Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện

Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện Nghiên cứu mô hình phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô hybrid điện

HÀ NỘI – 2025

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HUỆ TÀI MINH

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH PHÂN TÍCH MỨC TIÊU HAO

NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ HYBRID ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ

HÀ NỘI – 2025

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HUỆ TÀI MINH

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH PHÂN TÍCH MỨC TIÊU HAO

NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ HYBRID ĐIỆN

Ngành: Kỹ thuật ô tô

Mã số: 9520130

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quảnêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tàinghiên cứu nào khác

Hà Nội, tháng năm 2025

Người hướng dẫn khoa học 1

PGS TS Đàm Hoàng Phúc

Người hướng dẫn khoa học 2

TS Lê Văn Nghĩa

Nghiên cứu sinh

Lê Huệ Tài Minh

LỜI CẢM ƠN

NCS xin trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường

Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực, Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạođiều kiện cho NCS thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội

NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là PGS.TSĐàm Hoàng Phúc và TS Lê Văn Nghĩa, những người hướng dẫn khoa học, đã tậntình giúp đỡ hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giảiquyết vấn đề cụ thể đặt ra giúp thực hiện và hoàn thành luận án

Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô Đại học Khoa học và Côngnghệ Hà Nội đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trongquá trình học tập và nghiên cứu

Xin cảm ơn Câu lạc bộ BK – AUTO đã hỗ trợ, giúp đỡ NCS trong quá trìnhthí nghiệm phục vụ việc hoàn thành luận án

Xin Cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã ủng

hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu củaNCS

Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia định và bạn bè, nhữngngười đã luôn động viên khuyến khích giúp đỡ trong suốt thời gian nghiên cứu vàthực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Lê Huệ Tài Minh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

TÓM TẮT 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1.Đặt vấn đề 5

1.2.Phương pháp xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ trên ô tô 8

1.3.Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe 21

1.3.1.Yếu tố vận tốc 21

1.3.2.Hiệu quả tái tạo năng lượng 23

1.3.3.Hiệu suất nguồn động lực 28

1.4.Mục tiêu luận án 30

1.5.Đối tượng nghiên cứu 30

1.6.Phạm vi luận án 30

1.7.Phương pháp nghiên cứu và bố cục luận án 31

Kết luận Chương 1 31

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ CỦA XE HYBRID 33

2.1.Thông số đặc trưng giao thông 33

2.1.1.Chu trình tiêu chuẩn và những hạn chế 33

2.1.2.Phương pháp xác định thông số đặc trưng điều kiện giao thông khu vực 35

2.2.Xây dựng mô hình 40

2.2.1.Công suất tại bánh xe 40

2.2.2.Công suất phanh 41

2.2.3.Công suất hệ thống truyền lực và hệ thống cơ điện 42

2.2.4.Công suất động cơ đốt trong 44

2.2.5.Kết quả tính toán mô hình 45

2.3.Phương pháp xác định các hàm tham số mô hình 46

2.3.1.Hệ số tái tạo năng lượng 47

2.3.2.Hiệu suất ĐCĐT 48

2.3.3.Hiệu suất hệ thống cơ điện 48

2.3.4.Kết luận 54

Kết luận Chương 2 54

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM THAM SỐ MÔ HÌNH VÀ KIỂM

CHỨNG MÔ HÌNH 56

3.1.Mục tiêu, yêu cầu và quy hoạch thực nghiệm 56

3.1.1.Mục tiêu và yêu cầu 56

3.1.2.Quy hoạch thực nghiệm 56

3.2.Thiết bị và cấu hình thí nghiệm 62

3.3.Thí nghiệm xác định hàm tham số mô hình 70

3.3.1.Mục đích và quy trình thí nghiệm 70

3.3.2.Yêu cầu và phương pháp xử lý dữ liệu 70

3.3.3.Bộ thông số đặc trưng điều kiện giao thông Hà Nội 82

3.3.4.Tính toán hệ số tái tạo năng lượng 84

3.3.5.Tính toán hiệu suất động cơ đốt trong 89

3.3.6.Tính toán hiệu suất hệ thống cơ điện 94

3.3.7.Kết luận 100

3.4.Thí nghiệm kiểm chứng mô hình 100

3.4.1.Mục đích và quy trình thí nghiệm 100

3.4.2.Trình tự thí nghiệm 101

3.4.3.Kết quả 103

3.4.4.Kết luận 107

Kết luận Chương 3 107

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU VÀ CẮT GIẢM PHÁT THẢI CỦA CHUYỂN DỊCH GIAO THÔNG XANH 108

4.1.Đặt vấn đề 108

4.2.Phương pháp nghiên cứu 110

4.3.Kết quả 114

Kết luận Chương 4 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119

DANH MỤC THAM KHẢO 120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 128

PHỤ LỤC A – QUY HOẠCH THÍ NGHIỆM 130

PHỤ LỤC B – KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHƯƠNG 3 132

B.1.KẾT QUẢ XỬ LÝ DỮ LIỆU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM THAM SỐ MÔ HÌNH 132

B.2.KẾT QUẢ XỬ LÝ DỮ LIỆU THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH 134

PHỤ LỤC C – BẢNG KHẢO SÁT ĐỊNH LƯỢNG QUÃNG ĐƯỜNG DI

CHUYỂNCỦA TÀI XẾ TAXI TRONG NỘI ĐÔ HÀ NỘI 135

PHỤ LỤC D – KẾT QUẢ THỐNG KÊ 136

GTVT Giao thông vận tải

TBH Trung bình hóa

ADVISOR Phần mềm mô phỏng động học Advanced Vehicle

SimulatorPSAT Phần mềm mô phỏng động học Power System

Analysis ToolboxANL Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Hoa Kỳ)

NREL Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (Hoa

Kỳ)HEV Xe hybrid / Hybrid Electric Vehicle

ICE

Động cơ đốt trongĐCĐT

ĐCĐ Động cơ điện

CTDC Chu trình di chuyển

HTTL Hệ thống truyền lực

PTT Phanh tái tạo

CAN Control Area Network - Mạng điều khiển cục bộ

OBD-II Cổng kết nối máy chẩn đoán (On-board Diagnostics)

MG1 Máy phát 1

MG2 Mô tơ 2

NSX Nhà sản xuất

ACEA Hiệp hội Các nhà sản xuất ô tô châu Âu

IEA Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy

Agency)NDC Đóng góp do Quốc gia tự quyết định

OEMS Chiến lược quản lý năng lượng tối ưu (Optimal energy

management strategy)IEMS Chiến lược quản lý năng lượng tức thời (Instantaneous

energy management strategy)ĐHBKHN Đại học Bách Khoa Hà Nội

𝑣𝑎𝑣𝑔 Vận tốc trung bình bậc nhất m/s

𝑣𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 Vận tốc tại bước tính trước trong lúc giảm tốc m/s

T Thời gian hoàn thành chu trình di chuyển s𝑃̅𝑓 Công suất cản trung bình do các yếu tố môi trường W

𝑘𝑡𝑡 Hệ số tái tạo năng lượng

𝑃𝑐 Công suất cản mặt đường tức thời W𝑃̄𝑐 Tổng công suất cản mặt đường và cản khí động trungbình W𝑃̄𝐻𝑇𝑇𝐿−𝑟𝑎 Công suất đầu ra hệ thống truyền lực trung bình W𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑡ổ𝑛

𝑡ℎấ𝑡

Công suất tổn thất hệ thống truyền lực trung bình W𝑃̄𝐻𝑇𝑇𝐿−𝑣à𝑜 Công suất đầu vào hệ thống truyền lực trung bình W

𝜂𝐻𝑇𝑇𝐿 Hiệu suất hệ thống truyền lực %

𝑃̄𝑐𝑑_𝑡𝑡 Công suất tổn thất trên hệ thống cơ điện trung bình W𝑃̄𝑝𝑡 Công suất phụ tải trung bình W𝑃̄𝑒 Công suất động cơ đốt trong trung bình W

