Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, ngành công nghiệp ô tô đang đối mặt với thách thức kép: sự cạn kiệt của nguồn tài nguyên dầu mỏ hóa thạch và các quy chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt (như Euro 5, Euro 6, SULEV) nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Mặc dù các phương tiện thuần điện (Battery Electric Vehicles - BEV) và xe pin nhiên liệu (Fuel Cell) được xem là đích đến dài hạn của giao thông xanh (Zero Emission), việc ứng dụng đại trà các dòng xe này tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam hiện vẫn gặp rào cản lớn về hạ tầng trạm sạc, thời gian nạp điện kéo dài và chi phí sản xuất pin cao.

Xe lai điện Hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEV), đặc biệt là dòng xe lai kiểu hỗn hợp (Series-Parallel Hybrid), đã nổi lên như một giải pháp chuyển tiếp tối ưu và mang tính thực tiễn cao nhất. Hệ thống này kết hợp linh hoạt giữa động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine - ICE) và động cơ điện (Electric Motor), giúp loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào hạ tầng trạm sạc ngoài mà vẫn đảm bảo cắt giảm từ 40% đến 50% mức tiêu hao nhiên liệu so với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống.

Đề tài "Ứng Dụng MATLAB Simulink Trong Mô Phỏng Điều Khiển Xe Hybrid" do sinh viên Nguyễn Nhứt Khang và Nguyễn Minh Chí thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Quốc Việt tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, mã ngành 7510205C) tập trung vào việc mô hình hóa toán học, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống động lực xe lai kiểu hỗn hợp dựa trên nền tảng hệ thống Toyota Hybrid System II (THS-II) của dòng xe Toyota Prius 2010, đồng thời tích hợp giải thuật Logic Mờ (Fuzzy Logic) để tối ưu hóa chiến lược phân chia công suất giữa động cơ xăng và hệ thống điện.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết, đặc tính động lực học và các chế độ vận hành của hệ thống truyền động xe hybrid hỗn hợp.
  2. Thiết lập mô hình toán học cho các cụm chi tiết chính: Động cơ đốt trong 1NZ-FXE chu trình Atkinson, bộ phân chia công suất bánh răng hành tinh (Power-Split Device - PSD), hai máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (MG1 và MG2), và bộ pin lưu trữ năng lượng cao áp NiMH (High Voltage Battery).
  3. Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên phần mềm MATLAB/Simulink và thiết kế bộ điều khiển phân chia năng lượng thông minh sử dụng Fuzzy Logic Toolbox.
  4. Chạy mô phỏng, khảo sát và đánh giá các chỉ số động lực học, trạng thái sạc pin (State of Charge - SOC), mô-men xoắn, tốc độ của các thành phần và hiệu quả suất tiêu hao nhiên liệu trên các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn.

Phạm vi đề tài tập trung vào việc mô phỏng động lực học và chiến lược điều khiển năng lượng trên phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink R2018b, chưa tiến hành lắp đặt thử nghiệm trên băng thử phần cứng (Hardware-in-the-Loop) hoặc xe thực tế.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hệ thống truyền động trên xe hybrid hiện nay được phân chia thành ba cấu hình chính: Nối tiếp (Series Hybrid), Song song (Parallel Hybrid) và Hỗn hợp (Series-Parallel Hybrid). Mỗi cấu hình sở hữu các đặc tính truyền động và hiệu suất chuyển đổi năng lượng riêng biệt.

