Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại các đô thị lớn của Việt Nam như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, xe gắn máy là phương tiện di chuyển phổ biến hàng đầu nhờ tính cơ động, chi phí vận hành hợp lý và sự phù hợp với điều kiện hạ tầng giao thông. Tuy nhiên, mật độ xe máy dày đặc đi kèm với mức phát thải độc hại nghiêm trọng. Số liệu thống kê được tác giả trích dẫn cho thấy khoảng 15% lượng khí cacbon monoxit (CO) và 50% mật độ khí nitơ dioxit ($\text{NO}_2$) trong không khí đô thị bắt nguồn từ các phương tiện giao thông, cùng các hợp chất nguy hại khác như $\text{NO}_x$, $\text{SO}_x$ và $\text{HC}$. Xét về hiệu quả năng lượng, xe máy có lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn ô tô trên cùng quãng đường, nhưng hiệu quả chuyển hóa năng lượng thực tế thấp do động cơ dung tích nhỏ thường xuyên vận hành ở dải vận tốc thấp, tải thay đổi liên tục, gia giảm ga ngắt quãng và không được trang bị hệ thống xử lý khí thải chuyên sâu như ô tô.

Trong khi xe thuần điện (EV) đối mặt với rào cản về hạ tầng trạm sạc và thời gian nạp điện tại Việt Nam, giải pháp cải tạo xe máy truyền thống thành xe máy lai (Hybrid Electric Vehicle - HEV / Plug-in HEV) được xác định là hướng đi khả thi. Nhóm tác giả lựa chọn xe Honda Air Blade 125cc (phiên bản 2010) làm xe nền để nghiên cứu phương án cải tạo thành xe lai xăng - điện kiểu song song. Trước khi can thiệp cơ khí thực tế, việc thiết lập mô hình toán học và mô phỏng trên máy tính là bước bắt buộc để tránh thử nghiệm mò mẫm, tốn kém chi phí.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Phân tích kết cấu xe nền Honda Air Blade 125cc và đề xuất cấu hình xe lai xăng - điện phù hợp.
  2. Tính toán xác định sơ bộ thông số động cơ điện, điện áp và dung lượng ắc quy.
  3. Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho xe nền và xe cải tiến trên phần mềm MATLAB/Simulink sử dụng thư viện Powertrain Blockset.
  4. Xây dựng bộ điều khiển phân phối công suất tối ưu dựa trên phương pháp quy hoạch động.
  5. Ứng dụng thuật toán tối ưu hóa chuyển động kết hợp cân bằng (Balancing Composite Motion Optimization - BCMO) để tìm bộ thông số thiết kế tối ưu cho hệ thống truyền động điện.
  6. Đánh giá tính năng động lực học, mức tiêu hao nhiên liệu và độ suy giảm trạng thái nạp ắc quy (SOC) theo các chu trình thử nghiệm đô thị (NYCC, Japanese 10-15 mode, ECE Single Cycle).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống truyền lực, hệ thống lưu trữ năng lượng, chiến lược điều khiển phân phối công suất và mô hình động lực học của xe Honda Air Blade 125cc cải tiến. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng số trên máy tính, đặt ra các yêu cầu vận hành kỹ thuật: xe có khả năng gia tốc từ 0 đến 60 km/h trên đường bằng ở trạng thái đầy tải với hệ số cản lăn $f = 0$, và cự ly di chuyển thuần điện/kết hợp đạt tối thiểu 40 km mà không cần nạp lại ắc quy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên cấu trúc các hệ thống truyền lực hybrid: nối tiếp, song song và phức hợp. Cấu hình hybrid song song được lựa chọn vì cho phép giữ nguyên toàn bộ hệ thống truyền lực phía sau của xe nền, bổ sung một động cơ điện tích hợp trực tiếp vào bánh trước (hub motor) để tạo thành hệ dẫn động hai cầu độc lập, linh hoạt kết hợp công suất hoặc phanh tái sinh nạp lại điện.

Trong mô hình hóa hệ thống lưu trữ năng lượng, trạng thái nạp ắc quy ($\text{SOC}$) tại thời điểm $t$ được xác định theo tích phân dòng điện nạp/xả:

$$\text{SOC} = \text{SOC}_0 - \int \frac{i , dt}{Q(i)}$$

Trong đó $\text{SOC}_0$ là trạng thái nạp ban đầu, $i$ là dòng điện tải và $Q(i)$ là dung lượng ắc quy phụ thuộc dòng xả.