𝜆 Hệ số quy đổi 01 lít xăng sang năng lượng kWh/l

𝐵 Lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe (Tính theo mô hình) l/100km

FC Nhiên liệu tiêu thụ của xe lít xăng

𝜆 Tỷ lệ quy đổi từ lít xăng sang năng lượng kWh/lít

𝑈𝑝𝑖𝑛 Hiệu điện thế tức thời của pin V

𝐼𝑝𝑖𝑛 Cường độ dòng điện tức thời của pin A

𝑇𝑀𝐺1 Mô men sinh ra tại máy phát MG1 Nm

𝑛𝑀𝐺1 Tốc độ vòng quay của máy phát vòng/phút

𝑇𝑀𝐺2 Mô men sinh ra tại mô tơ MG2 Nm

𝑛𝑀𝐺2 Tốc độ vòng quay của mô tơ MG2 vòng/phút

𝑡𝑐𝑑−𝑛ạ𝑝 Tỷ lệ thời gian pin nạp điện trên tổng thời gian hệthống cơ điện hoạt động trên CTDC %

𝑡𝑐𝑑−𝑥ả Tỷ lệ thời gian pin xả điện trên tổng thời gian HT cơđiện hoạt động trên CTDC %

𝑃𝑒 Công suất tức thời của động cơ đốt trong W

𝑛𝑒 Tốc độ vòng tua tức thời của động cơ đốt trong vòng/phút

𝛥𝑣 Chênh lệch vận tốc xe sau và trước khi hoàn thànhCTDC m/s

𝐸𝑡𝑡 Năng lượng tái tạo quy về bánh xe trên 01 CTDC J

𝐸𝑝 Năng lượng phanh yêu cầu tại bánh xe trên 01 CTDC J

𝑣𝑡𝑟 Vận tốc tại bước tính trước đó – trong luận án chọn là1 giây m/s

𝐹𝐶 Nhiên liệu tiêu thụ của xe lấy từ bộ đo nhiên liệu l

𝐹𝐶𝑡đ Nhiên liệu tiêu thụ tương đương của xe (Bao gồm quyđổi điện năng tiêu thụ của hệ thống cơ điện) l

𝛿 Hệ số quy đổi từ điện năng tiêu thụ sang nhiên liệutiêu thụ trên xe hybrid 1%SOCml/

∑ 𝐹𝐶 Nhiên liệu tiêu thụ của ĐCĐT khi pin được sạc từ39,6% lên 47,05% l

S Quãng đường xe hoàn thành chu trình di chuyển km

𝐹𝐶𝑘𝑚 Lượng tiêu thụ nhiên liệu từng mẫu xe taxi trong ngày l/100km

∆SOC Chênh lệch phần trăm dung lượng pin sau và trước khi

𝑆𝑡𝑏 Giá trị trung bình quãng đường taxi di chuyển hằngngày km

𝐹𝐶𝑛𝑔à𝑦 Nhiên liệu tiêu hao trong ngày của toàn bộ taxi l

σ𝐹𝐶 Sai lệch kết quả mô hình và thực nghiệm %

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lượng theo ngành tại Việt Nam (2010-2021) [2] 5

Hình 1.2 Mức tiêu thụ năng lượng theo loại phương tiện [3] 5

Hình 1.3 Sự xuất hiện của thông số nhiên liệu tiêu thụ trong vòng đời của xe 6

Hình 1.4 Mối quan hệ giữa các mô hình trong việc thiết kế và đánh giá hiệu năng ô tô [5] 7

Hình 1.5 Trình tự phương pháp thực nghiệm trên xe 9

Hình 1.6 Sơ đồ nghiên cứu của phương pháp mô phỏng backward-facing [8] 10

Hình 1.7 Sơ đồ nghiên cứu của phương pháp mô phỏng forward-facing [8] 10

Hình 1.8 Giao diện của ADVISOR [10] 11

Hình 1.9 Giao diện của FASTSim [12] 12

Hình 1.10 Sơ đồ mô hình xe điện từ ĐHBKHN [13] 13

Hình 1.11 Thu thập dữ liệu theo nghiên cứu của Alberto Diaz Alvarez [15] 14

Hình 1.12 Mô tả phương pháp “Single layer perception” 14

Hình 1.13 Sơ đồ lực trên ô tô để thiết lập cân bằng lực kéo [16] 15

Hình 1.14 Tham số sử dụng trong hai phương pháp 17

Hình 1.15 Trình tự tính toán theo phương pháp TBH 17

Hình 1.16 Bảng tính theo phương pháp TBH trên xe hybrid song song [5] 18

Hình 1.17 Kết quả thí nghiệm của Bo Peng [20] 22

Hình 1.18 Chế độ vận hành khi tăng tốc 23

Hình 1.19 Chế độ vận hành khi phanh tái tạo 23

Hình 1.20 Hệ số phanh tái tạo biến đổi theo gia tốc chậm dần của xe 24

Hình 1.21 Hệ số phanh tái tạo biến đổi theo vận tốc xe 24

Hình 1.22 Mô hình xe hybrid song song trong ADVISOR [33] 28

Hình 1.23 Phương pháp áp dụng thuật toán [33] 28

Hình 1.24 Bản đồ hiệu suất ĐCĐT 29

Hình 1.25 Đặc tính ĐCĐ trong nghiên cứu của W.J Sweeting [34] 29

Hình 1.26 Trình tự nội dung nghiên cứu 32

Hình 2.1 Các chu trình tiêu chuẩn phổ biến 34

Hình 2.2 Minh họa về quá trình xây dựng chu trình 34

Hình 2.3 Cặp chu trình dùng cho kiểm chứng hai thông số đặc trưng về tốc độ xe 36

Hình 2.4 Sơ đồ phương pháp kiểm chứng hai thông số đặc trưng về tốc độ xe 36

Hình 2.5 Kết quả kiểm chứng thông số vận tốc trung bình bậc ba 37

Hình 2.6 Kết quả kiểm chứng thông số vận tốc trung bình 37

Hình 2.7 Các chu trình dùng cho kiểm chứng gia tốc đặc trưng 38

Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp kiểm chứng thông số gia tốc đặc trưng 38

Hình 2.9 Kết quả kiểm chứng thông số gia tốc đặc trưng 38

Hình 2.10 Chu trình tiêu chuẩn trên đường cao tốc (HWFET) 39

Hình 2.11 Chu trình tiêu chuẩn WLTP 39

Hình 2.12 Sơ đồ phương pháp kiểm chứng thông số đặc trưng trên chu trình tiêu chuẩn 39

Hình 2.13 Kết quả kiểm chứng thông số đặc trưng trên chu trình HWFET 40

Hình 2.14 Kết quả kiểm chứng thông số đặc trưng trên chu trình WLTP 40

Hình 2.15 Sự phân bố công suất tại bánh xe 41

Hình 2.16 Phân chia lại các hệ thống trên xe hybrid 43

Hình 2.17 Dịch chuyển công suất trên HTTL và hệ thống cơ điện 43

Hình 2.18 Phương pháp xác định hàm tham số mô hình 46

Hình 2.19 Cấu trúc hệ thống truyền lực của xe hybrid hỗn hợp [48] 49

Hình 2.20 Chế độ hoạt động khi ĐCĐT khởi động [48] 49

Hình 2.21 Chế độ di chuyển ở vận tốc thấp khi điện tích pin ở mức >39,6% [48] 50 Hình 2.22 Chế độ di chuyển ở vận tốc thấp khi điện tích pin ở mức <39,6% [48] 50 Hình 2.23 Chế độ di chuyển ở vận tốc cao hoặc 100% bàn đạp ga [48] 51