Tiêu chí phân tích Xe Hybrid nối tiếp (Series HEV) Xe Hybrid song song (Parallel HEV) Xe Hybrid hỗn hợp (Power-Split / Series-Parallel HEV)
Liên kết cơ khí động cơ với bánh xe Không có liên kết trực tiếp Có liên kết cơ khí trực tiếp Vừa liên kết cơ khí, vừa liên kết điện thông qua bộ PSD
Vai trò động cơ đốt trong (ICE) Chỉ chạy máy phát điện nạp pin Cùng mô-tơ truyền lực tới bánh xe Truyền lực trực tiếp tới bánh xe và đồng thời kéo máy phát
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng Thấp ở dải tốc độ cao do chuyển đổi 2 lần ($Cơ \rightarrow Điện \rightarrow Cơ$) Tốt ở tốc độ cao, kém linh hoạt ở dải vận tốc thấp trong đô thị Tối ưu hóa trên toàn bộ dải tốc độ nhờ tỷ số truyền vô cấp e-CVT
Kích thước bộ pin tích lũy (RESS) Yêu cầu dung lượng pin lớn Dung lượng pin trung bình/nhỏ Dung lượng pin tối ưu, hoạt động theo chu trình nạp/xả liên tục
Độ phức tạp điều khiển Đơn giản Trung bình Rất cao, đòi hỏi thuật toán điều khiển phối hợp mô-men đa nguồn

Hệ thống Hybrid hỗn hợp (tiêu biểu là cấu trúc THS-II trên dòng xe Toyota Prius) được lựa chọn nghiên cứu vì nó khắc phục hoàn toàn nhược điểm hiệu suất kém khi chạy đường trường của hệ nối tiếp và giải quyết được tính kém linh hoạt trong đô thị của hệ song song. Thách thức kỹ thuật lớn nhất nằm ở việc điều khiển bộ bánh răng hành tinh PSD sao cho động cơ ICE luôn làm việc trong vùng tiêu hao nhiên liệu suất tối ưu (Best Specific Fuel Consumption line), đồng thời duy trì trạng thái sạc của pin cao áp xung quanh ngưỡng an toàn $SOC \approx 60%$.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống truyền lực Hybrid hỗn hợp được thiết kế bao gồm 5 phân hệ phần cứng và điều khiển chính:

                  +---------------------------------------------------+
                  |                 ECU HYBRID (HV)                   |
                  |          (Fuzzy Logic Energy Management)          |
                  +---------+--------------------+------------------+-+
                            |                    |                  |
            Góc mở bướm ga  |        Điều khiển  |      Điều khiển  |  Tín hiệu
            & Điểm công tác |        biến tần    |      biến tần    |  nạp/xả
                            v                    v                  v
+-----------------------------+        +------------+        +------------+
|   Động cơ xăng 1NZ-FXE      |        | Máy điện 1 |        | Máy điện 2 |
| (1.5L Atkinson, VVT-i, 57kW)|        | (MG1: Gen) |        | (MG2: Mot) |
+--------------+--------------+        +-----+------+        +-----+------+
               | Cần dẫn (Carrier)           | Trục Mặt trời (Sun) |
               |                             |                     |
               v                             v                     v
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  Bộ phân chia công suất hành tinh (PSD)                 |
|             (Bánh răng bao: Ring Gear nối Trục MG2 & Bánh xe)           |
+------------------------------------+------------------------------------+
                                     |
                                     v
                  +--------------------------------------+
                  | Cụm giảm tốc & Vi sai -> Bánh xe lăn |
                  +--------------------------------------+
                                     ^
                                     | Dòng điện 201.6V DC
                  +------------------+-------------------+
                  |   Bộ Pin NiMH cao áp (28 Modules)    |
                  |     + Biến tần Inverter / DC-DC      |
                  +--------------------------------------+

  1. Động cơ đốt trong (ICE) 1NZ-FXE:

    • Động cơ xăng 4 xy-lanh thẳng hàng, 16 van DOHC, tích hợp công nghệ van biến thiên thông minh VVT-i và bướm ga điện tử ETCS-i.
    • Dung tích công tác: $1,497\text{ cm}^3$; Tỷ số nén cao: $13.0:1$.
    • Chu trình vận hành: Chu trình Atkinson với thời điểm đóng van nạp muộn ($72^\circ - 105^\circ\text{ ABDC}$), giúp tỷ số giãn nở lớn hơn tỷ số nén thực tế, tối ưu nhiệt động lực học và giảm phát thải khí $HC, CO, CO_2$.
    • Công suất cực đại: $57\text{ kW}$ ($76\text{ HP}$) tại $5,000\text{ v/p}$; Mô-men xoắn cực đại: $111\text{ N.m}$ tại $4,200\text{ v/p}$.

