Luận án tiến sĩ về thiết kế hệ động lực cho xe hybrid

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid, khám phá công nghệ và giải pháp tối ưu cho xe tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Trần Văn Đăng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Khổng Vũ Quảng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Toán Thiết Kế Hệ Động Lực Xe Hybrid
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường
• 1.2. Nguồn động lực thay thế ĐCĐT
• 1.3. Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao
• 1.4. Nguồn động lực hybrid. Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid
• 1.4.1. Xe hybrid kiểu nối tiếp
• 1.4.2. Xe hybrid song song
• 1.4.3. Xe hybrid hỗn hợp
• 1.5. Ưu và nhược điểm của xe hybrid
• 1.6. Các thành phần chính trong xe hybrid
• 1.6.1. Động cơ đốt trong
• 1.6.2. Hệ thống truyền lực
• 1.7. Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid
• 1.8. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.9. Nghiên cứu trong nước
• 1.10. Các dòng xe hybrid trên thị trường
• 1.11. Phương pháp tiếp cận của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID
• 2.1. Quan điểm và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
• 2.1.1. Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid
• 2.1.2. Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
• 2.2. Cơ sở tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
• 2.2.1. Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid
• 2.2.2. Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe hybrid
• 2.2.3. Cơ sở tính toán các nguồn động lực xe hybrid
• 2.2.4. Chiến lược phối hợp nguồn động lực
• 2.3. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise
• 2.3.1. Phạm vi của AVL – Cruise
• 2.3.2. Phương pháp tính toán trong AVL – Cruise
• 2.3.3. Tạo chu trình thử mới trong phần mềm AVL-Cruise
• 2.3.4. Các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise
• 2.4. Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVL-Cruise
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID
• 3.1. Tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
• 3.1.1. Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid
• 3.1.2. Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid
• 3.2. Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid
• 3.2.1. Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid
• 3.2.2. Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid
• 3.2.3. Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp của xe hybrid
• 3.2.4. Chiến lược điều khiển dựa theo mô men
• 3.2.5. Chu trình tắt và khởi động ĐCĐT
• 3.3. Tính toán thiết kế cơ cấu phối hợp của hệ động lực
• 3.3.1. Tính toán bộ truyền CVT
• 3.3.2. Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa trục ra CVT và trục chính
• 3.3.3. Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục chính
• 3.3.4. Tính toán, thiết kế trục chính
• 3.3.5. Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid
• 3.3.6. Hiệu suất xe hybrid
• 3.4. Tính toán mô phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL – Cruise
• 3.4.1. Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid
• 3.4.2. Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống
• 3.4.3. Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mô phỏng xe hybrid và xe truyền thống trong AVL-Cruise
• 3.4.4. Kết quả chạy mô phỏng theo chu trình UDC
• 3.4.5. Kết quả chạy mô phỏng với chu trình có tốc độ ổn định
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM
• 4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm
• 4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm
• 4.1.2. Đối tượng và phạm vi thử nghiệm
• 4.2. Nội dung thử nghiệm
• 4.3. Trang thiết bị thử nghiệm
• 4.3.1. Lắp đặt mô hình lên băng thử
• 4.3.2. Băng thử phanh kiểu dòng điện xoáy
• 4.3.3. Thiết bị phân tích khí thải
• 4.3.4. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
• 4.3.5. Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ
• 4.3.6. Nhiên liệu thử nghiệm
• 4.3.7. Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm
• 4.3.8. Chế độ thử nghiệm
• 4.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
• 4.4.1. Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng
• 4.4.2. Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ
• 4.5. So sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm
• 4.5.1. Các công thức tính toán khi thử nghiệm
• 4.5.2. So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• Danh mục các công trình công bố
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ động lực xe hybrid

Hệ động lực xe hybrid là một trong những giải pháp tiên tiến nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Hệ động lực xe hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, tạo ra một hệ thống năng lượng hiệu quả hơn. Công nghệ hybrid cho phép xe hoạt động linh hoạt trong nhiều điều kiện khác nhau, từ việc sử dụng hoàn toàn điện cho đến việc kết hợp với nhiên liệu truyền thống. Theo nghiên cứu, xe tiết kiệm nhiên liệu có thể giảm đáng kể lượng khí thải độc hại, góp phần bảo vệ môi trường. Việc thiết kế hệ động lực xe hybrid cần phải xem xét nhiều yếu tố như hiệu suất, chi phí và khả năng tương thích với các công nghệ hiện có.

1.1. Các loại xe hybrid

Có ba loại chính của xe hybrid: xe hybrid kiểu nối tiếp, xe hybrid song song và xe hybrid hỗn hợp. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Xe hybrid kiểu nối tiếp sử dụng động cơ điện làm nguồn chính, trong khi động cơ đốt trong chỉ hoạt động như một máy phát điện. Xe hybrid song song cho phép cả hai nguồn động lực hoạt động đồng thời, mang lại hiệu suất cao hơn. Cuối cùng, xe hybrid hỗn hợp kết hợp cả hai phương pháp, tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Việc lựa chọn loại xe phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng và điều kiện giao thông cụ thể.

II. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ động lực

Thiết kế hệ động lực xe hybrid yêu cầu một quy trình tính toán chặt chẽ. Các yếu tố như hiệu suất xe hybrid, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và mức độ ô nhiễm khí thải cần được xem xét kỹ lưỡng. Quy trình thiết kế bao gồm việc xác định các chế độ phối hợp nguồn động lực, từ đó xây dựng mô hình tính toán phù hợp. Công nghệ động lực hiện đại như AVL-Cruise được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế. Việc áp dụng phần mềm này giúp các kỹ sư có thể dự đoán hiệu suất của xe trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống truyền động.

2.1. Quy trình tính toán thiết kế

Quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid bao gồm nhiều bước, từ việc xác định yêu cầu kỹ thuật đến việc mô phỏng và thử nghiệm. Đầu tiên, cần xác định các thông số kỹ thuật của động cơ và hệ thống truyền động. Sau đó, các mô hình mô phỏng sẽ được xây dựng để đánh giá hiệu suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Cuối cùng, các thử nghiệm thực tế sẽ được thực hiện để xác nhận các kết quả mô phỏng. Quy trình này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo rằng xe hybrid đáp ứng được các tiêu chuẩn về môi trường và hiệu suất.

III. Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ động lực

Tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid là một phần quan trọng trong quá trình phát triển xe. Việc xác định các thông số kỹ thuật như công suất, mô men và hiệu suất là rất cần thiết. Các phần mềm mô phỏng như AVL-Cruise cho phép các kỹ sư kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi tiến hành sản xuất. Mô phỏng giúp dự đoán hiệu suất của xe trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết. Kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với các thử nghiệm thực tế để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của thiết kế.

3.1. Mô phỏng và thử nghiệm

Mô phỏng là một công cụ mạnh mẽ trong việc thiết kế hệ động lực xe hybrid. Các thông số đầu vào như tốc độ, mô men và công suất được nhập vào phần mềm để tạo ra các kịch bản hoạt động khác nhau. Kết quả mô phỏng sẽ cung cấp thông tin về hiệu suất, mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải. Sau khi hoàn thành mô phỏng, các thử nghiệm thực tế sẽ được thực hiện để xác nhận các kết quả. Việc so sánh giữa mô phỏng và thử nghiệm giúp cải thiện độ chính xác của thiết kế và đảm bảo rằng xe hybrid hoạt động hiệu quả trong thực tế.

IV. Nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá

Nghiên cứu thử nghiệm là bước cuối cùng trong quá trình phát triển hệ động lực xe hybrid. Mục tiêu của thử nghiệm là đánh giá tính năng kinh tế và hiệu suất của xe. Các thiết bị đo lường sẽ được sử dụng để thu thập dữ liệu về tiêu hao nhiên liệu, khí thải và hiệu suất động cơ. Kết quả thử nghiệm sẽ được phân tích để đưa ra các nhận định về hiệu quả của thiết kế. Việc đánh giá này không chỉ giúp cải thiện sản phẩm mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực công nghệ hybrid.

4.1. Kết quả thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy xe hybrid có khả năng tiết kiệm nhiên liệu vượt trội so với các loại xe truyền thống. Các thông số về khí thải cũng được cải thiện đáng kể, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc so sánh giữa các loại xe hybrid khác nhau cho thấy rằng thiết kế và công nghệ sử dụng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất. Những kết quả này khẳng định rằng công nghệ hybrid không chỉ là một xu hướng mà còn là một giải pháp thực tiễn cho vấn đề ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng trong giao thông.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đang đặt ra thách thức lớn đối với ngành giao thông vận tải toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam năm 2020 và Phòng Cảnh sát Giao thông Hà Nội, lượng phương tiện cá nhân gia tăng nhanh chóng (xe máy chiếm tới 86% lượng phương tiện tại Hà Nội), trong khi chất lượng phương tiện cũ chưa bảo dưỡng định kỳ làm gia tăng phát thải độc hại. Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định 16/2019/QĐ-TTg nâng cao tiêu chuẩn khí thải cho xe ô tô từ ngày 01/01/2020 nhằm siết chặt quản lý môi trường.

Mặc dù xe thuần điện (BEV) và xe pin nhiên liệu (FCV) là giải pháp giảm phát thải tại chỗ, việc áp dụng đại trà ngay lập tức gặp rào cản lớn về thời gian sạc lâu, chi phí trạm sạc cao, giá thành pin chiếm đến 20% giá trị xe và nguy cơ lãng phí dây chuyền chế tạo động cơ đốt trong (ĐCĐT) hiện hữu. Do đó, phương tiện lai (hybrid electric vehicle - HEV) kết hợp giữa ĐCĐT và động cơ điện (ĐCĐ) được xác định là giải pháp chuyển tiếp kỹ thuật phù hợp.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là: các nghiên cứu xe hybrid tại Việt Nam trước đây chủ yếu dừng lại ở việc hoán cải đơn lẻ các mẫu xe có sẵn hoặc thiết kế cụm chi tiết riêng biệt, chưa hình thành một quy trình tính toán thiết kế hoàn chỉnh mang tính hệ thống từ lý thuyết, mô phỏng động học - động lực học, đến chế tạo và kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử đối với hệ thống hybrid hỗn hợp cỡ nhỏ.

Mục tiêu nghiên cứu

1. Đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực (ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy) và xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid.
2. Áp dụng giải pháp và quy trình đã xây dựng để tính toán, thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm một mô hình hệ động lực trên xe hybrid 2 chỗ ngồi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ động lực xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp (series-parallel), cấu thành từ ĐCĐT, ĐCĐ, máy phát điện và bộ lưu trữ năng lượng ắc quy.
• Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu tính toán thiết kế cơ cấu phối hợp công suất, xây dựng thuật toán điều khiển và mô phỏng trên phần mềm AVL-Cruise, Autodesk Inventor, Matlab/Simulink; thực nghiệm kiểm chứng được tiến hành tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải thuộc Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (công bố năm 2022). Giới hạn phần cứng tập trung vào hệ động lực hybrid cỡ nhỏ cho phương tiện 2 chỗ ngồi hoạt động trong điều kiện đô thị.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả đã tổng hợp các hướng phát triển chính của hệ thống truyền lực và quản lý năng lượng hybrid trên thế giới:

