Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, ngành giao thông vận tải được xác định là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính lớn. Theo báo cáo từ Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC), hoạt động giao thông vận tải chiếm tới 24% tổng lượng phát thải khí CO2 trên toàn thế giới. Đồng thời, sự cạn kiệt của các nguồn tài nguyên dầu mỏ làm gia tăng giá thành nhiên liệu hóa thạch, đặt ra thách thức lớn đối với nền kinh tế và môi trường. Để giảm lượng phát thải carbon và đạt mục tiêu trung hòa khí thải, các quốc gia trên thế giới đã ban hành nhiều tiêu chuẩn phát thải nghiêm ngặt; điển hình như Liên minh Châu Âu (EU) đã áp dụng quy định mức phát thải trung bình của các dòng xe mới là 95 g CO2/km từ năm 2021 và đặt mục tiêu tiếp tục cắt giảm thêm 37,5% vào năm 2030.

Xu hướng chuyển dịch sang điện hóa phương tiện giao thông đang diễn ra mạnh mẽ. Tuy nhiên, các dòng xe thuần điện (Electric Vehicles) vẫn còn đối mặt với nhiều rào cản thực tế như phạm vi di chuyển ngắn cho một lần sạc, giá thành pin cao dẫn đến giá bán xe đắt đỏ, cùng với hệ thống cơ sở hạ tầng trạm sạc chưa phát triển đồng bộ ở nhiều khu vực. Trong giai đoạn chuyển tiếp này, xe lai điện (Hybrid Electric Vehicle - HEV), cụ thể là loại xe kết hợp giữa động cơ đốt trong (ICE) và mô tơ điện, được xem là giải pháp phù hợp nhất. Xe hybrid cho phép xe di chuyển được quãng đường dài tương đương xe truyền thống, tiêu hao ít nhiên liệu hơn, giảm phát thải và không phụ thuộc vào hạ tầng trạm sạc bên ngoài do có khả năng tự sạc năng lượng thông qua động cơ đốt trong và hệ thống phanh tái sinh.

Nhận thức được tầm quan trọng của công nghệ này, tác giả Trần Tiến Trung, dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Tuấn Tùng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khoa Đào tạo Quốc tế, ngành Kỹ thuật Ô tô), đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Nghiên cứu về xe hybrid nối tiếp - song song" (Research on Series - Parallel Hybrid Electric Vehicle).

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tìm hiểu, phân tích và làm rõ các khái niệm, cơ sở lý thuyết liên quan đến xe hybrid, bao gồm cấu trúc, các cấu hình hệ dẫn động hybrid, đặc tính động lực học, nguyên lý làm việc và các chế độ vận hành.
  2. Ứng dụng lý thuyết để xây dựng mô hình mô phỏng cho một dòng xe cụ thể là Toyota Camry 2.5HV trên phần mềm Matlab/Simulink và trích xuất các kết quả số liệu tương ứng.
  3. Cung cấp tài liệu tham khảo và công cụ hỗ trợ học tập, nghiên cứu cho sinh viên và những người quan tâm đến công nghệ ô tô hybrid.