Mô hình hộp số vô cấp CVT trên xe nền được mô tả dựa trên cơ cấu puly thay đổi bán kính tiếp xúc nhờ lực ly tâm của con văng và phản lực lò xo. Mô-men ma sát giới hạn giữa dây đai và bề mặt puly dẫn động tuân theo công thức:

$$T_{fric}(r_p, \mu) = \frac{2 F_{ax} r_p \mu}{\cos(\vartheta_{wedge})}$$

Trong đó $F_{ax}$ là lực căng ban đầu, $r_p$ là bán kính puly, $\mu$ là hệ số ma sát và $\vartheta_{wedge}$ là góc nêm dây đai. Mô hình động lực học CVT được chia thành ba trạng thái trượt: trượt xảy ra trên cả hai puly, trượt chỉ trên puly sơ cấp và trượt chỉ trên puly thứ cấp.

Mô hình người lái trong khối Longitudinal Driver ứng dụng bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) có bù chống bão hòa tích phân (Anti-Windup):

$$y = \frac{K_{ff}}{V_{nom}} V_{ref} + \frac{K_p e_{ref}}{V_{nom}} + \int \left( \frac{K_i e_{ref}}{V_{nom}} + K_{aw} e_{out} \right) dt + K_g$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết động lực học ô tô, xe máy và hệ thống điều khiển điện tử.
  • Phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink thông qua bộ công cụ chuyên dụng Powertrain Blockset (sử dụng các khối chức năng: Mapped SI Engine, CVT Transmission, Longitudinal Driver, Battery, Vehicle Dynamics 1DOF).
  • Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming) giải bài toán tối ưu hóa rời rạc nhằm phân chia công suất tức thời giữa động cơ đốt trong và mô-tơ điện.
  • Phương pháp tối ưu hóa metaheuristic BCMO (Balancing Composite Motion Optimization) để tối ưu hóa không gian tham số phần cứng hệ thống truyền động điện.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: dữ liệu thực nghiệm về bản đồ tiêu hao nhiên liệu và mô-men xoắn của động cơ Honda Air Blade 125cc, thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe nền, thông số tế bào pin lithium và các chu trình lái thử nghiệm quốc tế đại diện cho giao thông đô thị gồm NYCC (New York City Cycle), Japanese 10-15 mode, ECE Single Cycle, FTP-72 và FTP-75.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai mô hình mô phỏng

Đồ án triển khai giải pháp kỹ thuật hoán cải xe tay ga thông thường thành phương tiện hybrid cắm sạc (Plug-in HEV). Về mặt kiến trúc cơ khí, bánh sau tiếp tục nhận truyền động từ động cơ đốt trong nguyên bản qua cụm hộp số CVT và ly hợp ly tâm. Bánh trước được thay thế bằng bánh xe tích hợp mô-tơ điện không chổi than (Hub Motor BLDC) dẫn động trực tiếp không qua cơ cấu giảm tốc trung gian, giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt và giảm khối lượng tổ hợp.

Hệ thống điều khiển và truyền động điện bao gồm: bộ biến tần điều khiển mô-tơ điện, bộ chuyển đổi nguồn DC-DC, khối pin lithium cung cấp năng lượng và bộ điều khiển phân phối công suất trung tâm. Bộ điều khiển này tiếp nhận tín hiệu từ người lái (tín hiệu gia tốc $y_{acc}$ hoặc giảm tốc $y_{dec}$), vận tốc xe và mức $\text{SOC}$ của pin để điều phối mô-men:

  • Chế độ thuần điện: Chỉ động cơ điện hoạt động khi xe khởi hành hoặc đi ở dải tốc độ thấp.
  • Chế độ kết hợp: Cả hai nguồn động lực cùng cung cấp công suất khi xe tăng tốc mạnh hoặc leo dốc.
  • Chế độ phanh tái sinh: Khi người lái giảm tốc hoặc đạp phanh, động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát nạp lại năng lượng cho ắc quy.

