Luận án Tiến sĩ: Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển nguồn năng lượng xe hybrid

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: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. Nguyễn Văn Nhận Khánh Hòa, 2015 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong (ICE) đã và đang là áp lực rất lớn đối với các nhà thiết kế và chế tạo xe cơ giới. Với trình độ công nghệ hiện có và nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì xe chạy bằng động cơ điện (EM) là giải pháp triệt để nhất cho tình trạng ô nhiễm bởi khí thải của xe cơ giới hiện nay.

Thực tế đã có hàng loạt mẫu xe cơ giới chạy bằng điện được sinh ra từ các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên xe hoặc chạy bằng điện từ ắcqui đã được thiết kế và chế tạo. Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, trong đó có cả khả năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo và lắp ráp xe cơ giới hiện nay thì xe chạy bằng ICE vẫn là loại phương tiện giao thông cơ giới có vị trí độc tôn và hàng triệu chiếc xe chạy bằng ICE ở khắp nơi trên thế giới vẫn sẽ là những hình ảnh quen thuộc cho nhiều thế hệ mai sau. Phát triển xe hybrid được xem là một trong những giải pháp quá độ nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm mức độ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải của ICE trang bị trên xe cơ giới. Trong tiếng Anh, từ "hybrid" có nghĩa là "lai/ ghép/ kết hợp", thuật ngữ "hybrid vehicle" được định nghĩa là phương tiện di động có hệ thống động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau.

Các loại phương tiện di động như: xe đạp điện chạy bằng cách đạp pedal và bằng EM, ô tô được trang bị cả động cơ xăng và EM để dẫn động bánh xe chủ động, xe lửa được trang bị cả EM để chạy bằng điện lưới và động cơ diesel để chạy ở những khu vực không có lưới điện, máy bay được trang bị động cơ phản lực để bay và EM để di chuyển trên đường băng, tàu ngầm điện-diesel được trang bị EM để chạy khi tàu lặn và động cơ diesel để chạy khi tàu nổi trên mặt nước, v. đều được xếp vào đối tượng "hybrid vehicle". Ô tô hybrid có hệ động lực được cấu thành từ động cơ xăng và EM đã được chế tạo từ những năm cuối thế kỷ XVIII và đã tạo được ấn tượng mạnh đối với 2 khách hàng và giới kỹ nghệ gia ở giai đoạn đầu mới phát triển do đạt được các tính năng vượt trội so với ô tô truyền thống (ô tô chỉ được trang bị một loại nguồn động lực, hoặc là ICE hoặc là động cơ đốt ngoài hoặc là EM). Tuy nhiên, do vận hành và sửa chữa đơn giản hơn, giá thành động cơ xăng và diesel ngày càng giảm do được sản xuất hàng loạt, nguồn cung xăng dầu ngày càng dồi dào với giá rẻ, v., ô tô truyền thống đã chiếm lĩnh gần như toàn bộ thị trường của ô tô hybrid trong giai đoạn trước 1990.

Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và các tiêu chuẩn về khí thải ngày càng khắt khe, ô tô hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và đã phát triển nhảy vọt cho đến nay. Bên cạnh những ưu điểm vốn có của phương án hybrid, những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo, điện-điện tử, thông tin, v. cũng được xem là yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành công của ô tô hybrid hiện đại. Toyota được xem là hãng chế tạo ô tô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực phát triển ô tô hybrid hiện đại.

Dòng ô tô hybrid thương mại hiện đại đầu tiên có tên Toyota Prius được bán ở thị trường Nhật Bản vào năm 1997. Đến tháng 6 năm 2013, khoảng 3 triệu Toyota Prius đã được bán ở 80 quốc gia và khu vực. Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ô tô hàng đầu trên thế giới đều đã cho ra đời các các mẫu ô tô hybrid của mình và ô tô hybrid đã được khẳng định là một phần của thị trường ô tô hiện nay và trong tương lai. Trong quá trình thiết kế ô tô truyền thống, công suất cực đại của động cơ được xác định trên cơ sở một số tính năng kỹ thuật của ô tô, ví dụ: tính năng động lực học, tính năng việt dã, v.

