1. Sơ đồ mô hình tổng quát ............................................................34 2.1.2. Hàm mục tiêu .............................................................................35 2.1.3. Điều kiện ràng buộc ...................................................................38 2.1.4. Chu trình vận hành .....................................................................41 2.1.5. Mô hình hóa các thành tố cơ bản của hệ động lực ô tô hybrid ..42 2.1.6. Chiến lược điều khiển nguồn năng lượng ..................................52 2.1.7. Bộ tối ưu .....................................................................................54 2.2. Giải thuật đàn ong ....................................................................................55 2.2.1. Giải thuật đàn ong cơ sở .............................................................55 2.2.2. Giải thuật đàn ong dựa trên pheromone .....................................58 2.2.3. Ưu điểm của giải thuật đàn ong .................................................61 2.3. Phương pháp tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid bằng giải thuật đàn ong ...........................................................................62 2.3.1. Phương pháp tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song ..........................................................................62 2.3.2. Phương pháp tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp .............................................................................71 2.4. Kết luận chương 2 ....................................................................................74 Chương 3 : THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG TỐI ƯU HÓA ĐỘ LỚN VÀ THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID 3.1. Mục tiêu thực nghiệm mô phỏng.............................................................76 3.2. Công cụ thực nghiệm mô phỏng..............................................................76 3.2.1. Phần mềm mô phỏng ADVISOR ..............................................76 3.2.2. Môđun giải thuật đàn ong ..........................................................77 3.2.3. Bộ dữ liệu về ô tô Honda Insight 2000 ......................................79 3.2.4. Bộ dữ liệu về ô tô Toyota Prius 1998 ........................................80 3.2.5.Chu trình vận hành......................................................................82 iii 3.3. Nội dung và phương pháp thực nghiệm mô phỏng..................................83 3.3.1. Danh mục thực nghiệm mô phỏng.............................................83 3.3.2. Thực nghiệm mô phỏng trên Honda Insight 2000 .....................84 3.3.3. Thực nghiệm mô phỏng trên Toyota Prius 1998 ......................85 3.4. Xác định các dữ liệu ban đầu .................................................................87 3.4.1. Điều kiện ràng buộc ................................................................ 87 3.4.2. Hệ số cản lăn ........................................................................... 87 3.4.3. Các tham số của BBA và PBA ................................................ 88 3.4.4. Tổng công suất của hệ động lực .............................................. 88 3.4.5. Dải công suất của ICE và EM ................................................. 89 3.4.6. Dải dung lượng của AQ .......................................................... 91 3.4.7. Dải công suất của máy phát điện trên Toyota Prius 1998 ....... 91 3.4.8. Các hệ số tỷ lệ áp dụng cho Honda Insight 2000 .................... 92 3.4.9. Các hệ số tỷ lệ áp dụng cho Toyota Prius 1998 ...................... 93 3.5. Kết quả thực nghiệm mô phỏng............................................................. 95 3.5.1. Kết quả thực nghiệm mô phỏng với Honda Insight 2000........ 95 3.5.2. Kết quả thực nghiệm mô phỏng với Toyota Prius 1998 ....... 105 3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................113 Chương 4 : KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1. Kết luận ...............................................................................................114 4.1.1. Những đóng góp của luận án ................................................ 114 4.1.1. Kết luận rút ra từ kết quả thực nghiệm mô phỏng ................ 114 4.2. Khuyến nghị ........................................................................................118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ .................