PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN, HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH VÀ CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG XE HYBRID

Thứ sáu, 11/04/2025, 16:44 (GMT+7)

Bài báo trình bày tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của xe hybrid, bao gồm đặc tính hoạt động của động cơ điện, cơ chế thu hồi năng lượng thông qua hệ thống phanh tái sinh, mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải CO₂ lý thuyết, cùng với các chiến lược quản lý năng lượng phổ biến hiện nay. Các phân tích tập trung vào khía cạnh kỹ thuật, tối ưu hóa năng lượng và hiệu suất, cung cấp nền tảng cho việc thiết kế và điều khiển hệ truyền động lai điện hiệu quả hơn.

1. Giới thiệu

Với xu hướng chuyển dịch toàn cầu sang các phương tiện giao thông thân thiện môi trường, xe điện lai (Hybrid Electric Vehicles - HEV) đã trở thành giải pháp trung gian hiệu quả giữa xe truyền thống và xe thuần điện. Để tối ưu hóa hiệu suất vận hành, các yếu tố như hiệu suất động cơ điện, cơ chế tái sinh năng lượng khi phanh, và chiến lược quản lý năng lượng đóng vai trò thiết yếu. Bài viết này phân tích bốn thành tố kỹ thuật quan trọng nhằm đánh giá và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong xe hybrid.

2. Hiệu suất của động cơ điện trong xe hybrid

Động cơ điện là thành phần không thể thiếu trong hệ thống HEV, nổi bật với các đặc tính kỹ thuật vượt trội:

• Hiệu suất chuyển đổi điện-cơ lên tới 90–95%.
• Mô-men xoắn cực đại đạt ngay tại thời điểm khởi động.
• Phản hồi nhanh, điều khiển chính xác.

Trong điều kiện vận hành đô thị – với đặc trưng dừng và khởi động liên tục – động cơ điện thể hiện ưu thế rõ rệt so với động cơ đốt trong. Tuy nhiên, hiệu suất tổng thể bị chi phối bởi trạng thái pin, điều kiện tải và chiến lược phân phối công suất giữa hai nguồn động lực.

Hình 1. So sánh động cơ đốt trong và động cơ điện

3. Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking)

Phanh tái sinh giúp chuyển đổi động năng thành điện năng và nạp trở lại pin, góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng tổng thể.

3.1. Nguyên lý hoạt động:

• Khi người lái giảm tốc hoặc đạp phanh nhẹ, động cơ điện chuyển thành máy phát.
• Dòng điện sinh ra được nạp về bộ pin thông qua inverter.
• Khi cần phanh gấp, phanh ma sát truyền thống được kích hoạt phối hợp.

Hình 2. Nguyên lý tái tạo của phanh tái sinh

3.2. Lợi ích:

• Giảm tổn hao cơ khí.
• Tăng tuổi thọ má phanh.
• Hồi phục 10–25% năng lượng bị mất khi phanh.

Hình 3. Phanh tái sinh giúp xe sử dụng năng lượng hiệu quả, tiết kiệm

3.3. Điều kiện hoạt động tối ưu:

• Tốc độ vừa phải, lực phanh không quá lớn.
• Pin còn dung lượng để tiếp nhận dòng điện sạc.

4. Mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải CO₂ lý thuyết

Trong chu kỳ lái chuẩn WLTP:

• Xe truyền thống phát thải trung bình 150–180 g CO₂/km.
• Xe hybrid giảm còn khoảng 90–120 g CO₂/km, tùy cấu hình hệ truyền động và chiến lược điều khiển.

Mức tiêu thụ nhiên liệu của HEV giảm trung bình 25–35% so với xe sử dụng động cơ đốt trong nhờ khả năng hoạt động trong vùng hiệu suất cao, hỗ trợ của động cơ điện và khả năng tái tạo năng lượng.

 

5. Chiến lược quản lý năng lượng (Energy Management Strategy - EMS)

Quản lý năng lượng trong xe hybrid là một trong những yếu tố then chốt nhằm đảm bảo sự phối hợp hiệu quả giữa hai nguồn động lực – động cơ đốt trong (ICE) và động cơ điện. Mục tiêu của chiến lược quản lý năng lượng (EMS) là tối ưu hóa sự phân phối công suất, cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm phát thải và nâng cao độ bền cho hệ thống pin. EMS là sự kết hợp giữa phần mềm điều khiển thông minh và phần cứng như bộ điều khiển trung tâm (HEV-ECU), cảm biến, pin và inverter.

