Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch và tiết kiệm nhiên liệu trở thành yêu cầu cấp thiết. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, số lượng xe máy tăng nhanh, đạt khoảng 8,5 triệu chiếc vào cuối năm 2018, chiếm ưu thế so với ô tô với tỷ lệ hơn 12 lần. Xe máy là phương tiện giao thông cá nhân phổ biến do tính cơ động và chi phí đầu tư thấp, tuy nhiên hiệu suất nhiên liệu thấp và khí thải độc hại từ động cơ xăng vẫn là vấn đề lớn.

Nghiên cứu tập trung vào việc cải tạo xe máy truyền thống Honda Lead 110cc thành xe máy lai xăng – điện (Hybrid Electric Motorcycle - HEM) nhằm tối ưu tính năng bộ nguồn pin Lithium-ion và giảm chi phí vận hành. Bộ nguồn pin Li-ion 48V – 33Ah được thiết kế, chế tạo thay thế cho bộ ắc quy axit – chì truyền thống, giúp giảm khối lượng bộ pin xuống còn 10,84 kg, giảm 30 kg so với ắc quy cũ, đồng thời tăng tuổi thọ pin trên 2000 chu kỳ. Xe cải tạo có khả năng di chuyển quãng đường tối đa 78,77 km ở chế độ động cơ điện độc lập và 64,37 km ở chế độ hybrid với mức tiêu hao nhiên liệu giảm hơn 0,5 lít/100 km so với xe nền. Chi phí đầu tư và vận hành xe hybrid cũng được tính toán chi tiết, cho thấy sau khoảng 3,1 năm khai thác sẽ hòa vốn so với xe truyền thống, tiết kiệm khoảng 43 triệu đồng trong vòng đời xe 200.000 km.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm tối ưu bộ nguồn pin Li-ion, phân phối công suất hiệu quả cho xe máy lai cải tạo, đồng thời đánh giá chi phí đầu tư và khai thác để xác định tính khả thi và hiệu quả kinh tế của giải pháp này trong điều kiện giao thông tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Khái niệm xe hybrid (HEV): Xe sử dụng hai nguồn năng lượng gồm động cơ đốt trong và động cơ điện, kết hợp với hệ thống truyền lực và bộ điều khiển phân phối công suất nhằm tối ưu hiệu suất nhiên liệu và giảm phát thải.
  • Các chế độ làm việc của xe hybrid: Bao gồm chế độ động cơ đốt trong hoạt động độc lập, động cơ điện hoạt động độc lập, chế độ phối hợp hai động cơ cùng dẫn động, chế độ nạp lại nguồn điện và phanh tái sinh.
  • Cấu trúc hệ thống truyền lực hybrid: Kiểu nối tiếp, song song và hỗn hợp, mỗi kiểu có ưu nhược điểm riêng về hiệu suất, chi phí và độ phức tạp.
  • Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC): Động cơ được sử dụng cho bánh trước xe, có ưu điểm hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ, ít bảo dưỡng và tuổi thọ lâu dài.
  • Pin Lithium-ion: Là nguồn lưu trữ năng lượng chính, có mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, trọng lượng và thể tích nhỏ hơn so với ắc quy axit – chì truyền thống.
  • Phương pháp tối ưu phân phối công suất: Sử dụng mô hình toán học và thuật toán quy hoạch động để phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện nhằm đạt hiệu quả nhiên liệu tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm thực tế trên xe máy Honda Lead 110cc cải tạo, đo kiểm bộ pin Li-ion và ắc quy axit – chì, cùng số liệu vận hành thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền lực và bộ nguồn pin, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng các chế độ vận hành và phân phối công suất.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo bộ pin Li-ion 48V – 33Ah với mạch quản lý pin (BMS) đầy đủ tính năng bảo vệ; thử nghiệm hiệu suất pin, mạch BMS và vận hành xe ở các chế độ khác nhau.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện từ tháng 10/2016 đến tháng 10/2019 tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh và Phòng thí nghiệm Đo lường điện, Trường Đại học Trần Đại Nghĩa.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Một chiếc xe Honda Lead 110cc được cải tạo làm mẫu nghiên cứu chính, lựa chọn động cơ điện BLDC 48V – 1000W và bộ pin Li-ion 48V – 33Ah để tối ưu hiệu suất và chi phí.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo bộ nguồn pin Li-ion: Bộ pin có khối lượng 10,84 kg và thể tích 8,11 lít, giảm 30 kg và 12,89 lít so với bộ ắc quy axit – chì trước đây. Tuổi thọ pin đạt trên 2000 chu kỳ, đảm bảo độ bền lâu dài cho xe.
  2. Hiệu suất vận hành xe: Ở chế độ động cơ điện độc lập, xe di chuyển được quãng đường tối đa 78,77 km (nửa tải) và 65,83 km (đầy tải). Vận tốc tối đa đạt 52,67 km/h (nửa tải) và 48,42 km/h (đầy tải).
