Ứng dụng MATLAB/SIMULINK trong mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song - chuỗi

Khám phá ứng dụng của Matlab Simulink trong mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu cho xe hybrid nối tiếp và song song. Tối ưu hóa hiệu suất xe.

• Tác giả: Hồ Khánh Đạt
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Long Giang, PhD
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Automotive Engineering
• Đề tài: Mô Phỏng Tiêu Thụ Nhiên Liệu Trên Xe Hybrid Song Song - Chuỗi Bằng MATLAB/SIMULINK
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• Disclaimer
• Acknowledgements
• Table of Contents
• 1. CHAP 1: INTRODUCTION
• 1.1. Overview of Topic
• 1.2. The reason to choose this topic
• 1.3. Object and scope of the study
• 1.4. Some related research
• 1.5. Overview of HEV
• 1.6. Working Principle of Hybrid Vehicle
• 1.7. Types of tranmission
• 1.8. Series – Parallel Hybrid
• 1.9. Comparing Hybrid Vehicle with ICE Vehicle
• 1.10. Hybrid Vehicles in Viet Nam and The World
• 2. CHAP 2: THEORITICAL BASIC OF SERIES-PARALLEL HYBRID SYSTEM
• 2.1. The components of Series-Parallel Hybrid vehicle system
• 2.2. 2AZ-FXE engine
• 2.3. MG1 and MG2. Power Split Device
• 2.4. Motor Speed Reduction Planetary Gear
• 2.5. DC-DC Converter
• 2.6. Cooling Fan Control for HV Battery
• 2.7. Sealed Nickel Metal Hydride Battery
• 2.8. Battery Smart Unit
• 2.9. THS ECU Control
• 2.10. Auxiliary Battery Charging Control
• 2.11. Inverter Assembly Control
• 2.12. Skid Control ECU Control
• 2.13. Operation mode of serries-parallel hybrid vehicle
• 2.14. Selection of simulation methods to study the Series – Parallel Hybrid Vehicles
• 2.15. The simulation method involves establishing a mathematical model to simulate the operation of a hybrid powertrain system with a Series - Parallel configuration. Simulation with specialized software
• 3. Chapter 3: Modeling and Simulation HEV with MATLAB/Simulink software
• 3.1. MATLAB/Simulink software
• 3.2. Modeling Series – Parallel HEV
• 3.3. Internal Combustion Engine
• 3.4. Power Split Device
• 4. Chapter 4: MATLAB SIMULATION RESULTS
• 4.1. Vehicle simulation parameters
• 4.2. Driving cycle test
• 4.3. The UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (Low Powered Vehicles) is an alternative for Low-Powered Vehicles
• 4.4. The Highway Fuel Economy Driving Schedule (HWFET)
• 4.5. 15 Mode Driving Schedule for Exhaust Measurement and Fuel Economy Test Procedure
• 4.6. Results of simulation
• 4.7. Results of the UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (Low Powered Vehicles)
• 4.8. Results of the Highway Fuel Economy Driving Schedule
• 4.9. Results of the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule
• 4.10. Comparing fuel efficiency
• 4.11. Research and Development Directions
• List of Figures
• List of Tables
• List of acronyms
• Abstract

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song

Mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Xe hybrid song song kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu. Việc sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK để mô phỏng giúp các kỹ sư có thể phân tích và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của xe, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả hơn cho việc tiết kiệm nhiên liệu.

1.1. Lý do chọn chủ đề mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu

Sự gia tăng ô nhiễm môi trường và nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu đã thúc đẩy nghiên cứu về xe hybrid. Mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của hệ thống hybrid và tìm ra các giải pháp tối ưu.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào mô hình xe hybrid song song và ứng dụng MATLAB/SIMULINK để mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trong các điều kiện lái xe khác nhau.

II. Thách thức trong mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid

Mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật chính xác và xây dựng mô hình động lực học phức tạp. Các yếu tố như trọng lượng xe, điều kiện lái xe và hiệu suất của động cơ đều ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. Việc tối ưu hóa các thông số này là rất cần thiết để đạt được kết quả chính xác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu thụ nhiên liệu

Trọng lượng xe, kiểu dáng khí động học và điều kiện đường xá là những yếu tố chính ảnh hưởng đến tiêu thụ nhiên liệu. Việc phân tích các yếu tố này giúp cải thiện hiệu suất của xe hybrid.

2.2. Khó khăn trong việc xây dựng mô hình động lực học

Xây dựng mô hình động lực học cho xe hybrid song song yêu cầu kiến thức sâu rộng về cơ khí và điện tử. Việc tích hợp các thành phần khác nhau trong mô hình cũng là một thách thức lớn.

III. Phương pháp mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu bằng MATLAB SIMULINK

MATLAB/SIMULINK là công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song. Phương pháp này cho phép xây dựng mô hình động lực học chi tiết, từ đó phân tích hiệu suất và tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu. Việc sử dụng các khối mô hình trong SIMULINK giúp dễ dàng điều chỉnh và kiểm tra các thông số khác nhau.

3.1. Xây dựng mô hình động lực học trong MATLAB

Mô hình động lực học được xây dựng bằng cách sử dụng các khối mô hình trong MATLAB, cho phép mô phỏng các thành phần như động cơ, hộp số và hệ thống truyền động.

