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 cơ khí động lực
62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TS. 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

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.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.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

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.v.
5. 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.
Nội dung nghiên cứu lý thuyết bao gồm:


Tìm hiểu các công trình khoa học ở trong và ngoài nước về đề tài ô tô

hybrid nói chung và tối ưu hóa hệ động lực hybrid nói riêng. Trên cơ sở đó xác định
một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo định hướng đã đặt ra, bao gồm: tối ưu
hóa đồng thời độ lớn và các tham số điều khiển các nguồn năng lượng của hệ động
lực nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm mức độ phát thải các chất độc hại
của ICE nằm trong cấu trúc tổng thể của hệ động lực ô tô hybrid;


Xây dựng và phát triển mô hình tối ưu hóa hệ động lực của ô tô hybrid,

trong đó có tính đến các điều kiện thực tế ở Việt Nam;


Nghiên cứu cải tiến giải thuật đàn ong (Bees Algorithm) và ứng dụng nó

trong bài toán tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid.
Bài toán tối ưu hóa đồng thời độ lớn của các nguồn năng lượng và tham số
điều khiển hệ động lực ô tô hybrid được giải và đánh giá kết quả bằng mô phỏng
thực nghiệm trên máy tính.

8. HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
Luận án mới chỉ đề cập vấn đề tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng
và tham số điều khiển nguồn năng lượng thuộc hệ động lực của ô tô hybrid với mục
tiêu là giảm tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát thải của ICE trong điều kiện vẫn
đảm bảo các yêu cầu về tính năng động lực học. Phương pháp tối ưu hóa thiết kế độ
lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô hybrid bằng giải
thuật đàn ong chưa được khảo nghiệm trên các mẫu ô tô hybrid thực trong phòng thí
nghiệm hoặc vận hành trong điều kiện thực tế.


7

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID
VÀ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA
HỆ ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ HYBRID

Phần Tổng quan về ô tô hybrid đề cập đặc điểm cấu tạo của các loại ô tô
hybrid đã và đang được sử dụng phổ biến, so sánh giữa các loại ô tô hybrid với
nhau cũng như giữa chúng và ô tô truyền thống về phương diện cấu trúc, tính kinh
tế nhiên liệu, mức độ phát thải gây ô nhiễm môi trường, v.v.
Phần Tổng quan về nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực hybrid giới thiệu một
số công trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới về đề tài ô tô hybrid nói
chung và tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid nói riêng, trên cơ sở đó xác định vấn đề
cần nghiên cứu là phát triển, hoàn thiện mô hình tổng quát và sử dụng giải thuật
mới có ưu điểm hơn để giải bài toán tối ưu hóa đồng thời độ lớn của các nguồn
năng lượng và các tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực của ô tô
hybrid.


gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lượng hơn.


9

Hình 1-1. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu nối tiếp
EM trên S-HEV nói riêng và trên các loại ô tô hybrid khác nói chung, thường
được thiết kế để có thể hoạt động như một máy phát điện (sau đây gọi là môtơ-máy
phát điện liên hợp, viết tắt là MG) để có thể tận dụng động năng của ô tô trong quá
trình phanh hoặc xuống dốc. Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện AQ bằng điện
lưới trong thời gian ô tô không hoạt động nhằm mục đích giảm chi phí vận hành do
giá điện lưới thường thấp hơn giá điện được sản xuất bằng ICE trên xe.
1.1.1.2. Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG
Ô tô hybrid kiểu song song (P-HEV) có các nguồn động lực tương tự như ở
S-HEV, tức là cũng bao gồm một ICE và một MG. ICE và MG của P-HEV được
liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể
được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng MG hoặc bằng cả hai đồng thời.
ICE và MG có thể được liên kết với nhau theo các phương án như sau:


ICE và MG liên kết song song trên một trục (xem Hình 1-2): Ở phương

án này, tốc độ quay của ICE và MG phải được đồng bộ hóa, momen quay truyền
đến bánh xe chủ động là tổng momen quay của ICE và MG. Khi chỉ một nguồn
động lực làm việc, nguồn động lực còn lại phải hoạt động ở chế độ không tải hoặc
không hoạt động nếu được trang bị các ly hợp một chiều.


