Đặt vấn đề Vấn đề ô nhiễm môi trường trên thế giới ngày càng trầm trọng đặc biệt tại các thành phố lớn và ô nhiễm là nguyên nhân gây ra các loại bệnh tật và hiệu ứng nhà kính, thứ hai nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt vì thế cần tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Cũng vì vậy mà các hãng xe dần chuyển sang dùng nhiên liệu ít phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hiện nay mẫu xe hybrid (kết hợp hai động cơ, động cơ điện và động cơ đốt trong) là sự lựa chọn hàng đầu của các nhà sản xuất ôtô trên thế giới. Đề tài về nghiên cứu cải tiến hệ động lực xe hybrid Toyota Prius phù hợp điều kiện Việt Nam là ưu tiên cho sự giảm ô nhiễm môi trường và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch đồng thời tăng hiệu quả sử dụng xe hybrid trong điều kiện Việt Nam hiện nay. Nhằm đảm bảo xe Hybrid hoạt động tại Việt Nam đạt yêu cầu tính năng kỹ thuật cao nhất hay không và cần cải tiến kỹ thuật gì thì nhà sản xuất đưa ra giải pháp kỹ thuật, đồng thời kiểm tra thực nghiệm và tối ưu giải pháp đó.
Một trong giải pháp để làm giảm bớt công sức và thời gian để kiểm tra thực nghiệm là sử dụng phương pháp mô phỏng số, trong đó là ta dùng phần mềm mô phỏng. Nghiên cứu cải tiến hệ động lực xe hybrid Toyota Prius phù hợp điều kiện Việt Nam bằng công cụ số là chương trình mô phỏng ADVISOR được sử dụng miễn phí, là cơ sở, điều kiện để ý tưởng khoa học phát triển đề tài nghiên cứu khoa học.2 Tổng quan về nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài Xe Hybrid, thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe kết hợp hai động cơ, động cơ điện và động cơ đốt trong được phát triển mạnh mẽ trên thế giới từ năm 1960, 1970 và hiện nay loại xe này được sử dụng rất rộng rãi, vì thế sự nghiên cứu loại xe này 1 Luan van vẫn phát triển rất mạnh. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào ba mảng chính là nghiên cứu về năng lượng, nghiên cứu về hệ thống điều khiển, nghiên cứu về khả năng truyền động. Cụ thể: Về nguồn năng lượng: Nghiên cứu phát triển siêu pin dành cho xe Hybrid.
Mô phỏng, đánh giá hiệu suất của xe điện khi dùng siêu tụ. Mô hình pin trong đánh giá tính năng động lực của xe. Mô hình hệ thống pin Lithium-ion, Đánh giá tính năng nạp xả của acquy Chì-axit…. Hệ thống điều khiển: Mô hình hóa và kiểm soát năng lượng cho bình điện.