Để hoàn thành các mục tiêu trên, tác giả đã xác định 3 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Phân tích tổng quan về xe hybrid: lịch sử hình thành và phát triển, cấu tạo cơ bản, nguyên lý vận hành, các loại hệ thống truyền lực và các chế độ làm việc đặc trưng.
  2. Thiết lập các phương trình toán học tính toán động lực học chuyển động của ô tô, phân tích bộ chia công suất (Power Split Device - PSD) và phương pháp tính toán mức tiêu hao nhiên liệu.
  3. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink cho xe Toyota Camry 2.5HV đời 2023, nạp thông số kỹ thuật của các cụm chi tiết vào mô hình và thu thập, đánh giá kết quả mô phỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động xe lai điện cấu hình nối tiếp - song song (Series - Parallel Hybrid Electric Vehicle), với đối tượng khảo sát kỹ thuật cụ thể là mẫu xe Toyota Camry 2.5HV đời 2023.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào cấu trúc cơ khí, nguyên lý làm việc của bộ chia công suất hành tinh, các phương trình cân bằng động lực học chuyển động thẳng, các cụm điều khiển điện tử và mô phỏng trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink qua 4 chu trình lái tiêu chuẩn. Đồ án được hoàn thành vào tháng 5 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng từ lịch sử phát triển xe hybrid, bắt đầu từ mẫu xe lai song song đầu tiên xuất hiện tại Triển lãm Paris năm 1899 do Pieper (Bỉ) cùng Vendovelli & Priestly (Pháp) chế tạo, cho đến bước ngoặt thương mại hóa hiện đại với mẫu xe Toyota Prius (1997) và Honda Civic Hybrid. Xe hybrid sử dụng động cơ đốt trong hoạt động theo chu trình Atkinson, có thể tích làm việc nhỏ hơn để giảm tổn thất cơ học và bơm nạp khí, đồng thời tận dụng mô tơ điện trợ lực khi xe cần mô-men xoắn lớn.

Hệ thống dẫn động xe hybrid được phân loại thành ba cấu hình chính:

  • Hệ dẫn động nối tiếp (Series hybrid): Động cơ đốt trong không kết nối cơ khí với bánh xe mà chỉ kéo máy phát điện để nạp điện cho cụm pin hoặc cấp điện cho mô tơ kéo dẫn động bánh xe.
  • Hệ dẫn động song song (Parallel hybrid): Cả động cơ đốt trong và mô tơ điện đều có liên kết cơ khí với trục bánh xe, cùng tham gia dẫn động độc lập hoặc đồng thời.
  • Hệ dẫn động nối tiếp - song song (Series - Parallel hybrid): Kết hợp ưu điểm của cả hai hệ thống trên nhờ cơ cấu phân chia công suất (Power Split Device - PSD).

Phương trình động lực học tổng quát khi xe chuyển động trên đường dốc bao gồm các lực cản tác động:

  • Lực cản lăn: $F_r = P \cdot f_r \cos\alpha$ (với $P$ là tải trọng thẳng đứng, $f_r$ là hệ số cản lăn phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc, $\alpha$ là góc dốc).
  • Lực cản không khí: $F_W = \frac{1}{2} \rho A_f C_D (V - V_W)^2$ (với $\rho$ là mật độ không khí, $A_f$ là diện tích cản gió chính diện, $C_D$ là hệ số cản khí động học, $V$ là vận tốc xe, $V_W$ là vận tốc gió).
  • Lực cản dốc: $F_g = M g \sin\alpha \approx M g \cdot i$ (với $M$ là khối lượng xe, $i$ là độ dốc đường).
  • Phương trình cân bằng lực kéo tiếp xúc tại bánh xe: $F_t = \frac{T_W}{r_d} = \frac{i_g i_0 \eta_t T_P}{r_d}$ (với $T_P$ là mô-men xoắn nguồn động lực, $i_g$ là tỷ số truyền hộp số, $i_0$ là tỷ số truyền vi sai, $\eta_t$ là hiệu suất truyền lực, $r_d$ là bán kính làm việc của bánh xe).
  • Gia tốc của xe: $a = \frac{dV}{dt} = \frac{F_t - (F_r + F_W + F_g)}{\delta M}$ (với $\delta$ là hệ số quán tính quay).

Bộ chia công suất (Power Split Device - PSD) là một cơ cấu bánh răng hành tinh gồm ba thành phần liên kết:

  • Bánh răng mặt trời (Sun gear, bán kính $R_s$) được liên kết với máy phát điện (G).
  • Cần dẫn (Carrier, $R_s + R_r$) được liên kết trực tiếp với trục đầu ra của động cơ đốt trong (ICE).
  • Bánh răng bao (Ring gear, bán kính $R_r$) được liên kết với mô tơ kéo (M) và nối với bánh xe chủ động qua cụm giảm tốc.