  2. Bộ phân chia công suất bánh răng hành tinh (PSD - Power Split Device):

    • Hoạt động như một bộ biến thiên vô cấp điện tử (Electronic Continuously Variable Transmission - e-CVT).
    • Số răng bánh răng mặt trời (Sun gear - $Z_s$): $30$ răng, liên kết với máy phát/khởi động MG1.
    • Số răng bánh răng bao (Ring gear - $Z_r$): $78$ răng, liên kết với mô-tơ kéo MG2 và dẫn động trực tiếp ra cầu chủ động.
    • Cần dẫn hành tinh (Planet Carrier - $C$): Mang các bánh răng hành tinh ($Z_p = 23$ răng), liên kết trực tiếp với trục khuỷu động cơ ICE.
    • Tỷ số truyền đặc tính bộ bánh răng hành tinh: $$i_g = \frac{Z_r}{Z_s} = \frac{78}{30} = 2.6$$
    • Tỷ lệ phân chia mô-men cố định của cơ cấu vi sai hành tinh: $$T_s = -\frac{1}{1 + i_g} T_e = -\frac{1}{1 + 2.6} T_e \approx -0.278 T_e \quad (27.8%)$$ $$T_r = -\frac{i_g}{1 + i_g} T_e = -\frac{2.6}{1 + 2.6} T_e \approx -0.722 T_e \quad (72.2%)$$ $$T_e = - (T_s + T_r)$$
    • Quan hệ động học vận tốc góc: $$\omega_e (1 + i_g) = \omega_s + i_g \omega_r \iff n_e = \frac{n_{MG1} + 2.6 \cdot n_{MG2}}{3.6}$$

  3. Hai máy điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (MG1 & MG2):

    • MG1 (Máy phát / Khởi động): Điện áp hoạt động cực đại $273.6\text{ V AC}$, tốc độ tối đa $10,000\text{ v/p}$. Thực hiện nhiệm vụ khởi động động cơ 1NZ-FXE, điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua phản lực điện từ và phát điện nạp vào pin hoặc cấp trực tiếp cho MG2.
    • MG2 (Mô-tơ kéo / Máy phát tái sinh): Công suất cực đại $33\text{ kW}$ ($45\text{ PS}$) trong dải $1,040 - 5,600\text{ v/p}$; Mô-men xoắn cực đại đạt $400\text{ N.m}$ từ $0 - 400\text{ v/p}$; Tốc độ tối đa $6,500\text{ v/p}$. Đảm nhận truyền động chính ở dải tốc độ thấp, trợ lực gia tốc và thu hồi năng lượng khi phanh (Regenerative Braking).

  4. Bộ lưu trữ năng lượng (Ắc quy cao áp NiMH HV Battery):

    • Gồm 28 mô-đun mắc nối tiếp, mỗi mô-đun gồm 6 ngăn pin đơn ($1.2\text{ V}$), tạo ra điện áp danh định hệ thống: $$U_{bat} = 28 \times 6 \times 1.2\text{ V} = 201.6\text{ V DC}$$
    • Được giám sát bởi Battery ECU nhằm theo dõi dòng điện, điện áp, nhiệt độ và tính toán mức năng lượng $SOC$.

  5. Bộ chuyển đổi công suất điện tử (Inverter & Converter Assembly):

    • Tích hợp bộ tăng áp (Boost Converter) nâng điện áp một chiều từ $201.6\text{ V}$ lên $500\text{ V DC}$ cho Inverter, biến tần 3 pha điều khiển MG1/MG2, bộ hạ áp DC-DC Converter ($201.6\text{ V DC} \rightarrow 12\text{ V DC}$) cấp nguồn cho mạng điện thân xe và rơ-le an toàn hệ thống (System Main Relay - SMR).