Hình 2.24 Chế độ hoạt động khi xe giảm tốc [48] 51

Hình 2.25 Chế độ hoạt động khi xe lùi [48] 52

Hình 2.26 Đường truyền năng lượng trong hệ thống cơ điện khi pin nạp 53

Hình 2.27 Đường truyền năng lượng trong hệ thống cơ điện khi pin xả 53

Hình 2.28 Sơ đồ và trình tự tính toán mô hình tính toán nhiên liệu tiêu thụ trên xe hybrid 55

Hình 3.1 Kịch bản lộ trình thử nghiệm thực tế 59

Hình 3.2 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị thu thập dữ liệu vận hành xe 62

Hình 3.3 Hình ảnh mô tả cổng OBD-II [51] 63

Hình 3.4 Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu của xe 64

Hình 3.5 Tập dữ liệu thu thập về máy tính 64

Hình 3.6 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị đo lượng tiêu thụ nhiên liệu cùa xe 65

Hình 3.7 Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ [56] 67

Hình 3.8 Tập dữ liệu thu thập về máy tính 67

Hình 3.9 Sơ đồ lắp đặt toàn bộ các thiết bị thử nghiệm 68

Hình 3.10 Một số hình ảnh thử nghiệm thực tế 69

Hình 3.11 Sơ đồ tổng hợp quá trình xử lý số liệu 72

Hình 3.12 Dữ liệu về ĐCĐT và nhiên liệu tiêu thụ sau 01 lần chạy trên 01 chu trình theo kịch bản nội đô thấp điểm 73

thấp điểm 86 Hình 3.24 Quan hệ giữa hệ số tái tạo năng lượng và thông số đặc trưng 88 Hình 3.25 Dữ liệu được xử lý để tính hiệu suât động cơ đốt trong trên chu trình nộiđô

thấp điểm 90 Hình 3.26 Quan hệ giữa hiệu suất ĐCĐT và thông số đặc trưng 92 Hình 3.27 Đường đặc tính ĐCĐT chạy chu trình Atkinson trên xe hybrid [58] 93 Hình 3.28 Quan hệ giữa thông số đặc trưng điều kiện giao thông và thời gian ĐCĐThoạt động ở vòng tua hiệu quả 93Hình 3.29 Dữ liệu được xử lý để tính hiệu suất hệ thống cơ điện khi pin nạp trên chutrình nội đô thấp điểm 95 Hình 3.30 Dữ liệu được xử lý để tính hiệu suất hệ thống cơ điện khi pin xả trên chutrình nội đô thấp điểm 96Hình 3.31 Quan hệ giữa tỷ lệ thời gian pin nạp điện và thông số đặc trưng điều kiệngiao thông Hà Nội 98 Hình 3.32 Quan hệ giữa tỷ lệ thời gian pin xả điện và thông số đặc trưng điều kiệngiao thông Hà Nội 98

Hình 3.33 Biểu đồ mối quan hệ giữa hiệu suất hệ thống cơ điện và thông số đặc trưng

99

Hình 3.34 Trình tự thí nghiệm kiểm chứng mô hình 101

Hình 3.35 Kết quả kiểm chứng mô hình bằng thực nghiệm 106

Hình 4.1 Lượng phát thải theo từng lĩnh vực 108

Hình 4.2 Quy mô thị trường taxi Việt Nam [70] 109

Hình 4.3 Quy trình xác định thông số đặc trưng giao thông khu vực khảo sát 110

Hình 4.4 Sơ đồ và trình tự tính toán mô hình trên xe thuần ĐCĐT 112

Hình 4.5 Áp dụng mô hình vào hai mẫu xe khảo sát 113

Hình 4.6 Khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi chuyển dịch sang taxi hybrid 117

Hình 4.7 Khả năng giảm phát thải khí CO 2 khi chuyển sang taxi hybrid .117

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Sai số theo phương pháp “Single layer perception” 15

Bảng 1.2 Sai lệch giữa ADVISOR và phương pháp TBH trên chu trình NEDC [5]

19

Bảng 1.3 Tiêu chí mô tả phương pháp tính toán năng lượng xe 19

Bảng 1.4 Đặc điểm từng phương pháp tính toán năng lượng 20

Bảng 2.1 Mô tả về thông số đặc trưng điều kiện giao thông khu vực 35

Bảng 2.2 Thông số các chu trình khảo sát 38

Bảng 2.3 Thông số đặc trưng CTDC HWFET 39

Bảng 2.4 Thông số đặc trưng CTDC WLTP 39

Bảng 2.5 Ví dụ tính toán công suất trung bình cho xe hybrid điện cho 01 chu trình 45

Bảng 2.6 Phân chia chế độ hoạt động trên xe hybrid theo tình trạng pin 52

Bảng 3.1 Thông tin về chu trình thử nghiệm 59

Bảng 3.2 Bảng tra hệ số Student-Fischer [50] 60

Bảng 3.3 Tra cứu số lần thí nghiệm [50] 60

Bảng 3.4 Kết quả xác định số lần thí nghiệm cần thiết 61

Bảng 3.5 Yêu cầu về thiết bị và dữ liệu thí nghiệm 62

Bảng 3.6 Hình ảnh và tính năng của bộ chuyển đổi dữ liệu GTS TIS3 OTC [52]

63Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật máy tính laptop thu thập dữ liệu 64

Bảng 3.8 Danh mục dữ liệu có thể trích xuất từ cổng OBD-II [54] 65

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật bộ đo nhiên liệu Kistler DFL-3x-5bar [55] 66

Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật bộ xử lý tín hiệu [55] 66

Bảng 3.11 Thông số thí nghiệm xe khảo sát 70

Bảng 3.12 Thông số đặc trưng điều kiện giao thông Hà Nội của 32 lần thí nghiệm 82

Bảng 3.13 Kết quả hệ số tái tạo năng lượng của 32 lần thí nghiệm 87

Bảng 3.14 Kết quả hiệu suất ĐCĐT của 32 lần thí nghiệm 91

Bảng 3.15 Kết quả 32 lần thí nghiệm xác định hiệu suất hệ thống cơ điện 97

Bảng 3.16 Yêu cầu về thiết bị và dữ liệu cần thu thập cho phần việc quy đổi năng lượng điện thành nhiên liệu tương đương 102

Bảng 3.17 Thông tin cơ bản thí nghiệm kiểm chứng mô hình 103

Bảng 3.18 Yêu cầu về thiết bị và dữ liệu cần thu thập cho phần việc kiểm chứng

môhình 103

Bảng 3.19 Quy đổi từ điện năng tiêu thụ sang nhiên liệu tiêu thụ trên xe hybrid

104Bảng 4.1 Thông số cơ bản xe khảo sát [72] 111

Bảng 4.2 Thông số đặc trưng CTDC nội đô Hà Nội 114

Bảng 4.3 Kết quả áp dụng mô hình trên xe Toyota Corolla Cross 1.8V 115

Bảng 4.4 Kết quả áp dụng mô hình trên xe Toyota Corolla Cross 1.8HV 116

Bảng A.1 Kết quả xác định số lần thí nghiệm tối thiểu để kết quả đạt xác suất tin

cậy( β = 0,9) 130

Bảng D.2 Quãng đường taxi di chuyển trong ngày 136

mô hình tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe hybrid điện hỗn hợp, kết hợp vớicác phương pháp quy đổi sang lượng phát thải nhà kính, để đánh giá hiệu quả vậnhành của xe hybrid điện hỗn hợp trong điều kiện giao thông Hà Nội.