3.2. Phân tích kết quả mô phỏng

Sau khi hoàn thành mô hình, việc phân tích kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho tiêu thụ nhiên liệu, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid

Mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của xe mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc thiết kế và phát triển xe mới. Các nhà sản xuất ô tô có thể sử dụng kết quả mô phỏng để tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ mô phỏng

Các nghiên cứu cho thấy mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu của xe hybrid, từ đó giảm thiểu khí thải và bảo vệ môi trường.

4.2. Tác động đến ngành công nghiệp ô tô

Việc áp dụng mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu giúp các nhà sản xuất ô tô phát triển các sản phẩm thân thiện với môi trường hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu

Mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên xe hybrid song song là một công cụ quan trọng trong việc phát triển công nghệ ô tô hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ, các mô hình mô phỏng sẽ ngày càng chính xác và hiệu quả hơn, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô.

5.1. Tương lai của xe hybrid và công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng sẽ tiếp tục phát triển, giúp tối ưu hóa hiệu suất của xe hybrid và giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu trong tương lai.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện các mô hình mô phỏng và áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông đường bộ đang tạo ra áp lực lớn đối với môi trường đô thị do lượng khí thải độc hại ngày càng tăng. Trước các quy định nghiêm ngặt của chính phủ các nước về tiêu chuẩn khí thải và hiệu suất nhiên liệu, các nhà sản xuất ô tô đã đẩy mạnh nghiên cứu các dòng xe thân thiện với môi trường, đặc biệt là xe điện (EV) và xe lai (Hybrid Electric Vehicle - HEV). Mặc dù xe thuần điện mang lại lợi ích giảm phát thải cục bộ, việc ứng dụng đại trà loại phương tiện này vẫn gặp phải nhiều rào cản thực tế như: dung lượng pin hạn chế, tuổi thọ pin ngắn, khối lượng và thể tích của pin cùng mô-tơ điện còn lớn, thời gian sạc kéo dài, chi phí đầu tư cao và hệ thống trạm sạc chưa đồng bộ.

Trong bối cảnh đó, giải pháp kết hợp giữa động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine - ICE) và động cơ điện (Electric Motor - EM) trên cùng một hệ thống truyền lực xe hybrid được đánh giá là phương án chuyển tiếp tối ưu, giúp tận dụng ưu điểm của cả hai nguồn năng lượng, nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm phát thải.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Application of MATLAB/Simulink in Fuel Consumption Simulation on Series-Parallel Hybrid Vehicles" do sinh viên Hồ Khánh Đạt và Nguyễn Tạ Hoàng Dương thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) tập trung giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, cấu tạo chi tiết và nguyên lý hoạt động của hệ thống xe lai kiểu nối tiếp - song song (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle - SPHEV).
2. Xây dựng mô hình toán học và mô hình hóa hệ thống động lực xe lai nối tiếp - song song trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink và Simscape.
3. Tiến hành mô phỏng, đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu của xe trên các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn (Driving Cycles) và đối chiếu kết quả mô phỏng với dữ liệu kỹ thuật thực tế của nhà sản xuất.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình truyền lực của dòng xe Toyota Camry Hybrid sử dụng hệ thống Toyota Hybrid System (THS). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa các thành phần cơ bản (động cơ xăng 2AZ-FXE, các máy điện MG1, MG2, bộ chia công suất hành tinh PSD, cụm pin cao áp NiMH và hệ thống điều khiển) để tính toán, mô phỏng mức tiêu thụ nhiên liệu trong môi trường MATLAB/Simulink.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ thống động lực hybrid nối tiếp - song song, đặc trưng bởi cơ chế phân chia năng lượng cơ khí và điện năng thông qua bộ chia công suất (Power Split Device - PSD). Cấu trúc này cho phép động cơ đốt trong hoạt động độc lập với vận tốc của xe tại các vùng hiệu suất tối ưu, đồng thời thu hồi động năng khi phanh thông qua phanh tái sinh.

Các khái niệm, mô hình và thành phần lý thuyết chính được sử dụng bao gồm:

• Động cơ xăng 2AZ-FXE: Động cơ 2.4L hoạt động theo chu trình Atkinson cải tiến (thay đổi tỷ số nén thực tế so với tỷ số giãn nở nhằm tăng hiệu suất nhiệt), trang bị hệ thống phun xăng đa điểm MPI, trục cam kép DOHC 16 van với cơ cấu biến thiên van nạp VVT-i.
• Hệ thống bánh răng hành tinh (Planetary Gear Unit): Đóng vai trò là bộ ghép nối tốc độ và phân chia công suất (Power Split Device), liên kết cơ khí giữa động cơ đốt trong (nối với cần dẫn/Carrier), máy phát MG1 (nối với bánh răng mặt trời/Sun gear) và mô-tơ MG2/bánh xe chủ động (nối với bánh răng bao/Ring gear).
• Máy điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (MG1 và MG2): MG1 đóng vai trò khởi động động cơ đốt trong và phát điện sạc cho pin cao áp; MG2 đóng vai trò dẫn động chính cho cầu trước và thu hồi năng lượng khi giảm tốc/phanh.
• Pin cao áp Sealed NiMH và hệ thống điều khiển: Khối pin Nickel-Metal Hydride điện áp cao, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ kích áp (Boost Converter lên 650V), biến tần (Inverter), rơ-le chính (System Main Relay - SMR) cùng các khối điều khiển THS ECU, MG ECU, Battery Smart Unit và Skid Control ECU.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

