CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ CỦA XE HYBRID
3.1. Mục tiêu, yêu cầu và quy hoạch thực nghiệm
3.1.2. Quy hoạch thực nghiệm
Theo quy hoạch giao thông vận tải Hà Nội [49], hạ tầng đường bộ thành phố gồm 5 loại đường chính:
1. Mạng lưới đường bộ đối ngoại: bao gồm các đường cao tốc với đặc điểm gồm 4-8 làn xe song hành với các quốc lộ có lưu lượng lớn, theo các hướng như Cao tốc Hà Nội – Lạng Sơn, cao tốc Hà Nội – Thành phố Hồ Chí Minh, …
2. Mạng lưới đường ngoài đô thị: bao gồm 31 trục đường tỉnh, đường liên huyện có tính chất quan trọng về giao thông với tổng chiều dài khoảng 611 km theo
57
quy mô đường cấp III và cấp II đồng bằng. Các đường cấp III và II đồng bằng thuộc
58
đường ô tô cấp cao, nằm tránh đi qua các khu dân cư, cách ly với giao thông địa phương, nằm tiếp nối với các đô thị, nhất là các đô thị lớn, có số làn xe ≥ 6, tốc độ thiết kế 50 – 60 km/h, lưu lượng thiết kế từ 3 đến < 30 nghìn xe/ngày đêm.
3. Mạng lưới đường đô thị, bao gồm:
+ Các cao tốc đô thị trên đường vành đai 3.
+ Các đường vành đai đô thị, quy mô mặt cắt ngang 8-10 làn xe, gồm: (1) Vành đai 2: Hướng tuyến Vĩnh Tuy – Minh Khai – Ngã Tư Vọng – Ngã Tư Sở - Cầu Giấy - … (2) Vành đai 3: Hướng tuyến Nam Hồng – Mai Dịch – Thanh Xuân – Pháp Vân - …
+ Các trục chính đô thị, bao gồm 11 trục phía Bắc sông Hồng và 09 trục phía Nam sông Hồng. Các trục đô thị, bao gồm 06 trục phía Bắc sông Hồng và 02 trục phía Nam sông Hồng.
+ Hệ thống đường trên cao, gồm các tuyến đường trên cao và được kết nối thành mạng thuộc phạm vi từ đường Vành đai 2 trở ra, trên các trục có lưu lượng xe lớn, bao gồm 04 tuyến với tổng chiều dài khoảng 36 km: (1) Vành đai 2: Cầu Giấy – Ngã Tư Sở - Vĩnh Tuy; (2) Vành đai 3: Nam Thăng Long – Thanh Xuân – Pháp Vân;
(3) Tuyến Phú Đô – Yên Hòa – Vành đai 2; (4) Tuyến Tôn Thất Tùng – Vành đai 3.
4. Các nút giao: bao gồm 185 nút giao khác mức giữa các đường cao tốc, đường trục chính đô thị và đường ngang, gồm: Đô thị trung tâm 130 nút, Đô thị vệ tinh Sơn Tây 04 nút, …
Để đặc trưng cho điều kiện giao thông Hà Nội, cần thiết phải lựa chọn các kịch bản lộ trình thí nghiệm bao quát theo đặc điểm hạ tầng giao thông đường bộ Hà Nội nêu trên. Các kịch bản được chọn đồng thời phải đảm bảo yếu tố mật độ tham gia giao thông, phù hợp thói quen di chuyển của người dân Hà Nội lúc cao điểm và thấp điểm. Do đó, luận án đề xuất 03 lộ trình như sau:
- Lộ trình 1: Bắt đầu từ khu vực Mỹ Đình, Nam Từ Liêm, đi qua đường Phạm Hùng, tiếp tục lên đường Vành đai 3, rồi xuống đường Khuất Duy Tiến và rẽ vào đường Nguyễn Trãi. Sau đó, hành trình đi qua các phố Chùa Bộc, Phạm Ngọc Thạch, Đại Cồ Việt, Bạch Mai và kết thúc tại phố Lê Thanh Nghị. Các cung đường theo lộ trình này đại diện cho mạng lưới đường đô thị và các nút giao theo quy hoạch, bao gồm các đường thuộc trục phía Nam sông Hồng, đường Vành đai 3 thuộc cao tốc đô thị và đoạn đường di chuyển lên xuống đường Vành đai 3 thuộc các đường vành đai đô thị, các nút giao nằm trong đô thị trung tâm thành phố.
59
- Lộ trình 2: Bắt đầu từ Số 1 đường Đại Cồ Việt, đến phố Huế, phố Hàm Long, phố Lò Đúc, phố Kim Ngưu, phố Minh Khai, phố Bạch Mai rồi kết thúc tại phố Lê Thanh Nghị. Các cung đường theo lộ trình này đại diện cho mạng lưới đường đô thị và các nút giao theo quy hoạch, bao gồm các đường trục đô thị và các nút giao. Tuy nhiên, các cung đường thuộc lộ trình này có đa dạng các loại đường trục đô thị, bao gồm đường một chiều, đường hai chiều, đường có dải phân cách, đường gom, đường không phân làn.
