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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Khánh Hòa, 2016


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


về tối ưu hóa hệ động lực hybrid .............................................................30
1.4. Kết luận chương 1 ....................................................................................32
Chương 2 : TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ ĐỘ LỚN VÀ THAM SỐ
ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG HỆ ĐỘNG LỰC
Ô TÔ HYBRID BẰNG GIẢI THUẬT ĐÀN ONG
2.1. Mô hình tối ưu hóa độ lớn nguồn năng lượng và tham số


ii

điều khiển hệ động lực ô tô hybrid ..........................................................34
2.1.1. Sơ đồ mô hình tổng quát ............................................................34
2.1.2. Hàm mục tiêu .............................................................................35
2.1.3. Điều kiện ràng buộc ...................................................................38
2.1.4. Chu trình vận hành .....................................................................41
2.1.5. Mô hình hóa các thành tố cơ bản của hệ động lực ô tô hybrid ..42
2.1.6. Chiến lược điều khiển nguồn năng lượng ..................................52
2.1.7. Bộ tối ưu .....................................................................................54
2.2. Giải thuật đàn ong ....................................................................................55
2.2.1. Giải thuật đàn ong cơ sở .............................................................55
2.2.2. Giải thuật đàn ong dựa trên pheromone .....................................58
2.2.3. Ưu điểm của giải thuật đàn ong .................................................61
2.3. Phương pháp tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid
bằng giải thuật đàn ong ...........................................................................62
2.3.1. Phương pháp tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid
kiểu song song ..........................................................................62
2.3.2. Phương pháp tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid
kiểu hỗn hợp .............................................................................71
2.4. Kết luận chương 2 ....................................................................................74
Chương 3 :

3.5. Kết quả thực nghiệm mô phỏng............................................................. 95
3.5.1. Kết quả thực nghiệm mô phỏng với Honda Insight 2000........ 95
3.5.2. Kết quả thực nghiệm mô phỏng với Toyota Prius 1998 ....... 105
3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................113
Chương 4 :

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

4.1. Kết luận ...............................................................................................114
4.1.1. Những đóng góp của luận án ................................................ 114
4.1.1. Kết luận rút ra từ kết quả thực nghiệm mô phỏng ................ 114
4.2. Khuyến nghị ........................................................................................118
DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ .................119
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................121
PHỤ LỤC.....................................................................................................127


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADVISOR Phần mềm mô phỏng ô tô (ADvanced VehIcle SimulatOR)
AQ

Ắcqui

BA

Giải thuật đàn ong



Chu trình vận hành UDDS cải tiến áp dụng cho ôtô có chế độ làm
việc nhẹ được vận hành trong điều kiện của thành phố (Federal
Test Procedure) do EPA xây dựng.

GA
HEV
HWFET

Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm)
Ô tô hybrid
Chu trình vận hành mô phỏng quá trình vận hành trên đường cao
tốc (Highway Fuel Economy Driving Schedule) do EPA xây dựng.

ICE

Động cơ đốt trong

MG

Môtơ-Máy phát điện liên hợp

NCS

Nghiên cứu sinh

NYCC

Chu trình vận hành đặc trưng cho điều kiện giao thông ở New York
(New York City Cycle) do EPA xây dựng.


SP-HEV

Ô tô hybrid kiểu hỗn hợp

THS
UDDS

Hệ thống động lực của xe Toyota Prius (Toyota Hybrid System)
Chu trình vận hành áp dụng cho ô tô có chế độ làm việc nhẹ được
vận hành trong điều kiện của thành phố (Urban Dynamometer
Driving Schedule) do EPA xây dựng.


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
TT

Ký hiệu

Đại lượng

1

Acar

Tiết diện ngang chắn gió của ô tô

2


FC

Suất tiêu thụ nhiên liệu của ICE

8

Fgrad

Lực cản dốc

9

Finer

Lực quán tính

10

Froll

Lực cản lăn

11

Ftrac

Lực kéo

12


17

n

18

Naero

Công suất cản khí dộng học

19

Nem

Công suất của động cơ điện

20

Ngrad

Công suất cản dốc

21

nice

Tốc độ quay của động cơ đốt trong

22

pice

Áp suất có ích trung bình của động cơ đốt
trong

27

Qfuel

Nhiệt trị của nhiên liệu

28

SOC

Trạng thái năng lượng của ắcqui (State Of
Charge)

29

S

Độ dốc của mặt đường

30

V

Vận tốc của xe


Hiệu suất của động cơ điện

37

ρair

Khối lượng riêng của không khí

38

fc_trq_scale

Dung tích công tác của động cơ đốt trong

Tốc độ góc

Hệ số tỉ lệ mô men của ICE so với ICE
hiện tại

39

mc_trq_scale

Hệ số tỉ lệ mô men của EM so với EM hiện
tại

40

ess_cap_scale


mô men dẫn động lớn nhất của EM)

44

cs_mc_assist_max_frac

Mô men lớn nhất do EM cung cấp để cùng
ICE dẫn động xe khi mô men dẫn động
vượt ngưỡng (phần trăm của mô men lớn
nhất của EM)

45

cs_dl_regen_trq_threshold

Ngưỡng dưới mô men tái sinh mà EM bắt
đầu đóng vai trò EG để tái sinh năng lượng
phanh tại tốc độ thấp