1. Phương pháp mô hình hóa toán học: Xây dựng hệ phương trình động lực học chuyển động thẳng của ô tô, phương trình cân bằng vận tốc và mô-men xoắn trên cơ cấu bánh răng hành tinh ($n_y, n_s, n_r$ và $T_y, T_s, T_r$), mô hình hóa đặc tính công suất và hiệu suất của động cơ 2AZ-FXE, động cơ điện và khối pin.
2. Phương pháp mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng: Ứng dụng MATLAB/Simulink kết hợp Simscape để mô hình hóa hệ thống vật lý và Stateflow để thiết lập giải thuật logic chuyển đổi trạng thái làm việc của hệ thống điều khiển năng lượng.
3. Phương pháp đánh giá theo chu trình thử nghiệm: Đưa các chu trình lái chuẩn quốc tế vào mô hình để đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu và sự đáp ứng của các cụm truyền lực:
   • Chu trình UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (dành cho phương tiện công suất thấp).
   • Chu trình Highway Fuel Economy Driving Schedule (HWFET).
   • Chu trình Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu được thu thập từ tài liệu kỹ thuật chính hãng của Toyota về dòng xe Camry Hybrid, thông số động cơ 2AZ-FXE, hộp số P311 và các công bố khoa học liên quan đến mô phỏng hệ thống động lực hybrid.

Thiết kế và mô phỏng hệ thống

Hệ thống mô phỏng xe hybrid nối tiếp - song song trên nền tảng MATLAB/Simulink được nhóm tác giả xây dựng theo cấu trúc mô-đun hóa với các khối chức năng chính:

Khối chức năng trong Simulink	Chi tiết cấu thành và nhiệm vụ
ICE Model Block	Mô hình hóa động cơ 2AZ-FXE dựa trên bản đồ đặc tính mô-men xoắn, vòng tua máy và đường tiêu hao nhiên liệu tối ưu.
Electrical Model Block	Mô hình hóa MG1, MG2, bộ biến tần Inverter, bộ chuyển đổi Boost Converter (nâng điện áp lên 650V DC) và khối pin cao áp Sealed NiMH tích hợp bộ theo dõi trạng thái sạc (SOC).
Power Split Device Block	Mô phỏng cơ cấu bánh răng hành tinh với tỷ lệ phân bổ mô-men xoắn cố định: 72% truyền ra bánh răng bao (Ring gear) và 28% truyền về bánh răng mặt trời (Sun gear).
Vehicle Dynamics Block	Mô hình hóa động lực học thân xe (Free body diagram) chịu ảnh hưởng của lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản dốc và quán tính của xe.
Control Block & Stateflow	Khối điều khiển trung tâm sử dụng logic Stateflow để nhận dạng điều kiện vận hành và kích hoạt các bộ điều khiển thành phần: Engine Speed Controller, Generator Speed Controller, Motor Speed Controller và Battery Charge Controller.

Mô hình mô phỏng đáp ứng đầy đủ các chế độ vận hành đặc thù của hệ thống Toyota Hybrid System (THS):

• Khởi động động cơ khi xe dừng (Cold/Warm start): Khởi động nguội duy trì vòng tua khoảng 1.300 rpm để làm nóng bộ chuyển đổi xúc tác; khởi động nóng duy trì dưới 1.000 rpm.
• Khởi hành và di chuyển tốc độ thấp (EV Mode): Động cơ đốt trong ngừng hoạt động; MG2 lấy năng lượng từ pin để dẫn động bánh xe; MG1 quay tự do theo chiều ngược lại.
• Tăng tốc và vượt dốc (Acceleration / Overhill): Động cơ đốt trong và MG2 cùng phát huy công suất kéo; 28% mô-men của ICE làm quay MG1 phát điện truyền trực tiếp cho MG2 hoặc sạc pin nếu cần.
• Duy trì tốc độ cao (Cruising at High Speed): Động cơ xăng hoạt động ở dải vòng tua thấp tối ưu; MG1 quay ngược chiều để tăng tốc độ quay của bánh răng bao, MG2 hoạt động như máy phát cung cấp dòng điện vận hành cho MG1.
• Giảm tốc và phanh tái sinh (Inertial / Braking Mode): Động cơ ngắt cấp nhiên liệu; MG2 hoạt động như máy phát thu hồi động năng chuyển hóa thành điện năng nạp vào cụm pin cao áp; hệ thống Skid Control ECU điều phối hài hòa giữa phanh tái sinh và phanh ma sát thủy lực.
• Khởi hành ngang dốc (Creeping on slope): Pin cung cấp dòng điện nhỏ cho MG2 tạo mô-men giữ xe không bị trôi dốc tương tự như biến mô thủy lực trên hộp số tự động truyền thống.
• Chế độ lùi (Reverse Driving): Hệ thống không sử dụng số lùi cơ khí; MG2 đảo chiều quay để đẩy xe lùi lại, động cơ xăng tắt hoặc chỉ hoạt động ở chế độ không tải để sạc pin qua MG1.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: INTRODUCTION

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử phát triển ô tô từ thế kỷ 18 đến các cột mốc ra đời của xe hybrid (tiêu biểu là mẫu System Lohner-Porsche Mixte năm 1899 - 1900 của Ferdinand Porsche). Tác giả phân tích tính cấp thiết của đề tài trước bối cảnh ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, đồng thời phân loại ba cấu hình hybrid cơ bản: nối tiếp (Series), song song (Parallel) và nối tiếp - song song (Series - Parallel).