Các nghiên cứu trước đây về mô hình tính toán nhiên liệu thường dựa trêncác điều kiện tiêu chuẩn, chưa phản ánh đầy đủ việc di chuyển thực tế của xe và sựbiến đổi của điều kiện giao thông khu vực Do đó, luận án đề xuất mô hình tính toánlượng nhiên liệu tiêu thụ của xe hybrid điện, có tính đến các đặc trưng giao thôngcủa Hà Nội thông qua việc xác định các thông số đặc trưng cho điều kiện giao thôngtại đây Các tham số của mô hình cần được biểu diễn thành hàm tham số biến đổitheo đặc trưng giao thông Hà Nội, không còn là các giá trị tức thời Mô hình đề xuất

sẽ giúp tăng tính tiện lợi, giảm đáng kể thời gian tính toán và phù hợp với các bàitoán khảo sát quy mô rộng về hiệu quả vận hành của xe hybrid điện trong một khuvực cụ thể

Để nâng cao độ tin cậy của mô hình thông qua việc xác định các hàm tham

số theo đặc trưng điều kiện giao thông khu vực, trong luận án đã trình bày phươngpháp thí nghiệm để xác định các hàm phụ thuộc này Quy mô thí nghiệm được triểnkhai để đảm bảo kết quả thí nghiệm có độ tin cậy 90% trên các kịch bản thí nghiệm

đã lựa chọn Sai số lượng nhiên liệu tiêu thụ khi tính toán bằng mô hình và xác địnhbằng thực nghiệm dưới 10% đã khẳng định tính chính xác của mô hình đề xuất

Luận án đã áp dụng mô hình được kiểm chứng để đánh giá hiệu quả tiết kiệmnhiên liệu và cắt giảm khí CO2 của sự chuyển đổi taxi truyền thống sang taxi hybridđiện trong khu vực giả định tại nội đô thành phố Hà Nội với 1.000 taxi lưu thông.Các kịch bản di chuyển đặc trưng cho khu vực được xây dựng, và từ đó tính toánđược vùng thông số đặc trưng điều kiện giao thông khu vực khảo sát để làm đầu vàocho mô hình Lượng nhiên liệu tiêu thụ được tính toán quy đổi tương đương nhờ ápdụng mô hình đã xây dựng Sau đó, kết hợp với quãng đường di chuyển hàng ngàycủa từng xe thu được qua việc khảo sát thực tế, có thể tính toán được lượng tiêu thụnhiên liệu cho từng xe và lượng phát thải khí CO2 Những kết quả tính toán thuđược có thể sử dụng để xây dựng chiến lược phát triển năng lượng quốc gia, đánhgiá hiệu quả vận hành của xe hybrid điện cho người dùng, và cải tiến thiết kế xe

2hybrid điện phù hợp với điều kiện giao thông cụ thể.

MỞ ĐẦU

Xe hybrid điện ngày càng phổ biến tại Việt Nam nhờ ưu điểm tiết kiệm nhiênliệu, giảm phát thải khí nhà kính so với xe ô tô truyền thống sử dụng thuần động cơđốt trong và không cần hạ tầng trạm sạc phức tạp như xe thuần điện Tuy nhiên,hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu đánh giá diện rộng về lợi ích của xe hybrid điệnđối với giao thông vận tải tại Việt Nam, đặc biệt là ở các khu đô thị lớn như Hà Nội

Do đó, cần thiết phải phát triển một mô hình tính toán lượng tiêu thụ nhiên liệunhanh chóng, đơn giản và tin cậy, có thể áp dụng để đánh giá diện rộng với sốlượng xe lớn, phù hợp với điều kiện giao thông tại Hà Nội, nhằm đánh giá chính xáchiệu quả mà xe hybrid điện đem lại cho giao thông khu vực

Trong việc xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe hybrid điện, yếu tố dichuyển đóng vai trò quan trọng Các phương pháp hiện tại thường xây dựng môhình dựa trên điều kiện tiêu chuẩn, chưa phản ánh đầy đủ điều kiện vận hành của xetrong một khu vực giao thông cụ thể Vì vậy, để tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụcủa xe hybrid điện trong điều kiện giao thông Hà Nội, luận án xây dựng mô hìnhtính toán lượng nhiên liệu tiêu thụ ô tô có kể đến các yếu tố vận hành đặc trưng Cácyếu tố vận hành này bao gồm vận tốc, gia tốc và các hiệu suất thành phần (hệ số táitạo năng lượng, hiệu suất động cơ đốt trong và hiệu suất hệ thống cơ điện), thể hiện

sự biến đổi của xe trong điều kiện vận hành và tương quan với tiêu hao năng lượng.Luận án tập trung vào lựa chọn các chỉ số liên quan đến vận tốc và gia tốc để đặctrưng cho điều kiện giao thông Hà Nội, và các hiệu suất thành phần (bao gồm hệ sốtái tạo năng lượng, hiệu suất động cơ đốt trong và hiệu suất hệ thống cơ điện) đểđặc trưng cho vận hành của xe trong khu vực khảo sát

Hiện nay, nhiều phương pháp đã được sử dụng để xác định lượng nhiên liệutiêu thụ của xe, trong đó phương pháp trung bình hóa tham số (TBH) là phươngpháp đơn giản nhất Tuy nhiên, điều kiện giao thông Hà Nội biến đổi ngẫu nhiên, vàcho đến nay chưa có nghiên cứu nào ứng dụng phương pháp TBH để tính toánlượng nhiên liệu tiêu thụ của xe thay đổi theo điều kiện giao thông khu vực Do đó,luận án sẽ tập trung nghiên cứu mô hình tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụ của xehybrid điện theo phương pháp TBH, có phản ánh điều kiện giao thông Hà Nội, bằngcách đặc trưng hóa điều kiện giao thông khu vực bằng các thông số đặc trưng vàhàm hóa các yếu tố kỹ thuật vận hành của xe phụ thuộc theo các thông số đặc trưngđiều kiện giao thông này Để triển khai phương pháp, cấu hình xe hybrid điện loạihỗn hợp được chọn vì đây là cấu hình phức tạp nhất, bao gồm cả việc sử dụng nănglượng hóa thạch và năng lượng điện để vận hành xe

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

để xây dựng mô hình tính toán lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe hybrid điện hỗnhợp, cụ thể như sau:

+ Quá trình xây dựng mô hình bắt đầu bằng việc đề xuất bộ thông số đặctrưng cho điều kiện giao thông Hà Nội, đại diện cho hành vi tăng giảm tốc độ vàvận hành của ô tô trong một điều kiện môi trường cụ thể của khu vực khảo sát

+ Luận án đề xuất phân chia các thành phần trên xe hybrid điện loại hỗn hợpthành các hệ thống theo hai chế độ hoạt động đơn giản hơn: Khi pin nạp điện và xảđiện Theo đó, toàn bộ pin, bộ chuyển đổi điện, động cơ điện và bộ bánh răng hànhtinh là hệ thống cơ điện, còn trục các đăng, truyền lực chính và các bán trục thuộc

hệ thống truyền lực Mô hình sẽ tính toán ngược dòng năng lượng từ bánh xe đếnnguồn năng lượng, từ đó quy đổi sang lượng tiêu thụ nhiên liệu và lượng phát thải

CO2

+ Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được thực hiện tại Phòng thínghiệm ĐLH ô tô (Nhà khung – Đại học Bách Khoa Hà Nội) và trên các cungđường thực tế tại Hà Nội đối với xe hybrid điện loại hỗn hợp Mục tiêu đầu tiên làxác định hàm tham số mô hình và biểu diễn chúng phụ thuộc vào các thông số đặctrưng điều kiện giao thông Hà Nội Sau đó, tiếp tục thực nghiệm để kiểm chứng vàđánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán sau khi áp dụng các hàm tham số mô hìnhđược xác định qua thực nghiệm nêu trên

+ Nghiên cứu ứng dụng mô hình trong đánh giá ảnh hưởng của chuyển đổitaxi truyền thống sang taxi hybrid điện theo hai khía cạnh: Mức tiết kiệm nhiên liệu

và mức giảm phát thải khí CO2 Phương pháp nghiên cứu được áp dụng là thực hiệnkhảo sát thực tế quãng đường di chuyển trung bình của tài xế taxi trong ngày tại HàNội, kết hợp với các hệ số quy đổi, giúp đưa ra kết quả biện luận về hiệu quảchuyển dịch từ taxi truyền thống sang taxi hybrid điện

