L ời cam đoan
1.8. Nghiên cứu trong nướ c
Hiện nay, cùng sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, xe hybrid cũng đang được các nhà sản xuất, các trung tâm nghiên cứu và các nhà khoa học trong nước nghiên cứu, phát triển. Mục tiêu chung của các nghiên cứu là phát huy tối đa ưu điểm của xe hybrid và đưa chúng trở thành một
loại phương tiện phổ biến ở Việt
Nam. Dưới đây là một số kết quả
nghiên cứu đã đạt được trong thời gian qua ở Việt Nam về xe hybrid.
Nhóm nghiên cứu của tác giả
Bùi Văn Ga đã thực hiện nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực trên xe hybrid 2 chỗ ngồi [24]. Hệ thống phối hợp được thiết kế theo kiểu nối tiếp, bao gồm ĐCĐT (động cơ xăng)
có dung tích 110cc, công suất cực
đại đạt 5,5 kW sử dụng nhiên liệu LPG (Liquified Petroleum Gas);
ĐCĐ 1 chiều kiểu ZYT145/06-90 của Trung Quốc, điện áp 90V, tốc độ
quay 3000 v/ph, mô men xoắn cực
đại 60 Nm; Máy phát điện xoay chiều R263-A có điện áp 28 V và
công suất 4,5 kW. Tuy nhiên, do hệ
thống được thiết kế theo kiểu nối tiếp, năng lượng điện nạp vào ắc-quy chủ yếu lấy từlưới điện dân dụng khi
xe không hoạt động. ĐCĐT sử dụng nhiên liệu LPG chỉ có nhiệm vụ kéo máy phát
điện cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt dốc. Vì vậy, vấn đề ởđây là việc lưu trữnăng lượng điện yêu cầu khối lượng ắc quy lớn nên ảnh hưởng
đến tổng khối lượng xe hybrid. Ngoài ra, để có thể sử dụng được LPG thay thế cho nhiên liệu thông thường, thì yêu cầu phải thực hiện một số cải tiến trên ĐCĐT và
không gian bố trí trên xe.
Năm 2009, nhóm nghiên cứu của tác giả Bùi Văn Ga tiếp tục nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo thử nghiệm xe máy hybrid điện – LPG [25]. Hệ thống được thiết kế gồm một ĐCĐ được lắp trực tiếp vào moay ơ bánh xe trước có công suất 500 W và một ĐCĐ lắp ở bánh sau có công suất 1000 W. Trong khi đó, ĐCĐT được sử
dụng động cơ Honda GX80 có công suất 2200 W được hoán cải sang sử dụng nhiên liệu LPG. Sơ đồ bố trí hệ thống được thể hiện trên Hình 1.19.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi hoạt động ở chếđộ hybrid và nhiên liệu LPG, phát thải độc hại giảm 4 lần so với chạy bằng nhiên liệu xăng. Tuy nhiên, giá thành
của xe sau khi chế tạo tương đối cao do sử dụng tới 2 ĐCĐ lắp ở mỗi bánh xe. Hơn
nữa việc chọn cụm động cơ LPG - máy phát điện phải cân bằng với ĐCĐ và động cơ
phải được cải tạo sang chạy LPG nên kết cấu khá phức tạp. Kết quả thử nghiệm cho
Hình 1.19Sơ đồ bố trí hệ thống hybrid LPG-
22
thấy xe đạt được tốc độ 55 km/h khi chạy bằng điện, thấp hơn khoảng 10% so với công suất tính toán. Với bình LPG chứa 1 kg nhiên liệu và 4 bình ắc-quy N12V-35AH nạp đầy xe có thể chạy được 160 km. Hệ thống động lực hybrid điện - LPG cho phép xe gắn máy đạt mức độ phát thải ô nhiễm theo tiêu chuẩn Euro IV.
Cũng trong năm 2009, tác giả
Hồ Sĩ Xuân Diệu đã nghiên cứu chế
tạo hệ thống động lực ô tô Hybrid 2 chỗ ngồi với nguồn động lực ĐCĐT sử dụng nhiên liệu LPG như Hình 1.20. Kết quả tác giảđã lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phối hợp nguồn động lực dùng các cặp bánh
răng hành tinh – mặt trời ăn khớp. Tuy nhiên, do tác giả sử dụng các cặp bánh
răng hành tinh – mặt trời ăn khớp dẫn
đến việc điều khiển các chế độ khá phức tạp và có tổn hao cơ giới [26].