Chương này cũng tổng hợp các nghiên cứu tiền đề về điều khiển tối ưu hệ thống động lực xe lai, ứng dụng logic mờ trong phanh tái sinh và mô phỏng hệ thống truyền lực xe điện. Phần cuối chương cung cấp bức tranh toàn cảnh về thị trường xe hybrid tại Việt Nam (với sự xuất hiện của Lexus RX400h, Corolla Cross HV, Camry Hybrid, Corolla Altis, Suzuki Ertiga, Nissan Kicks e-Power) và các chính sách hỗ trợ phát triển phương tiện thân thiện với môi trường trên thế giới.

Chapter 2: THEORETICAL BASIC OF SERIES-PARALLEL HYBRID SYSTEM

Chương 2 phân tích chuyên sâu về lý thuyết và cấu tạo của hệ thống Toyota Hybrid System (THS). Nhóm tác giả trình bày chi tiết thông số kỹ thuật của từng cụm chi tiết:

• Động cơ xăng 2AZ-FXE 2.4L DOHC 16 van, tỷ số nén 12.5, công suất cực đại 131–150 mã lực, mô-men xoắn 190 Nm.
• Hộp số hybrid P311 cấu tạo ba trục, tích hợp cụm bánh răng chia công suất PSD (Ring = 78 răng, Pinion = 23 răng, Sun = 30 răng) và cụm bánh răng hành tinh giảm tốc mô-tơ (Ring = 57 răng, Pinion = 18 răng, Sun = 23 răng), tỷ số truyền giảm tốc tổng cộng là 3.542.
• Máy điện MG1 và MG2 đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha giải nhiệt bằng nước, điện áp định mức 650V DC; MG2 tạo mô-men xoắn tối đa 270 Nm và công suất 105 kW.
• Cụm pin cao áp Sealed NiMH, hệ thống rơ-le SMR, mạch tăng áp Boost Converter, mạch biến tần Inverter, khối Battery Smart Unit và ECU điều khiển chống trượt Skid Control ECU.

Chương này thiết lập các công thức toán học xác định quan hệ vận tốc góc và mô-men xoắn giữa các phần tử của bộ chia công suất hành tinh: $$\omega_y = \frac{1}{1+i_g} \omega_s + \frac{i_g}{1+i_g} \omega_r$$ $$T_y = -(1+i_g) T_s = -\frac{1+i_g}{i_g} T_r$$ Trong đó $i_g$ là tỷ số răng giữa bánh răng bao và bánh răng mặt trời ($i_g = Z_r / Z_s = 78 / 30 = 2.6$). Tỷ lệ phân chia mô-men xoắn cơ học được xác định cố định là 72% truyền sang trục dẫn động bánh xe và 28% truyền sang máy phát MG1. Ngoài ra, chương 2 cũng phân tích cơ chế điều khiển năng lượng chi tiết qua tất cả các trạng thái làm việc của xe.

Chapter 3: Modeling and Simulation HEV with MATLAB/Simulink software

Chương 3 trình bày quy trình xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống động lực hybrid hoàn chỉnh trên phần mềm MATLAB/Simulink và công cụ Simscape. Tác giả thiết lập từng khối mô phỏng thành phần: khối động cơ nhiệt (ICE), khối máy điện (MG1, MG2, Inverter, DC-DC converter), khối liên kết bánh răng hành tinh (PSD block), khối động lực học thân xe và khối điều khiển trung tâm (Control Block). Giải thuật phân chia năng lượng và quản lý trạng thái nạp xả của pin (SOC Control) được hiện thực hóa thông qua biểu đồ trạng thái Stateflow, đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng giữa ICE và hai máy điện MG1, MG2 theo từng điều kiện gia tốc và tải trọng yêu cầu.

Chapter 4: MATLAB SIMULATION RESULTS

Chương 4 công bố kết quả mô phỏng hệ thống trên ba chu trình lái tiêu chuẩn:

1. UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle: Đánh giá đáp ứng vận tốc, gia tốc thực tế so với chu trình đặt trước, sự thay đổi trạng thái làm việc giữa các nguồn động lực và lượng nhiên liệu tiêu thụ tương ứng.
2. Highway Fuel Economy Driving Schedule (HWFET): Khảo sát khả năng vận hành của xe ở dải tốc độ cao liên tục, cơ chế MG1 quay ngược để hỗ trợ tỷ số truyền và hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu trên đường trường.
3. Japanese 10.15 Mode Driving Schedule: Mô phỏng sự làm việc đồng bộ của động cơ đốt trong (ICE), mô-tơ kéo (MG2) và máy phát (MG1) trong điều kiện vận hành đô thị với chu kỳ dừng - chạy lặp lại thường xuyên.