Các thông số cấu hình phần cứng trước và sau khi giải bài toán tối ưu hóa BCMO được xác định cụ thể:

Thành phần thông số Cấu hình thiết kế ban đầu Cấu hình tối ưu hóa bằng BCMO
Công suất định mức mô-tơ điện ($P_m$) 1200 W 1837 W
Điện áp danh định hệ thống pin ($U_{out}$) 48 V 50 V
Dung lượng hệ thống pin ($Q$) 20 Ah 21 Ah
Loại công nghệ lưu trữ năng lượng Ắc quy/Pin Lithium Ắc quy/Pin Lithium

Trên phần mềm MATLAB/Simulink, mô hình hệ thống được tích hợp từ các phân hệ: khối người lái Longitudinal Driver, khối động cơ Mapped SI Engine nội suy theo bản đồ góc mở bướm ga và số vòng quay, khối mô hình toán hộp số CVT phân giải ma sát trượt và biến thiên bán kính puly, khối pin lithium tính toán điện áp hở mạch cùng nội trở $R_{int}$, khối động lực học thân xe 1 bậc tự do (1DOF) tính toán lực cản gió $F_{dx}$, phản lực mặt đường và lực quán tính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này làm rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ vấn đề ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn ở Việt Nam do xe máy xăng gây ra. Tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu đi trước:

  • Bo-Chiuan Chen và cộng sự: Nghiên cứu xe máy hybrid song song với mô-tơ bánh trước, áp dụng bộ điều khiển theo luật (Rule-based) trên chu trình ECE R40 nhưng mức tiết kiệm nhiên liệu chưa đáng kể và chưa xét cấu hình cắm sạc.
  • W. Karri: Mô hình hóa xe ga hybrid hai thì với CVT trên Simulink, tuy nhiên chưa đánh giá tính kinh tế nhiên liệu và thiếu thuật toán phân phối tối ưu.
  • Kuen-Bao Sheu: Thiết kế bộ phân phối công suất hành tinh cho xe tay ga hybrid.
  • Chan-Chiao Lin, Jinming Liu, Huei Peng: Các nghiên cứu tối ưu hóa quản lý năng lượng trên ô tô hybrid bằng quy hoạch động ngẫu nhiên và hệ thống hybrid Toyota Prius THS.
  • Về tình hình trong nước: Tác giả chỉ ra Việt Nam còn thiếu các công trình nghiên cứu hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết đến mô phỏng số về xe máy lai hai bánh.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan cấu trúc các hệ thống truyền lực hybrid (nối tiếp, song song, phức hợp). Nhóm tác giả phân tích nguyên nhân cấu hình nối tiếp không phù hợp với xe Honda Air Blade 125cc do đòi hỏi dung tích pin lớn và phải loại bỏ hệ thống truyền lực truyền thống. Tiếp đó, chương phân tích đặc tính xả, dung lượng, nội trở của các cell pin lithium và ắc quy chì-axit, cấu tạo động cơ BLDC, động cơ cảm ứng AC và mô-tơ moay-ơ bánh xe (hub motor). Nội dung trọng tâm của chương là thiết lập hệ phương trình toán học mô tả động lực học thân xe 1 bậc tự do, phương trình hộp số CVT tương ứng với ba trạng thái ma sát trượt puly, và cấu trúc khối người lái PI Anti-Windup trong Powertrain Blockset.

Chương 3: Mô hình hóa xe hybrid xăng điện với bộ điều khiển tối ưu hóa phân phối công suất

Chương 3 tập trung xây dựng giải thuật quy hoạch động giải bài toán tối ưu hóa rời rạc cho bộ điều khiển phân phối công suất xe Plug-in Hybrid. Nhóm tác giả trình bày việc thiết lập các khối mô hình trong Simulink: mô hình xe nền Air Blade 125cc, mô hình xe cải tiến, khối động cơ đốt trong (Mapped SI Engine), hộp số CVT, khối động cơ điện và ắc quy. Chương này tính toán sơ bộ để lựa chọn thông số phần cứng ban đầu: mô-tơ 1200 W, pin lithium 48 V - 20 Ah. Kết quả mô phỏng ban đầu theo các chu trình thử nghiệm (NYCC, Japanese 10-15 mode, ECE) chứng minh xe cải tiến hoạt động ổn định và giảm rõ rệt lượng nhiên liệu tiêu thụ so với xe nền.