10


Trên thị trường hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV. Honda
Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm
thị phần đáng kể trong thời gian gần đây. General Motors Parallel Hybrid Truck
(PHT), Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng
là những ô tô hybrid được xếp vào nhóm P-HEV.
1.1.1.3. Ô TÔ HYBRID KIỂU HỖN HỢP
Ô tô hybrid kiểu hỗn hợp (SP-HEV), còn được gọi là ô tô hybrid chia công
suất (power-split hybrid vehicle) hoặc ô tô hybrid kiểu nối tiếp-song song (seriesparallel hybrid vehicle).
Hệ động lực của Toyota Prius được xem là điển hình của SP-HEV và được
trình bày dưới đây để minh họa đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ
động lực SP-HEV.
Hệ động lực hybrid của Toyota Prius, thường được viết tắt là THS (Toyota
Hybrid System), được cấu thành từ các thành tố cơ bản với chức năng sau đây [60],
[61]:


Động cơ xăng 4 kỳ hoạt động theo chu trình Atkinson (ICE) có chức

năng dẫn động các bánh xe chủ động và lai môtơ-máy phát điện liên hợp MG1;


Môtơ-máy phát điện liên hợp MG2 có chức năng chính là phối hợp với

ICE dẫn động các bánh xe chủ động và chức năng phụ là phát điện nạp cho AQ
trong quá trình phanh. MG2 có tính năng động lực học cao để đảm bảo ô tô rời chỗ
nhẹ nhàng và tăng tốc tốt;


Môtơ-máy phát điện liên hợp MG1 có chức năng chính là phát điện cung


một thời gian tương đối ngắn;
(2) Chế độ hành trình (còn gọi là chế độ chạy bình thường) là chế độ ô tô
chạy đường dài. Công suất của ICE được chia cho bánh xe chủ động và máy phát
điện MG1 với tỷ lệ sao cho ICE làm việc ở vùng có hiệu suất tối ưu. MG2 chạy
bằng điện từ máy phát. Nếu dung lượng của AQ thấp, một phần công suất của máy
phát dùng để nạp điện cho AQ;
(3) Chế độ trợ lực (còn gọi là chế độ gia tốc tối đa): Trong các điều kiện mà
ICE không đáp ứng được (tăng tốc để vượt xe phía trước, leo dốc, v.v.), MG2 sẽ
chạy bằng điện từ AQ cao áp để trợ lực cho ICE;


13

a)

b)

Hình 1-3. Sơ đồ cấu tạo hệ động lực (a)
và bộ chia công suất (b) của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp - Toyota Prius
(4) Chế độ nạp AQ (còn gọi là chế độ giảm tốc và phanh): AQ được nạp điện
trong quá trình phanh hoặc xuống dốc bằng điện từ MG2 hoặc bằng điện từ MG1 ở
chế độ hành trình. Đối với Toyota Prius, bộ điều khiển trung tâm đảm bảo AQ phải
luôn được nạp đầy, tức là không yêu cầu nạp điện thủ công;


14

(5) Chế độ chia công suất ngược: Ô tô chạy ở chế độ hành trình và AQ đầy
điện. AQ cung cấp điện cho cả MG2 để dẫn động bánh xe và cho cả MG1. MG1
chạy sẽ làm ICE quay chậm hơn với mục đích giảm tiêu hao nhiên liệu trong khi


đảm bảo đạt được các chỉ tiêu mong muốn mà phương án hybrid có thể mang lại;


Có hệ thống thu hồi động năng của ô tô khi phanh.

So với ô tô truyền thống, ô tô hybrid có những ưu điểm và nhược điểm sau
đây:
(1) Ô tô hybrid tiết kiệm nhiên liệu hơn và phát thải ít hơn: Ô tô hybrid được
phát triển chủ yếu do áp lực của vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và giảm mức độ phát
thải. Mục tiêu này đạt được nhờ những đặc điểm sau đây :


ICE của ô tô hybrid nhỏ hơn nên tổn thất năng lượng ít hơn;


15



Ở S-HEV và SP-HEV, tốc độ quay của ICE có thể độc lập hoàn toàn đối
với vận tốc của ô tô nên ICE được cho làm việc ở những chế độ tối ưu về
phương diện tiết kiệm nhiên liệu hoặc phát thải;



Tái sử dụng động năng của ô tô trong quá trình phanh và xuống dốc;

 Cho phép ICE không hoạt động ở các chế độ đặc biệt như: chờ trước đèn
đỏ, chạy không tải, xuống dốc, v.v.

