Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nồng độ các khí nhà kính tăng đều đặn hàng năm và nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, ngành giao thông vận tải đóng vai trò quan trọng trong việc phát thải khí gây ô nhiễm. Ở các thành phố lớn Việt Nam, xe máy là phương tiện cá nhân phổ biến nhất, chiếm phần lớn lượng phát thải khí thải giao thông. Theo báo cáo của ngành, lượng phát thải CO tăng 18%, SOx tăng 24%, và NOx tăng tới 90% hàng năm, chủ yếu do số lượng xe máy và ô tô tăng nhanh cùng với chất lượng xe thấp, hiệu quả sử dụng năng lượng kém. Đặc biệt, xe máy có suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) cao hơn ô tô do cấu trúc động cơ dung tích nhỏ và hoạt động chủ yếu trong điều kiện đô thị với dải tốc độ thấp, tăng giảm tốc liên tục, khiến động cơ không thể duy trì hiệu suất cao.

Trước thực trạng này, nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe máy hybrid xăng – điện được cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải, đồng thời đảm bảo tính năng động lực học tương đương xe nguyên bản. Nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền lực và lưu trữ năng lượng, áp dụng thuật toán điều khiển phân phối công suất Rule-based control và phương pháp tối ưu hóa phân phối công suất bằng quy hoạch động. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển xe máy hybrid cải tạo tại phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, với các chu trình chạy thử nghiệm phù hợp điều kiện giao thông đô thị Việt Nam như Japan 10–15 Mode, ECE R15, INDIA URBAN và WVUCITY.

Kết quả mô phỏng cho thấy xe máy hybrid cải tạo có tính năng động lực học không thua kém xe nền, mức tiêu hao nhiên liệu tăng nhẹ 0,15 lít/100 km khi không có chế độ sạc, nhưng khi sử dụng cấu trúc plug-in hybrid với sạc từ nguồn điện ngoài, mức tiêu hao nhiên liệu giảm 0,31 lít/100 km trên quãng đường 84,8 km. Thuật toán tối ưu hóa phân phối công suất giúp giảm tiêu hao nhiên liệu xuống còn 2,11 lít/100 km, thấp hơn 0,58 lít/100 km so với xe nền, đáp ứng điều kiện di chuyển thực tế tại các thành phố Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid thân thiện môi trường, tiết kiệm nhiên liệu và phù hợp với điều kiện giao thông đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về xe hybrid, hệ thống truyền lực hybrid xăng – điện và phương pháp mô hình hóa, mô phỏng hệ thống. Xe hybrid được định nghĩa là phương tiện sử dụng hai hoặc nhiều nguồn năng lượng, trong đó xe hybrid xăng – điện kết hợp động cơ đốt trong (ICE) và động cơ điện (motor điện) để tối ưu hóa hiệu suất và giảm phát thải. Ba cấu trúc truyền lực hybrid phổ biến gồm: kiểu nối tiếp, song song và phức hợp. Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc hybrid song song với động cơ điện đặt trực tiếp tại bánh trước và động cơ đốt trong dẫn động bánh sau qua hộp số CVT nguyên bản.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Mô hình hóa hệ thống truyền lực hybrid: Xây dựng mô hình toán học các bộ phận như động cơ đốt trong, động cơ điện BLDC, hệ thống lưu trữ năng lượng (ắc quy lithium-ion), bộ điều khiển phân phối công suất.

  • Thuật toán điều khiển phân phối công suất Rule-based control: Phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện dựa trên các quy tắc điều khiển đơn giản nhằm duy trì trạng thái nạp ắc quy và tối ưu hiệu suất nhiên liệu.

  • Phương pháp tối ưu hóa phân phối công suất bằng quy hoạch động: Giải bài toán tối ưu hóa phân phối công suất nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải trong các chu trình vận hành thực tế.

Ngoài ra, các khái niệm về trạng thái nạp ắc quy (SOC), bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu động cơ, và các chu trình chạy thử nghiệm tiêu chuẩn quốc tế cũng được sử dụng làm cơ sở lý thuyết.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp phân tích lý thuyết, mô hình hóa toán học, mô phỏng và thực nghiệm. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm thu thập từ băng thử động cơ đốt trong, động cơ điện BLDC, ắc quy lithium-ion; dữ liệu kỹ thuật xe nền Honda Lead 110cc; các chu trình chạy thử nghiệm chuẩn quốc tế (Japan 10–15 Mode, ECE R15, INDIA URBAN, WVUCITY).

