电力推进技术现状分析及展望
2020-07-04王乃昆
摘要:电推进作为一种低碳环保、高效节能的技术,越来越受到各国的重视,如何进一步提升电推进设备的推进能力也是研究人员所关注的重点。现以电力推进装置中的电池、电机技术现状为出发点,分析了未来电力推进装置的发展趋势。
关键词:电推进装置;高能量密度电池;高功率密度电机;高功重比
0 引言
近些年,随着大众对于低碳出行、乘坐舒适等的追求,人们对于汽车、飞机等交通工具的性能要求越来越高,不仅要求其拥有强劲的动力、优异的机动性,还要求其具有碳排放量低、振动噪声小等特点。
电力推进方式的出现,契合了以上人们对于交通工具的各项需求,同时电推进方式省去了机械传动方式的各种动力传动轴、传动齿轮,使动力装置体积缩小、重量减轻,使得车辆、飞机内部空间大大增加,整体重量减轻。因此,大功率电推进装置成为各国研究机构、公司的研究重点之一,主要研究方向是更高容量的蓄电池与更大功率的电动机。
1 电推进装置现状及分析
蓄电池(图1)用于电能的存储,其作用是在用电设备需要时释放电能供用电设备使用,其中为人们所熟知的有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、燃料电池以及锂离子电池。电动机(图2)主要承担了将电能转化为机械能的功能,是决定电推进装置输出功率、机动性能的主要因素之一。
1.1 高能量密度电池
作为最为常见的车载蓄电池,铅酸电池凭借成熟的生产技术、经济的生产成本被大量生产。但由于其本身比能量、比功率低,不正常充放电导致的容量降低、寿命减少,其并不适用于耗电量大的汽车及飞机等交通工具,但在轻度混动电动汽车领域却有着一定的发展空间。
相对于铅酸电池,镍氢电池的能量体积密度提高了3倍,在比功率方面则提升了10倍,同时,它还具有更好的过充放电耐受性能和耐热性能[1]。其缺点在于,低温容量减小及高温充电受限,过放电会导致永久损伤,并且较为高昂的价格也限制了其进一步发展和应用。
与上述两种电池相比,锂离子电池性能更好,比功率、比能量值更高;并且其体积小、重量轻,同时无记忆效应、无污染,是目前最具发展前景的蓄电池之一。但由于其在安全性、循环寿命、价格等方面的不足,锂离子电池始终未能在汽车、飞机等领域大范围应用,这也是制约其发展的重要因素。
蓄电池性能对比结果如图3所示。
1.2 高功率密度电机
在供电充足的前提下,更高功率密度的电动机将带来更加强劲的动力输出与更加灵活的机动性能。因此,研制更小重量、体积,更大输出功率的电机成为各国在电机领域的重点工作。
我國在该领域已经拥有了功率密度超过4 kW/kg的电机,最高转速可达13 000 r/min,并实现了电驱动一体化集成;而国外研发人员已经实现了6 kW/kg以上功率密度电机的研制和量产。表1列出了国内外几家公司的电机性能对比情况[2]。
2 技术展望
电推进装置的基础核心技术可以归结为高能量密度电池研发、生产技术和高功重比电机设计、制造技术。
2.1 高能量密度电池技术
从价格、容量、安全性及应用范围对比来看,铅酸电池在汽车领域仍然占有着大量市场,同时,有文章指出已有研究者将眼光瞄准了超级电容与铅酸电池的混合体,并称之为“超级电池”,该电池比功率高、寿命长,同时价格便宜,将是未来研究的重点之一;镍氢电池性能好但成本较高,同时面对生产成本不断下降的锂离子电池,其发展前景不容乐观;而锂离子电池的技术难点在于其安全性能和容量问题,这两个问题解决后,锂离子电池的应用范围将会持续扩大,同时随着生产技术的成熟其成本也会下降。
以上三种电池均采用液体电解液,这也是制约其各项性能进一步提升的重要原因之一。而现存的固态电池,采用固体作为电解液,具有较好的热稳定性与较宽的工作温度范围,且其比能量很高,可达1 kWh/kg。除了固态电池,燃料电池以其能量密度大、寿命长、适应性强等特点,也得到了各国研究人员的大量研究,将拥有广泛的应用前景。
2.2 高功重比电机技术
电动机低碳、噪声低、机动灵活的特点在上文已经提到,并且现存各类电机在这几方面都已经达到了较为良好的水平。如何进一步提高电机功重比是未来电机研发的重点,在实验室环境,即理想的转速与冷却条件下,电机最大功重比在20 kW/kg以下,而在正常使用环境中更是小于该数值。如上文所述,特斯拉公司功重比为6 kW/kg以上的电机在行业内已经处于顶尖水平,但与在实验室条件下取得的数值还有一定的差距。
因此,想要在保证安全性、稳定性的前提下继续提高电机功重比还需要更进一步的研究。通过在电机的散热技术、磁性能方面的优化设计,能有效提升电机功重比。研究表明,适当的拓扑结构能够有效提升电机性能。同时,超导材料的应用可以大大减少高功率密度电机运行时所产生的热量,显著提升电机运行性能。对于拓扑结构,需要大量的研究和实验,才能确定不同电机所适合的最佳拓扑结构,而超导材料技术仍然在探索过程中,常温下实现材料的超导特性仍然十分困难。
3 结语
电推进装置清洁高效,且体积小,方便在汽车、飞机等交通工具中进行布置,节约空间,同时可以满足汽车、飞机上越来越多电子设备的使用需求。随着高能量密度电池、高功率密度电机的发展,电力推进技术一定能成为未来工业发展的方向之一。
[参考文献]
[1] 张美迪.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].内燃机与配件,2019(15):230-231.
[2] 李开省.电动飞机技术的发展研究[J].航空科学技术,2019(1):1-7.
收稿日期:2020-02-06
作者简介:王乃昆(1992—),男,天津人,硕士,助理工程师,从事飞机电力系统研究工作。