1.1.3. SO SÁNH CÁC KIỂU Ô TÔ HYBRID
(1) Hiệu suất của ICE :
 Do chỉ có chức năng lai máy phát điện nên ICE trên S-HEV làm việc ở
tốc độ quay không đổi với suất tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất, không phụ thuộc vào
vận tốc của ô tô. Hiệu suất của động cơ xăng trên S-HEV có thể đạt đến trị số gần
giới hạn lý thuyết (khoảng 37 %), trong khi hiệu suất trung bình của động cơ xăng
trên ô tô truyền thống và trên P-HEV chỉ đạt dưới 30 % [61];
 Khi hoạt động trên đường cao tốc, P-HEV có mức tiêu thụ nhiên liệu
thấp hơn S-HEV do không cần biến đổi cơ năng của ICE thành điện năng để cung
cấp cho EM;
 ICE trên SP-HEV có hiệu suất trung bình thấp hơn so với ICE trên SHEV nhưng cao hơn so với ICE trên P-HEV;
(2) Công suất của EM và dung lượng của AQ: EM của S-HEV phải có công
suất lớn, đảm bảo ô tô đạt được các thông số tính năng động lực học tối đa theo
thiết kế (tốc độ cực đại, gia tốc cực đại, khả năng leo dốc, v.v.), trong khi phần lớn
các chế độ vận hành yêu cầu công suất thấp hơn. Với P-HEV và S-HEV có tính
năng động lực học tương đương, P-HEV được trang bị bộ AQ và EM nhỏ hơn do có
ICE cùng làm việc khi yêu cầu công suất lớn;
(3) Hệ thống truyền động: S-HEV có hệ thống truyền động đơn giản nhất so
với các kiểu ô tô hybrid khác. Do chỉ có EM có liên hệ cơ khí với bánh xe chủ động
nên không cần trang bị hộp số nhiều cấp cho S-HEV, thay vào đó chỉ cần một cặp
bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai. Do chỉ có truyền động điện giữa EM
với tổ hợp ICE-máy phát điện nên có nhiều lựa chọn về vị trí bố trí tổ hợp này.
Những đặc điểm trên cho phép dễ dàng bố trí các thành tố của hệ động lực để tăng
không gian của cabin và tối ưu hóa phân bố trọng lượng ô tô.


17

1.1.4. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ô TÔ HYBRID [58-61]
Lohner-Porsche Mixte được xem là chiếc ô tô hybrid đầu tiên trên thế giới

tô hybrid đã không được thương mại hóa ở qui mô đáng kể cho đến đầu những năm
1990 của thế kỷ XX do những ưu thế áp đảo của ô tô truyền thống chạy bằng động
cơ xăng hoặc diesel được chế tạo hàng loạt với giá rẻ trong điều kiện nguồn cung
xăng dầu dồi dào với giá thấp.
Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và
giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do khí thải của ICE, ô tô hybrid lại được quan
tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và đã phát triển nhảy vọt cho đến nay.
Toyota Prius là mẫu ô tô con du lịch đầu tiên được chế tạo hàng loạt. Toyota
Prius được bán ở thị trường Nhật Bản lần đầu tiên vào năm 1997, sau đó đã có mặt
ở khoảng 80 quốc gia và vùng lãnh thổ vào năm 2000. Khoảng 300 xe Toyota Prius
đã được bán trong năm 1997, 19.500 xe được bán trong năm 2000. Tổng cộng đã có
khoảng 1.000.000 xe Toyota Prius được bán tính đến tháng 5 năm 2008, 2.000.000
xe được bán tính đến tháng 8 năm 2010, 3.000.000 xe được bán tính đến tháng 6
năm 2013, 4.800.000 đã được bán tính đến tháng 9 năm 2014.
Hiện nay, hàng loạt mẫu ô tô hybrid thương mại như Honda Insight, Honda
Civic Hybrid, Ford Escape Hybrid, Ford Fusion Hybrid, Saturn Aura Greenline,
Mailbu Hybrid, Camry Hybrid, Cadillac Escalade Hybrid, Mercury Milan Hybrid,
Mercedes-Benz S400 BlueHybrid, Mercedes-Benz ML450 Hybrid, BMW
ActiveHybrid 7, Porshe Cayenne Hybrid, Volkswagen Jetta Hybrid, Hyundai
Elantra LPI Hybrid, Hyundai Sonata Hybrid, Kia Optima Hybrid, v.v. của các hãng
chế tạo ô tô hàng đầu đã có mặt trên thị trường thế giới với những mức độ thành
công khác nhau.