Kết quả thử nghiệm mô hình xe
hybrid LPG-điện 2 chỗ ngồi cho thấy được ưu việt của hệ thống hybrid. Quãng đường tối đa mà xe hoạt động với ĐCĐ là 50 km và lượng nhiên liệu tiêu thụ khi xe hoạt
động bằng ĐCĐT là 0,7 kg LPG trong quãng đường vận hành 30 km. Tính toán sơ
bộ, khi xe chỉ hoạt động bằng ĐCĐ mức chi phí là 30.000 đồng/100 km, khi hoạt
động với ĐCĐT sử dụng LPG thì chi phí là 44.870 đồng/100 km (tính tới thời điểm
9/2009). Như vậy, sử dụng xe hybrid mang lại lợi ích về mặt kinh tếđáng kể.
Tác giả Nguyễn Văn Định –Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang đã thực hiện nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình xe hybrid hai chỗ ngồi [27]. Hình 1.21 cho thấy hệ thống hybrid được thiết kế
bao gồm một ĐCĐT có dung tích 110cc dẫn động bánh sau và máy phát
điện, 2 ĐCĐ có công suất 350W được lắp trực tiếp vào moay ơ 2 bánh trước. Hệ thống điều khiển điện tử cho phép ô tô phối hợp công suất các động cơ ở
các chế độ làm việc khác nhau. Hệ
thống điều khiển có nhiệm vụ khởi
động/ngắt ĐCĐT, phân phối điện
năng đến hai ĐCĐ. Khi ắc-quy đã nạp
đầy, hệ thống sẽ ngắt ĐCĐT và máy phát điện. Khi điện áp ắc-quy xuống thấp, hệ thống điều khiển sẽ khởi
động ĐCĐT và máy phátđể nạp điện vào cho ắc quy. Ngoài ra, hệ thống điều khiển còn thực hiện nhiệm vụđiều khiển tốc độ cho 2 ĐCĐ. Trong suốt quá trình tăng tốc và leo dốc, cả ĐCĐT và ĐCĐ sẽ cung cấp năng lượng đến các bánh xe nhằm đảm bảo công suất truyền động.
Hình 1.21 Mô hình xe hybrid hai chỗ ngồi
23
Kết quảđạt được, mô hình có thể chạy với vận tốc tối đa 40 km/h, có khảnăng
di chuyển ở địa hình dốc lên đến 18%. Tuy nhiên, do sử dụng điều khiển phối hợp
ĐCĐ và ĐCĐT nên kết cấu khá phức tạp. Sản phẩm nghiên cứu được sử dụng mô hình trực quan, phục vụ quá trình đào tạo trong chuyên ngành Kỹ thuật ô tô.
1.9. Các dòng xe hybrid trên thịtrường [28]
Công nghệ hybrid ô tô trở nên phổ biến bắt đầu từ cuối những năm 1990. Chiếc
xe hybrid được sản xuất hàng loạt đầu tiên là Toyota Prius, ra mắt tại Nhật Bản vào
năm 1997, và tiếp theo là Honda Insight, ra mắt vào năm 1999 tại Hoa Kỳ và Nhật Bản. Prius được ra mắt ở châu Âu, Bắc Mỹ và phần còn lại của thế giới vào năm
2000. Từđó đến nay công nghệ xe hybrid liên tục phát triển, đã có rất nhiều các dòng xe hybrid mới được ra đời với những tính năng ngày càng ưu việt và đem lại hiệu quả
sử dụng cao.
Mercedes-Benz S400 BlueHybrid đã được công bố trong triển lãm ô tô Chicago 2009, và doanh số bắt đầu ở Mỹvào tháng 10 năm 2009. S400 Blue Hybrid là một chiếc hybrid nhẹ và là chiếc xe hybrid đầu tiên sử dụng pin Lithium Ion. Công nghệhybrid trong S400 được đồng phát triển bởi Daimler AG và BMW. Công nghệ hybrid tương tựđang được sử dụng trong BMW ActiveHybrid 7, được bán tại Mỹ và châu Âu vào giữa năm 2010. Vào tháng 12 năm 2009, BMW bắt đầu bán BMW ActiveHybrid X6 (full-hybrid).
Năm 2011, Toyota Auris Hybrid trở thành chiếc xe điện hybrid được sản xuất hàng loạt đầu tiên tại châu Âu.
Cũng vào năm 2011, Lincoln MKZ Hybrid 2011 đã được công bố tại Triển lãm Ô tô Quốc tế New York 2010 và doanh số bắt đầu ở Mỹvào tháng 9 năm 2010.
MKZ Hybrid là phiên bản hybrid đầu tiên có cùng mức giá với phiên bản động cơ xăng của cùng một chiếc xe. Porsche Cayenne Hybrid được ra mắt tại Mỹ vào cuối
năm 2010.
