Đặt vấn đề Ngày nay, phương tiện phục vụ con người ngày càng nhiều và hiện đại, nhưng nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt. Người ta phải tìm nguồn năng lượng khác thay thế. Vì vậy các loại động cơ sử dụng các nguồn nhiên liệu khác ra đời. Xe hybrid, thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: Động cơ đốt trong và động cơ điện là một trong số đó.
Sự hoạt động của xe này là sự kết hợp hoạt động của động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu. Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động. Ngày nay, trên thế giới, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu khá nhiều về xe lai, về các tính năng cũng như thiết kế tối ưu cho sự hoạt động của nó. Các nghiên cứu về xe lai điện được áp dụng trên nhiều loại phương tiện khác nhau như là: xe du lịch, xe bán tải, xe tải, xe bus điện, xe đạp, xe máy… Rất nhiều nghiên cứu liên quan đến hiệu suất của Pin, ắc qui được tìm hiểu, như là: tìm nguồn Pin vĩnh cửu, thiết kế hệ thống Pin-Siêu tụ, hướng khác lại nghiên cứu để thu hồi các năng lượng mất mát trong quá trình sử dụng.
Nói về sự mất mát năng lượng trong quá trình sử dụng, dễ dàng nhận thấy rằng: mỗi lần hãm phanh đối với xe dùng hệ thống phanh đĩa, thì má phanh kẹp vào đĩa phanh và dưới lực ma sát xe sẽ dừng lại, gây mòn má phanh và đĩa; đồng thời ở vị trí bề mặt tiếp xúc, nhiệt tỏa ra khá nhiều. Động năng của chiếc xe chuyển thành nhiệt năng rồi thải ra môi trường; việc này không những gây tổn phí năng lượng, mà còn gây hao mòn về vật liệu của xe. 1 Chính vì lý do đó, năng lượng tổn hao trên được nghiên cứu để thu hồi và các hệ thống phanh tái sinh đã được nghiên cứu và phát triển. Hệ thống này sử dụng chính nguồn năng lượng khi phanh để nạp vào motor điện hay tụ điện.
Sau đó năng lượng này được chuyển đổi và nạp vào Pin, ắc quy hay tụ điện. Trong nghiên cứu trước đây của nhóm, xe Honda Lead 110cc đã được cải tạo thành xe lai 02 bánh và cơ chế hoạt động của xe đã được đề xuất thông qua việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động lực học của xe. Tuy nhiên, nghiên cứu trước đây chưa xét đến việc thu hồi phanh tái sinh để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của xe. Trong đề tài này, tác giả sẽ nghiên cứu mô phỏng, mô hình hóa hệ thống truyền động xe lai có tính đến trường hợp phanh tái sinh và thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng phanh tái sinh.
Tình hình nghiên cứu có liên quan 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong một nghiên cứu của nhóm, Asaei và đồng sự [1] thiết kế, mô phỏng, và chuyển đổi một chiếc xe máy động cơ đốt trong (ICE)125cc thông thường sang xe điện lai (HEM) với công suất danh nghĩa là 6,6 kW cho động cơ đốt trong (ICE) và 500W cho động cơ một chiều không chổi than (BLDC) với việc sử dụng công cụ phần mềm ADVISOR2002. Nghiên cứu này chỉ ra rằng: Xe máy nền với bộ truyền vô cấp (CVT) là sự lựa chọn tốt nhất cho việc cải tạo thành xe điện lai vì nó có thể hoạt động ở chế độ xử lý tự động với hiệu quả cao nhất. Hơn nữa, bằng cách sử dụng bộ truyền vô cấp, động cơ đốt trong có thể được vận hành nhanh trong khi xe máy chạy trong các giai đoạn.
Chung và cộng sự [2] sau khi nghiên cứu về hệ thống truyền động vô cấp điện tử (e-CVT) trên xe máy lai được đề xuất để tiến hành mô phỏng hiệu suất so với hệ thống xe cơ sở sử dụng CVT truyền thống và đánh giá tính khả thi và tiềm năng của nó. Các kết quả mang lại cho thấy hiệu năng lái xe cao hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn cho xe máy được đề xuất (tiết kiệm nhiên liệu tối đa 32% so với xe truyền thống). Và do đó nó cung cấp một cơ sở để hỗ trợ thuận lợi cho việc phát triển hơn nữa trong tương lai. 2 Khi nghiên cứu về Pin, cũng như trạng thái nạp (Stage Of Charge – SOC), Hsu và cộng sự [3] sử dụng một bộ điều khiển điện tử (ECU) để tích hợp hai hệ thống chính với nhau: động cơ đốt trong 125cc và một động cơ điện.
Hệ thống điện lai do đó được thực hiện có thể nạp lại pin của riêng mình với điện được cung cấp bởi hệ thống nạp điện và do đó tăng quãng đường di chuyển. Các kết quả thử nghiệm thu được bằng cách sử dụng dựa trên nền tảng thử nghiệm được đề xuất cho thấy các bản cực trong ắc qui axit chì có thể làm tăng trạng thái nạp (SOC) lên khoảng 4% khi vận hành theo chế độ lai cho bốn chu kỳ lái xe (khoảng 1600 giây) với bộ sạc lại theo tiêu chuẩn ECE-40. Kết quả của các bài kiểm tra trên đường cũng cho thấy rõ ràng rằng lượng phát thải chất ô nhiễm của động cơ có thể giảm xuống ở tốc độ thấp hoặc điều kiện không tải, và quãng đường cho xe máy điện cũng có thể được tăng lên đáng kể. Jones và cộng sự [4] thì nghiên cứu khảo sát ưu tiên của các hộ gia đình tại Hà Nội, Việt Nam để phân tích việc áp dụng môtơ điện hai bánh trên xe hai bánh chạy điện thay thế cho xe máy chạy xăng.