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học chi tiết các bộ phận hệ thống truyền lực và lưu trữ năng lượng, mô hình hóa động lực học thân xe, mô hình hóa người lái. Phân tích hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu dựa trên bản đồ động cơ và bản đồ motor điện.

  • Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hoạt động hệ thống truyền lực hybrid với thuật toán điều khiển Rule-based control và thuật toán tối ưu hóa phân phối công suất bằng quy hoạch động. Cỡ mẫu mô phỏng gồm các chu trình chạy thử nghiệm tiêu chuẩn, mô phỏng trên quãng đường từ 48,49 km đến 84,8 km.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, thu thập số liệu thực nghiệm, phát triển thuật toán điều khiển, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, khách quan và phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam, đồng thời cung cấp cơ sở để đánh giá hiệu quả cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính năng động lực học của xe hybrid cải tạo: Mô phỏng cho thấy xe máy hybrid với thuật toán điều khiển Rule-based control có khả năng đáp ứng tốc độ và công suất kéo yêu cầu tương đương xe nền Honda Lead 110cc. Ví dụ, trong chu trình ECE R15, tốc độ mô phỏng và tốc độ yêu cầu có sai số nhỏ, đảm bảo tính ổn định vận hành.

  2. Tiêu hao nhiên liệu và phát thải: Xe hybrid không có chế độ sạc trên xe tiêu thụ trung bình 2,38 lít/100 km trên quãng đường 84,8 km, thấp hơn 0,31 lít/100 km so với xe nền. Khi chạy ở chế độ bình thường, mức tiêu hao nhiên liệu tăng thêm 0,15 lít/100 km so với xe nền do trọng lượng và cấu trúc thay đổi. Thuật toán tối ưu hóa phân phối công suất giúp giảm tiêu hao nhiên liệu xuống còn 2,11 lít/100 km, giảm 0,58 lít/100 km so với xe nền, mặc dù quãng đường di chuyển ngắn hơn (48,49 km) nhưng vẫn đáp ứng điều kiện di chuyển thực tế.

  3. Sự thay đổi trạng thái nạp ắc quy (SOC): Mức SOC thay đổi theo chu trình chạy thử, duy trì trong giới hạn cho phép (từ 50% đến 100%), đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất ắc quy. Ở chế độ sạc, SOC được duy trì ổn định hơn, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải.

  4. Hiệu quả thuật toán điều khiển phân phối công suất: So sánh giữa thuật toán Rule-based control và thuật toán tối ưu hóa cho thấy thuật toán tối ưu hóa phân phối công suất mang lại hiệu quả nhiên liệu tốt hơn, giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và phát thải khí độc hại. Biểu đồ phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và motor điện minh họa sự phối hợp hiệu quả giữa hai nguồn năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải là do sự phối hợp hiệu quả giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, tận dụng ưu điểm của từng nguồn năng lượng trong các điều kiện vận hành khác nhau. Việc sử dụng thuật toán điều khiển phân phối công suất Rule-based control giúp duy trì trạng thái nạp ắc quy ổn định, giảm tải cho động cơ đốt trong, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu.

So với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả mô phỏng phù hợp với xu hướng phát triển xe hybrid plug-in, đồng thời phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam. Việc mô phỏng trên nhiều chu trình chạy thử nghiệm tiêu chuẩn quốc tế giúp đánh giá toàn diện hiệu quả vận hành xe hybrid cải tạo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tốc độ mô phỏng và tốc độ yêu cầu, biểu đồ phân phối công suất giữa hai nguồn động lực, biểu đồ thay đổi SOC và biểu đồ tiêu hao nhiên liệu theo thời gian. Bảng tổng hợp kết quả tiêu hao nhiên liệu và phát thải giữa xe nền, xe hybrid với thuật toán Rule-based control và thuật toán tối ưu hóa cũng giúp minh chứng rõ ràng hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển và ứng dụng thuật toán điều khiển tối ưu hóa phân phối công suất: Đề xuất áp dụng thuật toán quy hoạch động để tối ưu hóa phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất xe máy.