Chương này tổng kết bằng bảng so sánh hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu giữa kết quả mô phỏng và thông số công bố của nhà sản xuất, đồng thời vạch ra các định hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật cốt lõi của hệ thống mô phỏng

Thành phần	Thông số kỹ thuật chi tiết
Động cơ xăng (2AZ-FXE)	- Dung tích xi lanh: 2.362 cc (2.4L), 4 xi lanh thẳng hàng (R4), DOHC 16 van. - Đường kính x Hành trình piston: 88.5 mm x 96 mm. - Tỷ số nén: 12.5. - Công suất: 131 – 150 mã lực; Mô-men xoắn cực đại: 190 Nm. - Tiêu chuẩn khí thải: EURO 4/5; Khối lượng: 145 kg.
Hộp số Transaxle (P311)	- Tỷ số truyền giảm tốc tổng cộng: 3.542; Khối lượng: 113.2 kg. - Bộ chia công suất PSD: Bánh răng bao = 78 răng, Bánh răng hành tinh = 23 răng, Bánh răng mặt trời = 30 răng. - Bộ giảm tốc mô-tơ: Bánh răng bao = 57 răng, Bánh răng hành tinh = 18 răng, Bánh răng mặt trời = 23 răng.
Máy phát điện (MG1)	- Loại máy điện: Xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha. - Điện áp làm việc tối đa: 650 V DC; Hệ thống làm mát bằng nước. - Chức năng: Phát điện sạc pin, khởi động động cơ nhiệt, điều khiển tỷ số truyền.
Động cơ điện kéo (MG2)	- Loại máy điện: Xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha. - Điện áp tối đa: 650 V DC; Công suất cực đại: 105 kW (141 HP). - Mô-men xoắn cực đại: 270 Nm; Làm mát bằng nước. - Chức năng: Dẫn động bánh trước, phanh tái sinh năng lượng.
Cụm pin cao áp (HV Battery)	- Loại pin: Sealed Nickel-Metal Hydride (NiMH). - Trang bị kèm: Cụm rơ-le chính SMR, bộ điều khiển thông minh Battery Smart Unit.

Đóng góp khoa học và kỹ thuật của đồ án

• Xây dựng thành công mô hình toán học và mô hình mô phỏng số chi tiết của hệ thống truyền lực hybrid nối tiếp - song song trên xe Toyota Camry Hybrid bằng MATLAB/Simulink và Simscape.
• Làm sáng tỏ quy luật phân chia mô-men xoắn cơ khí (72% ra bánh xe, 28% sang máy phát) và cơ chế bù trừ vận tốc góc của bộ chia công suất hành tinh PSD trong các chế độ làm việc: khởi động, chạy thuần điện (EV), tăng tốc, chạy trớn, phanh tái sinh và lùi xe.
• Cung cấp công cụ mô phỏng đáng tin cậy để tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu trên các chu trình thử nghiệm chuẩn (UN/ECE Extra-Urban, HWFET, Japanese 10.15 Mode), làm cơ sở so sánh với số liệu thực nghiệm của nhà sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu:

• Mô hình mô phỏng được xây dựng chủ yếu dựa trên các thông số kỹ thuật lý thuyết và phương trình động lực học chuẩn hóa, chưa tích hợp đầy đủ các yếu tố thay đổi ngẫu nhiên của môi trường thực tế như nhiệt độ môi trường khắc nghiệt tác động đến hiệu suất pin hay sự thay đổi liên tục của hệ số bám mặt đường.
• Thuật toán quản lý năng lượng sử dụng logic Stateflow theo ngưỡng cố định, chưa áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi thông minh.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:

• Mở rộng kiểm chứng mô hình trên các chu trình lái thực tế đa dạng hơn (như chu trình thử nghiệm khí thải thực tế RDE).
• Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển tối ưu tiên tiến (như logic mờ - Fuzzy Logic, mạng nơ-ron hoặc tối ưu hóa bầy đàn) vào khối quản lý năng lượng nhằm tối ưu hóa hơn nữa mức tiêu thụ nhiên liệu và khả năng thu hồi năng lượng phanh tái sinh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị đối với:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết, tường minh về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống Toyota Hybrid System (THS).
• Các nhóm nghiên cứu về phương tiện xanh và mô phỏng hệ thống động lực: Cung cấp phương pháp thiết lập phương trình động học bánh răng hành tinh, cách cấu hình các khối Simscape và thiết kế logic chuyển đổi trạng thái Stateflow trong MATLAB/Simulink phục vụ bài toán tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ xăng 2AZ-FXE sử dụng trên xe Toyota Camry Hybrid có đặc điểm gì khác biệt so với động cơ xăng truyền thống?
Động cơ 2AZ-FXE là phiên bản biến thể của dòng 2AZ-FE, được thiết kế theo chu trình Atkinson với cấu hình trục cam nạp và piston đặc biệt. Động cơ có tỷ số nén danh định lên đến 12.5 và độ trùng điệp góc mở van lớn, giúp tăng hiệu suất nhiệt và giảm phát thải khí xả. Dù công suất cực đại ở dải tua thấp bị giảm so với động cơ Otto truyền thống, sự thiếu hụt này được bù đắp hoàn toàn bởi mô-men xoắn tức thời của mô-tơ điện MG2 và cụm pin cao áp.