• Mô hình hóa và chiến lược phối hợp: Saurabh Mahapatra và cộng sự xây dựng quy trình thiết kế hệ thống hybrid trên nền tảng Matlab/Simulink, xác định các thông số đầu vào cho mô hình phân phối động lực, động cơ, ắc quy và cơ cấu truyền động.
• Cơ cấu đóng ngắt và truyền lực: Feng Wang, Xiaojian Mao và Bin Zhuo nghiên cứu ly hợp điều khiển điện tử trên xe buýt hybrid nhằm ngắt/nối tức thời ĐCĐT với hệ thống truyền lực. K.David Huang và cộng sự (2004, 2020) phát triển hệ dẫn động hybrid song song sử dụng bộ vi sai ba bánh răng côn xoắn và sau đó tích hợp cơ cấu bánh răng hành tinh để phân phối mô-men cho xe vận hành trong đô thị.
• Tối ưu hóa năng lượng và chu trình thử: Yuan-Yong Hsu và cộng sự chế tạo xe máy hybrid song song, thử nghiệm theo chu trình ECE-R40, chứng minh ĐCĐT chỉ hoạt động 52,5% tổng thời gian chu trình. Han và cộng sự ứng dụng bộ bánh răng hành tinh kết hợp phân chia vùng hoạt động theo trạng thái nạp ắc quy (SOC). Yaobin Chen đề xuất quy trình quản lý năng lượng 4 bước ứng dụng thuật toán SQP (Sequential Quadratic Programming) và quy hoạch động PD (Dynamic Programming). Maxim Idriss nghiên cứu động lực học phi tuyến dao động xoắn bằng hàm năng lượng Hamilton và định lý Helmholtz. Qifang Liu và cộng sự phát triển chiến lược điều khiển dự đoán điều kiện vận hành.

Các hướng nghiên cứu trong nước

• Nhóm nghiên cứu của Bùi Văn Ga (2007, 2009): Thiết kế hệ thống hybrid nối tiếp trên ô tô 2 chỗ sử dụng động cơ xăng 110cc (5,5 kW) chạy LPG, ĐCĐ một chiều ZYT145/06-90 (90V, 3000 v/ph, 60 Nm) và máy phát R263-A (28V, 4,5 kW). Sau đó, nhóm phát triển xe máy hybrid điện - LPG lắp ĐCĐT Honda GX80 (2,2 kW) cùng hai ĐCĐ ở moay-ơ (500W trước, 1000W sau) và 4 bình ắc quy N12V-35Ah, đạt vận tốc 55 km/h và tiêu chuẩn Euro IV.
• Hồ Sĩ Xuân Diệu (2009): Nghiên cứu chế tạo ô tô hybrid 2 chỗ ngồi dùng động cơ LPG kết hợp bộ bánh răng hành tinh - mặt trời, đạt quãng đường chạy điện 50 km và tiêu thụ 0,7 kg LPG/30 km ở chế độ ĐCĐT.
• Nguyễn Văn Định (2011): Thiết kế mô hình xe hybrid 2 chỗ tại Đại học Nha Trang với ĐCĐT 110cc dẫn động cầu sau và hai ĐCĐ 350W gắn trực tiếp tại moay-ơ bánh trước, đạt tốc độ tối đa 40 km/h và khả năng leo dốc 18%.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trong nước trước đó thường gặp nhược điểm: khối lượng ắc quy quá lớn ở hệ nối tiếp, tổn thất cơ giới và điều khiển phức tạp ở cụm bánh răng hành tinh, hoặc giá thành cao do dùng nhiều ĐCĐ moay-ơ. Luận án chọn giải quyết bài toán thiết kế hệ hybrid hỗn hợp sử dụng cơ cấu truyền đai kết hợp biến thiên vô cấp CVT và khớp một chiều, thiết lập chiến lược điều khiển theo mô-men nhằm duy trì ĐCĐT trong vùng tiêu hao nhiên liệu tối ưu (khoảng 250 g/kWh), mô phỏng chu trình UDC qua phần mềm chuyên dụng AVL-Cruise và thực nghiệm đối chứng trực tiếp trên băng thử tải dòng điện xoáy.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và quan điểm thiết kế

Luận án xây dựng trên các nền tảng cơ học và kỹ thuật động lực:

• Phương trình cân bằng lực kéo và động lực học chuyển động thẳng: $$\sum F_k = F_f + F_w + F_g + F_j$$ Trong đó bao gồm lực cản lăn ($F_f$), lực cản không khí ($F_w$), lực cản lên dốc ($F_g$) và lực cản quán tính ($F_j$).
• Đặc tính kinh tế năng lượng của ĐCĐT: Xác định vùng làm việc tối ưu của động cơ xăng quanh điểm suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ($g_e \approx 250\text{ g/kWh}$, hiệu suất nhiệt xấp xỉ 34,3%).
• Đặc tính kéo của ĐCĐ: ĐCĐ hoạt động ở vùng mô-men không đổi tại dải tốc độ thấp và vùng công suất không đổi khi vượt tốc độ cơ sở, bổ trợ cho ĐCĐT ở các chế độ gia tốc, khởi hành và tải lớn.
• Phân loại phối hợp công suất: Khớp nối mô-men ($M_{ra} = M_D + M_N$), khớp nối tốc độ ($\omega_{ra} = \omega_D + \omega_N$), và cơ cấu phân chia công suất hỗn hợp.

Quy trình thiết kế 9 bước

Tác giả đề xuất quy trình tính toán thiết kế hệ động lực hybrid gồm 9 bước:

1. Xác định quan điểm thiết kế (lấy ĐCĐT làm nguồn chính, ĐCĐ làm nguồn phụ trợ).
2. Lựa chọn phương pháp phối hợp công suất nguồn động lực.
3. Xác định các chế độ làm việc của xe hybrid (chỉ dùng ĐCĐ, ĐCĐT nạp ắc quy và chạy ĐCĐ, chỉ ĐCĐT, kết hợp ĐCĐT + ĐCĐ, phanh tái sinh).
4. Tính toán xác định công suất và thông số các nguồn động lực.
5. Thiết kế kết cấu cơ cấu phối hợp công suất (CVT, bộ truyền đai, trục chính).
6. Xây dựng chiến lược điều khiển phân phối năng lượng và quản lý trạng thái nạp ắc quy (SOC).
7. Thiết kế hệ thống mạch điều khiển điện tử và phần cứng.
8. Xây dựng mô hình mô phỏng động học, động lực học trên AVL-Cruise.
9. Chế tạo mô hình, lắp đặt trên băng thử và thực nghiệm đánh giá.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