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Ứng dụng phương pháp trung bìnhhóa tham số để thiết lập mô hình tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe hybridđiện loại hỗn hợp phụ thuộc vào đặc trưng điều kiện giao thông cụ thể, đơn giảnnhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy Phương pháp thực nghiệm để xác định hàm tham sốgiúp cho kết quả tính toán bằng mô hình chính xác hơn Quá trình tính toán lượngtiêu thụ nhiên liệu cho xe hybrid điện loại hỗn hợp được thực hiện thông qua thựcnghiệm, có bao gồm quy đổi chênh lệch dung lượng pin trong quá trình thử nghiệmthành lượng nhiên liệu tiêu thụ tương đương Mô hình đã xây dựng được ứng dụng

để đánh giá ảnh hưởng của chuyển dịch xanh trong lĩnh vực taxi, có khả năng cungcấp nhiều số liệu có ý nghĩa cho các nhà làm chính sách năng lượng Luận án có thể

5làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất ô tô trong quá trình cải tiến hoặc thiếtkế

mới nhằm tối ưu cấu hình xe hybrid điện loại hỗn hợp về tiêu thụ nhiên liệu Ngoài

ra các nội dung nghiên cứu trong luận án có thể sử dụng làm tài liệu nghiên cứu,giảng dạy tại các trường Đại học và trung tâm nghiên cứu về kỹ thuật ô tô

Những kết quả mới của luận án: Luận án đã trình bày và phân tích cácphương pháp tính toán lượng tiêu thụ nhiên liệu cho xe hybrid điện loại hỗn hợptrên các chu trình di chuyển và các yếu tố ảnh hưởng đến thông số này, từ đó lựachọn được phương pháp trung bình hoá tham số (TBH) phù hợp cho việc xây dựng

mô hình Các thông số đặc trưng cho điều kiện giao thông Hà Nội được phân tích vàlựa chọn phù hợp về mặt năng lượng tiêu hao của xe hybrid điện loại hỗn hợp, vàđây cũng là đầu vào cho mô hình tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụ trên xe đã đượcxây dựng theo phương pháp TBH Việc xác định các tham số của mô hình bằngthực nghiệm, biểu diễn thành hàm tham số phụ thuộc vào bộ thông số đặc trưngđiều kiện giao thông Hà Nội với độ tin cậy cao (R-bình phương hiệu chỉnh lớn hơn0,8) giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của mô hình xây dựng theo phươngpháp TBH, đạt được sai số dưới 10% Cuối cùng, luận án đã trình bày việc áp dụng

mô hình để đánh giá hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và cắt giảm khí nhà kính CO2 của

sự chuyển đổi taxi truyền thống sang taxi hybrid điện trong khu vực giả định tại nội

đô thành phố Hà Nội với 1.000 taxi lưu thông Kết quả cho thấy sự chuyển dịch1.000 taxi truyền thống sang taxi hybrid điện giúp tiết kiệm 4,1 triệu lít xăng vàgiảm thiểu tới 9,87 triệu kg CO2 mỗi năm trong nội đô Hà Nội

1.1 Đặt vấn đề

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Thế giới đang trải qua sự gia tăng dân số nhanh chóng, kéo theo nhu cầu về ô

tô cũng tăng lên Trên thực tế, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước tính nhu cầunăng lượng vận tải toàn cầu tăng trung bình 1,6% hàng năm trong khoảng thời gian2007–2030 [1] Tại Việt Nam, theo số liệu từ IEA mô tả trên Hình 1.1, những nămgần đây, mức tiêu thụ năng lượng của ngành GTVT đã vượt qua ngành năng lượngdân dụng để đạt đến vị trí thứ hai sau ngành công nghiệp

Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lượng theo ngành tại Việt Nam (2010-2021) [2]

Trong lĩnh vực GTVT, dữ liệu năng lượng Việt Nam năm 2020 từ Chươngtrình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả tại Hình 1.2 cho thấyphương tiện giao thông đường bộ chiếm phần lớn trong mức tiêu thụ năng lượngcủa ngành Những dữ liệu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triểnphương pháp xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ của ô tô một cách nhanh chóng vàchính xác, để từ đó đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho ngành GTVT

Hình 1.2 Mức tiêu thụ năng lượng theo loại phương tiện [3]

Lượng tiêu thụ nhiên liệu là tham số quan trọng trong phân tích tính kinh tế,môi trường và kỹ thuật của ô tô Lượng tiêu thụ nhiên liệu trực tiếp đánh giá chi phí

năng lượng, quãng đường di chuyển, mức độ phát thải và gián tiếp xác định chi phíban đầu và hiệu năng của xe.

Hình 1.3 mô tả sự xuất hiện của yếu tố nhiên liệu tiêu thụ trong vòng đời của

xe Ngay từ khâu thiết kế xe, nhà sản xuất đã phải cân đối giữa khối lượng, kíchthước, hiệu suất các thành phần với lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe Nhà sản xuấtluôn tìm cách tối ưu các tham số này nhằm tìm ra cấu hình xe tiêu thụ ít nhiên liệunhất nhưng vẫn đảm bảo các yếu tố về hiệu năng Cho đến khi xe hoàn thiện và đếntay người dùng thì nhiên liệu tiêu thụ vẫn là mối quan tâm lớn, vì nó trực tiếp xácđịnh một phần lớn trong tổng chi phí sử dụng xe Đối với nhà quản lý, xe càng tiêuthụ nhiều nhiên liệu thì nhìn chung lượng phát thải khí nhà kính càng nhiều, do đóquản lý lượng tiêu thụ nhiên liệu đồng thời đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệmôi trường ở tầm quốc gia Nhà quản lý luôn yêu cầu nhà sản xuất xe dán nhãn tiêuthụ nhiên liệu/năng lượng và phát thải để phù hợp với các bộ tiêu chuẩn, quy chuẩnban hành tại từng quốc gia, nhằm bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh nănglượng quốc gia Như vậy, lượng tiêu thụ nhiên liệu luôn là một tham số quan trọng

mà nhà sản xuất luôn tìm cách xác định từ lúc thiết kế sản xuất đến khi đưa ra thịtrường

Hình 1.3 Sự xuất hiện của thông số nhiên liệu tiêu thụ trong vòng đời của xe

Lượng tiêu thụ nhiên liệu của ô tô có một vai trò quan trọng không chỉ trongviệc quản lý chi phí vận hành mà còn trong việc giảm thiểu tác động môi trường.Việc cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu của xe hơi giúp giảm lượng khí thải CO2,

từ đó hạn chế sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Theo IEA, xe cá nhân và xetải nhẹ chiếm hơn 25% lượng tiêu thụ dầu toàn cầu và khoảng 10% lượng phát thải

CO2 liên quan đến năng lượng vào năm 2022 [4] Điều này cho thấy rằng việc tăngcường tiêu chuẩn hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho các phương tiện giao thông hạngnhẹ là cần thiết để phù hợp với Kịch bản Phát thải ròng bằng không vào năm 2050

