电动汽车的电效率优化问题

　　现有的电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。无论哪一种电动汽车, 都面临着如何提高其整体电能利用效率的问题。与整体电能效率相关的要素有电池的选择、电机的选型、电压标准的确定和电机驱动系统的控制方法等。这些问题涉及到微电子特别是电力电子技术、蓄电池技术以及自动控制技术等很多领域。电动汽车的电能消耗中，电驱动系统使用了大部分的能量。因此，如何提高电驱动系统的效率是关系到整体电能效率的核心问题。而在电动汽车的驱动电机中，交流感应电动机又占据了大部分。因此，交流感应电动机驱动系统的效率问题的研究无疑具有重要的实际意义和经济价值。

　　本文首先对蓄电池、电机选择、电压标准选择进行了分析，之后重点介绍了交流电机驱动系统控制策略中的两种算法：基于效率最优的一种电机转子磁链观测器自适应算法;以及基于斐波那契数列的寻优控制方法。

　　2 与电动汽车效率相关的问题

　　2.1 电池选择与效率

　　在电动汽车驱动系统的所有部件中，其他各项技术发展很快，唯有蓄电池仍然是最薄弱的环节，成为电动汽车能否市场化的重要因素。正因为如此，长期以来，蓄电池一直是研究和开发的基本焦点。1990年，美国能源部、三大汽车制造商和美国电力研究所成立了高级电池制造集团[3]，专门进行适用于电动汽车的高级电池的研究和开发工作。与其它应用不同，电动汽车对蓄电池有特殊的要求：高功率密度、高能量密度、高比能量、高比功率、高效率、低价格、寿命长、合理的运行环境、安全可靠以及可回收性高等。能够用于电动汽车的电池种类很多，如铅酸、镍镉、钠硫、镍氢、镍铁、锌溴电池等。每种电池各有千秋, 但迄今还没有一种蓄电池能够在电动汽车市场上独占鳌头。实际上较为适合应用于电动汽车且已经商业化和成熟的蓄电池技术是铅酸电池。美国新近开发的HORIZON铅酸电池的比功率和比能量均超过了常规铅酸电池，循环寿命也比普通铅酸电池长[3]。

　　近年来，在超级电容器研究上的进展又重新燃起人们将其用于电动汽车上的兴趣。与一般的电解电容器相比，超级电容器的能量密度高出两个数量级。尽管超级电容器有比较高的比功率和充放能量的效率，但是同电池相比，其能量密度还是低的。而且其价格昂贵，额定电压低。超级电容器和电池组结合起来，可以处理很高的瞬时能量，有助于延长电池的寿命[3]。

　　2.2 电机的选型

　　目前，电动汽车使用的几种典型电动机是他励直流电动机、三相感应式电动机、永磁式同步电动机、开关式磁阻电动机和同步磁阻式电动机。早期的电动汽车多采用直流电动机。但由于直流电动机结构中有电刷换向器，可靠性相对较差，且体积比较大，因此在新研制的电动汽车上，已基本不采用直流电动机。

　　目前，感应电动机是电动汽车推进系统中的一种应用较为广泛的原动机。它使用寿命长、效率高、可靠性好、转速高，而且体积比相同转速的直流电动机小。它的价格也比其它类型的电动机低。由于感应式电动机的输出转矩具有非线性特性，因此需要一个较为复杂的控制系统。

　　永磁式电动机有两种不同的控制方法，即电流反馈控制的无电刷式直流电动机和永磁式同步电动机。永磁式无刷直流电动机保持了普通直流电动机的优点 ,它具有调速范围广、起动迅速、调节特性好、可靠性高、无换向火花等优点。但其低速运行时有转速稳定性差和转矩波动比较大，效率较低等缺点[2]。交流永磁式同步电动机可靠性高，输出功率较大，与相同转速的其他电动机相比，“输出功率/质量” 较高。由于这种电动机具有永久性磁场，所以在恒功率范围时电动机的控制较为困难。如果能使永磁式电动机在恒功率模式下的操纵更容易的话，它将会有更强的生命力[2]。

　　开关磁阻电动机的结构较为复杂，能实现比同级别感应式电动机速度更高的控制。它有比感应式电动机更高的“输出功率/质量”比和“输出转矩/转动惯量”比, 但存在噪声和转矩波动的问题尚待解决[2]。

　　2.3 电压标准与效率

　　在传统动力汽车中，20世纪80年代，随着汽车舒适性电子装置比例的增大，汽车对电力的需求量逐渐增长。据雷诺汽车公司介绍，1980年以来汽车电气系统的用电量以每年大约4%的增幅增长，到目前为止增幅达到约50 %。雷诺汽车公司预期到2005年，高档车型上的用电量将从现在的1.5kw增加到5kw，有些专家甚至期望达到7.5kw[4]。与传统汽车相比，电动汽车所需要的功率更大。从电效率的角度考虑，在较大的功率消耗下，倘若使用较低电压，则需要较大电流而造成损耗增大。

　　因此，采用合适的较高电压标准(42V)，有利于降低系统损耗，提高效率;同时，可以减少这一部分系统的总重和体积，进而提高车辆的整体效率;并且对于混合动力汽车，可以减少燃料能源消耗，进而减少车辆的废气排放。

　　现在正在研究中的下一代汽车14/ 42V双电压电气系统的结构框图如图1[10]。在双电压电气系统中，借助一个DC/DC变换器可得到蓄电池输出42V的较高电压和14V的低电压。在这个系统中，DC/DC变换器将供电系统分隔为 2个具有不同电压等级的供电子系统，还可在整个电气系统电能分配管理方面起到重要作用。