- Lộ trình 3: Bắt đầu từ trạm thu phí Pháp Vân – Cầu Giẽ, đi trên đường cao tốc Bắc Nam phía Đông (CT01), đường cao tốc Hà Nội – Ninh Bình đến Trạm Thu phí Cao Bồ. Cung đường này bao gồm các đường cao tốc từ 6-8 làn xe, nằm trong trục đường tỉnh, đường liên huyện, phù hợp theo quy mô đường cấp III và cấp II đồng bằng. Do đó, lộ trình này mang tính đặc trưng cho mạng lưới đường bộ đối ngoại và mạng lưới đường ngoài đô thị.
Lộ trình 1 tương tự như lộ trình đi làm hàng ngày của người dân Hà Nội, và vì vậy, thí nghiệm sẽ được thực hiện trong khung giờ cao điểm (khung giờ 07:30 - 09:00 và 17:00 - 18:30). Do đặc điểm này, lộ trình 1 được gọi là "nội đô cao điểm."
Lộ trình 2 phản ánh hành trình của người dân di chuyển giữa các địa điểm trong trung tâm thành phố, thường vào khung giờ thấp điểm (từ 10:00 đến 15:00), vì thế được đặt tên là "nội đô thấp điểm." Cuối cùng, lộ trình 3 đặc trưng bởi các tuyến đường cho phép xe chạy với tốc độ cao, và vì vậy được gọi là "Cao tốc." Để loại bỏ ảnh hưởng của khung giờ đến kết quả thí nghiệm, các lộ trình được thiết kế để phản ánh trung thực hành vi giao thông trong khu vực khảo sát. Với lộ trình “nội đô cao điểm,” xe xuất phát từ khu vực Mỹ Đình đến phố Lê Thanh Nghị vào giờ cao điểm buổi sáng (07:30 - 09:00) và trở lại điểm xuất phát vào giờ cao điểm buổi chiều (17:00 - 18:30). Còn với lộ trình “nội đô thấp điểm,” xe chạy theo một vòng tròn khép kín trong khung giờ thấp điểm (10:00 - 11:00).
Xe thí nghiệm nhiều lần chạy trên các lộ trình theo kịch bản đề xuất nhằm đưa ra tập hợp các thông số đặc trưng giao thông khu vực khảo sát. Người lái trong thí nghiệm đã có kinh nghiệm lái xe trên 07 năm. Nhiệt độ môi trường và khoang lái được cố định nhằm đảm bảo điều kiện môi trường ít ảnh hưởng đến quá trình thực nghiệm. Hình ảnh lộ trình và điều kiện thử nghiệm của 03 kịch bản di chuyển nêu trên được thể hiện trên Hình 3.1 và Bảng 3.1.
60
Bảng 3.1. Thông tin về chu trình thử nghiệm
CTDC Nội đô cao điểm Nội đô thấp điểm Cao tốc Khung giờ thí nghiệm 07:30 - 09:00 và
17:00 - 18:30 10:00 - 11:00 08:00 - 11:00 và 15:00 - 18:00
Nhiệt độ khoang lái (0C) 26 0C
Nhiệt độ môi trường (0C) 30 0C
Chế độ lái Normal
a) Nội đô cao điểm b) Nội đô thấp điểm
c) Cao tốc
Hình 3.1. Kịch bản lộ trình thử nghiệm thực tế b) Quy mô thí nghiệm
Để đảm bảo kết quả thí nghiệm đạt độ tin cậy 90% và độ chính xác phù hợp cho các kịch bản lộ trình đã lựa chọn, cần xác định số lần thí nghiệm cần thiết trên các kịch bản này. Giả định rằng kết quả thí nghiệm tuân theo phân bố chuẩn do chúng phân bố ngẫu nhiên và không có điều kiện ràng buộc trong quá trình thí nghiệm. Dựa trên giả định này, luận án sẽ áp dụng phương pháp xác định số lần thí nghiệm nhằm đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy và độ chính xác của kết quả thí nghiệm như sau [50]:
Bước 1: Với mỗi bài thí nghiệm, tiến hành đo đạc và tính toán thông số mong muốn của 03 lần thử ban đầu.
Bước 2: Sau khi có kết quả đo 03 lần thí nghiệm ban đầu, tính toán giá trị trung bình số học của giá trị đo trong các lần thí nghiệm (xtb) theo công thức sau:
∑ 𝑛 1 𝑥𝑖 𝑥 =𝑡𝑏 𝑖=
𝑛
(3.1) Trong đó: -𝑥𝑖: Trị số của đại lượng đo được;
61 - n: Số lần lặp lại.
