Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài: Nồng độ các khí nhà kính trong bầu khí quyển vẫn đang đều đặn tăng thêm từng năm trong khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ thì ngày càng cạn kiệt. Các nghiên cứu gần đây cho thấy gần một phần ba khí thải nhà kính trên thế giới có nguồn gốc từ quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch của động cơ đốt trong dùng trên các phương tiện giao thông vận tải [1]. Ở các thành phố lớn của Việt Nam, do không gian hạn chế, mật độ dân số cao, cùng với chi phí kinh tế và tính tiện lợi cao hơn các phương tiện giao thông khác, xe máy được sử dụng làm phương tiện di chuyển cá nhân mang tính phổ biến. Nguồn phát thải của phương tiện này hiện nay chiếm một phần lớn trong tổng phát thải của các phương tiện giao thông.
Lượng khí thải, bụi… gây ô nhiễm cũng tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng của các phương tiện giao thông đường bộ. Việc gia tăng số lượng ô tô, xe máy mỗi năm tăng lượng phát thải các phần tử CO lên 18%, SOx là 24%, NOx lên tới 90% [2].1: Tỉ lệ phát thải của các loại phương tiện giao thông ở Việt Nam Sự phát thải của các phương tiên xe cơ giới không chỉ phụ thuộc vào số lượng mà còn phụ thuộc vào chất lượng các loại xe. Đối với các phương tiện như xe ô tô, 1 xe máy qua nhiều năm sử dụng có chất lượng thấp, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp, nồng độ chất gây ô nhiễm và bụi trong khí xả cao… là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng. Xét trên cùng một chiều dài quãng đường di chuyển, xe máy có lượng tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp hơn so với xe ô tô [3].
Nhưng xét về mặt hiệu quả năng lượng, suất tiêu hao nhiên liệu BSFC (g/kWh) của xe máy lại cao hơn ô tô, nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu động cơ dung tích nhỏ kém tối ưu hơn. Đồng thời xe máy chủ yếu được sử dụng trong điều kiện đường thành phố với dải tốc độ và tải thấp, tăng giảm tốc độ liên tục; do đó động cơ xăng hầu như không thể duy trì hoạt động ở vùng hiệu suất cao. Cùng với việc không thể trang bị bộ xử lý khí thải như trên xe ô tô nên khí thải của xe máy chứa nhiều thành phần độc hại không được xử lý trước khi phát thải trực tiếp ra môi trường. Do vậy, kinh tế nhiên liệu và giảm thiểu phát thải là bài toán cấp thiết đặt ra đối với phương tiện giao thông, đặc biệt là đối với xe máy, phương tiện giao thông phổ biến nhất.
Xe lai, hay xe hybrid, được định nghĩa là xe có sử dụng kết hợp hai nguồn năng lượng, được xem là một sự chuyển đổi lý tưởng từ xe chạy bằng nhiên liệu dầu mỏ sang xe chạy bằng nhiên liệu thay thế. Trong đó, xe hybrid xăng – điện là loại phổ biến và thực tiễn nhất hiện nay. Xe hybrid đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, tính kinh tế nhiên liệu tăng lên đáng kể trong khi tính năng vận hành không thay đổi nhiều so với xe truyền thống. Sự kết hợp ưu điểm của hai nguồn động lực tạo ra từ xăng và điện giúp khắc phục nhược điểm tồn tại của mỗi nguồn khi hoạt động riêng rẽ.
Giải pháp cải tạo xe máy truyền thống thành xe máy hybrid là một giải pháp khả thi, tận dụng được lượng xe máy vẫn đang hoạt động, chuyển đổi để đạt hiệu quả kinh tế nhiên liệu và phát thải tốt hơn mà không cần chế tạo phương tiện giao thông hoàn toàn mới. Các nghiên cứu về xe máy hybrid hai bánh cũng thu hút được sự quan tâm của các hãng sản xuất xe máy và các nhà khoa học trên thế giới. Gần đây vào năm 2012, hãng xe máy Ấn Độ Hero Motor đã giới thiệu dòng xe tay ga hybrid mới Hero Leap, động cơ chạy xăng có thể vừa giúp xe chạy, vừa sạc được pin cho xe. Ở trong nước, trong khuôn khổ đề tài mã số C2015-20-35, trường Đại học Bách khoa Tp.
Hồ Chí 2 Minh đề xuất phương án tích hợp công nghệ hybrid trên xe nền Honda Lead 110cc. Phương án đưa ra là sử dụng động cơ điện đặt trong bánh trước làm nguồn động lực thứ hai, bên cạnh bánh sau được dẫn động bằng động cơ đốt trong nguyên bản. Vấn đề đặt ra là với sự thay đổi về kích thước, trọng lượng, công suất… của xe sau cải tạo, liệu xe có đáp ứng được tính năng động lực học yêu cầu như xe nguyên bản hay không? Phương án điều khiển phân phối công suất là gì và hiệu quả kinh tế nhiên liệu cũng như phát thải của xe sau cải tạo ra sao? Và thuật toán điều khiển tốt nhất để nâng cao các chỉ tiêu động lực học, kinh tế nhiên liệu, phát thải là gì? Trước khi thi công cải tạo, chuyển đổi xe nền thành xe hybrid, các vấn đề này cần phải được làm rõ để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của việc chuyển đổi, tránh việc thực hiện mò mẫm, lãng phí. Việc tiến hành mô hình hóa sử dụng công cụ mô phỏng như Matlab – Simulink là một trong những cách tiếp cận hiệu quả để đánh giá tính năng động lực học, tính hiệu quả kinh tế của xe sau cải tạo so với xe nền.
Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống truyền lực hybrid và hệ thống lưu trữ năng lượng được xây dựng thông qua các liên hệ toán học và bản đồ thực nghiệm. Mô hình được mô phỏng bằng công cụ Matlab – Simulink để đánh giá tính hiệu quả và khả thi của xe sau cải tạo. Ngoài ra, một phương pháp điều khiển giản đơn và cơ sở lý thuyết cho chiến lược quản lý và phân phối năng lượng hiệu quả sẽ được đề xuất nhằm mục đích cuối cùng là tối ưu hóa tính kinh tế nhiên liệu và giảm mức phát thải của xe máy hybrid. Các kết quả mô phỏng sẽ được đánh giá theo các chu trình chạy thử nghiệm gồm: Japan 10 – 15 Mode, ECE R15, INDIA URBAN và WVUCITY.
Các chu trình này khá phù hợp với điều kiện giao thông thành phố tại Việt Nam, xét về giới hạn tốc độ, tần số tăng – giảm tốc độ, quãng đường duy trì tốc độ ổn định và thời gian cầm chừng, v.v… Các nội dung mà mô phỏng quan tâm bao gồm: Mức độ đáp ứng tốc độ yêu cầu của chu trình, công suất kéo yêu cầu, công suất cung cấp bởi động cơ, công suất cung cấp bởi motor tại từng thời điểm của chu trình, sự thay đổi mức SOC, hàm lượng các khí thải, tiêu hao nhiên liệu và quãng đường di chuyển khi xe chạy theo chu trình đó. Các kết quả này được so sánh giữa xe nền, xe máy hybrid với thuật toán điều khiển đề xuất và xe 3 máy hybrid với thuật toán điều khiển là lời giải bài toán tối ưu hóa. Qua đó, đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của phương án cải tạo và đề xuất được hướng cải tạo phù hợp.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài: 1.1 Mục tiêu của đề tài: Mục tiêu của đề tài này gồm ba phần: Đầu tiên là phát triển mô hình động lực học của hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng lượng của xe máy hybrid được đề xuất. Hai là mô phỏng hoạt động của xe máy hybrid theo các chu trình chạy thử nghiệm với thuật toán điều khiển phân phối đề xuất và thuật toán điều khiển tối ưu.
Qua đó, đưa ra các đánh giá về tính hiệu quả của xe hybrid và ứng dụng trong việc mô phỏng, thiết kế xe hybrid.2 Nhiệm vụ của đề tài: Nghiên cứu lý thuyết về xe hybrid, phân loại, cấu trúc và hoạt động của xe hybrid, xe máy hybrid và cơ sở lý thuyết của mô hình hóa và mô phỏng. Xây dựng mô hình toán học các bộ phận trong hệ thống truyền lực xe máy hybrid, mô hình toán học hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe và đề xuất phương pháp điều khiển phân phối công suất. Giải bài toán tối ưu hóa thuật toán phân phối công suất. Thực hiện mô phỏng mô hình toán xe hybrid bằng Matlab/Simulink với các phương pháp điều khiển phân phối công suất được nghiên cứu.
So sánh kết quả và đưa ra kết luận về các kết quả mô phỏng.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài: 1.1 Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe máy hybrid xăng điện được cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc. Mô hình toán học các bộ phận trong hệ thống truyền lực và lưu trữ năng lượng trên xe cải tạo. Phương pháp điều khiển phân phối công suất Rule – based control. 4 Phương pháp quy hoạch động giải bài toán tối ưu hóa.
Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink.2 Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu trong giới hạn mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển xe máy hybrid xăng điện được cải tạo trên nền Honda Lead 110cc đang được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong tại trường Đại học Bách Khóa Tp. Hồ Chí Minh.4 Phương pháp nghiên cứu: 1.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Mục đích: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về xe hybrid và phương pháp mô hình hóa và mô phỏng Cách tiến hành: Tham khảo, nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu đã được công nhận có liên quan đến đề tài.2 Phương pháp toán học: Mục đích: Xử lý các kết quả nghiên cứu Cách tiến hành: Sử dụng toán học như một công cụ thống kê để đánh giá, phân tích kết quả mô phỏng 1.3 Phương pháp mô hình hóa: Mục đích: Xây dựng mô hình toán các bộ phận trong hệ thống Cách tiến hành: Tính toán, xây dựng mô hình toán hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng lượng và điều khiển trên xe hybrid. Tiến hành mô phỏng từ các mô hình toán này bằng công cụ Matlab/Simulink.4 Phương pháp thực nghiệm: Mục đích: Xây dựng các bản đồ thực nghiệm các bộ phận Cách tiến hành: Đo đạc, thử nghiệm trên băng thử động cơ, động cơ điện, ắc quy… để thu được bảng số liệu xây dựng bản đồ thực nghiệm 1.5 Tình hình nghiên cứu đề tài trong và ngoài nước: 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: 5 Theo như tìm hiểu của tác giả thì ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về mô hình hóa hay mô phỏng xe hybrid.