46

cs_mc_regen_min_frac

Mô men nhỏ nhất do EM tái sinh khi mô
men phanh vượt ngưỡng (phần trăm của
mô men tái sinh lớn nhất của EM)

47

cs_mc_regen_slope

cs_hi_soc

Giới hạn trên của trạng thái năng lượng AQ


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1. Kết quả tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng
bằng giải thuật di truyền của Liu X. ........................................... 23
Bảng 1-2. Giới hạn độ lớn các nguồn năng lượng trong nghiên cứu
của Gao W. and Porandla S. K. .................................................. 24
Bảng 1-3. Kết quả tối ưu hóa độ lớn nguồn năng lượng
của hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song trong nghiên
cứu của Gao W. and Porandla S. K. ......................................... 24
Bảng 1-4. Các tham số điều khiển trong nghiên cứu của Wu X................. 25
Bảng 1-5. Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển
hệ động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp bằng GA ........................ 26
Bảng 1-6. Giá trị đích và trị số trọng số theo mục tiêu
tối ưu trong nghiên cứu của Huang B. (2006) ......................... 27
Bảng 1-7. Giới hạn và kết quả tối ưu hóa tham số điều khiển
hệ động lực xe hybrid kiểu nối tiếp bằng SAA ........................ 27
Bảng 1-8. Kết quả tối ưu đồng thời cho ô tô hybrid kiểu nối tiếp ............. 29
Bảng 2-1. Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học
của xe cơ giới theo PNGV ....................................................... 39
Bảng 2-2. Tốc độ thiết kế của các cấp đường ở Việt Nam ....................... 39
Bảng 2-3. Độ dốc lớn nhất của đường
theo tiêu chuẩn TCVN 4054 : 2005 ......................................... 40
Bảng 2-4. Độ dốc đường giao thông tại một số địa điểm
ở Việt Nam ............................................................................... 40

và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng PBA theo FTP ............ 103
Bảng 3-15. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển
Toyota Prius 1998 bằng PBA theo CECDC ............................................. 105
Bảng 3-16 : Kết quả kiểm tra khi w1 = 0,85 ; w2 = 0,05 ;
w3 = 0,05 ; w4 = 0,05 ............................................................................... 110
Bảng 3-17 : Kết quả kiểm tra khi w1 = 0,445 ;
w2 = 0,185 ; w3 = 0,185; w4 = 0,185 ........................................................ 110


xi

Bảng 3-18 : Kết quả kiểm tra khi w1 = 0,1 ; w2 = 0,3 ;
w3 = 0,3 ; w4 = 0,3..................................................................................... 111
Bảng 3-19: Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng
và tham số điều khiển Toyota Prius 1998 bằng PBA theo CECDC ....... 111

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1-1. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu nối tiếp ................ 9
Hình 1-2. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu song song .......... 10
Hình 1-3. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp ............. 13
Hình 1-4. Lohner-Porsche Mixte ............................................................... 17
Hình 1-5. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid 2 chỗ.......................... 20
Hình 2-1. Mô hình tổng quát tối ưu nguồn năng lượng
hệ động lực ô tô hybrid ............................................................ 34
Hình 2-2. Đặc điểm biến thiên của các chất HC, CO và NO theo 
ở động cơ xăng ......................................................................... 36
Hình 2-3. Minh họa tập tối ưu Pareto và Pareto front................................. 37
Hình 2-4. Lực và momen tác dụng lên ôtô khi chuyển động thẳng ........... 43
Hình 2-5. Dạng đặc tính tốc độ của động cơ xăng ..................................... 50
Hình 2-6. Dạng đặc tính tổng hợp của động cơ xăng ................................. 50


xiii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của mình cá nhân tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố
trong bất cứ công trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Vũ Thăng Long


xiv

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Vũ Văn Xứng - Nguyên Hiệu trưởng
Trường Đại học Nha Trang đã cho phép tôi thực hiện Luận án này. PGS.TS.Trang
Sĩ Trung – Hiệu Trưởng đương nhiệm đã cho phép tôi được bảo vệ Luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang,
Trưởng khoa Sau Đại học, Trưởng khoa Kỹ thuật Giao thông, Trưởng khoa Cơ khí
và Bộ môn Động lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành Luận án.
Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận,
người Thầy đáng kính đã dạy dỗ tôi từ khi tôi mới bước chân vào Trường Đại học
Nha Trang và cũng chính là người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện
Luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS.Quách Đình Liên, PGS.TS. Phạm Hùng
Thắng, PGS.TS.Trần Gia Thái, TS.Lê Bá Khang, TS. Phùng Minh Lộc - Trường ĐH
Nha Trang, TS.Nguyễn Lê Duy Khải - Trường ĐHBK TP.HCM, PGS.TS.Lê Anh

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.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.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,

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 ".
2. 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.


4

3. 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.
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
(1) Các nguồn năng lượng trong cấu trúc tổng thể của hệ động lực của ô tô

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 thực nghiệm
mô phỏng trên máy tính.
6. NỘI DUNG VÀ BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
Nội dung luận án được bố cục thành 4 chương, không kể phần Mở đầu và Phụ
lục, bao gồm :
Chương 1 : Tổng quan về ô tô hybrid và nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực
của ô tô hybrid

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.


8

1.1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID
1.1.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA Ô TÔ HYBRID

Hình 1-1. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu nối tiếp [7], [11]
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 BT 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.