  3. Chế độ hybrid: Khi SOC pin giảm đến 50%, xe đi được 64,37 km (nửa tải) và 54,48 km (đầy tải). Tiêu hao nhiên liệu giảm còn 2,162 lít/100 km (nửa tải) và 2,425 lít/100 km (đầy tải), giảm hơn 0,5 lít so với xe nền và 0,3 lít so với xe dùng ắc quy axit – chì.
  4. Chi phí đầu tư và vận hành: Chi phí đầu tư xe hybrid là 56 triệu đồng, chi phí vận hành 1.106 đồng/km, so với xe nền là 40 triệu đồng và 1.352 đồng/km. Xe hybrid tiết kiệm 246,88 đồng/km, hòa vốn sau khoảng 3,1 năm và tiết kiệm khoảng 43 triệu đồng trong vòng đời 200.000 km.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc thay thế bộ ắc quy axit – chì bằng bộ pin Li-ion không chỉ giảm đáng kể trọng lượng và thể tích bộ nguồn, mà còn nâng cao hiệu suất vận hành và tuổi thọ pin. Việc sử dụng động cơ điện BLDC đặt tại bánh trước giúp xe đạt vận tốc và quãng đường di chuyển phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam. Mô hình phân phối công suất tối ưu giữa động cơ đốt trong và động cơ điện giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, đồng thời duy trì tính năng động lực học của xe.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, nghiên cứu này đã hoàn thiện hơn về mặt thực nghiệm và tính toán chi phí khai thác, cung cấp cơ sở thực tiễn cho việc cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid. Việc mô phỏng và thử nghiệm theo chu trình vận hành thực tế tại TP. Hồ Chí Minh giúp kết quả có tính ứng dụng cao. Biểu đồ so sánh chi phí vận hành và quãng đường di chuyển có thể minh họa rõ hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của xe hybrid so với xe nền.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất bộ pin Li-ion quy mô nhỏ: Tập trung sản xuất bộ pin Li-ion 48V – 33Ah với mạch BMS tích hợp để cung cấp cho các cơ sở cải tạo xe máy, nhằm giảm chi phí và nâng cao chất lượng bộ nguồn. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: các doanh nghiệp công nghệ pin và cơ sở sửa chữa xe máy.
  2. Phát triển hệ thống điều khiển phân phối công suất thông minh: Nghiên cứu và ứng dụng thuật toán điều khiển phân phối công suất tối ưu giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, nhằm tối đa hóa hiệu suất nhiên liệu và giảm phát thải. Thời gian: 1 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.
  3. Xây dựng quy trình cải tạo xe máy truyền thống thành xe hybrid: Thiết lập quy trình chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn cho việc cải tạo xe máy, đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả. Thời gian: 1 năm; chủ thể: cơ quan quản lý giao thông và các trung tâm kỹ thuật.
  4. Khuyến khích chính sách hỗ trợ và ưu đãi cho xe máy hybrid: Nhà nước và chính quyền địa phương nên có chính sách hỗ trợ tài chính, ưu đãi thuế và phát triển hạ tầng trạm sạc để thúc đẩy người dân chuyển đổi sang xe hybrid. Thời gian: 3-5 năm; chủ thể: Bộ Giao thông Vận tải, Sở Giao thông TP. Hồ Chí Minh.
  5. Tăng cường tuyên truyền và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các chương trình đào tạo kỹ thuật viên sửa chữa, bảo dưỡng xe hybrid và nâng cao nhận thức người dùng về lợi ích của xe hybrid. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế, mô phỏng và tối ưu hệ thống truyền lực hybrid, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.
  2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo xe máy: Thông tin về bộ nguồn pin Li-ion, mạch BMS và chi phí vận hành giúp doanh nghiệp đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế khi áp dụng công nghệ hybrid.
  3. Cơ quan quản lý giao thông và môi trường: Dữ liệu về giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển giao thông xanh, giảm ô nhiễm môi trường đô thị.
  4. Người tiêu dùng và cộng đồng sử dụng xe máy: Hiểu rõ về lợi ích kỹ thuật và kinh tế của xe máy hybrid giúp người dùng có quyết định mua sắm và sử dụng phương tiện phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xe máy hybrid có thể di chuyển được bao xa khi chỉ sử dụng động cơ điện?
    Ở chế độ động cơ điện độc lập, xe máy hybrid cải tạo từ Honda Lead có thể di chuyển tối đa khoảng 78,77 km khi tải nửa và 65,83 km khi đầy tải, phù hợp với nhu cầu di chuyển trong đô thị.

  2. Bộ pin Lithium-ion có ưu điểm gì so với ắc quy axit – chì truyền thống?
    Bộ pin Li-ion có trọng lượng nhẹ hơn 30 kg, thể tích nhỏ hơn 12,89 lít, tuổi thọ trên 2000 chu kỳ, giúp giảm trọng lượng xe, tăng hiệu suất và tuổi thọ sử dụng so với ắc quy axit – chì.

  3. Chi phí vận hành xe máy hybrid so với xe truyền thống như thế nào?
    Chi phí vận hành xe hybrid là khoảng 1.106 đồng/km, thấp hơn 246,88 đồng/km so với xe truyền thống, giúp tiết kiệm chi phí đáng kể trong vòng đời xe.

  4. Sau bao lâu thì đầu tư cải tạo xe máy hybrid hòa vốn?
    Với mức tiết kiệm chi phí vận hành, sau khoảng 3,1 năm khai thác, chi phí đầu tư cải tạo xe hybrid sẽ được hòa vốn so với xe máy truyền thống.

  5. Xe máy hybrid có phù hợp với điều kiện giao thông tại Việt Nam?
    Nghiên cứu và thử nghiệm trên xe cải tạo tại TP. Hồ Chí Minh cho thấy xe hybrid đáp ứng tốt các yêu cầu về vận tốc, quãng đường di chuyển và tiết kiệm nhiên liệu, phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam.

Kết luận

  • Đã thiết kế, chế tạo thành công bộ nguồn pin Lithium-ion 48V – 33Ah với mạch quản lý pin BMS đầy đủ tính năng bảo vệ, giảm trọng lượng và thể tích so với ắc quy axit – chì.
  • Xe máy lai cải tạo đạt quãng đường di chuyển tối đa 78,77 km ở chế độ động cơ điện và 64,37 km ở chế độ hybrid, với vận tốc tối đa trên 50 km/h.
  • Tiêu hao nhiên liệu giảm hơn 0,5 lít/100 km so với xe nền, đồng thời giảm chi phí vận hành khoảng 18% so với xe truyền thống.
  • Chi phí đầu tư cải tạo xe hybrid là 56 triệu đồng, hòa vốn sau 3,1 năm khai thác và tiết kiệm khoảng 43 triệu đồng trong vòng đời xe 200.000 km.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc phát triển xe máy hybrid tại Việt Nam, đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách hỗ trợ nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

Tiếp theo, cần triển khai sản xuất bộ pin Li-ion quy mô nhỏ, hoàn thiện hệ thống điều khiển phân phối công suất và xây dựng quy trình cải tạo tiêu chuẩn để đưa công nghệ xe máy hybrid vào thực tiễn sử dụng rộng rãi. Đề nghị các cơ quan quản lý và doanh nghiệp phối hợp thúc đẩy nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ này nhằm góp phần bảo vệ môi trường và phát triển giao thông bền vững.