Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VŨ THĂNG LONG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ ĐỘ LỚN VÀ THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID Ngành đào tạo: Mã số: Kỹ thuật khí động lực 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS Nguyễn Văn Nhận Khánh Hòa, 2015 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm nhiễm mơi trường khí thải động đốt (ICE) áp lực lớn nhà thiết kế chế tạo xe giới Với trình độ cơng nghệ có xét từ góc độ bảo vệ mơi trường xe chạy động điện (EM) giải pháp triệt để cho tình trạng nhiễm khí thải xe giới Thực tế có hàng loạt mẫu xe giới chạy điện sinh từ pin mặt trời gắn trực tiếp xe chạy điện từ ắcqui thiết kế chế tạo Tuy nhiên, xét cách tồn diện, có khả phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo lắp ráp xe giới xe chạy ICE loại phương tiện giao thông giới có vị trí độc tơn hàng triệu xe chạy ICE khắp nơi giới hình ảnh quen thuộc cho nhiều hệ mai sau Phát triển xe hybrid xem giải pháp độ nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm mức độ gây ô nhiễm môi trường khí thải ICE trang bị xe giới Trong tiếng Anh, từ "hybrid" có nghĩa "lai/ ghép/ kết hợp", thuật ngữ "hybrid vehicle" định nghĩa phương tiện di động có hệ thống động lực cấu thành từ hai nhiều nguồn động lực khác biệt Các loại phương tiện di động như: xe đạp điện chạy cách đạp pedal EM, ô tô trang bị động xăng EM để dẫn động bánh xe chủ động, xe lửa trang bị EM để chạy điện lưới động diesel để chạy khu vực khơng có lưới điện, máy bay trang bị động phản lực để bay EM để di chuyển đường băng, tàu ngầm điện-diesel trang bị EM để chạy tàu lặn động diesel để chạy tàu mặt nước, v.v xếp vào đối tượng "hybrid vehicle" Ơ tơ hybrid có hệ động lực cấu thành từ động xăng EM chế tạo từ năm cuối kỷ XVIII tạo ấn tượng mạnh khách hàng giới kỹ nghệ gia giai đoạn đầu phát triển đạt tính vượt trội so với ô tô truyền thống (ô tô trang bị loại nguồn động lực, ICE động đốt EM) Tuy nhiên, vận hành sửa chữa đơn giản hơn, giá thành động xăng diesel ngày giảm sản xuất hàng loạt, nguồn cung xăng dầu ngày dồi với giá rẻ, v.v., ô tô truyền thống chiếm lĩnh gần toàn thị trường ô tô hybrid giai đoạn trước 1990 Dưới áp lực ngày tăng yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch tiêu chuẩn khí thải ngày khắt khe, tơ hybrid lại quan tâm trở lại từ đầu năm 1990 phát triển nhảy vọt Bên cạnh ưu điểm vốn có phương án hybrid, tiến vượt bậc công nghệ chế tạo, điện-điện tử, thông tin, v.v xem yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành cơng ô tô hybrid đại Toyota xem hãng chế tạo ô tô tiên phong thành công lĩnh vực phát triển ô tô hybrid đại Dòng tơ hybrid thương mại đại có tên Toyota Prius bán thị trường Nhật Bản vào năm 1997 Đến tháng năm 2013, khoảng triệu Toyota Prius bán 80 quốc gia khu vực Hiện nay, hầu hết hãng chế tạo ô tô hàng đầu giới cho đời các mẫu ô tô hybrid tơ hybrid khẳng định phần thị trường ô tô tương lai Trong q trình thiết kế tô truyền thống, công suất cực đại động xác định sở số tính kỹ thuật tơ, ví dụ: tính động lực học, tính việt dã, v.v đặt thiết kế Đối với ô tô hybrid, nguồn động lực khác khơng phải có độ lớn cho tổng công suất chúng đồng thời cung cấp cho bánh xe chủ động phải công suất cực đại động ô tô truyền thống có tính kỹ thuật tương đương, mà cơng suất nguồn động lực phải lựa chọn cho hệ thống làm việc với tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường cao Trong q trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa tơ đạt mục tiêu tối ưu hóa chế độ làm việc nguồn lượng, ví dụ: thời điểm mà nguồn lượng ngừng hoạt động hoạt động chế độ để phát huy ưu điểm hạn chế nhược điểm chúng, tỷ lệ đóng góp cơng suất nguồn động lực tham gia dẫn động bánh xe chủ động thời điểm, chiến lược tái sử dụng lượng mà nguồn động lực cung cấp cho bánh xe chủ động, v.v Các vấn đề kể thuộc nội hàm khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid Làm chủ kỹ thuật tối ưu hóa độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tơ hybrid điều kiện tiên để thiết kế khai thác ô tô hybrid với lợi ích mà phương án hybrid mang lại Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm nay, Việt Nam chưa có cơng trình khoa học chuyên sâu công bố tối ưu hóa hệ động lực tơ hybrid Hầu hết ấn phẩm tiếng Việt ô tô hybrid đề cập đến khái niệm giới thiệu thành tựu hãng chế tạo ô tô hybrid thiết kế chế tạo cụm thiết bị, mơ hình tơ hybrid phạm vi đồ án tốt nghiệp đại học luận văn thạc sĩ, Kỹ thuật cơng nghệ tối ưu hóa