Như vậy, phát triển phương pháp thiết lập mô hình xác định lượng nhiên liệu

tiêu thụ của xe là nhu cầu thiết yếu trong xã hội Việc có một mô hình xác địnhlượng

nhiên liệu tiêu thụ của xe hiệu quả sẽ giúp ích rất nhiều cho nhà sản xuất, nhà quản

lý và người dùng Ví dụ như mô tả trên Hình 1.4, dựa trên thông số kỹ thuật của xe

và chu trình di chuyển, mô hình dễ dàng tính toán thông số đầu ra về nhiên liệu vàquy đổi sang mức phát thải khí CO2 Đây là những thông số rất giá trị cho nhà quản

lý và người dùng để đánh giá hiệu quả sử dụng của xe Bên cạnh đó, những thông

số đầu ra này lại được nhà sản xuất sử dụng để xác định lại hiệu suất sử dụng nănglượng và cân đối lại khối lượng các thành phần của xe, nhằm giảm khối lượng màvẫn đảm bảo hiệu suất Tổng khối lượng cuối cùng của xe sau khi cân bằng tiếp tụcđược dùng để tính công suất và năng lượng thành phần, từ đó sẽ đặt ra yêu cầu bàitoán tối ưu hóa cấu hình xe ngay từ khâu thiết kế Như vậy, mô hình xác định nhiênliệu tiêu thụ là mắt xích quan trọng trong thiết kế, sử dụng và quản lý ô tô Việcphát triển một mô hình xác định nhiên liệu tiêu thụ của xe sẽ giúp các nhà hoạchđịnh chính sách năng lượng dễ dàng đánh giá hiệu quả sử dụng phương tiện giaothông trên quy mô lớn và trong các điều kiện giao thông cụ thể Từ đó, họ có thểnhanh chóng đưa ra các chính sách phù hợp nhằm cải thiện môi trường và năng

lượng trong ngành GTVT

Hình 1.4 Mối quan hệ giữa các mô hình trong việc thiết kế và đánh giá hiệu năng ô tô [5]

Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và triển khai để xây dựng mô hìnhxác định lượng nhiên liệu tiêu thụ của ô tô Tuy nhiên, điểm chung của các phươngpháp này là phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố vận hành trong quá trình di chuyển.Điều này dẫn đến việc để áp dụng được các phương pháp tính toán lượng nhiên liệutiêu thụ, cần phải xây dựng mô hình xe trong các điều kiện tiêu chuẩn cụ thể, dẫn

đến kết quả tính toán năng lượng không phù hợp với việc di chuyển thực tế của xe.

Trong báo cáo thuộc dự án “Sáng kiến giao thông trong NDC tại các nướcChâu Á – Hợp phần Việt Nam” [6], nhóm tác giả đã sử dụng dữ liệu về số lượng xe

ô tô con dưới 9 chỗ đăng ký mới tại Việt Nam theo từng kiểu/loại từ năm 2016 đến

2020, do Cục Đăng kiểm Việt Nam công bố Họ kết hợp dữ liệu này với thông tin

về mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của các nhà sản xuất để tính toán mức tiêu thụnhiên liệu trung bình (l/100km) của các loại xe Phương pháp này có độ tin cậy cao

và giúp xây dựng bức tranh tổng quát về mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của ô tô.Tuy nhiên, để kết quả chính xác hơn, dữ liệu về mức tiêu hao nhiên liệu cần phảnánh đúng điều kiện giao thông tại từng khu vực cụ thể

Do đó, cần phương pháp để xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ của ô tô phùhợp với các điều kiện giao thông thực tế từng khu vực cụ thể, bằng cách sử dụngcác yếu tố di chuyển Yếu tố di chuyển thể hiện sự thay đổi trong điều kiện vậnhành của xe và hành vi lái, thường biểu hiện qua vận tốc, gia tốc hoặc các thông sốđặc trưng cho sự thay đổi vận hành của xe và hành vi lái trong khu vực giao thông

cụ thể Các yếu tố di chuyển này liên quan mật thiết đến lượng nhiên liệu tiêu thụcủa xe

Tại Việt Nam, xe hybrid điện loại hỗn hợp ngày càng phổ biến với nhiềumẫu xe mới trên thị trường Những xe này không chỉ tiết kiệm nhiên liệu và giảmphát thải hơn so với xe xăng truyền thống, mà còn không cần hạ tầng trạm sạc.Quan trọng hơn, người dùng vẫn giữ được cảm giác lái quen thuộc [7] Đặc biệt, ởkhu vực nội đô Hà Nội, xe hybrid điện hỗn hợp rất phù hợp do hạ tầng trạm sạc cònthiếu và các nhà sản xuất xe điện chưa có ý định chia sẻ trạm sạc với các hãng đốithủ Vì vậy, cần thiết phải có nghiên cứu đánh giá hiệu quả của xe hybrid điện hỗnhợp đối với giao thông nội đô Hà Nội, đặc biệt trong lĩnh vực dịch vụ taxi

Từ những vấn đề nêu trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu mô hình tính

toán lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe hybrid điện hỗn hợp, phù hợp với đặc trưng điều kiện giao thông nội đô Hà Nội Phương pháp sử dụng để xây dựng mô

hình sẽ được phân tích và lựa chọn trong mục 1.2 nhằm đảm bảo tính đơn giản,thuận tiện trong việc áp dụng Mô hình phát triển trong luận án sẽ được ứng dụng đểđánh giá hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và cắt giảm phát thải CO2 khi chuyển đổi mộtnhóm xe taxi truyền thống (gồm 1.000 xe) sang xe hybrid điện hỗn hợp, khảo sáttrong điều kiện giả định tại nội đô thành phố Hà Nội, với kết quả trình bày trongChương 4

1.2 Phương pháp xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ trên ô tô

Hiện nay có 05 phương pháp chính để tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụ ô tô.a) Thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm để đo lường lượng nhiên liệu tiêu thụ của ô tô làmột lĩnh vực quan trọng, giúp các nhà sản xuất và người tiêu dùng hiểu rõ hơn vềhiệu quả nhiên liệu của phương tiện Phương pháp này có thể bao gồm việc theo dõimức tiêu thụ nhiên liệu trong điều kiện lái xe thực tế như trên Hình 1.5 Việc đánhgiá này không chỉ giúp cải thiện thiết kế xe để tăng cường hiệu quả năng lượng màcòn hỗ trợ người tiêu dùng trong việc lựa chọn xe có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp,qua đó góp phần vào việc bảo vệ môi trường và giảm chi phí vận hành Đối với cácnhà sản xuất, việc áp dụng các tiêu chuẩn tiêu thụ nhiên liệu cũng là một phần củatrách nhiệm xã hội doanh nghiệp, đồng thời cũng là yếu tố cạnh tranh trên thịtrường quốc tế Đặc biệt, trong bối cảnh ngày càng có nhiều quốc gia áp dụng cácquy định nghiêm ngặt về mức tiêu thụ nhiên liệu, việc nắm vững và áp dụng cácphương pháp thực nghiệm chính xác là hết sức cần thiết Điều này không chỉ giúpđảm bảo tuân thủ pháp luật mà còn tạo dựng uy tín và niềm tin nơi người tiêu dùng.

Hình 1.5 Trình tự phương pháp thực nghiệm trên xe

Thực nghiệm có thể được tiến hành trên bệ thử công suất và trên cung đườngthực tế để xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ của một cấu hình xe cụ thể Kết quảthực nghiệm có độ chính xác và độ tin cậy cao Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏinhà nghiên cứu phải có đầy đủ thiết bị để thu thập thông số vận hành, với chi phíđầu tư lớn Công tác chuẩn bị, tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu đòi hỏi nhiềuchuyên gia có chuyên môn cao về ô tô tham gia và giám sát, gây nhiều khó khăncho nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp này chỉ áp dụng với số lượng nhỏ cácloại xe, gây khó khăn cho việc xây dựng mô hình

b) Mô phỏng

Mô phỏng trong lĩnh vực ô tô là việc sử dụng các mô hình toán học và phầnmềm để tái tạo và phân tích các hoạt động của các hệ thống trên xe trong nhiều điềukiện chuyển động, nhằm dự đoán hoặc đánh giá hiệu năng của xe Theo nghiên cứucủa tác giả P Pettersson [8], mô phỏng ô tô được phân loại thành hai nhóm chung:

mô phỏng forward-facing và mô phỏng backward-facing Hình minh họa sơ đồ tínhtoán của hai phương pháp được tác giả thể hiện trên Hình 1.6 và Hình 1.7

