電動汽車的電效率優(yōu)化問題

　　現(xiàn)有的電動汽車可分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。無論哪一種電動汽車, 都面臨著如何提高其整體電能利用效率的問題。與整體電能效率相關(guān)的要素有電池的選擇、電機的選型、電壓標(biāo)準(zhǔn)的確定和電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法等。這些問題涉及到微電子特別是電力電子技術(shù)、蓄電池技術(shù)以及自動控制技術(shù)等很多領(lǐng)域。電動汽車的電能消耗中，電驅(qū)動系統(tǒng)使用了大部分的能量。因此，如何提高電驅(qū)動系統(tǒng)的效率是關(guān)系到整體電能效率的核心問題。而在電動汽車的驅(qū)動電機中，交流感應(yīng)電動機又占據(jù)了大部分。因此，交流感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)的效率問題的研究無疑具有重要的實際意義和經(jīng)濟價值。

　　本文首先對蓄電池、電機選擇、電壓標(biāo)準(zhǔn)選擇進行了分析，之后重點介紹了交流電機驅(qū)動系統(tǒng)控制策略中的兩種算法：基于效率最優(yōu)的一種電機轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器自適應(yīng)算法;以及基于斐波那契數(shù)列的尋優(yōu)控制方法。

　　2 與電動汽車效率相關(guān)的問題

　　2.1 電池選擇與效率

　　在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的所有部件中，其他各項技術(shù)發(fā)展很快，唯有蓄電池仍然是最薄弱的環(huán)節(jié)，成為電動汽車能否市場化的重要因素。正因為如此，長期以來，蓄電池一直是研究和開發(fā)的基本焦點。1990年，美國能源部、三大汽車制造商和美國電力研究所成立了高級電池制造集團[3]，專門進行適用于電動汽車的高級電池的研究和開發(fā)工作。與其它應(yīng)用不同，電動汽車對蓄電池有特殊的要求：高功率密度、高能量密度、高比能量、高比功率、高效率、低價格、壽命長、合理的運行環(huán)境、安全可靠以及可回收性高等。能夠用于電動汽車的電池種類很多，如鉛酸、鎳鎘、鈉硫、鎳氫、鎳鐵、鋅溴電池等。每種電池各有千秋, 但迄今還沒有一種蓄電池能夠在電動汽車市場上獨占鰲頭。實際上較為適合應(yīng)用于電動汽車且已經(jīng)商業(yè)化和成熟的蓄電池技術(shù)是鉛酸電池。美國新近開發(fā)的HORIZON鉛酸電池的比功率和比能量均超過了常規(guī)鉛酸電池，循環(huán)壽命也比普通鉛酸電池長[3]。

　　近年來，在超級電容器研究上的進展又重新燃起人們將其用于電動汽車上的興趣。與一般的電解電容器相比，超級電容器的能量密度高出兩個數(shù)量級。盡管超級電容器有比較高的比功率和充放能量的效率，但是同電池相比，其能量密度還是低的。而且其價格昂貴，額定電壓低。超級電容器和電池組結(jié)合起來，可以處理很高的瞬時能量，有助于延長電池的壽命[3]。

　　2.2 電機的選型

　　目前，電動汽車使用的幾種典型電動機是他勵直流電動機、三相感應(yīng)式電動機、永磁式同步電動機、開關(guān)式磁阻電動機和同步磁阻式電動機。早期的電動汽車多采用直流電動機。但由于直流電動機結(jié)構(gòu)中有電刷換向器，可靠性相對較差，且體積比較大，因此在新研制的電動汽車上，已基本不采用直流電動機。

　　目前，感應(yīng)電動機是電動汽車推進系統(tǒng)中的一種應(yīng)用較為廣泛的原動機。它使用壽命長、效率高、可靠性好、轉(zhuǎn)速高，而且體積比相同轉(zhuǎn)速的直流電動機小。它的價格也比其它類型的電動機低。由于感應(yīng)式電動機的輸出轉(zhuǎn)矩具有非線性特性，因此需要一個較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

　　永磁式電動機有兩種不同的控制方法，即電流反饋控制的無電刷式直流電動機和永磁式同步電動機。永磁式無刷直流電動機保持了普通直流電動機的優(yōu)點 ,它具有調(diào)速范圍廣、起動迅速、調(diào)節(jié)特性好、可靠性高、無換向火花等優(yōu)點。但其低速運行時有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差和轉(zhuǎn)矩波動比較大，效率較低等缺點[2]。交流永磁式同步電動機可靠性高，輸出功率較大，與相同轉(zhuǎn)速的其他電動機相比，“輸出功率/質(zhì)量” 較高。由于這種電動機具有永久性磁場，所以在恒功率范圍時電動機的控制較為困難。如果能使永磁式電動機在恒功率模式下的操縱更容易的話，它將會有更強的生命力[2]。

　　開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，能實現(xiàn)比同級別感應(yīng)式電動機速度更高的控制。它有比感應(yīng)式電動機更高的“輸出功率/質(zhì)量”比和“輸出轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動慣量”比, 但存在噪聲和轉(zhuǎn)矩波動的問題尚待解決[2]。

　　2.3 電壓標(biāo)準(zhǔn)與效率

　　在傳統(tǒng)動力汽車中，20世紀(jì)80年代，隨著汽車舒適性電子裝置比例的增大，汽車對電力的需求量逐漸增長。據(jù)雷諾汽車公司介紹，1980年以來汽車電氣系統(tǒng)的用電量以每年大約4%的增幅增長，到目前為止增幅達到約50 %。雷諾汽車公司預(yù)期到2005年，高檔車型上的用電量將從現(xiàn)在的1.5kw增加到5kw，有些專家甚至期望達到7.5kw[4]。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車所需要的功率更大。從電效率的角度考慮，在較大的功率消耗下，倘若使用較低電壓，則需要較大電流而造成損耗增大。

　　因此，采用合適的較高電壓標(biāo)準(zhǔn)(42V)，有利于降低系統(tǒng)損耗，提高效率;同時，可以減少這一部分系統(tǒng)的總重和體積，進而提高車輛的整體效率;并且對于混合動力汽車，可以減少燃料能源消耗，進而減少車輛的廢氣排放。

　　現(xiàn)在正在研究中的下一代汽車14/ 42V雙電壓電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1[10]。在雙電壓電氣系統(tǒng)中，借助一個DC/DC變換器可得到蓄電池輸出42V的較高電壓和14V的低電壓。在這個系統(tǒng)中，DC/DC變換器將供電系統(tǒng)分隔為 2個具有不同電壓等級的供電子系統(tǒng)，還可在整個電氣系統(tǒng)電能分配管理方面起到重要作用。