基于超導技術應用于電動汽車的研究與探討

劉勝芬，石清，沈國杰

（重慶大學城市科技學院，重慶 402167）

現在電動汽車作為一種環保、便捷的出行方式得到廣大消費者的青睞。電動汽車作為將來可以替代傳統汽車的產物得益于它使用的動力是電而非汽油，不會產生污染排放物。同樣也恰恰是因為它使用的是電能，其行駛的距離長短也就與電能的儲存量有著密切的關系。且現在的電動汽車因增大了簧下質量和輪轂的轉動慣量，使得電動汽車的操作受到了影響。持續維持電動汽車的制動系統需要大量的電能作為支撐，因此電動汽車的電池存儲量必須得到解決，輪轂電機需要考慮散熱的問題也要得到解決。

1 續航時間問題

電動汽車的電瓶是有容量的，目前，最大容量的電瓶能支持電動汽車跑300多公里，當電瓶中儲存的電能耗盡，電動汽車就不能行駛了。這也是為什么建起了越來越多的電動汽車充電站的原因。不僅僅如此，電動汽車在充電站充電也是需要消耗時間的，目前，最快的充電方式也需要十幾分鐘，這樣一來就會花很多時間停在那里，若只是一輛、兩輛在排隊還好，但隨著電動汽車的繼續普及，一旦在同一時間有多輛電動汽車需要充電勢必會耗費開電動汽車人員的大量時間。電動汽車續航最遠的是比亞迪生產的車型充一次電續航300多公里，換算下來也就是可以在高速上連續開3個來小時。這樣的續航能力是遠遠不夠的。

超導技術的主要特性是電阻幾乎為零。相較于其他材料的導體，超導材料以幾乎沒有內耗的優勢使得成為潛力極大的研究領域。電動汽車的內阻是一定的，若是將超導技術中阻抗為零的特性加在電動汽車上，就可以在不改變電源的情況下使電動汽車內電池的供電時間變長，使得浪費在傳導上的電能得以利用，增加電能的使用效率。

超導磁體中存儲的能量（W）與功率（P）的公式為：

LSMES為磁體電感值；ISMES為磁體中電流值。

因此它可以幫助電動汽車儲存更多的能量，使之可以擺脫續航時間短的問題。這項技術會使電動汽車從普通的代步工具推向遠距離的運輸，使電動汽車可以走上高速公路，不必為續航問題所困擾，那么電動汽車電池無法解決的問題就會迎刃而解。

磁儲能系統中磁場的特性，根據給定邊界條件解麥克斯韋方程：

D為電位移；B為磁感應強度；J為總電流密度；?為散度運算符；x為旋度運算符；E為磁感應強度；H為磁場強度。

超導磁體主要呈現為單一的電磁場效應可表示為：

這一特性加以法拉第提出的電磁感應原理（E=nΔΦ/Δt法拉第電磁感應定律，E：感應電動勢(V)；n：感應線圈匝數；ΔΦ/Δt：磁通量的變化率），即讓閉合電路中的導體在磁場中做切割磁感線運動來產生電能。公式為：

由電磁感應定律來提供電能，超導儲能系統將處于充電狀態，電路圖如圖1。

圖1 含理想直流斬波器的能量雙向性模型[1]

其核心元件包括直流電源U，直流鏈電容器C，線路電阻Rline,負載電阻Rload及直流斬波器。其負載回路電壓方程為：

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I(t)為電源的輸出電流。

充電狀態電壓方程式為：

Ron為導通電阻；IL(t)為超導磁體工作電流；U0為初始時刻工作電壓；C為電容值；L為超導自感。

超導磁儲能系統自身可以完成充電、儲存、放電的過程，故而可以完成放電工作的過程。

利用電磁感應原理來產生電能再用超導磁儲能系統儲存電能，那么電動汽車就可以實現自主產能，電動汽車就不會再有續航時間的問題，電動汽車電池無法解決的問題也會迎刃而解。

2 時速問題

純電動汽車的最大時速為150km/h，但這樣的速度會使其續航里程降低。而通過增強電動汽車的發動機的性能就可以使電動汽車在高速下不必擔心續航問題。

超導磁儲能系統具有快供電的應用優勢，P（功率）=U（電壓）2/R（電阻）根據超導技術的快供電性，短時間增大的電壓可以給發動機足夠大的扭力，那么電動汽車就會在速度上超越傳統汽車。另外，還有超導電動機繞組由實用超導線繞制成的電機也可以解決這一問題。超導電動機主要用于大型艦船的電力推進系統，這也證明了它有足夠大的馬力，且其過載能力強，有益于無功補償，同步電抗小，重量輕體積小。這些特點證明了由超導電機提供的電能質量更高、穩定性更強。這可以使得電動汽車的速度達到甚至超過傳統能源汽車。

3 安全性的提升

傳統汽車很多都利用了渦流制動原理（即電阻制動），但電動汽車采用的是電制動，而一直維持制動的電能是極大的，且輪轂電機的制動容量小，不足以滿足全車的需求。

超導電機就不同了，它具有良好的電力傳出性能，用超導電機提供的電能及扭力（交流異步電動機的轉矩）可表示為：

M為電機轉矩；C為與電機結構有關的常數；I為轉子電流；?為旋轉磁場每極端磁通；?2—轉子電路功率因數角）。

再結合超導限流器一種有效的短路電流限制裝置可以實現集檢測、觸發、限流為一體，正常時阻抗為零，非正常時瞬時產生極大的阻抗，且具有快速響應的特性，故而超導限流器可以在電動汽車使用者做出制動動作的瞬間進行制動并具有一定的穩定性，制動效果會比現有的電動汽車好很多。在電動汽車的核心電路板中應用這一技術，會使電動汽車的反應能力得到顯著的提高，將會使電動汽車的行駛更加精準、安全。

由于現在電動汽車因增大了簧下質量和輪轂的轉動慣量，使得電動汽車的操控性能受到了影響。所以，將傳統電動機改為重量更輕、體積更小的超導電動機，再將原有的銅絲導電改為體積更小、損耗更小、重量更輕的超導電纜，從而實現電動汽車的輕量化，實現電動汽車車身結構的最優化。

超導體還具有快速響應的特性，因此如果在電動汽車的核心電路板中應用這一技術，會使電動汽車的反應能力得到顯著的提高，且超導體制成的集成電路可以大幅度提高集成電路的性能，并且不發熱。采用超導材料制成的電路在純電動汽車中，電池轉換器到電動機的電能傳輸過程中會比傳統電路有著更快速高效的工作特性，這會使電動汽車的使用性能更加貼合使用者的理想效果。

4 結語

綜上所述，超導技術如果在電動汽車上得到應用，電動汽車就會有一個根本性飛躍，從而取代傳統汽車，被廣泛應用?，F今超導技術的應用還是比較昂貴的，但電動汽車可以永久的節省下用戶的燃油費用。但隨著超導技術的不斷深入研究，相信超導技術會得到普及。屆時超導汽車的時代也會如期而至。