Kết quả cho thấy cải tiến công nghệ và ưu đãi về kinh tế, đặc biệt là thuế thu nhập ảnh hưởng đáng kể đến việc áp dụng. Huang và đồng sự [5] thì nghiên cứu, mô phỏng về khả năng leo dốc của một chiếc xe tay ga sử dụng pin nhiên liệu. Các mô phỏng tập trung đặc biệt vào các ảnh hưởng của góc dốc, tốc độ leo dốc và trọng lượng người lái trên mức tiêu thụ năng lượng, mức tiêu hao nhiên liệu cũng như phạm vi di chuyển tối đa của xe tay ga. Kết quả mô phỏng cho thấy điện năng tiêu thụ và mức tiêu hao nhiên liệu tăng với góc dốc ngày càng tăng, tốc độ lái và trọng lượng người lái.
Hơn nữa, nghiên cứu cho thấy rằng với khối lượng hydro ban đầu là 90g, vận tốc không đổi 40 km/h và trọng lượng 60 kg, phạm vi di chuyển tối đa giảm từ 47 còn 5 km theo góc dốc tăng từ 0 độ đến 40 độ. Các nghiên cứu trên trình bày cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu, từ đó trình bày được việc dùng phương pháp mô phỏng để chứng minh tính hiệu quả của việc cải tiến xe nền thành xe lai với hiệu quả sử dụng năng lượng nhưng chưa tính đến năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh. 3 Sheu [6] khi nghiên cứu, mô hình trên một chiếc xe tay ga (scooter) cho thấy: Các mô hình thành phần chi tiết cho mô-tơ điện lai được thiết lập sử dụng phần mềm Matlab Simulink thì hiệu suất của hệ thống hybrid được đề xuất nghiên cứu sử dụng trên mô hình theo bốn chu kỳ lái xe cho ra các kết quả mô phỏng xác minh khả năng hoạt động của hệ thống xe lai đề xuất đồng thời hiển thị cả động cơ đốt trong và động cơ điện trong một trạng thái tối ưu trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Về các nghiên cứu phanh tái sinh, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu trên tàu lửa, ô tô điện, xe máy điện, xe máy lai.
Đối với hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện cao tốc, Frilli và đồng sự [7] đã nghiên cứu trên mô hình tàu cao tốc ETR 1000, sử dụng mô phỏng Matlab- Simscape TM thu được kết quả rằng hệ thống phanh tái sinh là một cách tiết kiệm năng lượng tuyệt vời. Trước đó, một nghiên cứu về độ bền mỏi của đĩa phanh đối với đường sắt dưới sự ảnh hưởng từ năng lượng phanh của Li và cộng sự [8] cho thấy: Đĩa phanh sẽ dễ bị nứt khi phanh ở tốc độ 300 km/h và rạn rỗ thường xuất hiện khi phanh ở 200 km/h lập đi lập lại. Điều này khá nguy hiểm và xảy ra trên hệ thống phanh thường, nó thúc đẩy cho nhu cầu cần phải phát triển các hệ thống phanh khác như phanh tái sinh. Tại Thụy Điển, Björnsson và cộng sự [9] đã nghiên cứu rằng: Phanh tái sinh có khả năng thu hồi đến 27% của tổng năng lượng trung bình cung cấp tại từng bánh xe trên xe ô tô trong điều kiện giao thông tại Thụy Điển.
Đối với xe điện dẫn động hai bánh trước, Itani và cộng sự [10] đã so sánh 2 phương pháp kiểm soát phanh: phương pháp phanh thường và phương pháp mô phỏng ECE R13H. Kết quả thu được rằng phương pháp thứ hai có thể thu hồi năng lượng thêm 3,7%, 11,2% và 6,6% trên các loại mặt đường ma sát nhiều, trung bình và ma sát ít. Về xe điện minivan, Junzhj và cộng sự [11] đã kết luận sau khi mô phỏng và kiểm tra vòng lặp HIL trên xe điện Minivan dẫn động cầu sau là: hiệu quả của phanh tái sinh với phương pháp cải tạo đạt 47%, tức là cao hơn 15% so với phương 4 pháp cơ bản; và việc tiết kiệm nhiên liệu đạt thêm 10% với phương pháp cải tạo, còn phương pháp cơ bản thì đạt ít hơn với 7%. Đối với xe Bus điện, Perrotta và cộng sự [12] đã mô phỏng và phân tích để tìm ra mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời tìm ra được tiềm năng phục hồi năng lượng khi phanh bằng việc sử dụng các siêu tụ.
Trên xe Ô tô lai điện (Hybrid), Kim và cộng sự [13] đã mô phỏng và xây dựng mô hình dựa trên Matlab Simulink để so sánh hai phương pháp phanh tái sinh và phanh thủy lực. Nhóm kết luận rằng, quãng đường phanh ngắn hơn, gặp ít lỗi hơn của góc trượt và hệ số trượt của hệ thống phanh tái sinh so với hệ thống phanh thủy lực thường. Trên mô hình xe ba bánh, Boisvet và cộng sự [14] cho rằng: Phanh tái sinh ít bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của tham số dựa trên bộ điều khiển trượt khi mô phỏng Matlab Simulink. Clarke và cộng sự [15] lại nghiên cứu về khí thải và kết luận rằng: lượng khí thải Carbon giảm đáng kể đồng thời đạt hiệu quả nhiên liệu cao hơn khi đặt song song motor điện với động cơ đốt trong để khai thác tổn thất năng lượng từ phanh tái sinh.