19

1.2. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HỆ ĐỘNG LỰC HYBRID
1.2.1. NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ Ô TÔ HYBRID
Trường Đại học Nha Trang là một trong những cơ sở đào tạo đã đưa nội dung
xe hybrid vào chương trình đào tạo kỹ sư ngành Kỹ thuật ô tô từ rất sớm, ngay sau

nói trên. Học viên đã thiết kế và chế tạo bộ chia công suất (PSD) mô phỏng theo cấu
trúc PSD của Toyota Prius, tính chọn công suất của máy phát điện EG và lắp ráp
trên mô hình ô tô 2 chỗ ngồi. Động cơ xăng và máy phát điện được liên kết với
nhau thông qua ly hợp điện từ có chức năng giúp mô phỏng cơ chế hoạt động của
hệ động lực hybrid kiểu hỗn hợp. Do mục tiêu của đề tài là phục vụ dạy-học nên các
bộ phận được chế tạo với kích thước lớn và được "khai triển" cho dễ quan sát nên
bộ PSD này không thể sử dụng được cho xe thật chạy trên đường.
Hình 1-5 thể hiện sơ đồ hệ thống động lực hybrid do PGS.TS Bùi Văn Ga và
Nguyễn Quân của Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng thiết kế [2]. Ô tô thiết kế
có hai chỗ ngồi, khối lượng toàn bộ xe 500kg, vận tốc cực đại 70km/h. Cơ cấu
truyền động cơ khí của ô tô được chia ra làm hai nhóm chính:


Hệ thống truyền lực ô tô, bao gồm: EM, hộp giảm tốc (truyền lực chính),

bộ vi sai, các bán trục và bánh xe chủ động.


Cụm máy phát điện, bao gồm: ICE chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng, máy

phát điện và bộ truyền động liên kết với cầu chủ động.

Hình 1-5. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid 2 chỗ


21

Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
(i) Ở chế độ bình thường, EM kéo bánh xe chủ động quay thông qua bộ bánh
răng giảm tốc và bộ vi sai.



Thay thế nguồn động lực truyền thống (động cơ xăng hoặc động cơ

diesel) bằng các loại nguồn động lực khác như turbine khí, động cơ Atkinson, động
cơ Wankel, động cơ Stirling, v.v.;


Tái sử dụng động năng của xe trong quá trình phanh hoặc xuống dốc

bằng máy phát điện nạp cho ắcqui, bằng bánh đà tích trữ động năng, v.v.;


Tối ưu hóa cấu trúc của hệ thống động lực;



Tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng;



Tối ưu hóa chiến lược điều khiển và tự động hóa quá trình kiểm soát các

tham số điều khiển, v.v.
Tối ưu hóa độ lớn của các nguồn năng lượng và tối ưu hóa các tham số điều
khiển các nguồn năng lượng của hệ động lực được cấu thành từ ICE và EM là hai
vấn đề thuộc phạm vi nghiên cứu trong luận án này.
1.2.2.1. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ TỐI ƯU HÓA ĐỘ LỚN
NGUỒN NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID
Liu X. và các cộng sự [14], [36] đã nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế xe buýt

Bảng 1-1. Kết quả tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng
bằng giải thuật di truyền của Liu X. [36]
Tham số

Trước tối ưu

Sau tối ưu

Công suất cực đại của ICE, [kW]

38

82

Công suất cực đại của EG, [kW]

30

78

Công suất cực đại của EM, [kW]

120

82

Số lượng ắcqui

28



100

10

80

50

350

20

40

60

90

2

4

Công suất ICE, [kW]
Công suát EM, [kW]
Số lượng ắcqui
Giới hạn dưới của SOC, [%]
Giới hạn trên của SOC, [%]
Tỉ số truyền lực cuối



65,9

65,4

21,9

20,2

240

220

311

245

0

21

22

25

100

83

78