1 引言

         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。
采用14/42V系统取代现有的12/14V系统，其最大的优势在于：针对车内不同电气设备，对需要大功率的设备，提高额定电压值，可大大降低额定电流，不仅可以减小电器装置本身的体积、质量和损耗，也有利于采用由功率半导体器件构成的控制装置的小型化，并提高其集成度。由于传统的电器与部分电子装置功率负荷不大，采用14V供电有利于这些装置功能的发挥，但因技术扩展条件有限，而又会大量采用电气电子装置。新的供电系统与传统供电系统具有完全的兼容性，这是双电压供电系统的基本特点[4]。

图1  14/42V双电压电气系统的结构        

         因此，从效率的角度考虑，在今后的电动汽车中推广使用42V电压系统，有利于减小电流，进而减小能量损耗，并且能够压缩所需电子设备的体积，节省空间，从而提高电动汽车的整体能量利用效率。

         3 电机驱动系统的控制方法

         下面将针对应用最为广泛的感应电机的控制中如何提高效率进行详细分析。

         3.1感应电机的控制方法

         对于交流感应电机控制，常用的有以下几种方法：V/f控制法、矢量控制法和直接转矩控制法。在上述方法当中，V/f控制方法虽然简单，但由于没有电流控制环，系统的动态过程较差。矢量控制法基于感应式电动机的转子磁链的定向实现了分别独立的控制转矩和磁通，从而得到了与他励式直流电动机相同的转矩控制特性。直接转矩控制基于对所观测到的转矩实现反馈控制，可以得到较好的转矩动态特性。

         在将上述方法应用于电动汽车时，需要再加上效率优化控制环节以使得电动机控制系统的效率达到较好的水平[5]。系统的结构图如图2所示。系统中有三个反馈控制环，速度负反馈环和电流负反馈环是采用成熟的感应电机控制方法，而为了实现效率优化，设置了效率最优调节器，根据检测元件得到的参数进行计算，调整该控制器输出，以达到系统运行效率最优化的目的。

图2  控制系统方框图

         3.2感应电机效率最优控制方法

         交流感应电机驱动系统的效率最优化问题，就是寻求在输出功率一定时候，系统输入功率函数Pin的极小值。基于效率最优的控制方法有以下两种基本类型[6][9]：

         第一，根据给定的电机参数建立模型得到效率最优的控制策略。交流电机驱动系统的损耗可分为以下几部分：铜损(定子和转子)、铁损(磁滞和涡流)、杂散损耗、摩擦和间歇损耗、变流器损耗。在这些损耗中，铜损和铁损大约占80-90%。损耗的模型不但复杂，而且是非线性的。更严重的是，由于温度和饱和效应的影响，模型的参数在不同工况下变化明显。例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上。3.2.1中将介绍基于自适应算法的临界阻尼最优控制方法。这种方法提出了一种电机转子磁链观测器实现方案，使用临界阻尼控制方法实现了感应电机的效率最优控制。本方法在保证了不恶化动态过程的前提下，确保了稳态效率最优。同时，为了解决由于定子电压、电流观测中的微小差错带来的磁链电流变化，稳态下根据转子磁链计算适当的磁链参考电流作为控制指标。系统实现了比采用“转子磁链为常值”控制方法更优的效果。

         第二，直接根据电机输入功率值的函数通过数学工具计算该函数的最小值点，得到电机的效率最优工作点。通过逐渐减少励磁电流直到所测输入功率达到最低值的在线搜寻法，显得非常具有吸引力和应用前景。这种方法最吸引人的特点在于不需要损耗模型和电机参数的精确信息。并且，当所测的输入功率是在DC/AC变换器的输入端时，还能同时实现电机损耗和变换器损耗的最小化。由于输入端电压和电流波形的谐波含量较低，输入功率检测也很方便。在3.2.2中将介绍一种新的在线效率最优化方法.