Methodology

Phương pháp thiết kế hệ thống tuân theo quy trình phát triển dựa trên mô hình (Model-Based Design - MBD):

  • Giai đoạn 1: Toán học hóa và mô hình hóa trạng thái. Thiết lập hệ phương trình cân bằng công suất, phương trình cân bằng mô-men bánh răng vi sai, mô hình tiêu thụ nhiên liệu đẳng suất (BSFC map) của động cơ 1NZ-FXE, và mô hình pin tương đương kiểu Rint (Thevenin equivalent circuit).
  • Giai đoạn 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC). Sử dụng cấu trúc suy luận Mamdani 2 ngõ vào (Công suất yêu cầu từ người lái $P_{req}$ và Trạng thái nạp pin $SOC$), 1 ngõ ra (Hệ số phân bổ công suất động cơ đốt trong $\alpha$).
  • Giai đoạn 3: Tích hợp hệ thống trên Simulink. Ghép nối các khối chức năng con: Driver, Vehicle Dynamics, ICE Subsystem, PSD Subsystem, Electrical Subsystem (MG1, MG2, Inverter, Battery) và Control Unit.
  • Giai đoạn 4: Chạy mô phỏng và kiểm chứng (Simulation & Verification). Đưa các chu trình thử nghiệm xe (Drive Cycles) vào đầu vào mô hình để đánh giá phản ứng động lực học, độ trượt mô-men và suất tiêu hao nhiên liệu.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình xây dựng mô hình trên MATLAB/Simulink được hiện thực hóa thông qua việc lập trình các khối quan hệ hàm truyền và bảng tra (Lookup Table 2D) cho động cơ và pin.

%==========================================================================
% THIET LAP THONG SO DONG LUC HOC XE HYBRID THS-II TREN MATLAB SCRIPT
% De tai: Mo phong dieu khien xe Hybrid bang MATLAB/Simulink & Fuzzy Logic
%==========================================================================
clear; clc;

% 1. Thong so hinh hoc va dong luc hoc xe
Veh.Mass = 1300;            % Khoi luong toan tai xe (kg)
Veh.Cd   = 0.26;            % He so can khi dong hoc
Veh.Af   = 2.15;            % Dien tich can gio chinh dien (m^2)
Veh.Rw   = 0.287;           % Ban kinh lam viec dong cua banh xe (m)
Veh.Rho  = 1.205;           % Mat do khong khi (kg/m^3)
Veh.Cr   = 0.015;           % He so can lan cua lop xe
Veh.G    = 9.81;            % Gia toc trong truong (m/s^2)

% 2. Thong so bo phan chia cong suat PSD (Planetary Gear)
PSD.Zs = 30;                % So rang banh rang mat troi (Sun Gear - MG1)
PSD.Zr = 78;                % So rang banh rang bao (Ring Gear - MG2 & Wheel)
PSD.Zp = 23;                % So rang banh rang hanh tinh (Pinion Gear)
PSD.ig = PSD.Zr / PSD.Zs;   % Ty so truyen co ban = 2.6
PSD.Kys = 1 + PSD.ig;       % He so can dan - mat troi = 3.6
PSD.Kyr = (1 + PSD.ig)/PSD.ig; % He so can dan - bao = 1.3846

% 3. Thong so He thong dien & Pin NiMH
Batt.Vnom     = 201.6;      % Dien ap danh dinh bo pin (V)
Batt.Capacity = 6.5;        % Dung luong pin (Ah)
Batt.SOC_Init = 0.60;       % Dung luong nap ban dau (60%)
Batt.SOC_High = 0.80;       % Nguong nap cao (80%)
Batt.SOC_Low  = 0.40;       % Nguong nap thap (40%)

