Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế độ lớn và tham số điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực 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

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

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

Khánh Hòa, 2016


i

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC .......................................................................................................i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ...............................................................................xi
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................xiii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................xiv
MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID VÀ NGHIÊN CỨU
TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CỦA Ô TÔ HYBRID
1.1. Tổng quan về ô tô hybrid ........................................................................8
1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của ô tô hybrid ..............................................8
1.1.2. So sánh ôtô hybrid với ô tô truyền thống .................................14
1.1.3. So sánh các kiểu ôtô hybrid .....................................................16
1.1.4. Sơ lược lịch sử phát triển ô tô hybrid .......................................17
1.2. Tổng quan về nghiên cứu tối ưu hóa hệ động lực hybrid .......................19
1.2.1. Nghiên cứu trong nước về ô tô hybrid ......................................19
1.2.2. Nghiên cứu của nước ngoài về tối ưu hóa
hệ động lực của ô tô hybrid .....................................................22
1.3. Những vấn đề cần được nghiên cứu

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 :

THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG TỐI ƯU HÓA ĐỘ LỚN
VÀ THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG
HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID

3.1. Mục tiêu thực nghiệm mô phỏng.............................................................76
3.2. Công cụ thực nghiệm mô phỏng..............................................................76
3.2.1. Phần mềm mô phỏng ADVISOR ..............................................76
3.2.2. Môđun giải thuật đàn ong ..........................................................77
3.2.3. Bộ dữ liệu về ô tô Honda Insight 2000 ......................................79
3.2.4. Bộ dữ liệu về ô tô Toyota Prius 1998 ........................................80
3.2.5.Chu trình vận hành......................................................................82


iii

3.3. Nội dung và phương pháp thực nghiệm mô phỏng..................................83
3.3.1. Danh mục thực nghiệm mô phỏng.............................................83
3.3.2. Thực nghiệm mô phỏng trên Honda Insight 2000 .....................84
3.3.3. Thực nghiệm mô phỏng trên Toyota Prius 1998 ......................85
3.4. Xác định các dữ liệu ban đầu .................................................................87
3.4.1. Điều kiện ràng buộc ................................................................ 87
3.4.2. Hệ số cản lăn ........................................................................... 87
3.4.3. Các tham số của BBA và PBA ................................................ 88
3.4.4. Tổng công suất của hệ động lực .............................................. 88
3.4.5. Dải công suất của ICE và EM ................................................. 89
3.4.6. Dải dung lượng của AQ .......................................................... 91
3.4.7. Dải công suất của máy phát điện trên Toyota Prius 1998 ....... 91
3.4.8. Các hệ số tỷ lệ áp dụng cho Honda Insight 2000 .................... 92
3.4.9. Các hệ số tỷ lệ áp dụng cho Toyota Prius 1998 ...................... 93

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

BBA

Giải thuật đàn ong cơ sở

CECDC

Chu trình vận hành áp dụng cho ô tô ở Việt Nam

CEMDC

Chu trình vận hành áp dụng cho xe máy ở Việt Nam

EA

Giải thuật tiến hóa (Evolution Algorithm)

EG

Máy phát điện

EM

Động cơ điện

EPA

Tổ chức bảo vệ môi trường của Hoa Kỳ (Environmental Protection
Agency)

FTP

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.

PBA
P-HEV

Giải thuật đàn ong dựa trên pheromone
Ô tô hybrid kiểu song song


v

PNGV

Partnership for a New Generation of Vehicles

PSD

Bộ chia công suất (Power Split Device)

PSO

Giải thuật đám đông phần tử (Particle Swarm Optimization)

SAA

Giải thuật mô phỏng quá trình ủ kim loại (Simulated Annealing
Algorithm)

S-HEV

Ô tô hybrid kiểu nối tiếp

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

Caero

Hệ số cản khí động học

3

Cm.ice

Vận tốc trung bình của piston

4

Croll

Hệ số cản lăn

5

dv/dt

Gia tốc của xe

6

Faero

Lực cản khí động học

7

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

gice

Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích của động cơ

13

HF

Hệ số hybrid

14

HC, CO, NO

Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải
của động cơ đốt trong bị khống chế trong
tiêu chuẩn khí thải

15

mcar

Khối lượng của xe

16

Mice

Momen quay của động cơ đốt trong

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

Nice

Công suất có ích của động cơ đốt trong

23

Niner

Công suất quán tính tiêu hao do quán tính

24

Nroll

Công suất tiêu hao cho lực cản lăn

25

Ntrac

Công suất kéo

Tốc độ quay


vii

26

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

31

Vice

32



33

em

Tốc độ góc của động cơ điện

34

ice

Tốc độ góc của động cơ đốt trong

35

ice

Hiệu suất có ích của động cơ đốt trong

36

em

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

Hệ số tỉ lệ dung lượng ắc qui so với AQ
hiện tại

41

cs_dl_assist_trq_threshold

Ngưỡng dưới mô men dẫn động yêu cầu
mà EM không hỗ trợ công suất để cùng
ICE dẫn động xe