hệ động lực hybrid áp dụng cho mẫu ô tơ hybrid đại bí số hãng chế tạo ô tô hybrid hàng đầu giới Với mục đích nghiên cứu lý thuyết thực tiễn giải pháp hybrid hóa để làm sở cho việc thiết kế chế tạo xe hybrid, đồng thời cho phép đánh giá mức độ phù hợp mẫu xe hybrid khai thác điều kiện Việt Nam, nghiên cứu sinh (NCS) chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực xe hybrid " MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng mơ hình tối ưu hóa phát triển giải thuật để tối ưu hóa độ lớn nguồn lượng tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực tơ hybrid, nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải chất độc hại có khí thải ICE ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Ơ tơ hybrid có hệ thống động lực cấu thành từ hai loại nguồn động lực ICE EM PHẠM VI NGHIÊN CỨU (1) Các nguồn lượng cấu trúc tổng thể hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song kiểu hỗn hợp, bao gồm: ICE, EM, máy phát điện (EG) ắcqui điện (AQ) (2) Tối ưu hóa thiết kế độ lớn nguồn lượng thuộc hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song kiểu hỗn hợp Độ lớn ICE, EM EG luận án hiểu cơng suất có ích lớn Độ lớn AQ hiểu dung lượng tổng cộng AQ Tối ưu hóa thiết kế độ lớn nguồn lượng luận án hiểu việc xác định công suất có ích lớn ICE, EM, EG dung lượng AQ nhằm thỏa mãn mục tiêu đặt (3) Tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song kiểu hỗn hợp Tối ưu hóa tham số điều khiển hiểu việc xác định kiểm soát chế độ làm việc nguồn lượng cho đạt mục tiêu mà phương án hybrid mang lại Ơ tơ truyền thống khơng có yêu cầu tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực Ở loại ô tô này, người lái định vận tốc tức thời ô tô công suất tức thời động thông qua việc tác động lên cần gạt hộp số, bàn đạp ga bàn đạp phanh Đối với số loại ô tô trang bị động phun nhiên liệu điều khiển điện tử hộp số tự động, mong muốn người lái thực hóa chiến lược điều khiển cấp thành tố (componentlevel control strategies), ví dụ: điều khiển trung tâm động định lượng nhiên liệu phun vào xylanh tương ứng với vị trí bàn đạp ga điều khiển hộp số định chuyển số, phù hợp với vận tốc ô tô Trong trường hợp ô tô hybrid, cần có thêm định khác nữa, ví dụ: nguồn lượng phải cung cấp lượng để có tổng lượng cần thiết cung cấp cho bánh xe chủ động, nguồn lượng phải hoạt động chế độ để hệ thống làm việc với tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường tối ưu, v.v PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm với mơ hình đối tượng máy tính hai phương pháp nghiên cứu chủ yếu sử dụng luận án Nội dung nghiên cứu lý thuyết bao gồm:  Tìm hiểu cơng trình khoa học ngồi nước đề tài tơ hybrid nói chung tối ưu hóa hệ động lực hybrid nói riêng Trên sở xác định số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo định hướng đặt ra, bao gồm: tối ưu hóa đồng thời độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu giảm mức độ phát thải chất độc hại ICE nằm cấu trúc tổng thể hệ động lực ô tô hybrid;  Xây dựng phát triển mơ hình tối ưu hóa hệ động lực tơ hybrid, có tính đến điều kiện thực tế Việt Nam;  Nghiên cứu cải tiến giải thuật đàn ong (Bees Algorithm) ứng dụng tốn tối ưu hóa hệ động lực tơ hybrid Bài tốn tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn lượng tham số điều khiển hệ động lực ô tô hybrid giải đánh giá kết mơ thực nghiệm máy tính NỘI DUNG VÀ BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Nội dung luận án bố cục thành chương, không kể phần Mở đầu Phụ lục, bao gồm : Chương : Tổng quan ô tô hybrid nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực tơ hybrid Chương : Tối ưu hóa thiết kế độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid giải thuật đàn ong Chương : Mơ thực nghiệm tối ưu hóa độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid Chương : Kết luận khuyến nghị NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN (1) Phát triển mơ hình tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn lượng tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid cấu thành từ ICE EM, cho phép xét đến điều kiện khai thác kỹ thuật thực tế Việt Nam; (2) Cải tiến giải thuật đàn ong ứng dụng tốn tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid; (3) Phát triển mô đun giải thuật đàn ong tích hợp với phần mềm ADVISOR NREL (National Renewable Energy Laboratory - Hoa Kỳ) xây dựng phục vụ mơ thực nghiệm tối ưu hóa độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN Luận án đề cập vấn đề tối ưu hóa độ lớn nguồn lượng