Mối quan hệ động học giữa các thành phần tuân theo phương trình: $$\omega_s R_s + \omega_r R_r = \omega_c (R_s + R_r)$$

Khi định nghĩa tỷ số truyền bánh răng hành tinh là $a = \frac{R_s}{R_r}$, ta có phương trình vận tốc góc và phân bổ mô-men xoắn: $$\omega_G \cdot a + \frac{\omega_w}{r_{final}} = \omega_E (1 + a)$$ $$T_r = \frac{1}{1 + a} T_E$$ $$T_G = \frac{a}{1 + a} T_E$$ $$T_w = \frac{1}{r_{final}} (T_r + T_M) = \frac{1}{r_{final}} \left(\frac{1}{1 + a} T_E + T_M\right)$$

Nhờ sự điều khiển tốc độ của máy phát điện $\omega_G$, cơ cấu này đóng vai trò như một hộp số biến thiên vô cấp điện tử (e-CVT hoặc EVT).

Về mặt năng lượng, động lực học cụm pin được mô tả qua công suất phóng/nạp $P_{batt}$, điện áp đầu cực $V_t$, dòng điện $I_{batt}$ và trạng thái nạp (State of Charge - SOC): $$\frac{d(SOC)}{dt} = -\frac{I_{batt}}{Q_{batt_o}}$$

Để đánh giá mức tiêu hao năng lượng tổng hợp (Fuel Economy) của xe hybrid, đồ án sử dụng quy chuẩn chuyển đổi của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA): 1 gallon xăng tương đương 33,7 kWh điện ($33,7 \times 10^3 \text{ Wh}$). Mức tiêu hao nhiên liệu tổng thể (lít/100km) trên quãng đường $S$ được tính tích phân từ lưu lượng thể tích nhiên liệu động cơ $V_E$ và lưu lượng điện quy đổi từ pin $V_b$: $$Fuel_Economy = \frac{\int_0^t (V_b + V_E) dt}{S} \times 100000$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp nghiên cứu tình huống (Case study research): Khảo sát cụ thể cấu trúc, hệ thống điều khiển và thông số động lực của dòng xe Toyota Camry 2.5HV đời 2023.
  • Phương pháp thực nghiệm mô phỏng (Experimental research): Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô hình hóa toàn bộ hệ thống động lực, hệ thống truyền lực và hệ thống điều khiển; chạy thử nghiệm trên các chu trình thử lái tiêu chuẩn.

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu thông số kỹ thuật động cơ A25A-FXS, mô tơ kéo, máy phát và pin của dòng xe Toyota Camry 2.5HV do Toyota cung cấp.
  • Bộ thông số chu trình lái chuẩn quốc tế: FTP75 (Federal Test Procedure 75), LA92 (Los Angeles 92), NYCC (New York City Cycle) và UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule).

Thiết kế và mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink

Đồ án là công trình kỹ thuật chuyên sâu về mô phỏng hệ thống điều khiển và động lực học phương tiện. Tác giả đã thiết kế mô hình hệ thống xe hybrid nối tiếp - song song trên nền tảng Matlab/Simulink với các phân hệ chính:

