Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ô nhiễm môi trường do các khí thải từ phương tiện giao thông như ô tô xe máy đang là mối đe dọa vô cùng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người và làm thiệt hại về kinh tế là vô cùng lớn. Các loại khí độc hại có trong khí thải xe máy và oto thường thấy là CO, NOx, SOx, HC.những chất này về lâu dài sẽ gây ra các bệnh nguy hiểm về đường hô hấp, tim mạch, vô sinh, ung thư…theo thống kê tại có thành phố lớn cho thấy có khoảng 15% lượng khí CO (cacbon monoxit), 50% mật độ khí NO2 (Oxit Nitơ) trong không khí là do các phương tiện giao thông phát thải từ đó dẫn đến nồng độ các khí nhà kính trong bầu khí quyển vẫn đang tăng mạnh theo từng năm và chưa có dấu hiệu chậm lại trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch ngoài tự nhiên do con người khai thác thì ngày càng cạn kiệt. Ở các thành phố lớn như thành phố Hồ Chi Minh và Hà Nội với số lượng người lao động cực kì lớn, nhu cầu đi lại cực kì cao, hệ thống giao thông đường bộ chưa được cải thiện một cách tối ưu, cùng với chi phí kinh tế và tính tiện lợi cao hơn so với các phương tiện giao thông khác nên xe máy vẫn được ưa chuộng và sử dụng làm phương tiện phổ biến để di chuyển hằng ngày trong thành phố.
Nhưng đặc biệt hơn với nguồn phát thải của phương tiện này hiện nay chiếm một phần lớn trong tổng phát thải của các phương tiện giao thông. Ngoài ra sự phát thải của các phương tiện xe không chỉ phụ thuộc vào số lượng xe mà còn phụ thuộc vào chất lượng. Đối với các xe đã qua nhiều năm sử dụng lúc này chất lượng của động cơ sẽ giảm xuống dẫn đến lượng nhiên liệu bơm vào bên trong buồng đốt sẽ không được đốt cháy hoàn toàn và làm cho lượng phát thải cùng các chất độc hại ra môi trường nhiều hơn. Nếu xét trên cùng một chiều dài quãng đường di chuyển, xe máy có lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với xe 1 ô tô tuy nhiên xét về mặt hiệu quả năng lượng thì xe máy lại cao hơn ô tô, nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu động cơ của xe máy có dung tích nhỏ.
Đồng thời xe máy chủ yếu được sử dụng trong dải vận tốc và tải thấp, tăng giảm vận tốc liên tục; do đó hầu như động cơ không được hoạt động duy trì ở vùng tối ưu. Cùng với việc không được trang bị bộ xử lý khí thải như trên xe ô tô nên lượng khí thải của xe máy sẽ chứa nhiều thành phần độc hại hơn. Do vậy, giải quyết bài toán giảm thiểu chi phí nhiên do động cơ và giảm thiểu các chất độc hại phát thải ra ngoài môi trường là cực kì cần thiết đối với những biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp như hiện nay. Hiện tại xe lai, hay xe hybrid (xăng điện) đang là sự lựa chọn đáng được cân nhắc mặc dù xe sử dụng điện hoàn toàn đang được các hãng tích cực phát triển và cho ra thị trường nhưng vì hệ thống trạm sạc để dành cho xe điện vẫn chưa được phổ biến trên thế giới đặc biệt là ở việt nam nên xe lai được xem như là một sự chọn hợp lí ở thời điểm hiện tại.
Xe hybrid đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, tính kinh tế nhiên liệu tăng lên đáng kể trong khi tính năng vận hành không thay đổi nhiều so với xe truyền thống. Sự kết hợp giữa hai nguồn động lực giúp chúng khắc phục được các nhược điểm tồn tại của mỗi nguồn khi hoạt động riêng lẻ. Giải pháp cải tạo xe máy truyền thống thành xe máy hybrid là một giải pháp khả thi, tận dụng được lượng xe máy vẫn đang hoạt động, chuyển đổi để đạt hiệu quả tiết kiệm chi phí và lượng phát thải an toàn hơn ra môi trường mà không cần chế tạo phương tiện giao thông hoàn toàn mới. Phương án được đưa ra là cải tiến xe ab 125cc đời 2010 trước tiên sử dụng động cơ điện đặt bên trong bánh trước làm nguồn động lực thứ hai và được hoạt động bằng năng lượng điện, bánh sau được dẫn động bằng động cơ đốt trong nguyên bản theo xe.
Vấn đề đặt ra cần phải giải quyết ở đây là với sự thay đổi về 2 trọng lượng, công suất…so với xe nguyên bản thì liệu xe cải tiến có hoạt động tốt hơn xe nguyên bản hay không, Phương án điều khiển phân phối công suất là gì và hiệu quả về chi phí nhiên liệu cũng như phát thải ra môi trường của xe sau cải tạo ra sao? Và thuật toán điều khiển tốt nhất để nâng cao các chỉ tiêu động lực học, kinh tế nhiên liệu, phát thải là gì? Trước khi thi công cải tạo, chuyển đổi xe nền thành xe hybrid, các vấn đề này cần phải được làm rõ để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của việc chuyển đổi, tránh việc thực hiện mò mẫm, lãng phí. Việc sử dụng Matlab – Simulink để mô phỏng cho xe cải tiến là một trong những cách tiếp cận hiệu quả để có thể so sánh và đánh giá mức độ khả thi về tính động lực học, chi phí nhiên liệu của xe sau cải tiến với xe nền. Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống truyền lực hybrid và hệ thống lưu trữ năng lượng được xây dựng thông qua các liên hệ toán học và bản đồ thực nghiệm. Ngoài ra còn một phương pháp điều khiển đơn giản và cơ sở lý thuyết cho chiến lược quản lý và phân phối năng lượng hiệu quả sẽ được đề xuất nhằm mục đích cuối cùng là tối ưu hóa tính kinh tế nhiên liệu và giảm mức phát thải của xe máy hybrid.
