電動(dòng)汽車(chē)的電效率優(yōu)化問(wèn)題

　　現有的電動(dòng)汽車(chē)可分為純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。無(wú)論哪一種電動(dòng)汽車(chē), 都面臨著(zhù)如何提高其整體電能利用效率的問(wèn)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、電壓標準的確定和電機驅動(dòng)系統的控制方法等。這些問(wèn)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(dòng)控制技術(shù)等很多領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)的電能消耗中，電驅動(dòng)系統使用了大部分的能量。因此，如何提高電驅動(dòng)系統的效率是關(guān)系到整體電能效率的核心問(wèn)題。而在電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)電機中，交流感應電動(dòng)機又占據了大部分。因此，交流感應電動(dòng)機驅動(dòng)系統的效率問(wèn)題的研究無(wú)疑具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟價(jià)值。

　　本文首先對蓄電池、電機選擇、電壓標準選擇進(jìn)行了分析，之后重點(diǎn)介紹了交流電機驅動(dòng)系統控制策略中的兩種算法：基于效率最優(yōu)的一種電機轉子磁鏈觀(guān)測器自適應算法;以及基于斐波那契數列的尋優(yōu)控制方法。

　　2 與電動(dòng)汽車(chē)效率相關(guān)的問(wèn)題

　　2.1 電池選擇與效率

　　在電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統的所有部件中，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，成為電動(dòng)汽車(chē)能否市場(chǎng)化的重要因素。正因為如此，長(cháng)期以來(lái)，蓄電池一直是研究和開(kāi)發(fā)的基本焦點(diǎn)。1990年，美國能源部、三大汽車(chē)制造商和美國電力研究所成立了高級電池制造集團[3]，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行適用于電動(dòng)汽車(chē)的高級電池的研究和開(kāi)發(fā)工作。與其它應用不同，電動(dòng)汽車(chē)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(jià)格、壽命長(cháng)、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(dòng)汽車(chē)的電池種類(lèi)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(méi)有一種蓄電池能夠在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)上獨占鰲頭。實(shí)際上較為適合應用于電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)發(fā)的HORIZON鉛酸電池的比功率和比能量均超過(guò)了常規鉛酸電池，循環(huán)壽命也比普通鉛酸電池長(cháng)[3]。

　　近年來(lái)，在超級電容器研究上的進(jìn)展又重新燃起人們將其用于電動(dòng)汽車(chē)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(gè)數量級。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(jià)格昂貴，額定電壓低。超級電容器和電池組結合起來(lái)，可以處理很高的瞬時(shí)能量，有助于延長(cháng)電池的壽命[3]。

　　2.2 電機的選型

　　目前，電動(dòng)汽車(chē)使用的幾種典型電動(dòng)機是他勵直流電動(dòng)機、三相感應式電動(dòng)機、永磁式同步電動(dòng)機、開(kāi)關(guān)式磁阻電動(dòng)機和同步磁阻式電動(dòng)機。早期的電動(dòng)汽車(chē)多采用直流電動(dòng)機。但由于直流電動(dòng)機結構中有電刷換向器，可靠性相對較差，且體積比較大，因此在新研制的電動(dòng)汽車(chē)上，已基本不采用直流電動(dòng)機。

　　目前，感應電動(dòng)機是電動(dòng)汽車(chē)推進(jìn)系統中的一種應用較為廣泛的原動(dòng)機。它使用壽命長(cháng)、效率高、可靠性好、轉速高，而且體積比相同轉速的直流電動(dòng)機小。它的價(jià)格也比其它類(lèi)型的電動(dòng)機低。由于感應式電動(dòng)機的輸出轉矩具有非線(xiàn)性特性，因此需要一個(gè)較為復雜的控制系統。

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

　　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的結構較為復雜，能實(shí)現比同級別感應式電動(dòng)機速度更高的控制。它有比感應式電動(dòng)機更高的“輸出功率/質(zhì)量”比和“輸出轉矩/轉動(dòng)慣量”比, 但存在噪聲和轉矩波動(dòng)的問(wèn)題尚待解決[2]。

　　2.3 電壓標準與效率

　　在傳統動(dòng)力汽車(chē)中，20世紀80年代，隨著(zhù)汽車(chē)舒適性電子裝置比例的增大，汽車(chē)對電力的需求量逐漸增長(cháng)。據雷諾汽車(chē)公司介紹，1980年以來(lái)汽車(chē)電氣系統的用電量以每年大約4%的增幅增長(cháng)，到目前為止增幅達到約50 %。雷諾汽車(chē)公司預期到2005年，高檔車(chē)型上的用電量將從現在的1.5kw增加到5kw，有些專(zhuān)家甚至期望達到7.5kw[4]。與傳統汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)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準(42V)，有利于降低系統損耗，提高效率;同時(shí)，可以減少這一部分系統的總重和體積，進(jìn)而提高車(chē)輛的整體效率;并且對于混合動(dòng)力汽車(chē)，可以減少燃料能源消耗，進(jìn)而減少車(chē)輛的廢氣排放。

　　現在正在研究中的下一代汽車(chē)14/ 42V雙電壓電氣系統的結構框圖如圖1[10]。在雙電壓電氣系統中，借助一個(gè)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(gè)系統中，DC/DC變換器將供電系統分隔為 2個(gè)具有不同電壓等級的供電子系統，還可在整個(gè)電氣系統電能分配管理方面起到重要作用。