• Nghiên cứu lý thuyết: Tính toán giải tích các bộ truyền động cơ khí (đai thang hẹp YO/SPZ theo tiêu chuẩn DIN 7753, đai CVT, trục chính), tính toán nhiệt và mạch tương đương ắc quy.
• Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor thiết kế 3D cụm cơ cấu; phần mềm AVL-Cruise xây dựng mô hình khối toàn xe; AVL-Boost với công cụ Random Cycle Generator tạo chu trình thử; liên kết mô hình điều khiển với Matlab/Simulink qua giao diện DLL.
• Nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt hệ thống động lực hoàn chỉnh trên băng thử phanh dòng điện xoáy; sử dụng thiết bị cân nhiên liệu trọng lượng AVL Fuel Balance 733S; thiết bị phân tích thành phần khí xả Horiba Mexa 584L (đo CO, HC, $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$, $\lambda$ bằng cảm biến NDIR); thiết bị đo dòng và điện áp tiêu thụ.

Thiết bị / Phần mềm	Chức năng trong nghiên cứu
AVL-Cruise	Mô phỏng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và động lực học theo chu trình lái UDC
Matlab / Simulink	Thiết kế thuật toán điều khiển và tích hợp đồng mô phỏng
Autodesk Inventor	Thiết kế hình học và tính toán cơ cấu phối hợp công suất
Băng thử dòng điện xoáy	Tạo tải mô phỏng lực cản chuyển động của phương tiện
Horiba Mexa 584L	Phân tích nồng độ khí thải $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$
AVL Fuel Balance 733S	Đo lường chính xác lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian thực

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải phương tiện giao thông tại các đô thị lớn ở Việt Nam, viện dẫn số liệu thực tế về tốc độ tăng trưởng phương tiện tại TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội. Tác giả khảo sát các giải pháp năng lượng thay thế ĐCĐT gồm động cơ khí nén áp suất cao (300 bar), xe thuần điện (BEV), xe pin nhiên liệu (FCV) và phân tích các rào cản hạ tầng, kinh tế.

Nội dung trọng tâm của chương là phân loại và đánh giá ba cấu trúc hybrid cơ bản:

1. Hybrid nối tiếp: ĐCĐT kéo máy phát nạp điện cho ắc quy và cấp điện cho ĐCĐ truyền động; ưu điểm là ĐCĐT luôn hoạt động ở điểm tối ưu nhưng nhược điểm là kích thước ắc quy và ĐCĐ lớn, hiệu suất chuyển đổi toàn thể qua nhiều khâu bị giảm.
2. Hybrid song song: Cả ĐCĐT và ĐCĐ cùng nối cơ học tới trục dẫn động; kích thước cụm động lực nhỏ gọn, khả năng tăng tốc tốt nhưng điều khiển phối hợp phức tạp.
3. Hybrid hỗn hợp: Tích hợp đường dẫn công suất cơ học và điện năng thông qua bộ phân chia công suất, phát huy ưu thế của hệ nối tiếp trong đô thị và hệ song song trên xa lộ.

Chương này cũng tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu ngoài nước và trong nước, tổng quan các dòng xe hybrid thương mại từ Toyota Prius (1997), Mercedes-Benz S400 BlueHybrid, BMW ActiveHybrid đến Toyota Corolla Cross 1.8HV tại Việt Nam, từ đó xác lập phương pháp tiếp cận kết hợp giữa mô phỏng AVL-Cruise và thực nghiệm băng thử.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế hệ động lực xe hybrid

Chương 2 thiết lập cơ sở toán học và phương pháp luận cho toàn bộ luận án:

• Nguyên lý phối hợp nguồn động lực: Xác định 5 chế độ làm việc cốt lõi của xe hybrid (chạy thuần điện ở tốc độ thấp/khởi hành; ĐCĐT vừa chạy vừa nạp ắc quy khi SOC thấp; chạy thuần ĐCĐT ở dải tốc độ kinh tế; chạy phối hợp cả hai động cơ khi tăng tốc/leo dốc; thu hồi năng lượng khi phanh hãm tái sinh).
• Cơ sở tính toán phụ tải và chọn nguồn động lực: Thiết lập các phương trình xác định công suất cản lăn, cản gió, cản dốc và quán tính dựa trên các tiêu chí tính năng động lực học của xe theo chương trình PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) và tiêu chuẩn đường bộ TCVN 4054:2005.
• Chiến lược điều khiển phân phối mô-men: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quan, thuật toán quản lý sạc ắc quy dựa trên ngưỡng SOC, và thuật toán chuyển tiếp chế độ nhằm hạn chế dao động mô-men khi khởi động hoặc ngắt ĐCĐT.
• Lý thuyết mô phỏng trên AVL-Cruise: Trình bày cấu trúc toán học của các module ĐCĐT, ĐCĐ, ắc quy, hộp số và giao tiếp dữ liệu với Matlab/Simulink qua Dynamic Link Library (DLL) cùng cách thiết lập chu trình thử xe đô thị UDC (Urban Driving Cycle).

Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ động lực xe hybrid

Chương 3 triển khai chi tiết việc tính toán phần cứng và mô phỏng số:

• Thông số hệ thống: Luận án tính toán cho dòng xe hybrid cỡ nhỏ 2 chỗ ngồi với các thành phần chính:
  • ĐCĐT: Động cơ xăng Piaggio 150cc 4 kỳ.
  • ĐCĐ: Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) kèm bộ điều khiển.
  • Máy phát điện phụ trợ sạc ắc quy.
  • Bộ truyền biến thiên vô cấp CVT kết hợp bộ truyền đai thang hẹp YO (SPZ Narrow DIN 7753) và trục chính truyền mô-men.
• Thiết kế mạch điều khiển điện tử: Luận án thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm (CPU, ROM, EEPROM), mạch giao tiếp điều khiển bướm ga ĐCĐT và mạch điều khiển sạc ắc quy.
• Mô phỏng chu trình UDC trên AVL-Cruise: Thiết lập mô hình xe truyền thống và xe hybrid tương đương để chạy thử nghiệm ảo theo chu trình UDC và các dải tốc độ ổn định (40 km/h, 60 km/h).