Các kết quả mô phỏng sẽ được đánh giá theo các chu trình chạy thử nghiệm gồm: Japan 10 – 15 Mode, ECE, NYCC. Các chu trình này khá phù hợp với điều kiện giao thông thành phố tại Việt Nam, xét về giới hạn tốc độ, tần số tăng – giảm tốc độ, quãng đường duy trì tốc độ ổn định và thời gian cầm chừng, v.v… Các nội dung mà mô phỏng quan tâm bao gồm: Công suất kéo, công suất cung cấp động cơ, công suất cung cấp bởi mô tơ tại từng thời điểm của chu trình, sự thay đổi mức SOC, hàm lượng các khí thải, tiêu hao nhiên liệu, mức độ đáp ứng tốc độ yêu cầu của chu trình, và quãng đường di chuyển khi xe chạy theo chu trình đó. Các kết quả này được so sánh giữa xe nền và xe cải tiến với thuật 3 toán điều khiển đề xuất. Qua đó, đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của phương án cải tạo và đề xuất được hướng cải tạo phù hợp.
Đối tượng của đề tài Mô hình tính toán hệ thống truyền lực và lưu trữ năng lượng trên xe cải tiến Phương pháp điều khiển phân phối công suất Phương pháp quy hoạch động giải bài toán tối ưu Tính toán và mô phỏng trên Matlab/ simulink 1. Mục tiêu của đề tài Mô phỏng hoạt động của xe cải tiến theo các chu trình chạy thử với các thuật toán điều khiển phân phối công suất và thuật toán tối ưu từ đó đánh giá được mức độ hiệu quả và tính cấp thiết của đề tài. Phương pháp nghiên cứu Phân tích tổng hợp lí thuyết Tính toán các số liệu Mô hình hóa 1. Các nghiên cứu đi trước 1.
Tình hình nghiên cứu trong nước Theo như tìm hiểu của tác giả thì ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về mô hình hóa hay mô phỏng xe hybrid. Trong lĩnh vực xe hybrid hai bánh, đã có một số đề tài tiến hành chế tạo, cải tạo nhưng thiếu cơ sở tính toán, đánh giá hiệu quả của sản phẩm. Mặt khác chưa đưa ra được phương pháp điều khiển phù hợp cho xe hybrid. Nói rộng ra cho cả lĩnh vực xe điện và xe hybrid, nước ta hiện đang rất thiếu các công trình nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới, các nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng xe lai đã được thực hiện nhiều cho cả ô tô và xe máy; trong đó, các nghiên cứu về xe máy lai chủ yếu tập trung ở các quốc gia có lượng phương tiện này cao như Trung Quốc, Đài Loan. Hầu hết các công trình công bố chưa đưa ra được đáp án tổng thể cho bài toán tối ưu hóa phân phối công suất trên xe máy lai; hơn nữa, các mô phỏng thực hiện theo các điều kiện vận hành có thể không phù hợp với điều kiện giao thông tại Việt Nam. Một số công trình tiêu biểu: − “Modeling and Control of Hybrid Electric Motorcycle with Direct-Driven Wheel Motor” – Bo-Chiuan Chen, Yuh-Yih Wu, Ying-Da Huang, and Chung- Neng Huang Một xe máy hybrid xăng – điện với động cơ điện đặt trực tiếp ở bánh trước được đề xuất trong nghiên cứu. Bánh sau được dẫn động bằng động cơ đốt trong thông qua hệ thống truyền lực đã được điều chỉnh kết cấu.
Cấu trúc của xe là kiểu hybrid song song. Cả hai bánh xe có thể cung cấp lực kéo đồng thời để dẫn động xe khi cần thiết. Thuật toán Rule – based control được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển phân phối công suất cho xe hybrid đề xuất. Đặc tính kinh tế của xe được đánh giá thông qua mô phỏng trong Matlab/Simulink theo chu trình chạy thử ECE R40.
Kết quả cho thấy xe máy hybrid xăng – điện cho hiệu quả tiêu hao nhiên liệu tốt hơn xe nền nhưng không đáng kể. Kết quả chỉ thu được khi mô phỏng theo một chu trình nên chưa thuyết phục. Nghiên cứu cũng chưa đưa ra được phương pháp phân phối công suất hiệu quả hơn và cũng chưa tính tới cấu hình plug – in hybrid. − “Modeling and Simulation of a Hybrid Scooter” – W.
Karri 5 Nghiên cứu trình bày mô hình xe hybrid xăng – điện đã được phát triển và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Xe có cấu trúc hybrid song song, với hai nguồn động lực gồm động cơ đốt trong hai thì dẫn động bánh sau qua bộ truyền lực CVT và động cơ điện đặt đồng trục bánh xe trước. Phương pháp để đánh giá và phát triển phương pháp điều khiển phân phối công suất là mô phỏng trên nhiều chu trình khác nhau. Các kết quả chỉ ra rằng mô hình được phát triển khả thi và có giá trị.
Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc phân tích các chế độ hoạt động, sự phân phối công suất trong quá trình chạy theo chu trình. Tính kinh tế nhiên liệu chưa được đánh giá và phương pháp điều khiển tối ưu chưa được xây dựng.