  1. Phân hệ động cơ đốt trong (Engine Model & Controller):
  • Sử dụng khối "Simple engine model" kết hợp bộ điều khiển đánh lửa "Spark ignition engine controller".
  • Khối tính toán nhận tín hiệu điều khiển bướm ga và tốc độ vòng tua để nội suy ra công suất và mô-men xoắn đầu ra theo đường đặc tính thực nghiệm của động cơ xăng A25A-FXS.
  1. Phân hệ trạm điện (Electric Plant Model):
  • Mô tơ kéo (Mapped motor block): Tiếp nhận lệnh mô-men từ bộ điều khiển, hoạt động ở chế độ sinh công kéo xe hoặc chế độ máy phát khi phanh tái sinh.
  • Máy phát điện (Mapped generator block): Nhận mô-men từ bánh răng mặt trời của PSD để tạo dòng điện nạp pin hoặc cấp trực tiếp cho mô tơ điện.
  • Khối pin lưu trữ (Battery block) và bộ biến đổi điện áp (DC - DC converter block): Mô phỏng quá trình nạp/xả dòng điện, tính toán sụt áp trên điện trở trong và cập nhật trạng thái nạp SOC liên tục.
  1. Phân hệ hệ thống truyền lực (Vehicle Drivetrain Model):
  • Khối cơ cấu chia công suất hành tinh (Power Split Device - PSD).
  • Cụm bánh răng giảm tốc mô tơ điện (Motor reduction gear system).
  • Khối vi sai (Differential block) truyền mô-men từ bánh răng bao ra hai bánh xe chủ động.
  • Mô hình bánh xe dọc (Longitudinal wheel) và mô hình thân xe 3 bậc tự do (Vehicle body 3 DOF longitudinal model) chịu ảnh hưởng của các lực cản khí động, cản dốc và cản lăn.
  1. Phân hệ điều khiển trung tâm (Powertrain Control System):
  • Khối mô phỏng người lái dọc (Longitudinal driver model block): Đóng vai trò bộ điều khiển vòng kín điều chỉnh chân ga và chân phanh nhằm bám sát vận tốc yêu cầu của chu trình lái.
  • Bộ điều khiển hệ thống truyền lực (Powertrain Control Module - PCM).
  • Bộ điều khiển động cơ (Engine Control Module - ECM).
  • Bộ điều khiển hybrid (Hybrid Control Module - HCM): Đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi chế độ vận hành (Mode switching control), phân xử mô-men xoắn mô tơ và quản lý dòng công suất giữa các nguồn năng lượng, cùng khối điều khiển phanh tái sinh (Regenerative braking control) nhằm phối hợp hài hòa giữa lực phanh thủy lực và lực phanh điện.

Bảng thông số kỹ thuật đầu vào chính của xe Toyota Camry 2.5HV 2023 trong mô hình mô phỏng:

Cụm chi tiết / Hệ thống Thông số kỹ thuật Giá trị trong mô hình
Động cơ đốt trong (ICE) Loại động cơ A25A-FXS, 2.5 lít, 4 xi-lanh thẳng hàng, VVT-i, chu trình Atkinson
Công suất cực đại 176 Hp tại 5700 vòng/phút
Mô-men xoắn cực đại 221 Nm tại 3600 - 5200 vòng/phút
Mô tơ điện kéo (Motor) Công suất cực đại 88 kW
Mô-men xoắn cực đại 202 Nm
Máy phát điện (Generator) Công suất cực đại 31 kW
Mô-men xoắn cực đại 54 Nm
Hệ thống truyền lực Cơ cấu chia công suất Bộ bánh răng hành tinh (PSD), hoạt động như hộp số e-CVT
Các chu trình thử nghiệm Chu trình kiểm tra FTP75, LA92, NYCC, UDDS

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Chapter 1: Introduction)

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh toàn cầu hóa chuyển đổi xanh. Tác giả chỉ ra rằng phát thải giao thông chiếm 24% lượng CO2 toàn cầu, cùng với các cam kết quốc tế về giảm khí thải (mục tiêu EU 95g CO2/km từ năm 2021 và tiếp tục giảm 37,5% vào năm 2030) là động lực buộc các nhà sản xuất xe phải tìm kiếm giải pháp thay thế động cơ xăng truyền thống. Các rào cản hiện tại của xe thuần điện về giá thành pin, phạm vi di chuyển và hạ tầng trạm sạc làm nổi bật vị thế của xe hybrid. Chương này xác định rõ 3 mục tiêu, 3 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu (nghiên cứu trường hợp kết hợp mô phỏng thực nghiệm) và giới hạn phạm vi nghiên cứu xoay quanh mẫu xe Toyota Camry 2.5HV 2023.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Chapter 2: Basic Theory)