Thông số mô phỏng / Kết quả theo chu trình UDC	Xe truyền thống (ĐCĐT)	Xe Hybrid (ĐCĐT + ĐCĐ)
Nguồn động lực chính	ĐCĐT Piaggio 150cc	ĐCĐT 150cc + ĐCĐ BLDC
Cơ cấu truyền lực	Hộp số / CVT tiêu chuẩn	CVT + Bộ truyền đai đồng tốc
Phát thải $\text{CO}$	Mức phát thải cao ở dải khởi hành	Giảm rõ rệt do khởi hành bằng ĐCĐ
Phát thải $\text{HC}$	Nồng độ cao khi chạy không tải/tốc độ thấp	Giảm đáng kể nhờ ngắt ĐCĐT ở tốc độ thấp
Phát thải $\text{NO}_x$	Tăng cao ở các điểm quá tải	Giảm nhờ ĐCĐ bù tải đỉnh
Mức tiêu thụ nhiên liệu (FC)	Tiêu hao cao ở chu trình dừng/chạy liên tục	Tiết kiệm nhiên liệu hơn đáng kể so với xe truyền thống

Kết quả mô phỏng ở tốc độ ổn định 40 km/h và 60 km/h (Bảng 3.13 và Bảng 3.14 trong luận án) cho thấy việc giữ ĐCĐT làm việc ở vùng vòng tua kinh tế giúp giảm mạnh tiêu hao nhiên liệu riêng $g_e$.

Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm

Chương 4 kiểm chứng thực tế mô hình hệ thống phối hợp công suất chế tạo trên băng thử phanh dòng điện xoáy tại phòng thí nghiệm:

• Bố trí thí nghiệm: Cụm động lực hybrid hoàn chỉnh được gá đặt đồng tâm qua khớp nối các-đăng với băng thử tải. Hệ thống cấp nhiên liệu nối qua cân AVL Fuel Balance 733S; đường khí xả nối trực tiếp với đầu đo của Horiba Mexa 584L; các cảm biến dòng điện và điện áp giám sát liên tục công suất ắc quy và ĐCĐ.
• Chế độ thử nghiệm: Đánh giá tại 3 tốc độ làm việc điển hình của ĐCĐT: $n_{\text{đcđt}} = 4000\text{ v/ph}$, $6000\text{ v/ph}$, và $7000\text{ v/ph}$ ở hai trạng thái: (1) Chỉ có ĐCĐT làm việc; (2) Cả ĐCĐT và ĐCĐ cùng phối hợp làm việc.
• Kết quả đo lường kinh tế và phát thải:
  • Ở chế độ phối hợp (ĐCĐT + ĐCĐ), suất tiêu hao nhiên liệu của ĐCĐT giảm do ĐCĐ san sẻ mô-men xoắn ở các điểm tải lớn.
  • Nồng độ các khí thải độc hại $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$ tại các dải tốc độ $4000 - 7000\text{ v/ph}$ ở chế độ phối hợp đều thấp hơn so với khi ĐCĐT phải hoạt động độc lập toàn tải.
• So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Tác giả đối chiếu các đường đặc tính phát thải $\text{CO}, \text{HC}, \text{NO}_x$ và tiêu hao năng lượng giữa kết quả chạy trên phần mềm AVL-Cruise với số liệu đo thực tế trên băng thử (thể hiện qua các Hình 4.15 đến 4.22 và Bảng 4.1 đến 4.4), xác nhận sự tương thích về xu hướng biến thiên và độ tin cậy của mô hình tính toán.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình tính toán thiết kế 9 bước cho hệ động lực xe hybrid cỡ nhỏ: Thiết lập hệ thống công thức giải tích xác định công suất tối ưu cho từng thành phần (ĐCĐT, ĐCĐ, máy phát, ắc quy) dựa trên đặc tính kéo và vùng làm việc kinh tế nhất của động cơ.
2. Ứng dụng phương pháp đồng mô phỏng số: Kết nối thành công phần mềm chuyên ngành AVL-Cruise với thuật toán điều khiển trên Matlab/Simulink và công cụ tạo chu trình AVL-Boost, phục vụ dự báo chính xác tính năng kinh tế - kỹ thuật và mức độ phát thải theo các chu trình thử nghiệm xe đô thị.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Thiết kế và chế tạo thành công cơ cấu phối hợp công suất: Ứng dụng cụm biến thiên vô cấp CVT kết hợp bộ truyền đai thang hẹp YO và trục chính có lắp khớp một chiều, tạo ra cơ cấu phối hợp gọn nhẹ, giảm tổn thất cơ giới, phù hợp lắp đặt trên xe hybrid cỡ nhỏ 2 chỗ ngồi.
2. Chế tạo mạch điều khiển điện tử và kiểm chứng thực nghiệm: Hoàn thiện bộ điều khiển trung tâm và mạch quản lý nạp; tiến hành thử nghiệm toàn diện trên băng thử tải dòng điện xoáy với các thiết bị đo tiêu chuẩn quốc tế (Horiba Mexa 584L, AVL Fuel Balance 733S), cung cấp tập số liệu thực nghiệm tin cậy cho nghiên cứu xe hybrid tại Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Ứng dụng giải pháp hybrid hỗn hợp ĐCĐT - ĐCĐ cỡ nhỏ cho các phương tiện giao thông cá nhân hoạt động trong nội đô nhằm giảm thiểu phát thải và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.
• Áp dụng quy trình tính toán 9 bước và mô hình mô phỏng AVL-Cruise làm tài liệu chuẩn trong tính toán thiết kế hệ thống truyền lực hybrid trước khi tiến hành chế tạo mẫu thử thực tế.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Nghiên cứu thực nghiệm mới dừng lại ở việc gá đặt mô hình hệ động lực trên băng thử tĩnh trong phòng thí nghiệm tại các chế độ tốc độ cố định ($4000\text{ v/ph}$, $6000\text{ v/ph}$, $7000\text{ v/ph}$), chưa thực hiện thử nghiệm chạy thực tế trên đường (on-road test) trong điều kiện giao thông phức tạp.
• Nguồn lưu trữ năng lượng trong mô hình thực nghiệm sử dụng hệ ắc quy thông thường, chưa ứng dụng các hệ thống pin Lithium-ion mật độ năng lượng cao.
• Chưa khảo sát sâu ảnh hưởng của độ dốc mặt đường thay đổi liên tục và sự suy giảm dung lượng của ắc quy theo thời gian dài vận hành.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