Chương 4: Tối ưu hóa các thông số xe cải tiến

Chương 4 ứng dụng thuật toán tối ưu hóa chuyển động kết hợp cân bằng (BCMO) để tìm lời giải tối ưu cho kích thước hệ thống nguồn động lực điện. Thông qua đồ thị theo dõi sự suy giảm của hàm chi phí qua các thế hệ vòng lặp, thuật toán đã hội tụ tại cấu hình: mô-tơ 1837 W, điện áp 50 V và dung lượng 21 Ah. Chương trình mô phỏng so sánh giữa xe cải tiến ban đầu và xe cải tiến tối ưu hóa bằng BCMO cho thấy cấu hình mới giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu thêm từ 8.7% đến 10.1% tùy theo từng chu trình. Cuối chương, tác giả đưa ra bảng ước tính chi phí bảo dưỡng sau 1500 km vận hành.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương tổng kết các kết quả đạt được về mặt mô hình hóa, mức độ cải thiện tiêu hao nhiên liệu trên từng chu trình thử nghiệm và khả năng đáp ứng quãng đường di chuyển của xe. Đồng thời, chương đưa ra các đề xuất kỹ thuật cho bước tiếp theo nhằm chế tạo thực tế phương tiện và khảo nghiệm trên băng thử.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả mô phỏng cụ thể về mức độ tiết kiệm nhiên liệu và tính năng vận hành.

Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của xe hybrid cải tiến so với xe nền ban đầu:

  • Chu trình NYCC: Xe cải tiến tiết kiệm 43.75% nhiên liệu so với xe nền.
  • Chu trình Japanese 10-15 mode: Xe cải tiến tiết kiệm 26.95% nhiên liệu so với xe nền.
  • Chu trình ECE: Xe cải tiến tiết kiệm 66.15% nhiên liệu so với xe nền.

Hiệu quả cải thiện khi áp dụng thuật toán tối ưu hóa BCMO (so sánh xe cải tiến tối ưu với xe cải tiến ban đầu):

Chu trình thử nghiệm Tiêu hao xe ban đầu (l/100km) Tiêu hao xe tối ưu BCMO (l/100km) Tỷ lệ tiết kiệm thêm (%)
NYCC 3.32 3.03 8.7%
Japanese 10-15 mode Dữ liệu mô phỏng chương 4 Dữ liệu mô phỏng chương 4 10.1%
ECE Single Cycle Dữ liệu mô phỏng chương 4 Dữ liệu mô phỏng chương 4 9.8%

Về khả năng hoạt động liên tục, xe cải tiến đạt cự ly di chuyển 130 km, vượt xa yêu cầu kỹ thuật ban đầu đề ra là tối thiểu 40 km trong điều kiện đô thị mà không cần nạp lại ắc quy.

Các đóng góp chính được tác giả khẳng định:

  • Thiết lập hoàn chỉnh mô hình tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực xe máy hybrid song song trên phần mềm MATLAB/Simulink sử dụng Powertrain Blockset, lấp đầy khoảng trống nghiên cứu mô phỏng xe hai bánh lai tại Việt Nam.
  • Đề xuất giải pháp kết hợp động cơ điện moay-ơ bánh trước với động cơ đốt trong bánh sau qua hộp số CVT, hạn chế tối đa việc can thiệp vào kết cấu cơ khí nguyên bản của xe Honda Air Blade 125cc.
  • Ứng dụng thành công quy hoạch động cho bộ điều khiển phân phối năng lượng và thuật toán BCMO trong tối ưu hóa tham số kích cỡ nguồn động lực điện, mang lại cơ sở khoa học định lượng phục vụ công tác thiết kế thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế chính của đề tài là toàn bộ kết quả dừng lại ở mức độ mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink, chưa được kiểm chứng trực tiếp trên mô hình thực nghiệm vật lý hoặc xe chạy thử nghiệm trên đường. Để đơn giản hóa mô hình toán học, tác giả đã lược bỏ một số tổn thất cơ học và động học phức tạp trong hệ thống truyền lực. Ngoài ra, các chu trình chạy thử (NYCC, Japanese 10-15 mode, ECE) dù mang tính chất giao thông đô thị nhưng chưa phản ánh hoàn toàn chính xác điều kiện giao thông thực tế tại Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được nhóm tác giả xác định:

  • Tiến hành gia công cơ khí, lắp ráp động cơ điện vào bánh trước và gắn bộ lưu trữ năng lượng pin lithium lên xe nền Honda Air Blade 125cc thực tế.
  • Triển khai thử nghiệm thực tế trên băng thử động lực học (chassis dyno) để đo đạc suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải thực tế nhằm hiệu chuẩn lại mô hình mô phỏng.
  • Nghiên cứu xây dựng chu trình lái đặc trưng riêng cho các đô thị lớn tại Việt Nam để đánh giá sát thực hơn hiệu quả vận hành của phương tiện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Kỹ thuật Điều khiển Tự động. Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận rõ ràng cho các đề tài nghiên cứu về xe lai (HEV), xe thuần điện (EV) hoặc các bài toán chuyển đổi phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang phương tiện thân thiện với môi trường.