Chương 2 trình bày toàn diện các nội dung lý thuyết nền tảng:

  • Lịch sử hình thành và phát triển của xe hybrid từ năm 1899 đến các bước tiến thương mại hóa của Toyota và Honda vào cuối thập niên 1990.
  • Cấu tạo và chức năng 7 thành phần cơ bản của xe hybrid: động cơ đốt trong, mô tơ kéo, máy phát điện, cụm pin, hệ thống điều khiển, hệ thống phanh tái sinh và hệ thống truyền lực.
  • Nguyên lý tiết kiệm nhiên liệu: Ứng dụng chu trình Atkinson giảm tổn thất bơm nạp, tắt động cơ khi dừng hoặc chạy chậm, hỗ trợ mô-men tức thời từ mô tơ điện khi khởi hành/tăng tốc, và thu hồi động năng qua phanh tái sinh.
  • Phân tích chi tiết ba cấu hình dẫn động hybrid (Series, Parallel, Series - Parallel), nêu bật 6 chế độ vận hành đặc trưng của cấu hình nối tiếp - song song: Chế độ thuần điện (Fully electric), chế độ lai kết hợp (Hybrid mode), chế độ động cơ kéo kết hợp sạc pin (Engine traction during charging the battery), chế độ phanh tái sinh (Regenerative braking), chế độ chỉ sạc pin (Only battery charging), và chế độ sạc pin kết hợp lai (Hybrid battery charging).
  • Bốn đặc tính làm việc cơ bản: Khởi hành (depart), tăng tốc (speed up), chạy ổn định trên đường bằng (running stably on flat road) và giảm tốc (slow down).
  • Thiết lập hệ thống phương trình toán học: Lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản dốc, lực kéo tiếp xúc bánh xe, tính toán vận tốc cực đại ($V_{max} = \frac{\pi \cdot n_{p,max} \cdot r_d}{30 \cdot i_{g,min} \cdot i_0}$), gia tốc và quãng đường tăng tốc.
  • Phân tích động lực học bộ chia công suất hành tinh PSD, quan hệ tốc độ góc và mô-men xoắn giữa các trục.
  • Mô hình hóa động lực học phóng nạp của pin và thuật toán quy đổi mức kinh tế nhiên liệu tổng hợp (Fuel Economy) theo tiêu chuẩn của EPA Hoa Kỳ.

Chương 3: Ứng dụng Matlab/Simulink vào mô phỏng xe hybrid nối tiếp - song song (Chapter 3: Applied Matlab/Simulink into simulation of series - parallel hybrid electric vehicle)

Chương 3 tập trung vào thiết lập và chạy mô phỏng kỹ thuật:

  • Giới thiệu đối tượng nghiên cứu: Xe Toyota Camry 2.5HV 2023 thế hệ thứ 9 (bản nâng cấp facelift giới thiệu tại Việt Nam năm 2021), trang bị động cơ xăng A25A-FXS 2.5L I4 VVT-i (176 Hp, 221 Nm), mô tơ điện 88 kW (202 Nm) và máy phát 31 kW (54 Nm).
  • Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trong Simulink bằng cách kết nối các khối: động cơ xăng, mô tơ kéo, máy phát điện, cụm pin, bộ chuyển đổi DC-DC, cơ cấu PSD, bánh răng giảm tốc, vi sai, bánh xe dọc, thân xe 3 bậc tự do, bộ mô phỏng người lái, các khối điều khiển PCM, ECM, HCM và hệ thống phanh tái sinh.
  • Triển khai mô phỏng trên 4 chu trình lái thực tế:
    1. Chu trình FTP75: Đánh giá độ bám vận tốc (trace and actual velocity), dải tốc độ động cơ/mô tơ/máy phát, công suất cơ và điện, mô-men xoắn, dao động công suất pin và trạng thái nạp SOC, lực phanh và mô-men phanh (thủy lực so với tái tạo), cùng mức tiêu hao nhiên liệu.
    2. Chu trình LA92: Mô phỏng điều kiện lái xe đô thị và ngoại ô có tính năng động cao, tốc độ biến thiên mạnh.
    3. Chu trình NYCC: Mô phỏng điều kiện giao thông nội đô ùn tắc nghiêm trọng với dải tốc độ thấp và dừng đỗ liên tục.
    4. Chu trình UDDS: Mô phỏng điều kiện vận hành đô thị tiêu chuẩn.
  • Trích xuất toàn bộ đồ thị dao động động lực học và các bảng kết quả so sánh mức tiêu hao nhiên liệu giữa các chu trình.