42

cs_mc_assist_min_frac

Mô men nhỏ nhất do EM cung cấp để cùng
ICE dẫn động xe khi mô men dẫn động


viii

vượt ngưỡng (phần trăm của mô men dẫn
động lớn nhất của EM)
43

cs_mc_assist_slope

Phần trăm độ dốc mô men yêu cầu do EM
cung cấp để cùng ICE dẫn động xe khi mô
men dẫn động vượt ngưỡng (phần trăm của

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

Phần trăm độ dốc mô men dẫn động âm
được EM tái sinh khi mô men dẫn động
vượt ngưỡng (phần trăm của mô men tái
sinh lớn nhất của EM)

48

cs_mc_regen_max_frac

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

49

cs_decel_regen_threshold

Tốc độ nhỏ nhất mà dưới tốc độ này EM sẽ
không tái sinh năng lượng phanh

50

cs_lo_soc

Giới hạn dưới của trạng thái năng lượng
AQ

51

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

Bảng 2-5. Tập biến đầu vào của mô hình tối ưu hóa hệ động lực
của ô tô hybrid kiểu song song ................................................ 63
Bảng 2-6. Tập biến đầu vào của mô hình tối ưu hóa hệ động lực
của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp ................................................... 72


x

Bảng 3-1. Đặc điểm kỹ thuật của Honda Insight 2000 .............................. 79
Bảng 3-2. Đặc điểm kỹ thuật của Toyota Prius 1998 ................................. 81
Bảng 3-3. Danh mục các thực nghiệm mô phỏng ...................................... 83
Bảng 3-4. Hệ số hybrid của một số ô tô thương mại .................................. 89
Bảng 3-5. Giới hạn của các biến đầu vào
sử dụng cho Honda Insight 2000 ............................................... 93
Bảng 3-6. Giới hạn của các biến đầu vào sử dụng cho Toyota Prius 1998.. 95
Bảng 3-7. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển
Honda Insight 2000 bằng BBA theo CECDC ............................................. 95
Bảng 3-8. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển
Honda Insight 2000 bằng PBA theo CECDC ............................................. 96
Bảng 3-9. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển
Honda Insight 2000 bằng BBA theo FTP ................................................... 97
Bảng 3-10. Kết quả tối ưu hóa riêng lẻ tham số điều khiển
Honda Insight 2000 bằng PBA theo FTP ................................................... 98
Bảng 3-11. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng
và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng BBA theo CECDC ....... 100
Bảng 3-12. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng
và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng PBA theo CECDC ....... 101
Bảng 3-13. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng
và tham số điều khiển Honda Insight 2000 bằng BBA theo FTP ............ 102
Bảng 3-14. Kết quả tối ưu hóa đồng thời độ lớn nguồn năng lượng

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

Hình 2-7. Mô hình năng lượng của ICE ..................................................... 51
Hình 2-8. Chiến lược điều khiển Honda Insight 2000 ................................ 53
Hình 2-9. Minh họa "sàn nhảy" .................................................................. 56
Hình 2-10. Thông tin giao tiếp tại "sàn nhảy" ........................................... 56
Hình 2-11. Lưu đồ giải thuật BBA ............................................................. 57
Hình 2-12. Ảnh hưởng qua lại của pheromone đến số lượng ong .............. 59
Hình 2-13. Ảnh hưởng của fitness đến số lượng ong
dùng để tìm kiếm cục bộ ........................................................... 59
Hình 2-14. Ảnh hưởng tổng hợp các tham số trong PBA .......................... 59


xii

Hình 2-15. Sơ đồ hệ động lực ô tô hybrid kiểu song song …………......... 62
Hình 2-16. Sơ đồ hệ động lực của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp..................... 72
Hình 3-1. Sơ đồ liên kết giữa môđun giải thuật đàn ong và ADVISOR ... 78
Hình 3-2. Ô tô Honda Insight 2000............................................................ 79
Hình 3-3. Ô tô Toyota Prius 1998 ............................................................ 80
Hình 3-4. Sơ đồ thực nghiệm mô phỏng tối ưu hóa
hệ động lực của Honda Insight 2000 ........................................ 84
Hình 3-5. Sơ đồ thực nghiệm mô phỏng tối ưu hóa
hệ động lực của Toyota Prius 1998 .......................................... 86
Hình 3-6: Ảnh hưởng của w1 đến FC ...................................................... 106
Hình 3-7a: Ảnh hưởng của w1 đến HC ................................................... 107
Hình 3-7b: Ảnh hưởng của w2 đến HC .................................................. 107
Hình 3-8a: Ảnh hưởng của w1 đến CO .................................................. 108
Hình 3-8b: Ảnh hưởng của w3 đến CO .................................................. 108
Hình 3-9a: Ảnh hưởng của w1 đến NO .................................................. 109
Hình 3-9b: Ảnh hưởng của w4 đến NO .................................................. 109