2. Bộ chia công suất (Power Split Device - PSD) phân bổ mô-men xoắn của động cơ đốt trong như thế nào?
Bộ chia công suất PSD sử dụng một bộ bánh răng hành tinh với tỷ số răng bánh răng bao trên bánh răng mặt trời là $i_g = 78/30 = 2.6$. Cần dẫn (Carrier) nối với động cơ nhiệt, bánh răng mặt trời (Sun gear) nối với máy phát MG1 và bánh răng bao (Ring gear) nối với trục truyền lực ra bánh xe/MG2. Kết cấu này tạo ra tỷ lệ phân chia mô-men xoắn cố định: 72% mô-men từ động cơ nhiệt truyền trực tiếp đến bánh răng bao để làm quay bánh xe, 28% còn lại truyền sang bánh răng mặt trời để dẫn động máy phát MG1 tạo điện năng.

3. Vai trò cụ thể của hai máy điện MG1 và MG2 trong hệ thống hybrid nối tiếp - song song là gì?
Cả hai máy điện đều là động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha, làm mát bằng nước và hoạt động ở điện áp lên đến 650V DC. Trong đó, MG1 có nhiệm vụ chính là khởi động động cơ xăng, điều chỉnh tỷ số truyền tựa như hộp số vô cấp CVT và phát điện nạp cho pin cao áp hoặc cấp điện trực tiếp cho MG2. MG2 có công suất lớn (105 kW, 270 Nm), đóng vai trò dẫn động chính cho bánh trước khi khởi hành, tăng tốc và vận hành ở chế độ thuần điện (EV Mode), đồng thời đóng vai trò máy phát thu hồi động năng khi xe giảm tốc hoặc phanh (phanh tái sinh).

4. Xe Toyota Camry Hybrid thực hiện chế độ lùi (Reverse Driving) như thế nào khi hộp số không có số lùi cơ khí?
Hộp số hybrid P311 không trang bị bánh răng số lùi truyền thống. Khi người lái gạt cần số về vị trí "R", hệ thống sẽ đảo chiều cấp điện cho mô-tơ điện MG2 để quay ngược trục sơ cấp hộp số, đưa xe chuyển động lùi. Trong điều kiện bình thường, động cơ xăng sẽ tắt hoàn toàn; trường hợp pin cao áp yếu điện, động cơ xăng sẽ quay để MG1 phát điện cung cấp cho MG2 vận hành lùi và nạp lại pin, trong khi vận tốc lùi vẫn được kiểm soát an toàn bởi máy tính để tránh làm MG1 quay quá tốc độ cho phép.

5. Nhóm tác giả đã sử dụng những chu trình lái chuẩn nào để mô phỏng mức tiêu thụ nhiên liệu?
Mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink được kiểm thử trên ba chu trình lái chuẩn:

• Chu trình đường ngoài đô thị cho phương tiện công suất thấp (UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle).
• Chu trình kiểm tra mức tiết kiệm nhiên liệu trên đường cao tốc của Mỹ (Highway Fuel Economy Driving Schedule - HWFET).
• Chu trình thử nghiệm đo phát thải và tiêu hao nhiên liệu đô thị của Nhật Bản (Japanese 10.15 Mode Driving Schedule).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Application of MATLAB/Simulink in Fuel Consumption Simulation on Series-Parallel Hybrid Vehicles" đã nghiên cứu và mô hình hóa thành công hệ thống động lực xe lai Toyota Camry Hybrid trên phần mềm MATLAB/Simulink và Simscape. Thông qua việc phân tích chuyên sâu các cụm chi tiết như động cơ 2AZ-FXE, hộp số P311, bộ chia công suất hành tinh PSD, cặp máy điện MG1/MG2 và hệ thống pin NiMH, đề tài đã làm rõ cơ chế phân bổ năng lượng và điều khiển tối ưu trong nhiều chế độ vận hành. Kết quả mô phỏng trên các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật tin cậy để đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu của dòng xe hybrid nối tiếp - song song.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION THESIS AUTOMOTIVE ENGINEERING APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES-PARALLEL HYBRID VEHICLES ADVISOR : Ph. NGUYEN VAN LONG GIANG STUDENTS: HO KHANH DAT NGUYEN TA HOANG DUONG SKL010766 Ho Chi Minh City, July 2023 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES- PARALLEL HYBRID VEHICLES HO KHANH DAT Student ID: 19145143 NGUYEN TA HOANG DUONG Student ID: 19145142 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Advisor: NGUYỄN VĂN LONG GIANG, PhD. Ho Chi Minh City, July 2023 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 10, 2023 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Nguyễn Tạ Hoàng Dương Student ID: 19145142 Student name: Hồ Khánh Đạt Student ID: 19145143 Major: Automotive Engineering Class: 19145CLA Advisor: Nguyễn Văn Long Giang, PhD Phone number: _________________ Date of assignment: _____________________ Date of submission: _____________ 1. Project title: APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES-PARALLEL HYBRID VEHICLES 2.