Kết quả và đóng góp

Mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink đã phản ánh chính xác quy luật vận hành và phân phối dòng năng lượng của hệ thống truyền lực Series - Parallel trên dòng xe Toyota Camry 2.5HV 2023. Kết quả mô phỏng cho thấy:

  • Khả năng bám sát chu trình lái: Mô hình người lái dọc (Longitudinal driver model) điều khiển xe bám sát đường cong vận tốc đặt trước trên cả 4 chu trình thử nghiệm (FTP75, LA92, NYCC, UDDS).
  • Đặc tính phối hợp động cơ và mô tơ: Ở giai đoạn khởi hành và vận tốc thấp, mô tơ điện vận hành độc lập nhờ ưu thế đạt mô-men xoắn cực đại 202 Nm ngay tại dải vòng tua thấp; khi xe cần tăng tốc mạnh hoặc chạy ở tốc độ cao, bộ điều khiển HCM kích hoạt động cơ xăng A25A-FXS (176 Hp, 221 Nm) để cùng chia sẻ tải trọng kéo bánh xe và vận hành máy phát điện (31 kW, 54 Nm).
  • Hiệu quả phanh tái sinh: Khi xe giảm tốc, lực phanh tái tạo (regenerative brake force) được ưu tiên kích hoạt trước để mô tơ đóng vai trò máy phát nạp lại dòng điện cho khối pin, làm tăng trạng thái nạp SOC; lực phanh thủy lực truyền thống chỉ can thiệp khi yêu cầu giảm tốc vượt quá giới hạn thu hồi của hệ thống điện.
  • Đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu: Mức tiêu hao nhiên liệu quy đổi theo tiêu chuẩn EPA phản ánh rõ sự khác biệt giữa các điều kiện vận hành: chu trình nội đô tắc nghẽn (NYCC) phát huy tối đa hiệu quả của chế độ thuần điện và phanh tái sinh ngắt động cơ, trong khi các chu trình có tốc độ cao và gia tốc lớn đòi hỏi động cơ đốt trong tham gia hoạt động nhiều hơn.

Bảng so sánh các đặc tính thử nghiệm trên 4 chu trình lái trong đồ án:

Chu trình thử nghiệm Đặc trưng vận hành mô phỏng Các thông số động lực học trích xuất chính
FTP75 Chu trình hỗn hợp tiêu chuẩn liên bang Mỹ Tốc độ bám chu trình; vòng tua động cơ, mô tơ, máy phát; công suất điện/cơ; SOC pin; lực phanh thủy lực và phanh tái sinh; mức tiêu hao nhiên liệu
LA92 Chu trình Los Angeles động lực cao, gia tốc lớn Độ bám vận tốc thực tế so với quỹ đạo; phân bổ công suất động cơ - mô tơ; mức kinh tế nhiên liệu tổng hợp
NYCC Chu trình đô thị New York tốc độ thấp, dừng đỗ nhiều Tốc độ di chuyển thấp; thời gian chạy thuần điện; hiệu quả thu hồi năng lượng phanh tái tạo; mức tiêu hao nhiên liệu
UDDS Chu trình đô thị tiêu chuẩn cơ bản Quỹ đạo tốc độ bám chu trình; trạng thái xả/sạc của cụm pin; kết quả mức tiêu thụ nhiên liệu (L/100km)

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Khuyến nghị ứng dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên Matlab/Simulink như một quy trình tiêu chuẩn trước khi chế tạo hoặc can thiệp kỹ thuật thực tế trên các dòng xe hybrid nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí thử nghiệm.
  • Khai thác cơ cấu bánh răng hành tinh PSD (e-CVT) để điều khiển động cơ xăng luôn làm việc trong vùng vòng tua tối ưu có suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất.

Đóng góp của khóa luận:

  • Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết toán học về động lực học xe hybrid và cơ cấu phân chia công suất bánh răng hành tinh.
  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng kỹ thuật hoàn chỉnh của xe Toyota Camry 2.5HV 2023 trên phần mềm Matlab/Simulink, tích hợp đầy đủ các thông số thực tế của động cơ A25A-FXS, mô tơ kéo, máy phát và các cụm điều khiển điện tử.
  • Đóng góp một công cụ trực quan và tài liệu tham khảo chuyên ngành có giá trị cho sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô trong việc tiếp cận công nghệ xe điện hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Tác giả tự nhìn nhận rằng do giới hạn về mặt thời gian và khối lượng kiến thức của đề tài rất rộng, đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định trong quá trình tính toán và mô hình hóa.
  • Mô hình mô phỏng hoàn toàn dựa trên các khối lý thuyết toán học và giả thiết lý tưởng của phần mềm Matlab/Simulink, chưa có điều kiện đo đạc thực nghiệm đối chứng trực tiếp trên xe Toyota Camry 2.5HV thực tế tại điều kiện đường sá Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Dựa trên phạm vi nghiên cứu, hướng mở tiếp theo là phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu hóa chiến lược quản lý năng lượng (Energy Management Strategy - EMS) trong khối Hybrid Control Module (HCM) nhằm tối ưu hơn nữa khả năng phân bổ mô-men xoắn.
  • Mở rộng mô hình mô phỏng với các yếu tố ngoại cảnh phức tạp hơn như tải trọng gió thay đổi, điều kiện mặt đường trơn trượt hoặc độ dốc thay đổi liên tục.
  • Tiến hành thực nghiệm trên bệ thử động lực học chuyên dụng hoặc gắn thiết bị đo trực tiếp trên xe thực tế để hiệu chỉnh các hệ số tổn thất trong mô hình Simulink.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị học thuật và ứng dụng cao:

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa cần tài liệu nghiên cứu về xe hybrid và hệ thống truyền lực e-CVT.
    • Các kỹ sư, kỹ thuật viên hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu, chẩn đoán, sửa chữa các dòng xe hybrid thương mại hiện đại.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật:
    • Hệ thống phương trình giải tích chi tiết về cơ cấu phân chia công suất hành tinh PSD, xác định mối quan hệ động học giữa tốc độ máy phát, động cơ và bánh xe chủ động.
    • Cấu trúc mô hình Simulink hoàn chỉnh với các khối chức năng được liên kết chặt chẽ (động cơ, mô tơ kéo, máy phát, pin, DC-DC converter, vi sai, hệ điều khiển PCM, ECM, HCM).
    • Phương pháp luận chuyển đổi và tính toán kinh tế nhiên liệu tổng hợp cho xe lai theo quy chuẩn EPA Hoa Kỳ trên 4 chu trình lái thử nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ đốt trong và các động cơ điện trên xe Toyota Camry 2.5HV 2023 trong nghiên cứu có thông số kỹ thuật ra sao?
Theo thông số tác giả đưa vào mô hình, xe được trang bị động cơ xăng A25A-FXS dung tích 2.5 lít, 4 xi-lanh thẳng hàng, tích hợp công nghệ van biến thiên thông minh VVT-i, sản sinh công suất cực đại 176 Hp tại 5700 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 221 Nm tại dải vòng tua 3600 - 5200 vòng/phút. Đi kèm với động cơ là một mô tơ điện kéo có công suất tối đa 88 kW, mô-men xoắn cực đại 202 Nm và một máy phát điện có công suất cực đại 31 kW, mô-men xoắn cực đại 54 Nm.