- Mô phỏng backward-facing (Hình 1.6) coi vận tốc di chuyển thực tế là vận

tốc mục tiêu Áp dụng định luật II Newton, lực kéo cần thiết tại bánh xe được tínhtheo vận tốc mục tiêu Từ bánh xe, phương pháp này tính ngược dòng theo đườngtruyền công suất, từ bánh xe qua HTTL, đến động cơ rồi đến nguồn năng lượng đểtính toán năng lượng đầu vào cần để sinh ra đủ lực kéo tại bánh xe

Hình 1.6 Sơ đồ nghiên cứu của phương pháp mô phỏng backward-facing [8]

- Mô phỏng forward-facing (Hình 1.7) cũng coi vận tốc di chuyển thực tế là

vận tốc mục tiêu, nhưng thông số này đi qua mô hình người lái Người lái điềukhiển bàn đạp ga/phanh để đạt được tốc độ mục tiêu Vị trí bàn đạp ga/phanh đượcchuyển đổi thành mô men xoắn cung cấp bởi động cơ (và/hoặc mô tơ) và tỷ lệ sửdụng năng lượng Sau đó, quá trình tính toán sẽ tiếp tục xuôi dòng từ nguồn nănglượng đến bánh xe để xác định tốc độ đầu ra/mô-men xoắn/công suất của từng thànhphần, từ đó tính toán tốc độ xe và vị trí xe mới, tốc độ và vị trí này được đưa trở lại

mô hình người lái và so sánh với vận tốc mục tiêu

Hình 1.7 Sơ đồ nghiên cứu của phương pháp mô phỏng forward-facing [8]

Cả hai phương pháp mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và

kỹ thuật, tuy nhiên mỗi phương pháp lại được ứng dụng chủ yếu với những vấn đềriêng:

- Mô phỏng backward-facing thường được dùng để xử lý các vấn đề về điều

khiển hoặc nghiên cứu cấu hình xe tối ưu Ví dụ như trong nghiên cứu của ToheedGhandriz [9] về phát triển chiến lược quản lý năng lượng tối ưu (OEMS) trên xeplug- in hybrid, dựa trên dữ liệu vận tốc theo thời gian và phương trình trạng tháicác động cơ, tác giả đã xây dựng mô hình backward-facing tính toán lực kéo cầnthiết tại bánh xe, rồi tính ngược dòng lên công suất tại các động cơ Từ giá trị côngsuất các động cơ, tác giả quy đổi sang chi phí nhiên liệu tiêu thụ tương đương và sosánh kết quả khi có và không áp dụng chiến lược tối ưu Phương pháp này giúpđánh giá hiệu quả của chiến lược OEMS so với chiến lược quản lý năng lượng tứcthời (IEMS) với các dải kích thước pin khác nhau

Hình 1.8 Giao diện của ADVISOR [10]

Một ví dụ cho mô hình backward-facing là công cụ ADVISOR (AdvancedVehicle Simulator) do Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo Hoa Kỳ hỗ trợ Giaodiện sử dụng của phần mềm được thể hiện ở Hình 1.8

Đại học Công nghệ Đồng Nai có công bố nghiên cứu về ứng dụng phần mềmADVISOR trong việc khảo sát khả năng vận hành của xe Toyota Prius trên điềukiện giao thông tại Việt Nam theo tiêu chí lượng nhiên liệu tiêu thụ và phát thải[11] Bằng cách thay đổi các thông số cơ bản của xe như giảm công suất động

cơ đốt trong

(ĐCĐT) và động cơ điện (ĐCĐ) đến giá trị tối ưu, lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm0,4 l/100km.

- Mô phỏng forward-facing phổ biến trong việc dự đoán ảnh hưởng của điều

kiện môi trường, tác động của người lái đến hiệu năng xe, hay đánh giá hiệu năngcủa từng thành phần trên xe Ngoài ra, do thường xuyên hoạt động ở trường hợp bànđạp ga ở vị trí tối đa, mô phỏng forward-facing cũng phù hợp khi tính toán gia tốctối đa Ví dụ điển hình cho phương pháp này là mô hình FASTSim (FutureAutomotive Systems Technology Simulator) – một công cụ phân tích hệ thốngtruyền lực của xe được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ [12] Hình 1.9 mô tả giaodiện xử lý dữ liệu của FASTSim

Hình 1.9 Giao diện của FASTSim [12]

FASTSim được xây dựng đơn giản dễ tiếp cận để so sánh hệ thống truyềnlực và ước tính tác động của các cải tiến công nghệ đối với hiệu suất, tính kinh tếnhiên liệu, thời lượng pin Dữ liệu đầu vào cho hầu hết các loại xe hạng nhẹ có thể

là được nhập tự động Những đầu vào đó có thể được sửa đổi để phù hợp với từngloại xe khác nhau Tại mỗi bước thời gian, FASTSim tính đến lực cản, gia tốc, lựccản lăn, hiệu suất của từng bộ phận hệ thống truyền lực, công suất và phanh tái sinh.Kết quả tính toán của mô hình dựa trên các phương trình động lực học của xe đểxây dựng Tuy nhiên, nhược điểm là việc thay đổi các thông số đặc trưng để đánhgiá hiệu quả sử dụng nhiên liệu của xe còn nhiều hạn chế và tốc độ tính toán kháchậm do quá trình tính toán được tiến hành theo thời gian

ĐHBKHN còn có nhóm nghiên cứu động lực học ô tô của Nhóm chuyênmôn Ô tô và xe chuyên dụng với nhiều công bố về mô hình ước tính năng lượng vàlượng nhiên liệu tiêu thụ của xe điện và xe hybrid Nhóm đã công bố bài báo về môhình động lực học ô tô điện theo phương pháp forward-facing (mô tả trên Hình1.10) với sai số khoảng 4,5% theo tiêu chí năng lượng tái tạo khi so sánh với bộ dữliệu công bố bởi AVT lab (The Advanced Vehicles and Infrastructure Team – Hoa

Kỳ) [13].

Mô hình này được ứng dụng trong đánh giá hiệu quả năng lượng của các chiến lượcphanh khác nhau (chiến lược phanh tối ưu lực phanh tái tạo hoặc chiến lược phanhtối ưu hiệu quả phanh).

Hình 1.10 Sơ đồ mô hình xe điện từ ĐHBKHN [13]

Điểm yếu chính của hai loại mô phỏng là tốc độ Việc tính toán công suất hệthống truyền lực dựa trên các trạng thái của xe, bao gồm tốc độ của các thành phần

hệ thống, được thực hiện bằng sơ đồ tích hợp bậc cao với các bước thời gian nhỏ.Điều này dẫn đến việc tiêu tốn nhiều thời gian để có kết quả, dù kết quả mô phỏngkhá ổn định và chính xác Phương pháp mô phỏng chỉ chính xác và phù hợp vớitừng loại xe cụ thể, thiếu tính linh hoạt với bối cảnh giao thông từng vùng

c) Mô hình trí tuệ nhân tạo

Mô hình trí tuệ nhân tạo sử dụng các thuật toán và bộ dữ liệu lớn cho phépmáy tính học và dự đoán hoặc đưa ra quyết định Các ứng dụng của mô hình họcmáy rất đa dạng và đặc biệt hữu ích trong ngành vận tải để tìm hiểu và tính toánlượng nhiên liệu hoặc năng lượng tiêu thụ Tác giả Witsarut Achariyaviriya [14] chorằng mô hình trí tuệ nhân tạo sẽ giúp các nhà nghiên cứu xác định các yếu tố ảnhhưởng đến hiệu quả sử dụng năng lượng, ví dụ như cấu hình xe, hành vi người lái

và điều kiện đường Việc phân tích bộ dữ liệu lớn bằng mô hình học máy cho phépước tính trước lượng nhiên liệu tiêu thụ trên một cung đường dựa trên các yếu tốbên ngoài

Một số thuật toán học máy điển hình trong tính toán lượng nhiên liệu tiêu thụcủa xe có thể kể đến như sau:

+ Hồi quy tuyến tính (Linear Regression) là một phương pháp phân tích dữliệu dùng để dự đoán giá trị của dữ liệu không xác định dựa trên nhiều dữ liệu liênquan và đã biết khác

+ Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial neural network) là một mô hình toán họcdùng để mô hình hóa các mối quan hệ phức tạp giữa các dữ liệu vào và kết quả hoặc

để tìm kiếm các dạng/mẫu trong dữ liệu Tác giả Alberto Diaz Alvarez [15] dùng

mạng nơ ron nhân tạo và dữ liệu trên điện thoại thông minh (smart-phone) mô hìnhhóa mức tiêu thụ năng lượng của xe điện, là một hàm phụ thuộc vào các yếu tố đầuvào như tọa độ, vận tốc, gia tốc và dao động của xe.