𝑚𝑜𝑛𝑔
62
Bước 3: Tính toán trị số của sai số ngẫu nhiên ở lần đo lặp lại thứ i (δi) theo công thức sau:
𝛿𝑖 = 𝑥𝑖 − 𝑥𝑡𝑏 (3.2)
Bước 4: Tính toán sai lệch trung bình bình phương của các sai số ngẫu nhiên (σx) như sau:
𝑛 2
𝜎 = √𝑖 = 1 𝛿𝑖 ∑
𝑥 𝑛−1
(3.3) Bước 5: Sai số tin cậy (δ*) tương ứng với xác xuất tin cậy (β) tính như sau:
𝜎𝑥 𝛿∗ = 𝑡𝛽
√𝑛 (3.4)
Trong đó: - 𝑡𝛽: Hệ số xét đến ảnh hưởng của số lần đo đến sai số tin cậy (Hệ số Student-Fischer) được tra theo Bảng 3.2. Với số thí nghiệm ban đầu (n) là 03 lần, xác suất tin cậy mong muốn (β) là 0,9 thì 𝑡𝛽 = 2,9.
Bảng 3.2. Bảng tra hệ số Student-Fischer [50]
Số lần thí nghiệm (n)
Xác suất tin cậy (β) Số lần thí nghiệm (n)
Xác suất tin cậy (β)
0,7 0,9 0,95 0,7 0,9 0,95
2 2,0 6,3 12,7 9 1,1 1,9 2,3
3 1,3 2,9 4,3 10 1,1 1,8 2,3
4 1,3 2,4 3,2 11-14 1,1 1,8 2,2
5 1,2 2,1 2,8 15-16 1,1 1,8 2,1
6 1,2 2,0 2,6 17-27 1,1 1,7 2,1
7-8 1,1 1,9 2,4 28-40 1,1 1,7 2,0
Bước 6: Chọn sai số tin cậy mong muốn (𝛿∗ ).
Bước 7: Tính toán hệ số 𝑡′𝛽 theo công thức:
Bước 8: Sử dụng Bảng 3.3 để xác định số lần thí nghiệm (n) cần thiết nhằm đạt sai số mong muốn (δ*) theo kết quả 𝑡′𝛽 ở bước 7 như sau:
Bảng 3.3. Tra cứu số lần thí nghiệm [50]
𝑡′𝛽 Xác suất tin cậy
0,5 0,7 0,9 0,95 0,99
1,0 2 3 5 8 11
0,5 3 6 13 18 31
0,4 4 8 19 27 46
0,3 6 13 32 46 78
0,2 13 29 70 100 170
0,1 47 110 270 390 700
𝛿∗
𝑡′ 𝛽 = 𝑚𝑜𝑛𝑔 𝑚𝑢ố𝑛 𝜎𝑥
(3.5)
63
Trong quá trình xây dựng mô hình tại Chương 2, còn 03 tham số cần xác định bằng thực nghiệm (𝑘𝑡𝑡, 𝜂𝑒, 𝜂𝑐𝑑). Trong quá trình thí nghiệm đo nhiên liệu tiêu thụ trên xe hybrid, để tăng độ tin cậy, cần thiết phải xác định hệ số quy đổi điện năng tiêu thụ của hệ thống cơ điện thành nhiên liệu tương đương. Các thí nghiệm đo nhiên liệu tiêu thụ được tiến hành trên 03 kịch bản di chuyển khác nhau, như trình bày ở đầu Chương 3. Do đó, có tổng cộng 07 bài thí nghiệm, bao gồm:
- Xác định hàm tham số Hệ số tái tạo năng lượng - Xác định hàm tham số Hiệu suất ĐCĐT
- Xác định hàm tham số Hiệu suất hệ thống cơ điện
- Xác định Hệ số quy đổi 1%SOC thành nhiên liệu tiêu thụ tương đương - Xác định Nhiên liệu tiêu thụ (Chu trình nội đô cao điểm)
- Xác định Nhiên liệu tiêu thụ (Chu trình nội đô thấp điểm) - Xác định Nhiên liệu tiêu thụ (Chu trình cao tốc)
Mẫu bảng kết quả xác định số lần thí nghiệm và trình tự tính toán được tổng hợp ở Phụ lục A.
Toàn bộ kết quả áp dụng các công thức trên với từng bài thí nghiệm được thể hiện trong Phụ lục A. Để đảm bảo kết quả thí nghiệm có độ tin cậy 90%, mỗi bài thí nghiệm sẽ cần số lần thí nghiệm như thể hiện ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Kết quả xác định số lần thí nghiệm cần thiết
TT Thí nghiệm Bài thí nghiệm Cần làm (lần)
1 Xác định hàm tham số
Xác định hàm tham số Hệ số tái tạo năng lượng Xác định hàm tham số Hiệu suất ĐCĐT 32
Xác định hàm tham số Hiệu suất hệ thống cơ điện
2 Kiểm chứng mô hình
Xác định Hệ số quy đổi 1%SOC thành nhiên liệu
tiêu thụ tương đương 05
Xác định Nhiên liệu tiêu thụ - Chu trình nội đô
cao điểm 05
Xác định Nhiên liệu tiêu thụ - Chu trình nội đô
thấp điểm 05
Xác định Nhiên liệu tiêu thụ - Chu trình cao tốc 05
Tổng cộng: 52
Như vậy, cần thực hiện 52 lần thí nghiệm cho 07 bài. Các kết quả thí nghiệm này là độc lập với nhau.