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................121 PHỤ LỤC.....................................................................................................127 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADVISOR Phần mềm mô phỏng ô tô (ADvanced VehIcle SimulatOR) AQ Ắcqui BA Giải thuật đàn ong BBA Giải thuật đàn ong cơ sở CECDC Chu trình vận hành áp dụng cho ô tô ở Việt Nam CEMDC Chu trình vận hành áp dụng cho xe máy ở Việt Nam EA Giải thuật tiến hóa (Evolution Algorithm) EG Máy phát điện EM Động cơ điện EPA Tổ chức bảo vệ môi trường của Hoa Kỳ (Environmental Protection Agency) FTP Chu trình vận hành UDDS cải tiến áp dụng cho ôtô có chế độ làm việc nhẹ được vận hành trong điều kiện của thành phố (Federal Test Procedure) do EPA xây dựng. GA HEV HWFET Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) Ô tô hybrid Chu trình vận hành mô phỏng quá trình vận hành trên đường cao tốc (Highway Fuel Economy Driving Schedule) do EPA xây dựng. ICE Động cơ đốt trong MG Môtơ-Máy phát điện liên hợp NCS Nghiên cứu sinh NYCC Chu trình vận hành đặc trưng cho điều kiện giao thông ở New York (New York City Cycle) do EPA xây dựng. PBA P-HEV Giải thuật đàn ong dựa trên pheromone Ô tô hybrid kiểu song song v PNGV Partnership for a New Generation of Vehicles PSD Bộ chia công suất (Power Split Device) PSO Giải thuật đám đông phần tử (Particle Swarm Optimization) SAA Giải thuật mô phỏng quá trình ủ kim loại (Simulated Annealing Algorithm) S-HEV Ô tô hybrid kiểu nối tiếp SP-HEV Ô tô hybrid kiểu hỗn hợp THS UDDS Hệ thống động lực của xe Toyota Prius (Toyota Hybrid System) Chu trình vận hành áp dụng cho ô tô có chế độ làm việc nhẹ được vận hành trong điều kiện của thành phố (Urban Dynamometer Driving Schedule) do EPA xây dựng. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TT Ký hiệu Đại lượng 1 Acar Tiết diện ngang chắn gió của ô tô 2 Caero Hệ số cản khí động học 3 Cm.ice Vận tốc trung bình của piston 4 Croll Hệ số cản lăn 5 dv/dt Gia tốc của xe 6 Faero Lực cản khí động học 7 FC Suất tiêu thụ nhiên liệu của ICE 8 Fgrad Lực cản dốc 9 Finer Lực quán tính 10 Froll Lực cản lăn 11 Ftrac Lực kéo 12 gice Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích của động cơ 13 HF Hệ số hybrid 14 HC, CO, NO Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong bị khống chế trong tiêu chuẩn khí thải 15 mcar Khối lượng của xe 16 Mice Momen quay của động cơ đốt trong 17 n 18 Naero Công suất cản khí dộng học 19 Nem Công suất của động cơ điện 20 Ngrad Công suất cản dốc 21 nice Tốc độ quay của động cơ đốt trong 22 Nice Công suất có ích của động cơ đốt trong 23 Niner Công suất quán tính tiêu hao do quán tính 24 Nroll Công suất tiêu hao cho lực cản lăn 25 Ntrac Công suất kéo Tốc độ quay vii 26 pice Áp suất có ích trung bình của động cơ đốt trong 27 Qfuel Nhiệt trị của nhiên liệu 28 SOC Trạng thái năng lượng của ắcqui (State Of Charge) 29 S Độ dốc của mặt đường 30 V Vận tốc của xe 31 Vice 32  33 em Tốc độ góc của động cơ điện 34 ice Tốc độ góc của động cơ đốt trong 35 ice Hiệu suất có ích của động cơ đốt trong 36 em Hiệu suất của động cơ điện 37 ρair Khối lượng riêng của không khí 38 fc_trq_scale Dung tích công tác của động cơ đốt trong Tốc độ góc Hệ số tỉ lệ mô men của ICE so với ICE hiện tại 39 mc_trq_scale Hệ số tỉ lệ mô men của EM so với EM hiện tại 40 ess_cap_scale Hệ số tỉ lệ dung lượng ắc qui so với AQ hiện tại 41 cs_dl_assist_trq_threshold Ngưỡng dưới mô men dẫn động yêu cầu mà EM không hỗ trợ công suất để cùng ICE dẫn động xe 42 cs_mc_assist_min_frac Mô men nhỏ nhất do EM cung cấp để cùng ICE dẫn động xe khi mô men dẫn động viii vượt ngưỡng (phần trăm của mô men dẫn động lớn nhất của EM) 43 cs_mc_assist_slope Phần trăm độ dốc mô men yêu cầu do EM cung cấp để cùng ICE dẫn động xe khi mô men dẫn động vượt ngưỡng (phần trăm của mô men dẫn động lớn nhất của EM) 44 cs_mc_assist_max_frac Mô men lớn nhất do EM cung cấp để cùng ICE dẫn động xe khi mô men dẫn động vượt ngưỡng (phần trăm của mô men lớn nhất của EM) 45 cs_dl_regen_trq_threshold Ngưỡng dưới mô men tái sinh mà EM bắt đầu đóng vai trò EG để tái sinh năng lượng phanh tại tốc độ thấp 46 cs_mc_regen_min_frac Mô men nhỏ nhất do EM tái sinh khi mô men phanh vượt ngưỡng (phần trăm của mô men tái sinh lớn nhất của EM) 47 cs_mc_regen_slope Phần trăm độ dốc mô men dẫn động âm được EM tái sinh khi mô men dẫn động vượt ngưỡng (phần trăm của mô men tái sinh lớn nhất của EM) 48 cs_mc_regen_max_frac Mô men lớn nhất do EM tái sinh khi mô men phanh vượt ngưỡng (phần trăm của mô men tái sinh lớn nhất của EM) 49 cs_decel_regen_threshold Tốc độ nhỏ nhất mà dưới tốc độ này EM sẽ không tái sinh năng lượng phanh 50 cs_lo_soc Giới hạn dưới của trạng thái năng lượng AQ 51 cs_hi_soc Giới hạn trên của trạng thái năng lượng AQ ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1. Kết quả tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng bằng giải thuật di truyền của Liu X. ........................................... 