Tối ưu hệ thống điều khiển… Truyền động: Hiện nay có 3 kiểu truyền động chính trên xe Hybrid kiểu nối tiếp, song song và hỗn hợp. Sau đây là một số nghiên cứu về tối ưu hóa xe Hybrid trên thế giới: (1) Tối ưu hóa tham số điều khiển bằng Genetic Algorithm Huang B. và các cộng sự [11], [13] đã nghiên cứu tối ưu hóa các tham số điều khiển của ô tô Hybridd kiểu nối tiếp bằng cách sử dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) 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 f(X) đã được các tác giả xây dựng như sau: 𝐹𝐸𝑠𝑡 𝑤2 𝑤3 𝑤4 𝑓 (𝑋 ) = 𝑤1 + ∫ 𝐻𝐶 (𝑡 )𝑑𝑡 + ∫ 𝐶𝑂 (𝑡 )𝑑𝑡 + ∫ 𝑁𝑂𝑥 (𝑡 )𝑑𝑡 ∫ 𝐹𝐸 (𝑡 )𝑑𝑡 𝐻𝐶𝑠𝑡 𝐶𝑂𝑠𝑡 𝑁𝑂𝑥_𝑠𝑡 Ta có trong đó: FE - tính kinh tế nhiên liệu; HC, CO, NOx - hàm lượng các chất hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NOx) trong khí thải của động cơ xăng; 𝑤1 , 𝑤2 , 𝑤3 , 𝑤4 - các trọng số. 2 Luan van Bảng 1.1: Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển hệ động lực ô tô Hybridd kiểu nối tiếp bằng Genetic Algorithm [13] Giới hạn Giới hạn Kết quả tối Thông số dưới trên ưu hóa Giới hạn trên của SOC, [%] 50 90 90 Giới hạn dưới của SOC, [%) 10 50 30,47 Công suất yêu cầu nhỏ nhất, [kW] 0 25 16,557 Công suất yêu cầu lớn nhất, [kW] 25 50 34,651 Công suất nạp, [kW] 0 25 12,539 Thời gian tắt ICE, [s] 10 1.2: Giá trị đích và trị số trọng số theo mục tiêu tối ưu trong nghiên cứu của Huang B. [13] Mục tiêu Giá trị đích Trọng số wi FE, [MPG] 80 w1 = 0,7 HC, [g/ mile] 0,125 w2 = 0,1 CO, [g/ mile] 1,7 w3 = 0,1 NOx , [g/ mile] 0,20 w4 = 0,3 Kết quả tối ưu khi sử dụng giải thuật Genetic Algorithm 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 Genetic Algorithm, nên kết quả tìm được có thể là trị số tối ưu toàn cục.
Tuy nhiên, giải thuật Genetic Algorithm 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 1.1 không nhiều nên giảm khả năng lựa chọn bộ tham số tối ưu. 3 Luan van (2) Tối ưu hóa tham số chiến lược điều khiển bằng SAA Tiếp nối nghiên cứu của Huang B. 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], [21]. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã thay đổi giới hạn tìm kiếm của thành phần công suất như Bảng 1.
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.3: Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp bằng SAA [14] Giới hạn Giới hạn Kết quả Thông số dưới trên tối ưu hóa Giới hạn trên của SOC, [%] 50 90 56,67 Giới hạn dưới của SOC, [%] 10 50 34,44 Công suất yêu cầu nhỏ nhất, [kW] 0 20,5 17,083 Công suất yêu cầu lớn nhất, [kW] 20,5 41 26,194 Công suất nạp, [kW] 0 20,5 3,416 Thời gian tắt ICE, [s] 10 1. 4 Luan van Hàm mục tiêu được các tác giả xây dựng có dạng như sau : 𝑀𝑖𝑛(𝐽(𝑋 )) = [𝐹𝑢𝑒𝑙 (𝑋 ), 𝐶𝑂(𝑋 ), 𝐻𝐶 (𝑋 ), 𝑁𝑂𝑥 (𝑋)] 𝑋∈Ω 𝑔𝑗 (𝑋 ) > 0 , 𝑗 = 1,2, … , 𝑘 { 𝑥𝑖𝑙 ≤ 𝑥𝑖 ≤ 𝑥𝑖𝑢 , 𝑖 = 1,2, … , 𝑛 trong đó : J(X) - hàm đa mục tiêu; Ω - không gian các lời giải khả thi; gj(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 xil và trên xiu. Tương tự như nghiên cứu của Zhang B.
và cộng sự [20] 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. 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.2 Nghiên cứu trong nước Hiện nay nghiên cứu và phát triển dòng xe hybrid trên thế giới đang rất mạnh nhưng tại Việt Nam dòng xe hybrid chưa được sự quan tâm nghiên cứu thích đáng từ các nhà khoa học, các doanh nghiệp. Tuy nhiên 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 5 Luan van tay và dùng phục vụ công tác dạy-học các nội dung về đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PSD [5]. 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 [6]. 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 [4] được phát triển trên cơ sở kế thừa sản phẩm của đề tài khoa học TR2002-13-05 nói trên.