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

Tuấn - Trường ĐHBK Hà Nội đã giảng dạy, động viên và cho tôi nhiều ý kiến quý
báu về phương pháp luận của Luận án. Tôi cũng gởi lời tri ân đến TS. Packianather
M S - Trường ĐH Cardiff, Vương quốc Anh đã cho tôi những kiến thức ban đầu về
giải thuật tối ưu và đã cùng trao đổi, phát triển giải thuật đàn ong được sử dụng
trong luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy trong
Hội đồng chấm Luận án đã đồng ý đọc, duyệt và đóng góp ý kiến để tôi hoàn chỉnh
Luận án và hoạch định những nội dung nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng nhưng không phải ít, con xin chân thành cảm ơn Ba Mẹ, chị em,
đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt là vợ và hai con thân yêu đã luôn ở bên, ủng hộ, động
viên tinh thần cho tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án này.
Nghiên cứu sinh
Vũ Thăng Long


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.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,

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
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.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 [21].

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

hybrid kiểu song song và kiểu hỗn hợp, bao gồm: ICE, EM, máy phát điện (EG) và
ắcqui điện (BT).
(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 BT được hiểu là dung lượng tổng cộng của các BT. 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 BT 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 (componentlevel 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.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 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

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
Chương 3 :

Thực nghiệm mô phỏng tối ưu hóa độ lớn và tham số
điều khiển nguồn năng lượng hệ động lực ô tô hybrid

Chương 4 :

Kết luận và khuyến nghị


6

7. NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
(1) Phát triển mô hình 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 được cấu
thành từ ICE và EM, trong đó cho phép xét đến các điều kiện khai thác kỹ thuật
thực tế ở Việt Nam;
(2) Cải tiến giải thuật đàn ong và xây dựng các hàm phạt để ứng dụng nó trong
bài toán tối ưu hóa hệ động lực ô tô hybrid;
(3) Phát triển mô đun giải thuật đàn ong và tích hợp nó với phần mềm
ADVISOR do NREL (National Renewable Energy Laboratory - Hoa Kỳ) xây dựng
phục vụ thực nghiệm mô phỏng tối ưu hóa độ lớn và các tham số điều khiển nguồn
năng lượng hệ động lực ô tô hybrid.
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.


8

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 và ô tô hybrid chỉ khác nhau cơ
bản ở hệ thống động lực. Hệ thống động lực của ô tô hybrid (sau đây gọi tắt là hệ
động lực hybrid) phổ biến hiện nay được cấu thành từ một ICE và một hoặc nhiều
EM. Trong các ấn phẩm chuyên ngành bằng tiếng Anh, các thuật ngữ: "hybrid car",
"hybrid vehicle", "hybrid road vehicle" và "hybrid electric vehicle" thường được sử
dụng để chỉ loại ô tô hybrid có hệ thống động lực như vậy. Trong luận án này, thuật
ngữ "xe hybrid" và "ô tô hybrid" được hiểu là có nội hàm tương đương.
Căn cứ vào cách thức liên kết giữa ICE và EM, tỷ lệ công suất của ICE và
của EM được sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, sự phân công về thời gian
làm việc của ICE và của EM trong quá trình vận hành; ô tô hybrid hiện đại được
phân thành 3 nhóm: ô tô hybrid kiểu nối tiếp, ô tô hybrid kiểu song song và ô tô
hybrid kiểu hỗn hợp.
1.1.1.1. Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP
Ô tô hybrid kiểu nối tiếp, trong tiếng Anh được gọi là Series Hybrid Electric
Vehicle, sau đây viết tắt là S-HEV.
Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV bao gồm: một ICE, một
hoặc một số EM, một EG, bộ BT, bộ chuyển đổi điện và cặp bánh răng giảm tốc
(xem Hình 1-1). Về cơ bản, hệ động lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ô tô
điện ở chỗ có thêm một ICE và EG [19].
Ở S-HEV, ICE chỉ có chức năng lai EG để cung cấp điện cho EM hoặc nạp
điện cho BT, EM đảm bảo 100% công suất yêu cầu để dẫn động các bánh xe chủ
động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc. EM chạy bằng điện từ BT hoặc trực
tiếp từ EG. Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc
bố trí giữa EM và vi sai, thay cho hộp số nhiều cấp ở ô tô truyền thống. Trong
trường hợp EM được bố trí trực tiếp trong các moayơ của bánh xe chủ động, SHEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động điện
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 [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.