23 Bảng 1-2. Giới hạn độ lớn các nguồn năng lượng trong nghiên cứu của Gao W. and Porandla S. K. .................................................. 24 Bảng 1-3. Kết quả tối ưu hóa độ lớn nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song trong nghiên cứu của Gao W. and Porandla S. K. ......................................... 24 Bảng 1-4. Các tham số điều khiển trong nghiên cứu của Wu X................. 25 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 ........................ 26 Bảng 1-6. Giá trị đích và trị số trọng số theo mục tiêu tối ưu trong nghiên cứu của Huang B. (2006) ......................... 27 Bảng 1-7. Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển hệ động lực xe hybrid kiểu nối tiếp bằng SAA ........................ 27 Bảng 1-8. Kết quả tối ưu đồng thời cho ô tô hybrid kiểu nối tiếp ............. 29 Bảng 2-1. Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới theo PNGV ....................................................... 39 Bảng 2-2. Tốc độ thiết kế của các cấp đường ở Việt Nam ....................... 39 Bảng 2-3. Độ dốc lớn nhất của đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054 : 2005 ......................................... 40 Bảng 2-4. Độ dốc đường giao thông tại một số địa điểm ở Việt Nam ............................................................................... 40 Bảng 2-5. Tập biến đầu vào của mô hình tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid kiểu song song ................................................ 63 Bảng 2-6. Tập biến đầu vào của mô hình tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp ................................................... 72 x Bảng 3-1. Đặc điểm kỹ thuật của Honda Insight 2000 .............................. 79 Bảng 3-2. Đặc điểm kỹ thuật của Toyota Prius 1998 ................................. 81 Bảng 3-3. Danh mục các thực nghiệm mô phỏng ...................................... 83 Bảng 3-4. Hệ số hybrid của một số ô tô thương mại .................................. 89 Bảng 3-5. Giới hạn của các biến đầu vào sử dụng cho Honda Insight 2000 ............................................... 93 Bảng 3-6. Giới hạn của các biến đầu vào sử dụng cho Toyota Prius 1998.. 95 Bảng 3-7. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng BBA theo CECDC ............................................. 95 Bảng 3-8. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng PBA theo CECDC ............................................. 96 Bảng 3-9. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng BBA theo FTP ................................................... 97 Bảng 3-10. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng PBA theo FTP ................................................... 98 Bảng 3-11. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng BBA theo CECDC ....... 100 Bảng 3-12. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng PBA theo CECDC ....... 101 Bảng 3-13. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng BBA theo FTP ............ 102 Bảng 3-14. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng PBA theo FTP ............ 103 Bảng 3-15. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển Toyota Prius 1998 bằng PBA theo CECDC ............................................. 105 Bảng 3-16 : Kết quả kiểm tra khi w1 = 0,85 ; w2 = 0,05 ; w3 = 0,05 ; w4 = 0,05 ............................................................................... 110 Bảng 3-17 : Kết quả kiểm tra khi w1 = 0,445 ; w2 = 0,185 ; w3 = 0,185; w4 = 0,185 ........................................................ 110 xi Bảng 3-18 : Kết quả kiểm tra khi w1 = 0,1 ; w2 = 0,3 ; w3 = 0,3 ; w4 = 0,3..................................................................................... 111 Bảng 3-19: Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng và tham số điều khiển Toyota Prius 1998 bằng PBA theo CECDC ....... 111 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu nối tiếp ................ 9 Hình 1-2. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu song song .......... 10 Hình 1-3. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp ............. 13 Hình 1-4. Lohner-Porsche Mixte ............................................................... 17 Hình 1-5. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid 2 chỗ.......................... 20 Hình 2-1. Mô hình tổng quát tối ưu nguồn năng lượng hệ động lực ô tô hybrid ............................................................ 34 Hình 2-2. Đặc điểm biến thiên của các chất HC, CO và NO theo  ở động cơ xăng ......................................................................... 36 Hình 2-3. Minh họa tập tối ưu Pareto và Pareto front................................. 