Initial materials provided by the advisor: ___________________________________ 3. Content of the project: _________________________________________________ 4. Final product: ________________________________________________________ CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) i THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 7, 2023 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Nguyễn Tạ Hoàng Dương Student ID: 19145142 Student name: Hồ Khánh Đạt Student ID: 19145143 Major: Automotive Engineering. Project title: APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES-PARALLEL HYBRID VEHICLES Name of Reviewer:.

Content and workload of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, July 10, 2023 REVIEWER (Sign with full name) iii Disclaimer The authors, Ho Khanh Dat and Nguyen Ta Hoang Duong, we thus certify that the works included in this thesis are original works of ours. The numbers and data in the thesis are accurate and have not been previously released. We promise that we have properly referenced every piece of information we have gleaned from another source, including the author of the material.

v Acknowledgements During the time of studying and researching for our graduation thesis, with the support of teachers of the Faculty of High Quality Education, family, predecessors, and colleagues. We are deeply indebted to PhD. Nguyen Van Long Giang, who encouraged and guided us during the graduation project. We want to thank the Board of Directors of Ho Chi Minh City University of Technology and Education and the Faculty of Vehicle and Energy Engineering instructor for their assistance and guidance during our studies.

We learned many new things that will support us in the future, as in our graduation thesis. The thesis still needs to be improved, despite the fact that there have been numerous attempts made during the implementation process. Because of our limited professional knowledge and experience, we anticipate the invaluable contributions of instructors and students. Colleagues are still exchanging ideas and providing input to assist us refine the thesis.

Additionally, we want to thank our friends and coworkers for their support and encouragement in getting this graduation thesis done. vi Table of Contents Disclaimer. vi Table of Contents. vii List of Figures.

x List of Tables. xiii List of acronyms. xv Chap 1: INTRODUCTION. Overview of Topic.

The reason to choose this topic. Object and scope of the study. Some related research. Overview of HEV.

Working Principle of Hybrid Vehicle. Types of tranmission. Series – Parallel Hybrid. Comparing Hybrid Vehicle with ICE Vehicle.

Hybrid Vehicles in Viet Nam and The World. 9 Chap 2: THEORITICAL BASIC OF SERIES-PARALLEL HYBRID SYSTEM. The components of Series-Parallel Hybrid vehicle system. 2AZ-FXE engine.

MG1 and MG2. Power Split Device. Motor Speed Reduction Planetary Gear. DC-DC Converter.

Cooling Fan Control for HV Battery. Sealed Nickel Metal Hydride Battery. Battery Smart Unit. THS ECU Control.

Auxiliary Battery Charging Control. Inverter Assembly Control. Skid Control ECU Control. Operation mode of serries-parallel hybrid vehicle.

Selection of simulation methods to study the Series – Parallel Hybrid Vehicles 49 2. The simulation method involves establishing a mathematical model to simulate the operation of a hybrid powertrain system with a Series - Parallel configuration. Simulation with specialized software. 53 Chapter 3: Modeling and Simulation HEV with MATLAB/Simulink software.

MATLAB/Simulink software. Modeling Series – Parallel HEV. Internal Combustion Engine. Power Split Device.

67 Chapter 4: MATLAB SIMULATION RESULTS. Vehicle simulation parameters. Driving cycle test. The UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (Low Powered Vehicles) is an alternative for Low-Powered Vehicles.

The Highway Fuel Economy Driving Schedule (HWFET) .15 Mode Driving Schedule for Exhaust Measurement and Fuel Economy Test Procedure. Results of simulation. Results of the UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (Low Powered Vehicles) 74 4. Results of the Highway Fuel Economy Driving Schedule.

Results of the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule. Comparing fuel efficiency. Research and Development Directions. 86 ix List of Figures Figure 1.1 System Lohner-Porsche Mixte .2 Toyota Camry Hybrid .3 Working principle of Hybrid Vehicle.4 Series Hybrid Structure .5 Parallel Hybrid Structure .6 Series - Parallel Hybrid Structure .7 Toyota Corolla Cross is one of the best-selling hybrid models in Vietnam.1 The structure of Hybrid system.2 2AZ-FXE engine .3 The gear box of hybrid vehicles.4 Control system diagram MG1, MG2 .5 Planetary Gear Unit .6 Power Split Device .8 Starting engine when the car stops mode .9 Engine Started mode .10 Acceleration and Overhill mode .11 Hold the throttle at high speed mode .13 Movement from stop on slope mode.14 Slow down and EV mode .15 Reverse Driving Mode .17 DC-DC converter system diagram .18 Boost Converter system diagram .19 HV Battery Unit .21 SMR (System Main Relay) Control diagram .22 Cooling Fan system .23 Battery Smart Unit.24 THS ECU diagram .25 SOC Control method .26 Auxiliary Battery Charging system .27 Motor Drive Operation diagram .28 Generator Drive Operation diagram .29 Inverter Assembly Control diagram .30 Voltage Boost Conversion Function .31 Voltage Drop Conversion Function .32 Skid Control ECU Control system .33 Diagram of a series-parallel hybrid powertrain system .1 Hybrid vehicle model in Simulink using Simscape.2 ICE model block.3 Electrical model block.4 Structure of Electrical block.5 Torque coupling devices .6 Speed coupling device .7 Simulink model for planetary gear set speed coupling device .8 Free body diagram of vehicle .10 Control Block Structure .11 Stateflow decision logic.12 Engine speed controller .13 Generator speed controller .14 Motor speed controller.15 Battery charge controller .1 Simulated velocity in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle .2 Simulated acceleration in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle .3 Evaluated the modes of hybrid vehicle in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle .4 Fuel consumption in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle .5 Evaluated the modes of hybrid vehicle in Highway Fuel Economy Driving Schedule .6 Fuel consumption in the Highway Fuel Economy Driving Schedule .7 Simulated velocity in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule .8 Simulated ICE in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule .9 Simulated motor in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule .10 Simulated generator in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule .11 Fuel consumption in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.