Nội dung đặc biệt có giá trị tham khảo bao gồm: phương pháp mô hình hóa chi tiết hộp số vô cấp CVT kết hợp phương trình ma sát dây đai trên puly; quy trình tích hợp các khối chức năng trong MATLAB/Simulink Powertrain Blockset; và phương pháp ứng dụng thuật toán BCMO kết hợp quy hoạch động để tối ưu hóa thông số kỹ thuật và chiến lược quản lý năng lượng cho phương tiện giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn cấu hình hybrid song song với mô-tơ bánh trước thay vì hybrid nối tiếp cho xe Honda Air Blade 125cc?
Cấu hình hybrid nối tiếp đòi hỏi động cơ đốt trong chỉ đóng vai trò chạy máy phát điện mà không truyền lực xuống bánh xe, đồng thời yêu cầu dung lượng pin và công suất mô-tơ rất lớn để đảm bảo khả năng tăng tốc hay leo dốc, dẫn đến việc phải can thiệp cấu trúc hộp số và tăng tải trọng xe, không phù hợp với xe 125cc. Cấu hình hybrid song song với mô-tơ điện đặt tại bánh trước cho phép tận dụng nguyên vẹn động cơ xăng và hộp số CVT phía sau, dễ dàng bổ sung lực kéo đồng thời từ cả hai bánh mà không làm xáo trộn kết cấu xe nền.

2. Thuật toán BCMO đã thay đổi các thông số kỹ thuật nào của hệ thống điện và mang lại hiệu quả gì?
Thuật toán BCMO đã tối ưu hóa ba thông số phần cứng chính: tăng công suất mô-tơ điện từ 1200 W lên 1837 W, nâng điện áp ắc quy từ 48 V lên 50 V và dung lượng ắc quy từ 20 Ah lên 21 Ah. Cấu hình tối ưu này giúp xe cải tiến tiết kiệm thêm 8.7% nhiên liệu trên chu trình NYCC, 10.1% trên chu trình Japanese 10-15 mode và 9.8% trên chu trình ECE so với cấu hình thiết kế ban đầu.

3. Mức tiết kiệm nhiên liệu của xe hybrid cải tiến so với xe nền Honda Air Blade nguyên bản đạt bao nhiêu phần trăm?
Theo kết quả mô phỏng, xe cải tiến giúp tiết kiệm 43.75% nhiên liệu trên chu trình NYCC, 26.95% trên chu trình Japanese 10-15 mode và đạt mức tiết kiệm cao nhất là 66.15% trên chu trình ECE so với xe nền nguyên bản chạy động cơ xăng.

4. Mô hình người lái trong Simulink được xây dựng dựa trên nguyên lý nào để bám theo chu trình thử nghiệm?
Mô hình người lái sử dụng khối Longitudinal Driver trong Powertrain Blockset với bộ điều khiển PI có khâu chống bão hòa tích phân (Anti-Windup). Bộ điều khiển này so sánh vận tốc thực tế của xe với vận tốc tham chiếu $V_{ref}$ của chu trình thử, từ đó tính toán tín hiệu đầu ra bão hòa để xuất lệnh gia tốc $y_{acc}$ (đóng mở bướm ga/cung cấp mô-men) hoặc lệnh giảm tốc $y_{dec}$ (phanh) trong dải giá trị từ 0 đến 1.

5. Khả năng hoạt động liên tục của xe cải tiến sau một lần nạp điện đạt bao nhiêu km?
Xe cải tiến đạt cự ly di chuyển 130 km trong điều kiện mô phỏng, vượt xa mức kỳ vọng thiết kế ban đầu đề ra là tối thiểu 40 km hoạt động liên tục trong đô thị mà không cần sạc lại.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Nam và Phạm Ngọc Tây đã thiết lập thành công mô hình toán học và mô phỏng hệ thống truyền lực xe máy hybrid song song trên cơ sở xe nền Honda Air Blade 125cc bằng công cụ MATLAB/Simulink Powertrain Blockset. Việc kết hợp chiến lược phân phối công suất quy hoạch động và thuật toán tối ưu hóa BCMO đã chứng minh hiệu quả giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ 26.95% đến 66.15% so với xe nguyên bản tùy theo chu trình thử nghiệm đô thị. Toàn bộ công trình cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình thuật toán và dữ liệu số hoàn chỉnh, tạo nền tảng tin cậy cho các giai đoạn chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm tiếp theo.