5.1. Phân loại chiến lược EMS:

• Chiến lược điều khiển theo quy tắc (Rule-based Control): Đây là phương pháp đơn giản, phổ biến ở các thế hệ xe hybrid đầu tiên. Chiến lược này vận hành dựa trên các điều kiện logic IF-THEN được lập trình sẵn. Ví dụ: nếu trạng thái sạc (SOC) của pin > 60% và xe đang đi ở tốc độ thấp, thì sử dụng chế độ thuần điện. Mặc dù dễ triển khai nhưng nhược điểm là thiếu tính thích nghi trong các tình huống lái phức tạp.
• Chiến lược tối ưu hóa (Optimization-based Control): Bao gồm các thuật toán như Dynamic Programming (DP), Linear Programming (LP), hoặc Pontryagin’s Minimum Principle. Các chiến lược này xây dựng hàm mục tiêu (ví dụ: tiêu hao nhiên liệu thấp nhất) và tìm ra chiến lược phân phối công suất tối ưu trong toàn chu kỳ lái. Tuy nhiên, chúng thường yêu cầu tính toán lớn và khó triển khai theo thời gian thực.
• Điều khiển dự đoán mô hình (Model Predictive Control – MPC): Đây là phương pháp hiện đại nhất, cho phép dự đoán trạng thái hệ thống trong tương lai dựa trên mô hình động học. EMS sẽ điều chỉnh liên tục chiến lược phân phối công suất theo điều kiện vận hành thực tế như dốc đường, lưu lượng giao thông hoặc thói quen lái xe. MPC có khả năng thích ứng cao, tuy nhiên yêu cầu phần cứng tính toán mạnh.

5.2. Mục tiêu điều khiển trong EMS:

• Tiết kiệm nhiên liệu tối đa: Điều phối hợp lý giữa ICE và motor điện để ICE luôn hoạt động trong vùng hiệu suất cao.
• Kéo dài tuổi thọ pin: Tránh sạc/xả sâu, hạn chế dao động SOC lớn.
• Giảm phát thải khí CO₂ và NOx: Ưu tiên sử dụng motor điện khi xe vận hành ở tốc độ thấp hoặc tải nhẹ.
• Tối ưu hóa cảm giác lái: Đảm bảo phản hồi mô-men xoắn mượt mà, không trễ hoặc giật cục khi chuyển chế độ.

5.3. Triển khai EMS trong thực tế:

Trong hệ thống hybrid thực tế, bộ điều khiển trung tâm (HEV-ECU) là “bộ não” điều phối. Nó tiếp nhận dữ liệu từ nhiều cảm biến như:

• Tốc độ xe và tải trọng động
• Trạng thái sạc pin (SOC)
• Yêu cầu mô-men từ bàn đạp ga
• Độ nghiêng mặt đường, tốc độ quay của các bánh xe

Dựa trên các tín hiệu đó, HEV-ECU quyết định lựa chọn chế độ hoạt động:

• EV Mode: chạy hoàn toàn bằng điện khi SOC cao và yêu cầu công suất thấp
• Hybrid Mode: phối hợp xăng – điện ở điều kiện tải vừa và tăng tốc
• Engine Mode: chạy thuần ICE khi pin yếu hoặc yêu cầu công suất cao

Một số dòng xe cao cấp hiện nay còn tích hợp hệ thống GPS và trí tuệ nhân tạo để dự đoán địa hình, hành vi lái xe nhằm tối ưu EMS theo thời gian thực.

5.4. Xu hướng phát triển EMS trong tương lai:

• Kết hợp dữ liệu từ cảm biến môi trường (traffic, thời tiết)
• Học máy (machine learning) để thích nghi với người lái cụ thể
• Tối ưu EMS không chỉ cho xe đơn lẻ mà còn cho toàn đội xe (fleet energy management)

6. Kết luận

Sự phối hợp giữa động cơ điện hiệu suất cao, cơ chế phanh tái sinh, cùng chiến lược điều khiển năng lượng thông minh đã mang lại những cải thiện đáng kể cho hiệu suất vận hành và môi trường của xe hybrid. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả hệ thống, hướng phát triển tương lai sẽ tập trung vào:

• Tích hợp AI vào quản lý năng lượng.
• Phát triển mô hình mô phỏng số chính xác hơn.
• Tối ưu hóa thiết kế hệ thống pin và inverter.

Bài viết là cơ sở tham khảo cho các kỹ sư, nhà nghiên cứu trong quá trình phát triển các hệ thống truyền động hybrid thế hệ mới.