82 xii List of Tables Table 2.1 2AZ-FXE Engine Specification .2 Gear Box specifications .5 The relationship between components in PSD .6 HV Battery specifications .1 Vehicle simulation parameters.2 Compare fuel economy. 83 xiii List of acronyms EV – Electric Vehicles HEV – Hybrid Electric Vehicles SHEV – Series Hybrid Electric Vehicles PHEV – Parallel Hybrid Electric Vehicles ICE – Internal Conbustion Engine EM – Electric Motor MG – Motor Generator MG1 – Motor Generator 1 MG2 – Motor Generator 2 PSD – Power Split Devices SOC – State of Charge SPHEV – Series Parallel Hybrid Electric Vehicles THS – Toyota Hybrid System SMR – System Main Relay xiv Abstract Automakers are trying to innovate their science to meet consumers' demands due to concerns about environmental pollution and fuel consumption. One of them could be a hybrid vehicles – the vehicles combine an internal combustion engine with an electric motor. Our team understands the significance and viability of consumers while utilizing hybrid vehicles to reduce fuel consumption based on what they need.

As a result, we decided to proceed with the project to show that hybrid vehicles are viable in terms of fuel usage. This project simulates a Toyota Camry Hybrid by using MATLAB/Simulink software. xv Chap 1: INTRODUCTION 1. Overview of Topic 1.

The reason to choose this topic Today, due to the strong growth in the number of road vehicles, the air pollution caused by the emissions of these vehicles has become more and more serious, especially in urban areas. To save the environment and improve air quality in big cities, governments have introduced strict regulations on fuel consumption and vehicle emissions. This is the main driving force for automakers to invest in developing new, environmentally friendly technologies for their product lines, including electric vehicles. However, the use of electric motors as a power source still has some problems, such as limited battery capacity, short battery life, large volume of electric motor and battery, long-time charging, high cost.

Therefore, the current use of electric motors as an alternative source of motivation for motors is still limited, only used in a few specific and necessary cases. In order to promote the advantages as well as limit the remaining problems of electric motors when used in vehicles, scientists have come up with a solution to combine electric motors with internal combustion engines, or commonly referred to as hybrid vehicles. The powertrains system of hybrid is known for 3 types: series, parallel and series – parallel. Regardless of the type of powertrain, a hybrid system must include components such as an internal combustion engine, an electric motor, a generator and a high-voltage battery.

To find out how hybrid vehicles can reduce fuel consumption, our team decided to choose the topic: “Application of MATLAB in fuel consumption simulation of series-parallel hybrid vehicles”. Objective - Understanding the theoretical basis and operating principle of hybrid vehicles. - Research, simulate the model of series-parallel hybrid vehicles for fuel consumption. - Comparing the simulation result with parameters of manufactures.

Object and scope of the study - The purpose of this research is the MATLAB simulation model of series-parallel hybrid vehicles. - Scope of the study: Research a series-parallel hybrid vehicles model and simulation the fuel consumption of model on MATLAB. Research method - Using the theoretical basis of reference sources to research models. 1 - Apply or refer to the available vehicle parameters in reality to conduct simulations.

- Using MATLAB to simulate fuel consumption with different driving cycles. Some related research Currently, more and more hybrid vehicles are used, there is a lot of research with the goal of modernizing and minimizing fuel consumption. have studied “Hierarchical control structures for hybrid vehicles – modelling, simulation, and optimization”. Based on parallel and serial hybrid vehicle control sequence models through the DSL dynamics system language and Camel software environment, an arithmetic analysis, e., nonlinear system dynamics simulation, was made.

For different levels of the hierarchical control structure, different optimization strategies have been applied to reduce fuel consumption and emissions, and the processes are optimized based on Nonlinear simulation was used. Mohamed Awadallah, Peter Tawadros, Paul Walker, Nong Zhang studied the “Dynamic modelling and simulation of a manual transmission based mild hybrid vehicle”. By combining a powertrain with a manual transmission and a secondary power source in the form of an electric motor driving the output shaft of the gearbox, the authors have researched the creation of a mild hybrid powertrain. The dynamic performance of conventional and lightweight hybrid powertrains is compared using mathematical models of the two systems.