電力推進技術現狀分析及展望

摘要：電推進作為一種低碳環保、高效節能的技術，越來越受到各國的重視，如何進一步提升電推進設備的推進能力也是研究人員所關注的重點。現以電力推進裝置中的電池、電機技術現狀為出發點，分析了未來電力推進裝置的發展趨勢。

關鍵詞：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，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、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 ? ?電推進裝置現狀及分析

蓄電池（圖1）用于電能的存儲，其作用是在用電設備需要時釋放電能供用電設備使用，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）主要承擔了將電能轉化為機械能的功能，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技術、經濟的生產成本被大量生產。但由于其本身比能量、比功率低，不正常充放電導致的容量降低、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域卻有著一定的發展空間。

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，過放電會導致永久損傷，并且較為高昂的價格也限制了其進一步發展和應用。

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、無污染，是目前最具發展前景的蓄電池之一。但由于其在安全性、循環壽命、價格等方面的不足，鋰離子電池始終未能在汽車、飛機等領域大范圍應用，這也是制約其發展的重要因素。

蓄電池性能對比結果如圖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域的重點工作。

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

2 ? ?技術展望

電推進裝置的基礎核心技術可以歸結為高能量密度電池研發、生產技術和高功重比電機設計、制造技術。

2.1 ? ?高能量密度電池技術

從價格、容量、安全性及應用范圍對比來看，鉛酸電池在汽車領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，同時面對生產成本不斷下降的鋰離子電池，其發展前景不容樂觀;而鋰離子電池的技術難點在于其安全性能和容量問題，這兩個問題解決后，鋰離子電池的應用范圍將會持續擴大，同時隨著生產技術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。而現存的固態電池，采用固體作為電解液，具有較好的熱穩定性與較寬的工作溫度范圍，且其比能量很高，可達1 kWh/kg。除了固態電池，燃料電池以其能量密度大、壽命長、適應性強等特點，也得到了各國研究人員的大量研究，將擁有廣泛的應用前景。

2.2 ? ?高功重比電機技術

電動機低碳、噪聲低、機動靈活的特點在上文已經提到，并且現存各類電機在這幾方面都已經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的重點，在實驗室環境，即理想的轉速與冷卻條件下，電機最大功重比在20 kW/kg以下，而在正常使用環境中更是小于該數值。如上文所述，特斯拉公司功重比為6 kW/kg以上的電機在行業內已經處于頂尖水平，但與在實驗室條件下取得的數值還有一定的差距。

因此，想要在保證安全性、穩定性的前提下繼續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、磁性能方面的優化設計，能有效提升電機功重比。研究表明，適當的拓撲結構能夠有效提升電機性能。同時，超導材料的應用可以大大減少高功率密度電機運行時所產生的熱量，顯著提升電機運行性能。對于拓撲結構，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撲結構，而超導材料技術仍然在探索過程中，常溫下實現材料的超導特性仍然十分困難。

3 ? ?結語

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，節約空間，同時可以滿足汽車、飛機上越來越多電子設備的使用需求。隨著高能量密度電池、高功率密度電機的發展，電力推進技術一定能成為未來工業發展的方向之一。

[參考文獻]

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

[2] 李開省.電動飛機技術的發展研究[J].航空科學技術，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，從事飛機電力系統研究工作。