% 4. Thiet lap he phuong trinh quan he van toc goc va mo-men
% Toc do dong co dot trong (ne) phu thuoc vao MG1 va MG2:
% ne = (n_MG1 + PSD.ig * n_MG2) / (1 + PSD.ig);
% Mo-men phan bo: Te = - (1 + PSD.ig) * Ts; Tr = PSD.ig * Ts;

Cấu trúc bộ điều khiển Logic Mờ (Fuzzy Logic Controller) được thiết kế với tập luật xử lý các chế độ công tác của hệ thống Hybrid:

  • Tập mờ ngõ vào 1 - Mức sạc pin ($SOC$): Gồm 3 hàm liên thuộc hình tam giác/hình thang: Low ($0 - 50%$), Medium ($45 - 75%$), High ($70 - 100%$).
  • Tập mờ ngõ vào 2 - Công suất yêu cầu ($P_{req}$): Gồm 4 hàm liên thuộc: Zero ($< 0\text{ kW}$ - Phanh), Low ($0 - 15\text{ kW}$), Medium ($15 - 35\text{ kW}$), High ($> 35\text{ kW}$).
  • Tập mờ ngõ ra - Công suất phát của động cơ đốt trong ($P_{ICE}^*$): Xác định giá trị đặt công suất để điều khiển góc mở bướm ga và điểm tốc độ tối ưu của động cơ 1NZ-FXE.
       MA TRAN LUAT DIEU KHIEN MO (FUZZY RULE BASE)
+--------------+-------------------------------------------+
|              |               Cong suat yeu cau (Preq)    |
|   SOC Pin    +-----------+-----------+----------+--------+
|              |   Zero    |    Low    |  Medium  |  High  |
+--------------+-----------+-----------+----------+--------+
|  Low (<50%)  | Charge_Med| ICE_Active| ICE_Max  | ICE_Max|
|  Med (45-75%)| Regen_Brak| Pure_EV   | Hybrid_Op| Boost  |
|  High (>70%) | Regen_Brak| Pure_EV   | Pure_EV  | Assist |
+--------------+-----------+-----------+----------+--------+

Testing và validation

Mô hình mô phỏng được kiểm thử qua 4 chế độ vận hành đặc trưng trong không gian trạng thái:

  1. Chế độ khởi hành và chạy tốc độ thấp (Pure Electric Mode / EV Mode):

    • Điều kiện: $P_{req} \le 15\text{ kW}$ và $SOC \ge 45%$.
    • Trạng thái: ICE tắt hoàn toàn ($n_e = 0\text{ v/p}, T_e = 0\text{ N.m}$). Pin cao áp cung cấp điện năng cho MG2 kéo xe qua bánh răng bao. MG1 quay tự do không tải ngược chiều ($n_{MG1} = -2.6 \cdot n_{MG2}$).

  2. Chế độ tăng tốc mạnh hoặc tải lớn (Full Acceleration / Power Assist Mode):

    • Điều kiện: Bàn đạp ga đạp sâu ($P_{req} > 35\text{ kW}$).
    • Trạng thái: MG1 khởi động động cơ ICE lên vùng $n_e \ge 1,200\text{ v/p}$. Cả ICE và MG2 đồng thời phát huy mô-men xoắn lớn nhất truyền tới bánh xe qua bộ bánh răng bao.

  3. Chế độ chạy ổn định và vừa chạy vừa sạc (Cruising & Charging Mode):

    • Điều kiện: Xe chạy đều ở vận tốc trung bình/cao, $SOC < 60%$.
    • Trạng thái: Công suất cơ học của động cơ ICE được chia làm hai dòng qua PSD: $72.2%$ cơ năng dẫn động trực tiếp bánh xe, $27.8%$ dẫn động máy phát MG1 tạo ra dòng điện nạp về pin HV hoặc cấp điện tức thời cho MG2.

  4. Chế độ phanh thu hồi năng lượng (Regenerative Braking Mode):

    • Điều kiện: Người lái nhả ga hoặc đạp phanh ($P_{req} \le 0$).
    • Trạng thái: Động cơ ICE ngắt cấp nhiên liệu, ECU điều khiển MG2 đảo chiều mô-men làm việc ở chế độ máy phát điện, biến động năng của xe thành điện năng nạp ngược lại bộ pin NiMH.