được đặt ra khi thiết kế. Đối với ô tô hybrid, các nguồn động lực khác nhau không những phải có độ lớn sao cho tổng công suất do chúng đồng thời cung cấp cho bánh xe chủ động phải bằng công suất cực đại của động cơ ở ô tô truyền thống có tính năng kỹ thuật tương đương, mà công suất của mỗi nguồn động lực còn phải được lựa chọn sao cho cả hệ thống làm việc với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường cao nhất có thể. Trong quá trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa ô tô chỉ có thể đạt được mục tiêu khi tối ưu hóa được các chế độ làm việc của các nguồn năng lượng, 3 ví dụ: thời điểm mà một hoặc một số nguồn năng lượng sẽ ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ nào để phát huy ưu điểm và hạn chế nhược điểm của chúng, tỷ lệ đóng góp công suất của các nguồn động lực cùng tham gia dẫn động các bánh xe chủ động tại một thời điểm, chiến lược tái sử dụng năng lượng mà các nguồn động lực đã cung cấp cho bánh xe chủ động, v. Các vấn đề kể trên thuộc nội hàm của khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid.

Làm chủ kỹ thuật tối ưu hóa độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid là điều kiện tiên quyết để có thể thiết kế và khai thác ô tô hybrid với những lợi ích mà phương án hybrid có thể mang lại. Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm hiện nay, ở Việt Nam chưa có công trình khoa học chuyên sâu nào đã công bố về tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid. Hầu hết ấn phẩm tiếng Việt về ô tô hybrid mới chỉ đề cập đến những khái niệm cơ bản hoặc giới thiệu những thành tựu mới của các hãng chế tạo ô tô hybrid hoặc thiết kế chế tạo cụm thiết bị, mô hình ô tô hybrid trong phạm vi các đồ án tốt nghiệp đại học hoặc luận văn thạc sĩ,. Kỹ thuật và công nghệ tối ưu hóa hệ động lực hybrid được áp dụng cho các mẫu ô tô hybrid hiện đại vẫn còn là bí quyết của một số hãng chế tạo ô tô hybrid hàng đầu trên thế giới.

Với mục đích nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn của giải pháp hybrid hóa để làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo xe hybrid, đồng thời cho phép đánh giá mức độ phù hợp của các mẫu xe hybrid được khai thác trong điều kiện ở Việt Nam, nghiên cứu sinh (NCS) chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực xe hybrid ". MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng mô hình tối ưu hóa và phát triển giải thuật để tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tối ưu hóa các tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid, nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải các chất độc hại có trong khí thải của ICE. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Ô tô hybrid có hệ thống động lực được cấu thành từ hai loại nguồn động lực là ICE và EM. PHẠM VI NGHIÊN CỨU (1) Các nguồn năng lượng trong cấu trúc tổng thể của hệ động lực của ô tô hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp, bao gồm: ICE, EM, máy phát điện (EG) và ắcqui điện (AQ).

(2) Tối ưu hóa thiết kế độ lớn của các nguồn năng lượng thuộc hệ động lực của ô tô hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp. Độ lớn của ICE, EM và EG trong luận án này được hiểu là công suất có ích lớn nhất. Độ lớn của AQ được hiểu là dung lượng tổng cộng của các AQ. Tối ưu hóa thiết kế độ lớn các nguồn năng lượng trong luận án này được hiểu là việc xác định công suất có ích lớn nhất của ICE, EM, EG và dung lượng AQ nhằm thỏa mãn các mục tiêu đặt ra.

(3) Tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp. Tối ưu hóa tham số điều khiển được hiểu là việc xác định và kiểm soát chế độ làm việc của các nguồn năng lượng sao cho đạt được các mục tiêu mà phương án hybrid có thể mang lại. Ô tô truyền thống không có yêu cầu tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực. Ở loại ô tô này, người lái quyết định vận tốc tức thời của ô tô và công suất tức thời của động cơ thông qua việc tác động lên cần gạt hộp số, bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh.

Đối với một số loại ô tô được trang bị động cơ phun nhiên liệu điều khiển điện tử và hộp số tự động, mong muốn của người lái được hiện thực hóa bằng chiến lược điều khiển cấp thành tố (component- level control strategies), ví dụ: bộ điều khiển trung tâm của động cơ quyết định lượng nhiên liệu phun vào xylanh tương ứng với vị trí của bàn đạp ga và bộ điều khiển hộp số quyết định chuyển số, phù hợp với vận tốc của ô tô. Trong trường hợp ô tô hybrid, cần có thêm các quyết định khác nữa, ví dụ: mỗi nguồn năng lượng phải cung cấp bao nhiêu năng lượng để có tổng năng lượng cần thiết cung cấp cho bánh 5 xe chủ động, mỗi nguồn năng lượng phải hoạt động ở chế độ nào để cả hệ thống làm việc với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường tối ưu, v. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm với mô hình đối tượng trên máy tính là hai phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng trong luận án.