tham số điều khiển nguồn lượng thuộc hệ động lực ô tô hybrid với mục tiêu giảm tiêu hao nhiên liệu mức độ phát thải ICE điều kiện đảm bảo yêu cầu tính động lực học Phương pháp tối ưu hóa thiết kế độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid giải thuật đàn ong chưa khảo nghiệm mẫu tơ hybrid thực phòng thí nghiệm vận hành điều kiện thực tế Chương TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID VÀ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HỆ ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ HYBRID Phần Tổng quan ô tô hybrid đề cập đặc điểm cấu tạo loại ô tô hybrid sử dụng phổ biến, so sánh loại ô tô hybrid với chúng ô tô truyền thống phương diện cấu trúc, tính kinh tế nhiên liệu, mức độ phát thải gây ô nhiễm môi trường, v.v Phần Tổng quan nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực hybrid giới thiệu số cơng trình nghiên cứu nước giới đề tài ô tô hybrid nói chung tối ưu hóa hệ động lực tơ hybrid nói riêng, sở xác định vấn đề cần nghiên cứu phát triển, hồn thiện mơ hình tổng qt sử dụng giải thuật có ưu điểm để giải tốn tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn lượng tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid 1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID 1.1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA Ô TÔ HYBRID Về phương diện cấu tạo, ô tô truyền thống ô tô hybrid khác hệ thống động lực Hệ thống động lực ô tô hybrid (sau gọi tắt hệ động lực hybrid) phổ biến cấu thành từ ICE nhiều EM Trong ấn phẩm chuyên ngành tiếng Anh, thuật ngữ: "hybrid car", "hybrid vehicle", "hybrid road vehicle" "hybrid electric vehicle" thường sử dụng để loại tơ hybrid có hệ thống động lực Trong luận án này, thuật ngữ "xe hybrid" "ơ tơ hybrid" hiểu có nội hàm tương đương Căn vào cách thức liên kết ICE EM, tỷ lệ công suất ICE EM sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, phân công thời gian làm việc ICE EM trình vận hành; ô tô hybrid đại phân thành nhóm: ô tô hybrid kiểu nối tiếp, ô tô hybrid kiểu song song ô tô hybrid kiểu hỗn hợp 1.1.1.1 Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP Ô tô hybrid kiểu nối tiếp, tiếng Anh gọi Series Hybrid Electric Vehicle, sau viết tắt S-HEV Các thành tố hệ động lực S-HEV bao gồm: ICE, EM, EG, AQ, chuyển đổi điện cặp bánh giảm tốc (xem Hình 1-1) Về bản, hệ động lực S-HEV khác hệ động lực ô tơ điện chỗ có thêm ICE EG Ở S-HEV, ICE có chức lai EG để cung cấp điện cho EM nạp điện cho AQ, EM đảm bảo 100% công suất yêu cầu để dẫn động bánh xe chủ động thông qua cặp bánh giảm tốc EM chạy điện từ AQ trực tiếp từ EG Trong hệ truyền động S-HEV cần cặp bánh giảm tốc bố trí EM vi sai, thay cho hộp số nhiều cấp ô tô truyền thống Trong trường hợp EM bố trí trực tiếp moayơ bánh xe chủ động, SHEV thực tế khơng có hệ truyền động khí, thay vào hệ truyền động điện gọn nhẹ tiêu hao lượng Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp EM S-HEV nói riêng loại tơ hybrid khác nói chung, thường thiết kế để hoạt động máy phát điện (sau gọi môtơ-máy phát điện liên hợp, viết tắt MG) để tận dụng động tơ q trình phanh xuống dốc Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện AQ điện lưới thời gian ô tô không hoạt động nhằm mục đích giảm chi phí vận hành giá điện lưới thường thấp giá điện sản xuất ICE xe 1.1.1.2 Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG Ô tơ hybrid kiểu song song (P-HEV) có nguồn động lực tương tự S-HEV, tức bao gồm ICE MG ICE MG P-HEV liên kết với bánh xe chủ động thông qua ly hợp cho bánh xe chủ động dẫn động ICE MG hai đồng thời ICE MG liên kết với theo phương án sau:  ICE MG liên kết song song trục (xem Hình 1-2): Ở phương án này, tốc độ quay ICE MG phải đồng hóa, momen quay truyền đến bánh xe chủ động tổng momen quay ICE MG Khi nguồn động lực làm việc, nguồn động lực lại phải hoạt động chế độ khơng tải không hoạt động trang bị ly hợp chiều ... Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực xe hybrid " MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng mơ hình tối ưu hóa phát triển giải thuật để tối ưu hóa độ lớn nguồn lượng tối. .. hóa độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN Luận án đề cập vấn đề tối ưu hóa độ lớn nguồn lượng tham số điều khiển nguồn lượng thuộc hệ động lực ô tô hybrid. .. tô hybrid nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực tơ hybrid Chương : Tối ưu hóa thiết kế độ lớn tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực ô tô hybrid giải thuật đàn ong Chương : Mô thực nghiệm tối ưu