Kết quả đạt được

Kết quả chạy mô phỏng trên chu trình vận hành chứng minh mô hình điều khiển hoạt động chính xác theo lý thuyết động lực học THS-II:

Chỉ số động lực học & Kinh tế Xe động cơ xăng thuần túy (1.5L ICE) Xe Hybrid hỗn hợp điều khiển Rule-Based Xe Hybrid hỗn hợp điều khiển Fuzzy Logic
Mô-men khởi hành cực đại $111\text{ N.m}$ (tại $4,200\text{ v/p}$) $400\text{ N.m}$ (tại $0 - 400\text{ v/p}$) $400\text{ N.m}$ (tại $0 - 400\text{ v/p}$)
Dải làm việc tốc độ động cơ $800 - 5,500\text{ v/p}$ (rất rộng) $1,200 - 3,500\text{ v/p}$ $1,300 - 2,800\text{ v/p}$ (tối ưu BSFC)
Biên độ dao động dung lượng pin ($SOC$) Không có $35% - 78%$ (biên độ dao động $43%$) $52% - 66%$ (dao động hẹp quanh mốc $60%$)
Tỷ lệ thu hồi năng lượng phanh $0%$ (tiêu tán thành nhiệt) $\approx 31.5%$ $\approx 41.8%$ năng lượng phanh
Suất tiêu hao nhiên liệu trung bình $7.45\text{ L/100km}$ $4.85\text{ L/100km}$ $4.28\text{ L/100km}$
Tỷ lệ tiết kiệm nhiên liệu Cơ sở so sánh ($0%$) Tiết kiệm $34.9%$ Tiết kiệm $42.55%$

Đổi mới và đóng góp

  1. Làm chủ thuật toán điều khiển e-CVT trên bộ bánh răng hành tinh: Đề tài đã xây dựng thành công mô hình động học vi sai của bộ PSD, mô phỏng chính xác sự tương tác tốc độ và mô-men 3 chiều giữa ICE, MG1 và MG2. Điều này giúp loại bỏ hộp số nhiều cấp truyền thống, mang lại khả năng biến thiên tỷ số truyền liên tục mà không gây gián đoạn dòng truyền lực.
  2. Ứng dụng Logic Mờ (Fuzzy Logic) trong quản lý năng lượng: Khác với các thuật toán điều khiển theo ngưỡng cố định (Rule-Based State Machine) dễ gây rung giật khi chuyển trạng thái on/off động cơ liên tục, bộ điều khiển Fuzzy Logic tạo ra tín hiệu điều khiển trơn mượt, phân bổ công suất tối ưu thích nghi theo cả tải trọng xe và mức năng lượng tồn dư trong pin.
  3. Chiến lược kiểm soát tối ưu dung lượng pin ($SOC$ Tracking): Đồ án thiết lập thành công thuật toán duy trì trạng thái sạc pin ổn định xung quanh điểm $60%$ (Center Point Management). Thuật toán đảm bảo pin luôn có sẵn khoảng trống $40%$ dung lượng để tiếp nhận năng lượng phanh tái sinh bất kỳ lúc nào, đồng thời còn dư $40%$ năng lượng để hỗ trợ tăng tốc khẩn cấp, kéo dài tuổi thọ hóa học cho bộ pin NiMH.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Giao thông đô thị Việt Nam: Trong điều kiện kẹt xe và di chuyển dừng-chạy liên tục (Stop-and-Go) ở các đô thị lớn như TP.HCM và Hà Nội, tốc độ xe thường dưới $25\text{ km/h}$. Hệ thống Hybrid hỗn hợp cho phép xe chuyển dịch phần lớn thời gian sang chế độ thuần điện (EV Mode), triệt tiêu hoàn toàn lượng khí thải tại chỗ và tiết kiệm lượng xăng lãng phí do chạy không tải.
  • Giáo dục và đào tạo kỹ thuật ô tô: Mô hình Simulink xây dựng trong đồ án là công cụ trực quan hóa chuyên sâu, phục vụ giảng dạy các học phần "Hệ thống truyền lực ô tô", "Ô tô Hybrid và Xe điện", "Mô phỏng động lực học ô tô" cho sinh viên kỹ thuật.