  2. Cải tiến hệ thống lưu trữ năng lượng với ắc quy lithium-ion chất lượng cao: Nâng cao hiệu suất và tuổi thọ ắc quy, đảm bảo trạng thái nạp SOC ổn định, giảm chi phí bảo trì. Thời gian triển khai 2-3 năm, do các nhà sản xuất pin và trung tâm nghiên cứu công nghệ năng lượng đảm nhiệm.

  3. Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm thực tế xe máy hybrid plug-in tại các đô thị lớn: Thu thập dữ liệu vận hành thực tế để hiệu chỉnh mô hình và thuật toán điều khiển, nâng cao độ chính xác và tính khả thi. Thời gian thực hiện 3-5 năm, phối hợp giữa các trường đại học, cơ quan quản lý giao thông và doanh nghiệp.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid: Đảm bảo an toàn, hiệu quả và phù hợp với quy định pháp luật Việt Nam. Thời gian thực hiện 1-2 năm, do Bộ Giao thông Vận tải và Bộ Khoa học Công nghệ chủ trì.

  5. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất, sửa chữa xe máy: Nâng cao năng lực kỹ thuật, hỗ trợ phát triển thị trường xe máy hybrid. Thời gian liên tục, do các trường đại học kỹ thuật và các trung tâm đào tạo nghề thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực, cơ điện tử: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và phương pháp mô phỏng hệ thống truyền lực hybrid, giúp phát triển nghiên cứu sâu hơn về xe hybrid và các hệ thống truyền động điện.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo xe máy: Tham khảo để áp dụng công nghệ cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid plug-in, nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải, đáp ứng xu hướng phát triển bền vững.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về giao thông và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về phát thải khí thải và tiết kiệm năng lượng trong lĩnh vực giao thông đô thị.

  4. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và nghề nghiệp: Áp dụng nội dung luận văn để thiết kế chương trình đào tạo về công nghệ xe hybrid, nâng cao kỹ năng cho kỹ thuật viên và kỹ sư trong ngành công nghiệp ô tô, xe máy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xe máy hybrid xăng – điện cải tạo từ xe nền có đảm bảo tính năng vận hành không?
    Nghiên cứu mô phỏng cho thấy xe hybrid cải tạo đáp ứng tốt các yêu cầu về tốc độ và công suất kéo tương đương xe nền, đảm bảo tính năng động lực học trong điều kiện giao thông đô thị.

  2. Mức tiêu hao nhiên liệu của xe hybrid so với xe máy truyền thống như thế nào?
    Xe hybrid plug-in có mức tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 0,31 đến 0,58 lít/100 km so với xe nền, tùy thuộc vào chế độ vận hành và thuật toán điều khiển phân phối công suất.

  3. Thuật toán điều khiển phân phối công suất nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu áp dụng thuật toán Rule-based control đơn giản và thuật toán tối ưu hóa phân phối công suất bằng quy hoạch động, trong đó thuật toán tối ưu hóa mang lại hiệu quả nhiên liệu tốt hơn.

  4. Hệ thống lưu trữ năng lượng sử dụng loại ắc quy nào?
    Xe hybrid sử dụng ắc quy lithium-ion với đặc tính năng lượng riêng cao, tuổi thọ tốt và khả năng nạp xả nhanh, phù hợp với yêu cầu vận hành xe hybrid.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại xe máy khác không?
    Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại xe máy khác có cấu trúc tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh tham số phù hợp với đặc tính kỹ thuật từng loại xe.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng hệ thống truyền lực hybrid xăng – điện cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink.
  • Thuật toán điều khiển phân phối công suất Rule-based control và thuật toán tối ưu hóa phân phối công suất bằng quy hoạch động được phát triển và đánh giá hiệu quả.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy xe hybrid cải tạo có tính năng động lực học tương đương xe nền, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc hại đáng kể, đặc biệt khi áp dụng cấu trúc plug-in hybrid.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển công nghệ cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid thân thiện môi trường, phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, hoàn thiện thuật toán điều khiển, mở rộng nghiên cứu và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho xe máy hybrid plug-in.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy phát triển xe máy hybrid tại Việt Nam, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng.