I. Tổng Quan Về Quản Lý Năng Lượng Xe Điện Hai Động Cơ
Thế giới đang đối mặt với các vấn đề môi trường và cạn kiệt năng lượng hóa thạch. Xe điện nhiều động cơ (Multi-motor electric vehicle) nổi lên như một giải pháp tiềm năng. Chúng mang lại lợi ích về độ ổn định và tiết kiệm năng lượng nhờ khả năng phân chia mô-men xoắn giữa các động cơ. Một hệ thống quản lý năng lượng phù hợp có thể giúp xe điện tiết kiệm năng lượng trong điều kiện hoạt động cơ bản. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại thường bỏ qua động học của xe, đặc biệt là tổn thất do trượt bánh. Luận văn này đề xuất một chiến lược tối ưu hiệu suất, có xét đến động học dọc trục của xe điện hai động cơ hai cầu chủ động toàn thời gian (Dual-motor All-wheel-drive Electric Vehicle). Thuật toán này cải thiện hiệu suất xe điện hai động cơ bằng cách khái quát hóa hàm chi phí liên quan đến năng lượng, liên kết giữa điều khiển chuyển động và quản lý năng lượng.
1.1. Các Loại Cấu Hình Xe Điện Phổ Biến Hiện Nay
Các loại xe điện phổ biến bao gồm xe điện hoàn toàn (BEV) và xe điện lai (HEV). HEV có các cấu hình nối tiếp, song song và hỗn hợp. BEV có hai loại chính: sử dụng pin và sử dụng pin nhiên liệu. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Cấu hình nối tiếp hiệu quả khi động cơ đốt trong chạy độc lập, đạt hiệu suất cao. Xe điện sử dụng pin (Battery-based EV) là giải pháp căn bản, nhưng giá thành cao và quãng đường di chuyển hạn chế. Xe điện lai (HEVs) bổ khuyết các vấn đề của xe truyền thống và xe điện thuần pin. Xe điện sử dụng pin năng lượng (FCVs) tạo ra điện từ hydrogen, không tạo ra khí thải.
1.2. Ưu Điểm Của Xe Điện Hai Động Cơ So Với Xe Truyền Thống
Xe điện hai động cơ có nhiều ưu điểm so với xe truyền thống. Khả năng đáp ứng của lực phanh và lực lái nhanh hơn nhiều lần. Có thể điều khiển độc lập động cơ trong từng bánh và truyền động mỗi bánh. Mô-men động cơ có thể tính toán chính xác từ dòng điện động cơ. Tuy nhiên, vẫn còn những vấn đề lớn như quãng đường đi được, năng lượng tiêu thụ, hiệu năng truyền động và sự an toàn. Những vấn đề này mở ra nhiều hướng nghiên cứu về điều khiển chuyển động và hệ thống quản lý năng lượng xe điện.
II. Mô Hình Hóa Quản Lý Năng Lượng Cho Xe Điện Hai Động Cơ
Để tối ưu hiệu suất xe điện hai động cơ, cần mô hình hóa hệ thống. Phương pháp biểu diễn vĩ mô năng lượng (EMR) được sử dụng để mô hình hóa xe điện hai động cơ hai cầu chủ động toàn thời gian. Mô hình bao gồm hệ thống pin, hệ truyền động điện, hộp số, hệ thống phanh, mô hình bánh xe, mô hình tương tác lốp xe-mặt đường và mô hình khung vỏ xe. Hệ thống điều khiển được thiết kế với bộ điều khiển tốc độ xe và bộ phân chia mô-men. Mô hình này quan tâm đến động học dọc trục của xe, giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống quản lý năng lượng.
2.1. Phương Pháp Biểu Diễn Vĩ Mô Năng Lượng EMR Trong Mô Hình Hóa
Phương pháp biểu diễn vĩ mô năng lượng (EMR) là một công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa các hệ thống phức tạp như xe điện. EMR tập trung vào dòng chảy năng lượng trong hệ thống, giúp đơn giản hóa quá trình mô hình hóa và thiết kế điều khiển. Các phần tử chính của EMR bao gồm nguồn, bộ chuyển đổi, bộ lưu trữ và tải. Đường điều chỉnh (Tuning path) và đường điều khiển (Control path) được sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển. EMR giúp biểu diễn một cách trực quan và hiệu quả các tương tác giữa các thành phần trong hệ thống truyền động xe điện.
2.2. Các Thành Phần Chính Trong Mô Hình Xe Điện Hai Động Cơ
Mô hình xe điện hai động cơ bao gồm hệ thống pin, hệ truyền động điện, hộp số, hệ thống phanh, mô hình bánh xe, mô hình tương tác lốp xe-mặt đường và mô hình khung vỏ xe. Hệ thống pin cung cấp năng lượng cho xe. Hệ truyền động điện chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ. Hộp số điều chỉnh tốc độ và mô-men. Hệ thống phanh giúp giảm tốc độ xe. Mô hình bánh xe và lốp xe mô tả tương tác giữa xe và mặt đường. Mô hình khung vỏ xe mô tả động lực học của xe. Tất cả các thành phần này đều quan trọng để mô phỏng và tối ưu hiệu suất xe điện.
III. Điều Khiển Tối Ưu Hiệu Suất Sử Dụng Năng Lượng Xe Điện
Bài toán tối ưu hóa hiệu suất xe điện hai động cơ được định hình. Quy hoạch động được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Chiến lược quản lý năng lượng xét đến yếu tố mặt đường trong quá trình tăng tốc và giảm tốc. Thuật toán tìm ma trận hệ số phân phối và ma trận hàm chi phí. Lưu đồ thuật toán tìm hệ số phân phối trong một chu kỳ trích mẫu. Chiến lược đề xuất tìm các hệ số phân phối trong toàn bộ quá trình. Điều này giúp tối đa hóa tiết kiệm năng lượng xe điện.
3.1. Ứng Dụng Phương Pháp Quy Hoạch Động Để Tối Ưu Hóa
Phương pháp quy hoạch động là một kỹ thuật tối ưu hóa mạnh mẽ, phù hợp cho các bài toán có cấu trúc đa giai đoạn. Trong bài toán tối ưu hóa hiệu suất xe điện, quy hoạch động giúp tìm ra chiến lược điều khiển tối ưu cho từng giai đoạn, dựa trên trạng thái hiện tại và mục tiêu tương lai. Phương pháp này cho phép xử lý các ràng buộc và phi tuyến tính trong hệ thống, mang lại kết quả tối ưu toàn cục. Việc áp dụng quy hoạch động đòi hỏi việc xây dựng hàm chi phí phù hợp, phản ánh mục tiêu tối ưu hóa năng lượng xe điện.
3.2. Chiến Lược Quản Lý Năng Lượng Xét Đến Yếu Tố Mặt Đường
Yếu tố mặt đường ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xe điện, đặc biệt là trong quá trình tăng tốc và giảm tốc. Chiến lược quản lý năng lượng cần xét đến hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường để phân phối mô-men xoắn một cách tối ưu. Trong quá trình tăng tốc, mục tiêu là tối đa hóa lực kéo mà không gây trượt bánh. Trong quá trình giảm tốc, mục tiêu là tối đa hóa năng lượng tái sinh từ hệ thống phanh tái tạo, đồng thời đảm bảo an toàn và ổn định. Việc tích hợp thông tin về mặt đường giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng xe điện.
IV. Kết Quả Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Hệ Thống Quản Lý Năng Lượng
Kết quả mô phỏng thực hiện trên nền tảng MATLAB/Simulink. Kịch bản mô phỏng sử dụng chu trình lái WLTC class e3 và ARTEMIS Urban. Kết quả mô phỏng so sánh lượng trạng thái sạc SoC và hệ số phân phối lực hai cầu. Kết quả thực nghiệm trên hệ thống Hardware-in-the-loop (HIL). Xây dựng hệ thống thực nghiệm và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy chiến lược phân chia đề xuất tiết kiệm từ 4,4% tới 18,8% lượng năng lượng tiêu thụ so với các chiến lược khác. Điều này chứng minh hiệu quả của thuật toán tối ưu hóa năng lượng xe điện.
4.1. Mô Phỏng Trên MATLAB Simulink Với Các Chu Trình Lái
Mô phỏng trên MATLAB/Simulink là một bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của chiến lược quản lý năng lượng. Các chu trình lái tiêu chuẩn như WLTC class e3 và ARTEMIS Urban được sử dụng để mô phỏng các điều kiện lái xe thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện về lượng trạng thái sạc (SoC) và hệ số phân phối lực giữa hai cầu. Bản đồ hiệu suất của động cơ được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống truyền động xe điện. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng để tinh chỉnh và cải thiện thuật toán.
4.2. Thực Nghiệm Với Hệ Thống Hardware in the loop HIL
Hệ thống Hardware-in-the-loop (HIL) cho phép kiểm tra chiến lược quản lý năng lượng trong môi trường thực tế ảo. Hệ thống HIL bao gồm các thành phần phần cứng thực tế của xe điện, kết nối với mô hình mô phỏng. Kết quả thực nghiệm HIL được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác và tin cậy của mô hình. So sánh lực truyền động cầu trước và cầu sau giữa kết quả HIL và kết quả mô phỏng. Hệ thống HIL giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn trước khi triển khai trên xe thực tế, đảm bảo hiệu suất xe điện hai động cơ.
V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Quản Lý Năng Lượng
Luận văn đã đề xuất một chiến lược tối ưu hiệu suất cho xe điện hai động cơ hai cầu chủ động toàn thời gian, có xét đến động học dọc trục của xe. Thuật toán giúp cải thiện lượng năng lượng tiêu thụ bằng việc khái quát hóa hàm chi phí liên quan đến năng lượng. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã kiểm chứng được hiệu quả của thuật toán. Chiến lược phân chia đề xuất tiết kiệm từ 4,4% tới 18,8% lượng năng lượng tiêu thụ so với các chiến lược khác. Hướng phát triển của nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc tích hợp thêm các yếu tố khác như điều kiện thời tiết và thông tin giao thông để cải thiện hơn nữa hiệu suất xe điện.
5.1. Tổng Kết Các Kết Quả Đạt Được Trong Nghiên Cứu
Nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển và kiểm chứng một chiến lược tối ưu hiệu suất cho xe điện hai động cơ. Chiến lược này dựa trên việc phân chia mô-men xoắn một cách thông minh giữa hai động cơ, có xét đến các yếu tố như động học xe và điều kiện mặt đường. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể về tiết kiệm năng lượng xe điện. Các kết quả này đóng góp vào việc phát triển các hệ thống quản lý năng lượng xe điện hiệu quả hơn.
5.2. Các Hướng Phát Triển Tiềm Năng Trong Tương Lai
Nghiên cứu này có thể được mở rộng theo nhiều hướng khác nhau. Một hướng là tích hợp thêm các yếu tố khác như điều kiện thời tiết, thông tin giao thông và phong cách lái xe của người lái. Một hướng khác là phát triển các thuật toán điều khiển động cơ xe điện tiên tiến hơn, có khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau. Ngoài ra, việc nghiên cứu các công nghệ pin mới và hệ thống sạc nhanh cũng là một hướng đi quan trọng để cải thiện hiệu suất xe điện.