• Hoàn thiện việc tích hợp toàn bộ hệ thống động lực và khối điều khiển lên khung vỏ xe hoàn chỉnh để thử nghiệm động lực học trên đường thực tế.
• Nâng cấp bộ lưu trữ năng lượng sang pin Lithium-ion hoặc tích hợp siêu tụ điện (ultracapacitor) nhằm nâng cao khả năng tiếp nhận dòng nạp lớn khi phanh tái sinh.
• Ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi hiện đại nhằm tối ưu hóa quá trình chuyển tiếp trạng thái bật/tắt ĐCĐT mượt mà hơn.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Ô tô: Tham khảo phương pháp luận thiết lập mô hình tính toán lực kéo, quy trình thiết kế cơ cấu truyền lực phân chia công suất và quy trình cài đặt mô phỏng hệ thống trên phần mềm AVL-Cruise.
• Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Sử dụng mô hình thực nghiệm và sơ đồ quy trình 9 bước làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về quản lý năng lượng trên phương tiện lai.
• Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô - xe máy: Tham khảo kết cấu cơ khí bộ truyền đai kết hợp CVT và giải pháp mạch điều khiển trung tâm để ứng dụng phát triển các dòng xe lai nhẹ hoặc xe điện hybrid cỡ nhỏ.

Các phần có giá trị tham khảo cao

• Quy trình 9 bước tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid (Mục 2.1.2).
• Phương pháp xây dựng mô hình tính toán phát thải, tiêu hao nhiên liệu trên AVL-Cruise kết nối Matlab/Simulink (Mục 2.3 và 2.4).
• Bản vẽ tính toán kết cấu bộ truyền CVT, bộ truyền đai thang và sơ đồ mạch điều khiển điện tử trung tâm (Mục 3.3).
• Sơ đồ bố trí và quy trình đo kiểm trên băng thử phanh dòng điện xoáy kết hợp thiết bị Horiba Mexa 584L và AVL Fuel Balance 733S (Mục 4.2).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid của tác giả được xác định như thế nào?

Tác giả lựa chọn quan điểm thiết kế lấy ĐCĐT làm nguồn động lực chính và ĐCĐ làm nguồn động lực phụ trợ. Mục tiêu cốt lõi là điều khiển phối hợp sao cho ĐCĐT luôn làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu kinh tế nhất (khoảng $250\text{ g/kWh}$, tương đương hiệu suất nhiệt $34,3%$). ĐCĐ đảm nhận việc dẫn động độc lập ở dải tốc độ thấp, hỗ trợ bổ sung mô-men khi tăng tốc hoặc leo dốc, và thu hồi năng lượng khi phanh xe để nạp lại cho ắc quy.

2. Các thông số kỹ thuật phần cứng chính được chọn để tính toán và chế tạo mô hình là gì?

Mô hình hybrid 2 chỗ ngồi trong luận án sử dụng:

• Động cơ đốt trong: Động cơ xăng Piaggio 4 kỳ, dung tích xy-lanh 150cc.
• Động cơ điện: Động cơ BLDC kèm bộ điều tốc điện tử.
• Máy phát điện phụ trợ nạp điện cho hệ thống ắc quy.
• Cơ cấu truyền lực: Bộ truyền biến thiên vô cấp CVT kết hợp bộ truyền đai thang hẹp kiểu YO (SPZ Narrow theo tiêu chuẩn DIN 7753) và trục chính truyền động tích hợp khớp một chiều.

3. Luận án đã ứng dụng những phần mềm nào trong quá trình nghiên cứu?

• Autodesk Inventor: Dùng để tính toán thiết kế hình học và mô hình hóa 3D các chi tiết của cụm cơ cấu phối hợp công suất, bộ truyền đai và trục chính.
• AVL-Cruise: Dùng để mô hình hóa toàn bộ hệ thống động lực xe, mô phỏng tính năng động lực học, mức tiêu thụ nhiên liệu và nồng độ khí thải theo chu trình lái chuẩn UDC.
• AVL-Boost (công cụ Random Cycle Generator): Dùng để thiết lập chu trình thử nghiệm nạp vào mô hình mô phỏng.
• Matlab/Simulink: Dùng để xây dựng các thuật toán điều khiển phân phối năng lượng và liên kết đồng mô phỏng với AVL-Cruise thông qua thư viện liên kết động DLL.

4. Kết quả thử nghiệm trên băng thử tại các chế độ tốc độ cho thấy điều gì?

Thử nghiệm trên băng thử phanh dòng điện xoáy tại các tốc độ $4000\text{ v/ph}$, $6000\text{ v/ph}$ và $7000\text{ v/ph}$ chứng minh rằng: khi chuyển từ chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc sang chế độ phối hợp (cả ĐCĐT và ĐCĐ cùng làm việc), suất tiêu hao nhiên liệu giảm và nồng độ các chất phát thải ô nhiễm gồm $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$ đo bằng thiết bị Horiba Mexa 584L đều giảm rõ rệt. Đường đặc tính đo được từ thực nghiệm có sự tương đồng chặt chẽ với kết quả mô phỏng trên AVL-Cruise.