Yêu cầu triển khai hệ thống

  • Nền tảng phần mềm: MATLAB phiên bản R2018b trở lên, yêu cầu các module: Simulink, Powertrain Blockset, Simscape Driveline, Simscape Electrical, Fuzzy Logic Toolbox.
  • Cấu hình phần cứng máy trạm: CPU tối thiểu Intel Core i5 / AMD Ryzen 5, RAM $8\text{ GB}$ (khuyến nghị $16\text{ GB}$), hỗ trợ card đồ họa rời để tăng tốc tính toán đồ thị không gian trạng thái.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mô hình pin NiMH dừng lại ở mô hình điện trở trong ($R_{int}$ model), chưa tích hợp ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc thực tế và quá trình lão hóa hóa học (State of Health - SOH) của các ngăn pin.
  • Động cơ đốt trong 1NZ-FXE được mô phỏng dựa trên bản đồ hiệu suất tĩnh (Static Efficiency Map) thay vì mô hình nhiệt động lực học chu trình cháy động cơ thời gian thực (Dynamic In-cylinder Combustion Model).
  • Chưa tiến hành thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) trên các bộ điều khiển ECU nhúng thời gian thực (như dSPACE hoặc NI CompactRIO).

Hướng phát triển đề tài

  • Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa động (Dynamic Programming - DP) hoặc Học tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning - DRL) để tự động học hỏi hành vi lái xe và tự thích ứng phân phối năng lượng theo điều kiện giao thông thực tế.
  • Mở rộng mô hình nghiên cứu cho hệ thống xe lai sạc ngoài (Plug-in Hybrid - PHEV) với bộ pin dung lượng lớn Lithium-ion ($LiFePO_4$ / NMC).
  • Tích hợp dữ liệu hệ thống định vị GPS và camera hỗ trợ lái xe (ADAS) để dự đoán trước địa hình dốc và cung đường di chuyển nhằm lập kế hoạch nạp/xả pin trước.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô & Cơ điện tử: Tiếp cận phương pháp luận thiết kế dựa trên mô hình (MBD), hiểu sâu về cơ chế phân chia công suất bánh răng hành tinh và nguyên lý điều khiển hệ thống hybrid phức tạp.
  • Kỹ sư nghiên cứu & phát triển (R&D Powertrain): Sử dụng bộ khung mô phỏng Simulink có sẵn để kiểm thử các chiến lược điều khiển phân bổ mô-men xoắn mới mà không cần can thiệp tốn kém vào xe thử nghiệm thực tế.
  • Cơ sở đào tạo & Doanh nghiệp: Nắm bắt quy trình công nghệ của hệ thống Toyota Hybrid System (THS), tạo tiền đề cho việc đào tạo chẩn đoán, sửa chữa và bảo dưỡng xe hybrid/xe điện tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để mở và chạy mô hình mô phỏng này là gì?

Người dùng cần cài đặt MATLAB/Simulink (phiên bản khuyến nghị từ R2018b đến R2023b) có cài đặt đầy đủ các gói: Simulink, Powertrain Blockset, Simscape Electrical và Fuzzy Logic Toolbox. Khởi chạy file script .m để nạp các thông số động lực học xe vào Workspace trước khi kích hoạt file mô phỏng .slx.

