電動(dòng)汽車的電效率優(yōu)化問(wèn)題

　　現(xiàn)有的電動(dòng)汽車可分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車。無(wú)論哪一種電動(dòng)汽車, 都面臨著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(jī)的選型、電壓標(biāo)準(zhǔn)的確定和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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)汽車的電能消耗中，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用了大部分的能量。因此，如何提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又占據(jù)了大部分。因此，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(jì)價(jià)值。

　　本文首先對(duì)蓄電池、電機(jī)選擇、電壓標(biāo)準(zhǔn)選擇進(jìn)行了分析，之后重點(diǎn)介紹了交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)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(dòng)汽車效率相關(guān)的問(wèn)題

　　2.1 電池選擇與效率

　　在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有部件中，其他各項(xiàng)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(dòng)汽車能否市場(chǎng)化的重要因素。正因?yàn)槿绱耍L(zhǎng)期以來(lái)，蓄電池一直是研究和開發(fā)的基本焦點(diǎn)。1990年，美國(guó)能源部、三大汽車制造商和美國(guó)電力研究所成立了高級(jí)電池制造集團(tuán)[3]，專門進(jìn)行適用于電動(dòng)汽車的高級(jí)電池的研究和開發(fā)工作。與其它應(yīng)用不同，電動(dòng)汽車對(duì)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(zhǎng)、合理的運(yùn)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(dòng)汽車市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭。實(shí)際上較為適合應(yīng)用于電動(dòng)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(guó)新近開發(fā)的HORIZON鉛酸電池的比功率和比能量均超過(guò)了常規(guī)鉛酸電池，循環(huán)壽命也比普通鉛酸電池長(zhǎng)[3]。

　　近年來(lái)，在超級(jí)電容器研究上的進(jìn)展又重新燃起人們將其用于電動(dòng)汽車上的興趣。與一般的電解電容器相比，超級(jí)電容器的能量密度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管超級(jí)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(jí)電容器和電池組結(jié)合起來(lái)，可以處理很高的瞬時(shí)能量，有助于延長(zhǎng)電池的壽命[3]。

　　2.2 電機(jī)的選型

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

　　目前，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車推進(jìn)系統(tǒng)中的一種應(yīng)用較為廣泛的原動(dòng)機(jī)。它使用壽命長(zhǎng)、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(dòng)機(jī)小。它的價(jià)格也比其它類型的電動(dòng)機(jī)低。由于感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩具有非線性特性，因此需要一個(gè)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

　　永磁式電動(dòng)機(jī)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(jī)和永磁式同步電動(dòng)機(jī)。永磁式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)保持了普通直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ,它具有調(diào)速范圍廣、起動(dòng)迅速、調(diào)節(jié)特性好、可靠性高、無(wú)換向火花等優(yōu)點(diǎn)。但其低速運(yùn)行時(shí)有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差和轉(zhuǎn)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(jī)可靠性高，輸出功率較大，與相同轉(zhuǎn)速的其他電動(dòng)機(jī)相比，“輸出功率/質(zhì)量” 較高。由于這種電動(dòng)機(jī)具有永久性磁場(chǎng)，所以在恒功率范圍時(shí)電動(dòng)機(jī)的控制較為困難。如果能使永磁式電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下的操縱更容易的話，它將會(huì)有更強(qiáng)的生命力[2]。

　　開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，能實(shí)現(xiàn)比同級(jí)別感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)速度更高的控制。它有比感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)更高的“輸出功率/質(zhì)量”比和“輸出轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”比, 但存在噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的問(wèn)題尚待解決[2]。

　　2.3 電壓標(biāo)準(zhǔn)與效率

　　在傳統(tǒng)動(dòng)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(duì)電力的需求量逐漸增長(zhǎng)。據(jù)雷諾汽車公司介紹，1980年以來(lái)汽車電氣系統(tǒng)的用電量以每年大約4%的增幅增長(zhǎng)，到目前為止增幅達(dá)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(dá)到7.5kw[4]。與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)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(shí)，可以減少這一部分系統(tǒng)的總重和體積，進(jìn)而提高車輛的整體效率;并且對(duì)于混合動(dòng)力汽車，可以減少燃料能源消耗，進(jìn)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(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(tǒng)中，DC/DC變換器將供電系統(tǒng)分隔為 2個(gè)具有不同電壓等級(jí)的供電子系統(tǒng)，還可在整個(gè)電氣系統(tǒng)電能分配管理方面起到重要作用。