5. Chiến lược quản lý năng lượng của hệ động lực được xây dựng dựa trên các yếu tố nào?

Chiến lược điều khiển dựa trên mô-men và trạng thái nạp ắc quy (SOC). Hệ thống kiểm soát 5 trạng thái vận hành: (1) Chỉ ĐCĐ làm việc khi xe khởi hành hoặc đi ở tốc độ thấp; (2) ĐCĐT vừa kéo tải vừa phát điện nạp ắc quy khi SOC giảm thấp; (3) Chỉ ĐCĐT làm việc khi xe đạt tốc độ ổn định trong dải kinh tế; (4) Cả ĐCĐT và ĐCĐ cùng phát công suất khi xe tăng tốc mạnh hoặc leo dốc; (5) Phanh tái sinh chuyển cơ năng thành điện năng sạc vào ắc quy khi xe giảm tốc.

---

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Văn Đăng đã xây dựng thành công quy trình tính toán thiết kế 9 bước và giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid hỗn hợp cỡ nhỏ. Việc kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí 3D, mô phỏng động lực học và phát thải trên phần mềm chuyên dụng AVL-Cruise cùng thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử phanh dòng điện xoáy đã chứng minh tính khả thi của mô hình. Kết quả nghiên cứu xác nhận hệ động lực hybrid giúp tối ưu hóa vùng làm việc của ĐCĐT Piaggio 150cc, qua đó cắt giảm đáng kể lượng tiêu hao nhiên liệu và các thành phần khí xả độc hại ($\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$), đóng góp giải pháp kỹ thuật cụ thể cho sự phát triển phương tiện giao thông thân thiện môi trường tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường Ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề không chỉ của một quốc gia, một khu vực mà là mối quan tâm chung của toàn nhân loại. Quá trình phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới đã gây ra những ảnh hưởng nặng nề đến môi trường. Nó làm cho môi trường sống của loài người bị biến đổi và ngày càng xuống cấp.

Đó là sự biến đổi của khí hậu - nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axít,…và đặc biệt là ô nhiễm không khí do hoạt động giao thông vận tải gây ra.1 Phương tiện tham gia giao thông tại thành phố lớn ở Việt Nam Ở Việt Nam, ô nhiễm không khí trên địa bàn các đô thị lớn đã và đang trở thành một vấn đề cấp bách. Sự ô nhiễm này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó sự gia tăng về số lượng phương tiện tham gia giao thông tại các thành phố lớn như thể hiện trên Hình 1.1 được coi là một trong những nguyên nhân chính, bởi mức độ ô nhiễm không khí tỷ lệ thuận với số lượng phương tiện tham gia giao thông. Theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 toàn quốc có 41.332 phương tiện (4.854 xe mô tô, xe máy) [7,8]. Tính đến tháng 7/2020, thành phố Hồ Chí Minh có 8,94 triệu phương tiện cá nhân, tăng gần 7% so với cùng kỳ năm 2018.

Như vậy, chỉ trong khoảng 10 năm (từ năm 2010 đến nay) đã tăng thêm hơn 4 triệu phương tiện giao thông. Theo thống kê, bình quân mỗi tháng có 30.000 phương tiện giao thông đăng ký mới, tức mỗi ngày có 1.000 phương tiện đăng ký mới [7]. Còn theo phòng CSGT Hà Nội, tính đến Quý 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản lý 6.596 phương tiện.436 xe máy và xe máy điện là 148. Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, trong năm 2017, số 4 luan an lượng phương tiện tăng 5,3%, đến năm 2018 tăng 4,2% và năm 2019 so với 2018 đã tăng 1,5%.

Theo số liệu phương tiện được phòng CSGT thống kê, xe máy đang chiếm đến 86% lượng phương tiện giao thông đang tham gia ở Hà Nội [7]. Ngoài ra, chất lượng của các phương tiện giao thông cũng là một vấn đề rất đáng bàn.2 cho thấy hầu hết những loại xe ô tô cũ và xe máy sau một thời gian lưu hành đều có mức phát thải cao ra môi trường do nhiều người tham gia giao thông tại Việt Nam còn chưa có thói quen bảo dưỡng phương tiện định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất [7]. Chính vì vậy làm giảm chất lượng quá trình cháy, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và đồng nghĩa với đó là tăng phát thải ô nhiễm môi trường.2 Ô nhiễm môi trường trong hoạt động giao thông vận tải Đứng trước thực trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do các hoạt động giao thông vận tải, gây tác động tiêu cực đến cuộc sống sinh hoạt và sức khỏe của con người, đã có nhiều biện pháp được triển khai thực hiện. Trong đó, vào năm 2019 Thủ tướng ban hành Quyết định 16/2019 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu.

Theo đó, các mức tiêu chuẩn áp dụng cho xe ô tô được nâng lên so với mức quy định tại Quyết định 249/2005 và áp dụng từ ngày 1/1/2020. Để cải thiện chất lượng khí thải thì một trong những giải pháp đem lại hiệu quả từ những phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng hoặc diesel là sử dụng nhiên liệu thay thế như xăng sinh học, diesel sinh học, khí CNG, LPG, …[7] Những ưu điểm vượt trội về khía cạnh phát thải của nhiên liệu sinh học so với nhiên liệu hóa thạch là không thể phủ nhận, tuy vậy vẫn còn tồn tại những hạn chế cần phải xem xét đến như: quá trình để sản xuất nhiên liệu sinh học cũng gây phát thải khí CO2; việc phá rừng để có diện tích canh tác các loại cây trồng làm nhiên liệu 5 luan an sản xuất nhiên liệu sinh học làm giảm diện tích rừng tự nhiên, làm tăng thêm lượng phát thải khí CO2; việc canh tác các loại cây nhiên liệu cần nước để tưới tiêu hợp lý, điều này có thể tạo sức ép lên nguồn nước ngầm của địa phương và khu vực; để tinh chế nhiên liệu sinh học thành năng lượng hiệu quả hơn cần xây dựng các nhà máy sản xuất cần thiết để tăng sản lượng nhiên liệu sinh học, thường đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu cao, khiến giá thành của nó hiện tại còn tương đối cao; việc sử dụng các loại cây trồng biến đổi gen để tăng năng suất sản xuất nhiên liệu sinh học tạo ra nguy cơ gây biến đổi gen sẽ di truyền gây hại cho các loại cây nông nghiệp khác và sự du nhập của các loài xâm lấn thông qua trồng trọt làm thức ăn chăn nuôi cũng có thể gây hại.Vì những lí do đó thì bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu thay thế việc hướng tới phương tiện giao thông sử dụng nguồn năng lượng điện hoặc hydro cũng là một hướng đi giàu tiềm năng [10]. Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng các loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế, năng lượng điện, hydro cũng đã có những sự gia tăng đáng kể. Bên cạnh đó trên thế giới những nghiên cứu về vấn đề này cũng được chú trọng và đang rất phát triển góp phần nâng cao sự hoàn thiện về mặt kĩ thuật của những dòng xe này.

