電力推進技術(shù)現(xiàn)狀分析及展望

摘要：電推進作為一種低碳環(huán)保、高效節(jié)能的技術(shù)，越來越受到各國的重視，如何進一步提升電推進設(shè)備的推進能力也是研究人員所關(guān)注的重點?，F(xiàn)以電力推進裝置中的電池、電機技術(shù)現(xiàn)狀為出發(fā)點，分析了未來電力推進裝置的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電推進裝置;高能量密度電池;高功率密度電機;高功重比

0 ? ?引言

近些年，隨著大眾對于低碳出行、乘坐舒適等的追求，人們對于汽車、飛機等交通工具的性能要求越來越高，不僅要求其擁有強勁的動力、優(yōu)異的機動性，還要求其具有碳排放量低、振動噪聲小等特點。

電力推進方式的出現(xiàn)，契合了以上人們對于交通工具的各項需求，同時電推進方式省去了機械傳動方式的各種動力傳動軸、傳動齒輪，使動力裝置體積縮小、重量減輕，使得車輛、飛機內(nèi)部空間大大增加，整體重量減輕。因此，大功率電推進裝置成為各國研究機構(gòu)、公司的研究重點之一，主要研究方向是更高容量的蓄電池與更大功率的電動機。

1 ? ?電推進裝置現(xiàn)狀及分析

蓄電池（圖1）用于電能的存儲，其作用是在用電設(shè)備需要時釋放電能供用電設(shè)備使用，其中為人們所熟知的有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、燃料電池以及鋰離子電池。電動機（圖2）主要承擔(dān)了將電能轉(zhuǎn)化為機械能的功能，是決定電推進裝置輸出功率、機動性能的主要因素之一。

1.1 ? ?高能量密度電池

作為最為常見的車載蓄電池，鉛酸電池憑借成熟的生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)濟的生產(chǎn)成本被大量生產(chǎn)。但由于其本身比能量、比功率低，不正常充放電導(dǎo)致的容量降低、壽命減少，其并不適用于耗電量大的汽車及飛機等交通工具，但在輕度混動電動汽車領(lǐng)域卻有著一定的發(fā)展空間。

相對于鉛酸電池，鎳氫電池的能量體積密度提高了3倍，在比功率方面則提升了10倍，同時，它還具有更好的過充放電耐受性能和耐熱性能[1]。其缺點在于，低溫容量減小及高溫充電受限，過放電會導(dǎo)致永久損傷，并且較為高昂的價格也限制了其進一步發(fā)展和應(yīng)用。

與上述兩種電池相比，鋰離子電池性能更好，比功率、比能量值更高;并且其體積小、重量輕，同時無記憶效應(yīng)、無污染，是目前最具發(fā)展前景的蓄電池之一。但由于其在安全性、循環(huán)壽命、價格等方面的不足，鋰離子電池始終未能在汽車、飛機等領(lǐng)域大范圍應(yīng)用，這也是制約其發(fā)展的重要因素。

蓄電池性能對比結(jié)果如圖3所示。

1.2 ? ?高功率密度電機

在供電充足的前提下，更高功率密度的電動機將帶來更加強勁的動力輸出與更加靈活的機動性能。因此，研制更小重量、體積，更大輸出功率的電機成為各國在電機領(lǐng)域的重點工作。

我國在該領(lǐng)域已經(jīng)擁有了功率密度超過4 kW/kg的電機，最高轉(zhuǎn)速可達13 000 r/min，并實現(xiàn)了電驅(qū)動一體化集成;而國外研發(fā)人員已經(jīng)實現(xiàn)了6 kW/kg以上功率密度電機的研制和量產(chǎn)。表1列出了國內(nèi)外幾家公司的電機性能對比情況[2]。

2 ? ?技術(shù)展望

電推進裝置的基礎(chǔ)核心技術(shù)可以歸結(jié)為高能量密度電池研發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)和高功重比電機設(shè)計、制造技術(shù)。

2.1 ? ?高能量密度電池技術(shù)

從價格、容量、安全性及應(yīng)用范圍對比來看，鉛酸電池在汽車領(lǐng)域仍然占有著大量市場，同時，有文章指出已有研究者將眼光瞄準(zhǔn)了超級電容與鉛酸電池的混合體，并稱之為“超級電池”，該電池比功率高、壽命長，同時價格便宜，將是未來研究的重點之一;鎳氫電池性能好但成本較高，同時面對生產(chǎn)成本不斷下降的鋰離子電池，其發(fā)展前景不容樂觀;而鋰離子電池的技術(shù)難點在于其安全性能和容量問題，這兩個問題解決后，鋰離子電池的應(yīng)用范圍將會持續(xù)擴大，同時隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟其成本也會下降。

以上三種電池均采用液體電解液，這也是制約其各項性能進一步提升的重要原因之一。而現(xiàn)存的固態(tài)電池，采用固體作為電解液，具有較好的熱穩(wěn)定性與較寬的工作溫度范圍，且其比能量很高，可達1 kWh/kg。除了固態(tài)電池，燃料電池以其能量密度大、壽命長、適應(yīng)性強等特點，也得到了各國研究人員的大量研究，將擁有廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 ? ?高功重比電機技術(shù)

電動機低碳、噪聲低、機動靈活的特點在上文已經(jīng)提到，并且現(xiàn)存各類電機在這幾方面都已經(jīng)達到了較為良好的水平。如何進一步提高電機功重比是未來電機研發(fā)的重點，在實驗室環(huán)境，即理想的轉(zhuǎn)速與冷卻條件下，電機最大功重比在20 kW/kg以下，而在正常使用環(huán)境中更是小于該數(shù)值。如上文所述，特斯拉公司功重比為6 kW/kg以上的電機在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)處于頂尖水平，但與在實驗室條件下取得的數(shù)值還有一定的差距。

因此，想要在保證安全性、穩(wěn)定性的前提下繼續(xù)提高電機功重比還需要更進一步的研究。通過在電機的散熱技術(shù)、磁性能方面的優(yōu)化設(shè)計，能有效提升電機功重比。研究表明，適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效提升電機性能。同時，超導(dǎo)材料的應(yīng)用可以大大減少高功率密度電機運行時所產(chǎn)生的熱量，顯著提升電機運行性能。對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要大量的研究和實驗，才能確定不同電機所適合的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而超導(dǎo)材料技術(shù)仍然在探索過程中，常溫下實現(xiàn)材料的超導(dǎo)特性仍然十分困難。

3 ? ?結(jié)語

電推進裝置清潔高效，且體積小，方便在汽車、飛機等交通工具中進行布置，節(jié)約空間，同時可以滿足汽車、飛機上越來越多電子設(shè)備的使用需求。隨著高能量密度電池、高功率密度電機的發(fā)展，電力推進技術(shù)一定能成為未來工業(yè)發(fā)展的方向之一。

[參考文獻]

[1] 張美迪.電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].內(nèi)燃機與配件，2019（15）：230-231.

[2] 李開省.電動飛機技術(shù)的發(fā)展研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2019（1）：1-7.

收稿日期：2020-02-06

作者簡介：王乃昆（1992—），男，天津人，碩士，助理工程師，從事飛機電力系統(tǒng)研究工作。