Hình 1.11 Thu thập dữ liệu theo nghiên cứu c ủa Alberto Diaz Alvarez [15]

Tác giả sử dụng phương pháp “Single layer perception” với đầu ra là mộthàm tuyến tính với nhiều thông số đầu vào thu thập như trên Hình 1.11 Phươngpháp “Single layer perception” được mô tả trên Hình 1.12 Phương pháp này giúpxây dựng phương trình mô tả mối quan hệ giữa các tham số phi tuyến tính với độchính xác tương đối cao (sai số dưới 5%)

Hình 1.12 Mô tả phương pháp “Single layer perception”

Tác giả thử nghiệm với 10000 lần chạy số liệu với 09 bộ dữ liệu huấn luyện

và 01 bộ dữ liệu thử nghiệm Kết quả sai số ước tính năng lượng với từng cấu trúcmạng nơ ron khác nhau được thể hiện ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Sai số theo phương pháp “Single layer perception”

Cấu trúc mạng AI

(Số nơ ron trên 01 layer) RMS huấn luyện mô hình (%) RMS thử nghiệm (%)

7-1 0.0217 (0.347%) 0.0523 (0.837%)7-6-1 0.0324 (0.518%) 0.0658 (1.053%)7-15-1 0.0213 (0.341%) 0.0565 (0.904%)14-1 0.0037 (0.059%) 0.0457 (0.731%)14-6-1 0.0038 (0.0061%) 0.0545 (0.872%)14-15-1 0.0036 (0.0058%) 0.0506 (0.810%)

Có thể thấy sai số phương pháp dùng mạng nơ ron nhân tạo khá thấp, tuynhiên quá trình tính toán phức tạp, tốn thời gian là một trở ngại lớn Việc chọn lựa

bộ dữ liệu để huấn luyện và thử nghiệm mô hình AI cũng gặp khó khăn, do khôngphải bộ dữ liệu nào cũng dễ dàng đạt sai số thấp như trên Điều này gây khó khăncho việc xây dựng mô hình tính toán lượng tiêu thụ năng lượng hay nhiên liệu của ôtô

d) Phương pháp tính toán nhiên liệu theo Lý thuyết ô tô

Theo Lý thuyết ô tô, lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe được tính toán dựa trênphương trình cân bằng lực kéo như phân tích trên Hình 1.13 [16]

Hình 1.13 Sơ đồ lực trên ô tô để thiết lập cân bằng lực kéo [16]

Công suất kéo cần thiết tại bánh xe (𝑃𝑘 ) để thắng các lực cản chuyển độngnhư lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản lên dốc và lực để tăng tốc được biểudiễn như sau:

𝑃 = 𝜆𝑚 𝑥=𝑣 + [(𝑓 + 𝑞)𝐹 𝑣 + 𝐶 𝐴 (1 𝜌𝑣3)]

Gồm:

- Công suất tăng tốc: 𝑃𝑥= = 𝜆𝑚0𝑥=𝑣

- Công suất cản lăn: 𝑃𝑅 = 𝐹𝐺 𝑓𝑣

- Công suất lên dốc: 𝑃𝑞 = 𝐹𝐺 𝑞𝑣

-𝑚0: khối lượng toàn bộ xe (kg);

-𝑥=: gia tốc theo phương x (m/s2);

-𝑣: vận tốc tuyệt đối của xe (km/h);

- Các công thức tính toán đều theo thời gian, các tham số đều biến đổi theothời gian, bao gồm:

+ Yếu tố vận tốc theo thời gian

+ Hiệu suất biến đổi theo thời gian

Những tham số trên biến thiên liên tục theo thời gian, rất khó xác định, ảnhhưởng rất nhiều đến độ chính xác khi tính toán theo phương pháp này

- Chưa kể đến thành phần năng lượng phanh tái tạo, là yếu tố quan trọng xácđịnh tổng năng lượng hay nhiên liệu tiêu thụ trên các xe thế hệ mới như xe điện, xehybrid và xe tế bào pin nhiên liệu

Như vậy, việc tính toán theo Lý thuyết ô tô khá đơn giản, nhưng vẫn còn tồnđọng một số nhược điểm vừa kể trên Do đó, cần thiết phải phát triển một mô hìnhtận dụng được các phương trình trên, cải tiến chúng để áp dụng được trên các xe thế

hệ mới (xe điện hay xe hybrid), và đơn giản hóa quá trình tính toán bằng cách

không sử dụng các tham số tức thời, hay nói cách khác là biến các tham số thành hàm trung bình hóa phụ thuộc vào đặc trưng điều kiện giao thông Đó

chính là đặc điểm của phương pháp trung bình hóa tham số được trình bày dướiđây

e) Phương pháp trung bình hóa tham số

Phương pháp Trung bình hóa tham số (TBH) (tên tiếng anh là parameter model”) là một giải pháp để xử lý các nhược điểm của phương pháp Lý

“Lumped-thuyết ô tô Phương pháp TBH kế thừa phương trình tính toán công suất kéo tại

bánh xe theo Lý thuyết ô tô để tính năng lượng, nhưng không tính toán theo giá trị tức thời mà biến các tham số thành hàm tham số phụ thuộc vào đặc trưng điều kiện giao thông Khái niệm “Trung bình hóa” nằm ở hai khía cạnh:

+ Sự thay đổi vận tốc theo thời gian cho một lần di chuyển trong khu vựcgiao thông cụ thể được đặc trưng bằng một bộ thông số Khi thực hiện nhiều lần dichuyển trong cùng khu vực, có thể thu thập được nhiều bộ thông số đặc trưng chocác lần di chuyển đó Từ những bộ thông số này, điều kiện giao thông tại khu vực

cụ thể sẽ được đại diện bằng một vùng thông số đặc trưng.

+ Các tham số tức thời của mô hình thể hiện sự vận hành của các hệ thốngtrên xe được hàm hóa theo vùng thông số đặc trưng điều kiện giao thông khu vựcthực tế

Hình 1.14 Tham số sử dụng trong hai phương pháp

Để hiểu rõ sự phát triển của phương pháp TBH so với Lý thuyết ô tô truyềnthống, Hình 1.14 mô tả sự khác biệt giữa hai phương pháp Hình trên cho thấy trongphương pháp TBH, yếu tố vận tốc theo thời gian và hiệu suất thành phần được trungbình hóa thành hàm tham số thay đổi theo đặc trưng điều kiện giao thông khu vựcthực tế, không còn là thông số tức thời Tức là sự thay đổi vận tốc của xe theo thờigian trên 01 cung đường sẽ được đặc trưng chỉ bằng 01 bộ thông số, và bộ thông sốnày giúp phân loại các điều kiện giao thông khác nhau theo các phương diện vềhành vi lái, loại cung đường, lưu lượng giao thông, khả năng vận hành các hệ thốngtrên xe

Hình 1.15 Trình tự tính toán theo phương pháp TBH

Hình 1.15 mô tả trình tự tính toán theo phương pháp TBH, tương tự như Lýthuyết ô tô, tính ngược dòng công suất từ bánh xe đến nguồn năng lượng Tuy