37 Hình 2-4. Lực và momen tác dụng lên ôtô khi chuyển động thẳng ........... 43 Hình 2-5. Dạng đặc tính tốc độ của động cơ xăng ..................................... 50 Hình 2-6. Dạng đặc tính tổng hợp của động cơ xăng ................................. 50 Hình 2-7. Mô hình năng lượng của ICE ..................................................... 51 Hình 2-8. Chiến lược điều khiển Honda Insight 2000 ................................ 53 Hình 2-9. Minh họa "sàn nhảy" .................................................................. 56 Hình 2-10. Thông tin giao tiếp tại "sàn nhảy" ........................................... 56 Hình 2-11. Lưu đồ giải thuật BBA ............................................................. 57 Hình 2-12. Ảnh hưởng qua lại của pheromone đến số lượng ong .............. 59 Hình 2-13. Ảnh hưởng của fitness đến số lượng ong dùng để tìm kiếm cục bộ ........................................................... 59 Hình 2-14. Ảnh hưởng tổng hợp các tham số trong PBA .......................... 59 xii Hình 2-15. Sơ đồ hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song …………......... 62 Hình 2-16. Sơ đồ hệ động lực của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp..................... 72 Hình 3-1. Sơ đồ liên kết giữa môđun giải thuật đàn ong và ADVISOR ... 78 Hình 3-2. Ô tô Honda Insight 2000............................................................ 79 Hình 3-3. Ô tô Toyota Prius 1998 ............................................................ 80 Hình 3-4. Sơ đồ thực nghiệm mô phỏng tối ưu hóa hệ động lực của Honda Insight 2000 ........................................ 84 Hình 3-5. Sơ đồ thực nghiệm mô phỏng tối ưu hóa hệ động lực của Toyota Prius 1998 .......................................... 86 Hình 3-6: Ảnh hưởng của w1 đến FC ...................................................... 106 Hình 3-7a: Ảnh hưởng của w1 đến HC ................................................... 107 Hình 3-7b: Ảnh hưởng của w2 đến HC .................................................. 107 Hình 3-8a: Ảnh hưởng của w1 đến CO .................................................. 108 Hình 3-8b: Ảnh hưởng của w3 đến CO .................................................. 108 Hình 3-9a: Ảnh hưởng của w1 đến NO .................................................. 109 Hình 3-9b: Ảnh hưởng của w4 đến NO .................................................. 109 xiii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của mình cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Vũ Thăng Long xiv LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Vũ Văn Xứng - Nguyên Hiệu trưởng Trường Đại học Nha Trang đã cho phép tôi thực hiện Luận án này. PGS.TS.Trang Sĩ Trung – Hiệu Trưởng đương nhiệm đã cho phép tôi được bảo vệ Luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Trưởng khoa Sau Đại học, Trưởng khoa Kỹ thuật Giao thông, Trưởng khoa Cơ khí và Bộ môn Động lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành Luận án. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận, người Thầy đáng kính đã dạy dỗ tôi từ khi tôi mới bước chân vào Trường Đại học Nha Trang và cũng chính là người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện Luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS.Quách Đình Liên, PGS.TS. Phạm Hùng Thắng, PGS.TS.Trần Gia Thái, TS.Lê Bá Khang, TS. Phùng Minh Lộc - Trường ĐH Nha Trang, TS.Nguyễn Lê Duy Khải - Trường ĐHBK TP.HCM, PGS.TS.Lê Anh Tuấn - Trường ĐHBK Hà Nội đã giảng dạy, động viên và cho tôi nhiều ý kiến quý báu về phương pháp luận của Luận án. Tôi cũng gởi lời tri ân đến TS. Packianather M S - Trường ĐH Cardiff, Vương quốc Anh đã cho tôi những kiến thức ban đầu về giải thuật tối ưu và đã cùng trao đổi, phát triển giải thuật đàn ong được sử dụng trong luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy trong Hội đồng chấm Luận án đã đồng ý đọc, duyệt và đóng góp ý kiến để tôi hoàn chỉnh Luận án và hoạch định những nội dung nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng nhưng không phải ít, con xin chân thành cảm ơn Ba Mẹ, chị em, đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt là vợ và hai con thân yêu đã luôn ở bên, ủng hộ, động viên tinh thần cho tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án này. Nghiên cứu sinh Vũ Thăng Long 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 [21]. 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 (BT). (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 BT được hiểu là dung lượng tổng cộng của các BT. 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 BT 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 (componentlevel 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