2. Tỷ lệ phân chia mô-men 72% / 28% của bộ bánh răng hành tinh được xác định như thế nào?

Tỷ lệ này phụ thuộc trực tiếp vào số răng của bánh răng bao ($Z_r = 78$) và bánh răng mặt trời ($Z_s = 30$). Tỷ số truyền đặc tính $i_g = Z_r / Z_s = 78/30 = 2.6$. Tỷ lệ mô-men truyền ra bánh răng bao (nối bánh xe) là $i_g / (1 + i_g) = 2.6 / 3.6 \approx 72.2%$, và tỷ lệ truyền về bánh răng mặt trời (nối máy phát MG1) là $1 / (1 + i_g) = 1 / 3.6 \approx 27.8%$.

3. Tại sao hệ thống điều khiển lại chọn mức duy trì dung lượng pin ($SOC$) mục tiêu là 60% thay vì sạc đầy 100%?

Mức $SOC = 60%$ là điểm làm việc cân bằng hóa học lý tưởng cho pin NiMH. Duy trì $60%$ giúp pin luôn có sẵn $40%$ dung lượng trống để thu nhận toàn bộ dòng điện lớn sinh ra từ quá trình phanh tái sinh (tránh hiện tượng quá nạp gây chai pin), đồng thời luôn có sẵn $60%$ năng lượng để cấp dòng tức thời hàng trăm Ampe cho mô-tơ MG2 khi xe cần gia tốc khẩn cấp.

4. Sự khác biệt cốt lõi giữa hộp số e-CVT trên xe Hybrid và hộp số CVT truyền thống là gì?

Hộp số CVT truyền thống thay đổi tỷ số truyền bằng cơ cấu thủy lực làm thay đổi đường kính rãnh puly ép dây đai thép, vẫn tồn tại ma sát trượt cơ khí và độ trễ phản hồi. Hộp số e-CVT trên xe Hybrid sử dụng cơ cấu phân chia công suất bánh răng hành tinh PSD kết hợp điều khiển điện tử vận tốc của máy phát MG1; sự thay đổi tốc độ MG1 làm thay đổi trực tiếp quan hệ truyền động từ động cơ ra bánh xe một cách mượt mà tuyệt đối, không có bất kỳ cơ cấu ly hợp hay ma sát trượt dây đai nào.

5. Chi phí và giá trị kinh tế khi chuyển đổi từ xe xăng sang xe Hybrid được thể hiện ra sao?

Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của xe hybrid cao hơn xe xăng truyền thống khoảng $15% - 20%$ do có thêm cụm pin cao áp, động cơ điện và bộ biến tần, khả năng cắt giảm nhiên liệu hơn $40%$ (từ $7.45\text{ L/100km}$ xuống $4.28\text{ L/100km}$) cùng việc giảm mài mòn má phanh (nhờ hệ thống phanh tái sinh đảm nhận hơn $40%$ công phanh) giúp người sử dụng hoàn vốn chênh lệch chỉ sau khoảng 3 đến 4 năm vận hành.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng Dụng MATLAB Simulink Trong Mô Phỏng Điều Khiển Xe Hybrid" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và kỹ thuật đặt ra:

  • Thiết lập thành công mô hình toán học và cấu trúc mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai kiểu hỗn hợp THS-II trên nền tảng MATLAB/Simulink.
  • Chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải thuật điều khiển phân chia năng lượng Logic Mờ (Fuzzy Logic Controller), giúp suất tiêu hao nhiên liệu của xe giảm mạnh xuống mức $4.28\text{ L/100km}$ (tiết kiệm $42.55%$ so với xe thuần động cơ đốt trong cùng dung tích xy-lanh).
  • Kiểm soát ổn định dung lượng bộ pin cao áp xung quanh ngưỡng tối ưu $60%$, đảm bảo tuổi thọ và độ bền cho hệ thống lưu trữ năng lượng.

Kết quả của đề tài không chỉ đóng góp một bộ công cụ mô phỏng chuẩn xác phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, mà còn cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật vững chắc cho việc tiếp cận, làm chủ và nội địa hóa các công nghệ điều khiển phương tiện giao thông tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam trong giai đoạn phát triển mới.