Hơn nữa, việc đầu tư cải tạo hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng hết sức được chú trọng. Vì vậy ta có thể tin rằng trong tương lai chắc chắn nhu cầu sử dụng dòng xe này sẽ còn tiếp tục tăng cao. Tuy nhiên để sử dụng năng lượng điện hoặc hydro trên phương tiện giao thông cần một trong hai giải pháp đó là thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ ĐCĐT (xe thuần điện (BEV) hoặc xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV)) hoặc phối hợp nguồn năng lượng từ ĐCĐT với ĐCĐ (xe hybrid) [11].3 Doanh số xe điện – hybrid toàn cầu Trên thế giới lượng xe có yếu tố “điện” (xe điện, xe hybrid và xe sử dụng pin nhiên liệu) được bán trên toàn cầu đạt 1,3 triệu xe, chiếm hơn 6% lượng xe tiêu thụ toàn cầu. Mẫu xe Tesla Model 3 chạy hoàn toàn bằng điện là mẫu xe bán chạy thứ 11 ở Mỹ năm 2018 và đặc biệt là vào thời điểm cuối năm.

Khả năng lớn Tesla sẽ còn 6 luan an đẩy được doanh số bán mạnh mẽ hơn nữa trong thời gian tới.3 cho thấy xu hướng thay đổi như vậy có thể coi là đã rõ ràng, có thể sẽ cần nhiều thời gian nữa để những thay đổi này được áp dụng ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Lợi ích to lớn về môi trường của xe điện là không thể chối cãi. Quá trình từ sản xuất, vận hành đến loại bỏ một xe điện tạo ra lượng khí thải chỉ bằng một nửa xe chạy xăng thông thường, tính cả ô nhiễm từ việc sản xuất pin. Quãng đường di chuyển đối với xe thông thường, xe hybrid (HEV), xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và xe thuần điện (BEV) Quãng đường di chuyển của xe điện trên một lần sạc là thấp hơn so với xe truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Xe hybrid lại có quãng đường di chuyển tương đương với xe truyền thống như thể hiện ở Hình 1. Trong đó, xe Hyundai Tucson và xe Mercedes-Benz GLK250 là xe thông thường; xe Toyota Highlander là xe hybrid; xe Hyundai 2015 là xe fuel cell và xe RAV4 2014 là xe điện thuần. Tuy nhiên xe điện vẫn còn nhiều thách thức để trở nên thông dụng. Thời gian sạc điện lâu là một trong những hạn chế của xe điện, xe điện cần trạm sạc điện chuyên dụng mà thời gian chờ sạc lại lâu, điều này được thể hiện rõ ràng trên Hình 1.

Chi phí để lắp đặt trạm sạc điện cao. Bên cạnh đó, hiện nay giá thành xe điện cao do sử dụng công nghệ cao và quy mô thị trường chưa đủ lớn. Khối pin sau nhiều năm sử dụng cần thay mới chi phí cao có thể chiếm đến 20% giá trị chiếc xe lúc mua vào. Việc sửa chữa, thay thế, bảo dưỡng xe điện cũng gặp khó khăn do chưa phổ biến.

Ngoài ra, người dùng còn chịu hạn chế trong việc sử dụng các ứng dụng trên xe do yếu tố khấu hao pin. Đó là những thách thức cơ bản, khiến xe điện còn chưa được sử dụng rộng rãi trên thế giới đặc biệt là một quốc gia còn đang phát triển như Việt Nam. Chính vì vậy để phù hợp với mục tiêu giảm ô nhiễm môi trường mà không làm ảnh hưởng nhiều đến thói quen sử dụng cũng như đòi hỏi một sự thay đổi đồng bộ về cơ sở hạ tầng giao thông thì việc phát triển xe hybrid ở Việt Nam là một hướng đi phù hợp trong 7 luan an giai đoạn hiện nay, nhất là đối với các phương tiện cá nhân thì xu hướng này hoàn toàn phù hợp với chiến lược phát triển phương tiện giao thông “sạch” được thể hiện trên Hình 1. Do đó, việc ưu tiên nghiên cứu phát triển về xe hybrid cũng là một hướng đi cần được chú trọng trong thời gian tới.

Thời gian cung cấp nhiên liệu cho xe thông thường và xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và thời gian sạc điện cho xe Hình 1. Chiến lược phát triển xe sử dụng năng lượng điện và hydro 8 luan an 1. Nguồn động lực thay thế ĐCĐT Sử dụng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đang là hướng đi mà các nhà khoa học đã và đang thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề như giảm sự phụ thuộc nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm ô nhiễm môi trường do ĐCĐT gây ra. Cùng xu hướng phát triển chung của các ngành khoa học, ngành cơ khí động lực cũng có những bước phát triển đáng kể, nhiều công nghệ thân thiện với môi trường đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, trong đó phải kể đến xu hướng dùng động cơ điện, động cơ sử dụng pin nhiên liệu, động cơ khí nén để thay thế một phần ĐCĐT trên các trang bị động lực [10,13,14].

Các vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong các nội dung nghiên cứu dưới đây.1 Động cơ điện Với đặc tính được thể hiện trên Hình 1. Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính kéo lý tưởng của ô tô. Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0.