Volkswagen đã công bố tại Triển lãm ô tô Geneva 2010 sự ra mắt của Touareg Hybrid 2012, được bán trên Thị trường Mỹ vào năm 2011. VW cũng công bố kế
hoạch giới thiệu các phiên bản hybrid diesel - điện của các mẫu phổ biến nhất của
mình vào năm 2012, bắt đầu với Jetta, tiếp theo là Golf Hybrid vào năm 2013 cùng
với các phiên bản lai của Passat. Các mẫu xe hybrid chạy xăng-điện khác được phát hành tại Mỹvào năm 2011 là Lexus CT 200h, Infiniti M35 Hybrid, Hyundai Sonata
Hybrid và KIA Optima Hybrid.
Toyota Prius C được phát hành tại Mỹ vào tháng 3 năm 2012 và được ra mắt tại Nhật Bản với tên gọi Toyota Aqua vào tháng 12 năm 2011.
Toyota Prius V, ra mắt tại Mỹ vào tháng 10 năm 2011, là spinoff đầu tiên từ gia đình Prius.
24
Các mẫu xe hybrid khác được phát hành tại Mỹ trong năm 2012 là Audi Q5
Hybrid, BMW 5 Series ActiveHybrid, BMW 3 series Hybrid, Ford C-Max Hybrid,
Acura ILX Hybrid. Cũng trong năm 2012 đã được phát hành thế hệ tiếp theo của Toyota Camry Hybrid và Ford Fusion Hybrid, cảhai đều cung cấp khảnăng tiết kiệm nhiên liệu được cải thiện đáng kể so với các thế hệtrước. Các bản 2013 của Toyota
Avalon Hybrid và Volkswagen Jetta Hybrid được phát hành tại Mỹ vào tháng 12 năm
2012.
Doanh số của mẫu SUV Honda Vezel Hybrid bắt đầu tại Nhật Bản bắt đầu vào
tháng 12 năm 2013. Range Rover Hybrid chạy bằng diesel đã được công bố tại Triển lãm ô tô Frankfurt 2013 và việc giao hàng bán lẻ ở châu Âu dự kiến sẽ bắt đầu vào
đầu năm 2014. Công ty Ô tô Ford , nhà sản xuất xe hybrid lớn thứ hai thế giới sau Tập đoàn ô tô Toyota, đã đạt mốc 400.000 xe điện hybrid được sản xuất vào tháng
11 năm 2014. Sau 18 năm kể từ khi giới thiệu xe hybrid, Nhật Bản trở thành quốc gia
đầu tiên đạt doanh số hơn 1 triệu xe hybrid trong một năm, và thị trường Nhật Bản
cũng vượt qua Hoa Kỳđể trở thành thịtrường hybrid lớn nhất thế giới
Prius thế hệ thứtư được thiết kế lại và hiệu quảhơn đã được phát hành cho thị trường bán lẻ tại Nhật Bản vào tháng 12 năm 2015. Năm mẫu 2016 Prius Eco đã vượt qua Honda Insight thế hệđầu tiên năm 2000 với tư cách là chiếc xe chạy bằng xăng
tiết kiệm nhiên liệu nhất mọi thời đại của EPA tại Mỹ. Vào cuối năm 2017, Chevy đã
giới thiệu Chevy ZH2 chạy trên các pin nhiên liệu hydro. ZH2 được chế tạo đặc biệt dành cho thịtrường Hoa Kỳ.
Tại thị trường Việt Nam vào khoảng năm 2009, những chiếc xe hybrid đầu
tiên đã được các nhà nhập khẩu tư nhân lần lượt đem về với sốlượng khá hạn chế, chủ yếu là dòng xe sang, đắt tiền. Nổi bật có thể kểđến Lexus RX400h và LS600hL
được giới nhà giàu ưa chuộng. Đến năm 2010, mẫu Mercedes-Benz S400 Hybrid
chính hãng cũng được tung ra thị trường. Mãi cho đến những năm gần đây, dòng xe
Hybrid mới thực sựtìm được chỗ đứng trên thị trường với sự xuất hiện của những dòng xe ở phân khúc bình dân như Toyota Corolla Cross 1.8HV, Nissan X-Trail Hybrid, Toyota Prius Hybrid. Tuy vậy, tới đây, với những quy định ngặt nghèo hơn về khí thải, thì xe hybrid hứa hẹn sẽ chiếm một thị phần cao hơn trên thị trường xe hơi tại Việt Nam.
1.10. Phương pháp tiếp cận của đề tài
Thông qua việc tìm hiểu về các hệ thống hybrid cho thấy hệ thống hybrid hỗn hợp ngày càng được sử dụng phổ biến do sự kết hợp được ưu điểm của hệ thống hybrid nối tiếp và hybrid song song khi xe chạy cả trong đô thị và ngoài xa lộ. Tuy nhiên, một trong những vấn đề thách thức hiện nay đối với hệ thống hybrid hỗn hợp
đó là bộ phối hợp công suất và chiến lược phối hợp công suất giữa ĐCĐ và ĐCĐT. Đây cũng chính là hai nội dung mà NCS sẽ nghiên cứu trong nội dung của luận án.