2. Cơ cấu phân chia công suất (Power Split Device - PSD) trên xe Camry Hybrid liên kết các thành phần như thế nào?
Bộ PSD là một cụm bánh răng hành tinh: bánh răng mặt trời (Sun gear) được nối với máy phát điện; cần dẫn (Carrier) được nối với trục ra của động cơ đốt trong; và bánh răng bao (Ring gear) được liên kết với mô tơ kéo đồng thời truyền lực đến bánh xe dẫn động thông qua bộ bánh răng giảm tốc. Nhờ liên kết này, tốc độ quay của động cơ và bánh xe có thể biến thiên linh hoạt phụ thuộc vào tốc độ điều khiển của máy phát điện, vận hành tương tự như một hộp số biến thiên vô cấp điện tử (e-CVT).

3. Đồ án đã tiến hành mô phỏng đánh giá xe trên những chu trình lái tiêu chuẩn nào?
Nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng vận hành, khảo sát động lực học và tính toán mức tiêu hao nhiên liệu trên 4 chu trình lái tiêu chuẩn quốc tế bao gồm: chu trình FTP75 (Federal Test Procedure 75), chu trình LA92 (Los Angeles 92), chu trình NYCC (New York City Cycle) và chu trình UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule).

4. Phương pháp tính toán mức tiêu hao nhiên liệu (Fuel Economy) của xe hybrid được xây dựng dựa trên nguyên lý nào?
Do xe hybrid sử dụng đồng thời hai nguồn năng lượng là xăng và điện năng từ pin, tác giả áp dụng quy chuẩn của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) để quy đổi năng lượng điện sang thể tích nhiên liệu tương đương, trong đó 1 gallon xăng tương đương 33,7 kWh điện. Tổng thể tích tiêu thụ được tính bằng tích phân lưu lượng nhiên liệu động cơ đốt trong cộng với lưu lượng quy đổi từ pin điện theo thời gian, sau đó quy đổi ra đơn vị lít/100km trên quãng đường di chuyển tương ứng.

5. Cấu hình hệ dẫn động Series - Parallel Hybrid có những chế độ vận hành chính nào theo phân tích trong đồ án?
Hệ thống dẫn động nối tiếp - song song có 6 chế độ làm việc cơ bản: chế độ thuần điện (động cơ tắt, chỉ mô tơ kéo xe); chế độ lai kết hợp (cả động cơ và mô tơ cùng truyền lực); chế độ động cơ kéo kết hợp sạc pin (động cơ vừa dẫn động bánh xe vừa quay máy phát nạp pin); chế độ phanh tái sinh (động cơ tắt, mô tơ đóng vai trò máy phát tạo dòng điện nạp pin); chế độ chỉ sạc pin (động cơ chạy máy phát sạc pin khi xe dừng); và chế độ sạc pin kết hợp lai (cả động cơ và mô tơ cùng phối hợp sạc lại cụm pin).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Tiến Trung đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về động lực học và các cấu hình truyền động của ô tô lai điện, đặc biệt đi sâu vào cấu hình nối tiếp - song song (Series - Parallel HEV). Đề tài đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng hoàn chỉnh trên phần mềm Matlab/Simulink cho dòng xe Toyota Camry 2.5HV đời 2023, tích hợp đầy đủ các đặc tính kỹ thuật của động cơ A25A-FXS, mô tơ kéo, máy phát và bộ chia công suất hành tinh PSD. Các kết quả phân tích trên 4 chu trình lái chuẩn (FTP75, LA92, NYCC, UDDS) đã làm rõ quy luật phối hợp nguồn lực, khả năng thu hồi năng lượng phanh tái sinh và hiệu quả kinh tế nhiên liệu của xe hybrid. Công trình này là một tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, đóng góp tích cực vào công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô trong xu thế điện hóa phương tiện giao thông.