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

關(guān)鍵詞：電推進(jìn)裝置;高能量密度電池;高功率密度電機(jī);高功重比

0 ? ?引言

近些年，隨著大眾對(duì)于低碳出行、乘坐舒適等的追求，人們對(duì)于汽車、飛機(jī)等交通工具的性能要求越來(lái)越高，不僅要求其擁有強(qiáng)勁的動(dòng)力、優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性，還要求其具有碳排放量低、振動(dòng)噪聲小等特點(diǎn)。

電力推進(jìn)方式的出現(xiàn)，契合了以上人們對(duì)于交通工具的各項(xiàng)需求，同時(shí)電推進(jìn)方式省去了機(jī)械傳動(dòng)方式的各種動(dòng)力傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪，使動(dòng)力裝置體積縮小、重量減輕，使得車輛、飛機(jī)內(nèi)部空間大大增加，整體重量減輕。因此，大功率電推進(jìn)裝置成為各國(guó)研究機(jī)構(gòu)、公司的研究重點(diǎn)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(dòng)機(jī)。

1 ? ?電推進(jìn)裝置現(xiàn)狀及分析

蓄電池（圖1）用于電能的存儲(chǔ)，其作用是在用電設(shè)備需要時(shí)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(dòng)機(jī)（圖2）主要承擔(dān)了將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功能，是決定電推進(jìn)裝置輸出功率、機(jī)動(dòng)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(jì)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(jī)等交通工具，但在輕度混動(dòng)電動(dòng)汽車領(lǐng)域卻有著一定的發(fā)展空間。

相對(duì)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(shí)，它還具有更好的過充放電耐受性能和耐熱性能[1]。其缺點(diǎn)在于，低溫容量減小及高溫充電受限，過放電會(huì)導(dǎo)致永久損傷，并且較為高昂的價(jià)格也限制了其進(jìn)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(shí)無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)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(jià)格等方面的不足，鋰離子電池始終未能在汽車、飛機(jī)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(duì)比結(jié)果如圖3所示。

1.2 ? ?高功率密度電機(jī)

在供電充足的前提下，更高功率密度的電動(dòng)機(jī)將帶來(lái)更加強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出與更加靈活的機(jī)動(dòng)性能。因此，研制更小重量、體積，更大輸出功率的電機(jī)成為各國(guó)在電機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)工作。

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

2 ? ?技術(shù)展望

電推進(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。

2.1 ? ?高能量密度電池技術(shù)

從價(jià)格、容量、安全性及應(yīng)用范圍對(duì)比來(lái)看，鉛酸電池在汽車領(lǐng)域仍然占有著大量市場(chǎng)，同時(shí)，有文章指出已有研究者將眼光瞄準(zhǔn)了超級(jí)電容與鉛酸電池的混合體，并稱之為“超級(jí)電池”，該電池比功率高、壽命長(zhǎng)，同時(shí)價(jià)格便宜，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一;鎳氫電池性能好但成本較高，同時(shí)面對(duì)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(diǎn)在于其安全性能和容量問題，這兩個(gè)問題解決后，鋰離子電池的應(yīng)用范圍將會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟其成本也會(huì)下降。

以上三種電池均采用液體電解液，這也是制約其各項(xiàng)性能進(jìn)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(dá)1 kWh/kg。除了固態(tài)電池，燃料電池以其能量密度大、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，也得到了各國(guó)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(jī)技術(shù)

電動(dòng)機(jī)低碳、噪聲低、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)在上文已經(jīng)提到，并且現(xiàn)存各類電機(jī)在這幾方面都已經(jīng)達(dá)到了較為良好的水平。如何進(jìn)一步提高電機(jī)功重比是未來(lái)電機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，即理想的轉(zhuǎn)速與冷卻條件下，電機(jī)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(jī)在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)處于頂尖水平，但與在實(shí)驗(yàn)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(jī)功重比還需要更進(jìn)一步的研究。通過在電機(jī)的散熱技術(shù)、磁性能方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效提升電機(jī)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(jī)性能。同時(shí)，超導(dǎo)材料的應(yīng)用可以大大減少高功率密度電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量，顯著提升電機(jī)運(yùn)行性能。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要大量的研究和實(shí)驗(yàn)，才能確定不同電機(jī)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(shí)現(xiàn)材料的超導(dǎo)特性仍然十分困難。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

電推進(jìn)裝置清潔高效，且體積小，方便在汽車、飛機(jī)等交通工具中進(jìn)行布置，節(jié)約空間，同時(shí)可以滿足汽車、飛機(jī)上越來(lái)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(jī)的發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)一定能成為未來(lái)工業(yè)發(fā)展的方向之一。

[參考文獻(xiàn)]

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

[2] 李開省.電動(dòng)飛機(jī)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(jiǎn)介：王乃昆（1992—），男，天津人，碩士，助理工程師，從事飛機(jī)電力系統(tǒng)研究工作。