25
nội dung cụ thể gồm mô phỏng rồi đến thực nghiệm. Trong đó để tiến hành mô phỏng, ta cần thực hiện tính toán các thông số kỹ thuật của xe theo dữ kiện đầu vào (vận tốc, công suất yêu cầu...), các thông số tính được này sau đó sẽđược sử dụng trong mô phỏng. Dựa vào kết quả mô phỏng, các kết quả về khí thải, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu sẽ là những số liệu được quan tâm. Tuy vậy, cần có sựđối chứng giữa thực nghiệm và mô phỏng để kiểm chứng sự tin cậy của mô hình xe hybrid, các kết quả thu được từđo đạc thực nghiệm như tốc độ, công suất, phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu sẽđược sử dụng để so sánh. Từ so sánh này, ta có thể kết luận được tính tin cậy của mô hình xe hybrid được xây dựng cũng như phương pháp tính toán được đưa ra
trong nội dung luận án.
1.11. Kết luận
Trên cơ sở nội dung đã trình bày ở trên có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Xe hybrid thân thiện môi trường và có nhiều ưu điểm so với xe truyền thống (sử dụng ĐCĐT) giúp nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm phát thải gây ô nhiễm
môi trường.
- Hiện nay, các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng suy kiệt, thêm vào đó là các quy định ngặt nghèo về kiểm soát khí thải từcác phương tiện giao thông truyền thống (sử dụng ĐCĐT) do đó để giải quyết các vấn đề liên quan đến khí thải từ các
phương tiện giao thông các nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều phương án khác nhau trong đó phương án sử dụng nguồn động lực thay thế là sự lựa chọn tối ưu hơn cả,
đồng thời nguồn động lực cho xe hybrid đã được nghiên cứu và phát triển phù hợp
trong giai đoạn hiện nay với nhiều sản phẩm đã được đưa vào sản xuất hàng loạt và có doanh sốđáng kể trên nhiều thị trường khó tính như châu Âu và cả các thịtrường vốn quen với việc sử dụng các phương tiện truyền thống như châu Á.
Luận án tập trung nghiên cứu, tính toán thiết kế xe hybrid hai chỗ ngồi cũng như xây dựng hệ phối hợp công suất giữa ĐCĐ và ĐCĐT, đồng thời đưa ra chiến
lược vận hành tối ưu cho hệ xe hybrid và tiến hành kiểm nghiệm lại việc tính toán thiết kế trong phòng thí nghiệm.
Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng trong nghiên cứu, thiết kế hệ xe hybrid giúp rút ngắn thời gian và chi phí cho việc chế tạo. Vì vậy việc hình thành cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tính toán hệ xe hybrid trên phần mềm mô phỏng là rất quan trọng. Điều này sẽđược trình bày cụ thểtrong Chương 2.
26
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID
Trong chương này, NCS sẽtrình bày các cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế
và xây dựng mô hình mô phỏng xe truyền thống và xe hybrid cùng với chiến lược
điều khiển xe hybrid. Các bước thực hiện nghiên cứu về thiết kếxe hybrid cũng như các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mền AVL-Cruise sẽđược đề cập đến trong
Chương 2 đểlàm cơ sở cho việc tính toán chế tạo và mô phỏng xe hybrid được thực hiện trong Chương 3.
2.1. Quan điểm và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid
Xe hybrid sử dụng 2 nguồn động lực, gồm ĐCĐT và ĐCĐ, trong đó ĐCĐT là
nguồn động lực chính còn ĐCĐ là nguồn động lực phụ trợ. Vì vậy trong tính toán thiết kế chọn nguồn động lực và chiến lược sử dụng nguồn động lực trên xe hybrid phải đảm bảo ĐCĐT luôn làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu kinh tế nhất
và có hiệu suất cao bởi đây là một trong các yếu tố quan trọng quyết định tăng hiệu suất của hệ động lực xe hybrid so với xe truyền thống, ví dụ như đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ĐCĐT thể hiện trên Hình 2.1. Với các giá trị thể hiện trên Hình 2.1
cho thấy, ĐCĐT sẽ làm việc kinh tế nhất với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 250 g/kWh, tương đương với hiệu suất đạt 34,3%.
Hình 2.1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong (độngcơ xăng) [10,62]
Trong quá trình vận hành xe thực tế, thời lượng sử dụng phanh xe sẽ khá nhiều để đảm bảo an toàn trong điều kiện vận hành thực, như vậy phần năng lượng phanh sẽ bị lãng phí. Tuy nhiên đối với xe hybrid, một phần năng lượng phanh xe có thể