基于超导技术应用于电动汽车的研究与探讨

刘胜芬，石清，沈国杰

（重庆大学城市科技学院，重庆 402167）

现在电动汽车作为一种环保、便捷的出行方式得到广大消费者的青睐。电动汽车作为将来可以替代传统汽车的产物得益于它使用的动力是电而非汽油，不会产生污染排放物。同样也恰恰是因为它使用的是电能，其行驶的距离长短也就与电能的储存量有着密切的关系。且现在的电动汽车因增大了簧下质量和轮毂的转动惯量，使得电动汽车的操作受到了影响。持续维持电动汽车的制动系统需要大量的电能作为支撑，因此电动汽车的电池存储量必须得到解决，轮毂电机需要考虑散热的问题也要得到解决。

1 续航时间问题

电动汽车的电瓶是有容量的，目前，最大容量的电瓶能支持电动汽车跑300多公里，当电瓶中储存的电能耗尽，电动汽车就不能行驶了。这也是为什么建起了越来越多的电动汽车充电站的原因。不仅仅如此，电动汽车在充电站充电也是需要消耗时间的，目前，最快的充电方式也需要十几分钟，这样一来就会花很多时间停在那里，若只是一辆、两辆在排队还好，但随着电动汽车的继续普及，一旦在同一时间有多辆电动汽车需要充电势必会耗费开电动汽车人员的大量时间。电动汽车续航最远的是比亚迪生产的车型充一次电续航300多公里，换算下来也就是可以在高速上连续开3个来小时。这样的续航能力是远远不够的。

超导技术的主要特性是电阻几乎为零。相较于其他材料的导体，超导材料以几乎没有内耗的优势使得成为潜力极大的研究领域。电动汽车的内阻是一定的，若是将超导技术中阻抗为零的特性加在电动汽车上，就可以在不改变电源的情况下使电动汽车内电池的供电时间变长，使得浪费在传导上的电能得以利用，增加电能的使用效率。

超导磁体中存储的能量（W）与功率（P）的公式为：

LSMES为磁体电感值；ISMES为磁体中电流值。

因此它可以帮助电动汽车储存更多的能量，使之可以摆脱续航时间短的问题。这项技术会使电动汽车从普通的代步工具推向远距离的运输，使电动汽车可以走上高速公路，不必为续航问题所困扰，那么电动汽车电池无法解决的问题就会迎刃而解。

磁储能系统中磁场的特性，根据给定边界条件解麦克斯韦方程：

D为电位移；B为磁感应强度；J为总电流密度；∇为散度运算符；x为旋度运算符；E为磁感应强度；H为磁场强度。

超导磁体主要呈现为单一的电磁场效应可表示为：

这一特性加以法拉第提出的电磁感应原理（E=nΔΦ/Δt法拉第电磁感应定律，E：感应电动势(V)；n：感应线圈匝数；ΔΦ/Δt：磁通量的变化率），即让闭合电路中的导体在磁场中做切割磁感线运动来产生电能。公式为：

由电磁感应定律来提供电能，超导储能系统将处于充电状态，电路图如图1。

图1 含理想直流斩波器的能量双向性模型[1]

其核心元件包括直流电源U，直流链电容器C，线路电阻Rline,负载电阻Rload及直流斩波器。其负载回路电压方程为：

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I(t)为电源的输出电流。

充电状态电压方程式为：

Ron为导通电阻；IL(t)为超导磁体工作电流；U0为初始时刻工作电压；C为电容值；L为超导自感。

超导磁储能系统自身可以完成充电、储存、放电的过程，故而可以完成放电工作的过程。

利用电磁感应原理来产生电能再用超导磁储能系统储存电能，那么电动汽车就可以实现自主产能，电动汽车就不会再有续航时间的问题，电动汽车电池无法解决的问题也会迎刃而解。

2 时速问题

纯电动汽车的最大时速为150km/h，但这样的速度会使其续航里程降低。而通过增强电动汽车的发动机的性能就可以使电动汽车在高速下不必担心续航问题。

超导磁储能系统具有快供电的应用优势，P（功率）=U（电压）2/R（电阻）根据超导技术的快供电性，短时间增大的电压可以给发动机足够大的扭力，那么电动汽车就会在速度上超越传统汽车。另外，还有超导电动机绕组由实用超导线绕制成的电机也可以解决这一问题。超导电动机主要用于大型舰船的电力推进系统，这也证明了它有足够大的马力，且其过载能力强，有益于无功补偿，同步电抗小，重量轻体积小。这些特点证明了由超导电机提供的电能质量更高、稳定性更强。这可以使得电动汽车的速度达到甚至超过传统能源汽车。

3 安全性的提升

传统汽车很多都利用了涡流制动原理（即电阻制动），但电动汽车采用的是电制动，而一直维持制动的电能是极大的，且轮毂电机的制动容量小，不足以满足全车的需求。

超导电机就不同了，它具有良好的电力传出性能，用超导电机提供的电能及扭力（交流异步电动机的转矩）可表示为：

M为电机转矩；C为与电机结构有关的常数；I为转子电流；Ö为旋转磁场每极端磁通；ö2—转子电路功率因数角）。

再结合超导限流器一种有效的短路电流限制装置可以实现集检测、触发、限流为一体，正常时阻抗为零，非正常时瞬时产生极大的阻抗，且具有快速响应的特性，故而超导限流器可以在电动汽车使用者做出制动动作的瞬间进行制动并具有一定的稳定性，制动效果会比现有的电动汽车好很多。在电动汽车的核心电路板中应用这一技术，会使电动汽车的反应能力得到显著的提高，将会使电动汽车的行驶更加精准、安全。

由于现在电动汽车因增大了簧下质量和轮毂的转动惯量，使得电动汽车的操控性能受到了影响。所以，将传统电动机改为重量更轻、体积更小的超导电动机，再将原有的铜丝导电改为体积更小、损耗更小、重量更轻的超导电缆，从而实现电动汽车的轻量化，实现电动汽车车身结构的最优化。

超导体还具有快速响应的特性，因此如果在电动汽车的核心电路板中应用这一技术，会使电动汽车的反应能力得到显著的提高，且超导体制成的集成电路可以大幅度提高集成电路的性能，并且不发热。采用超导材料制成的电路在纯电动汽车中，电池转换器到电动机的电能传输过程中会比传统电路有着更快速高效的工作特性，这会使电动汽车的使用性能更加贴合使用者的理想效果。

4 结语

综上所述，超导技术如果在电动汽车上得到应用，电动汽车就会有一个根本性飞跃，从而取代传统汽车，被广泛应用。现今超导技术的应用还是比较昂贵的，但电动汽车可以永久的节省下用户的燃油费用。但随着超导技术的不断深入研究，相信超导技术会得到普及。届时超导汽车的时代也会如期而至。