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關於全天候電池,孫逢春院士和王朝陽教授的那些故事

2008年奧運會期間,500餘輛新能源服務車穿行於鳥巢、水立方和奧運村之間;2022年冬奧期間,將會有更多的新能源汽車穿行在北京和張家口之間。可在雪季,該如何保障車輛正常服務呢?

新能源汽車發展至今,低溫環境是一個全球性難題,寒區過冬問題長期困擾研發和應用環節。2019年1月13日中國電動汽車百人會年會“下一代電驅動關鍵技術”和“動力電池技術峰會”論壇上,中國工程院院士孫逢春和美國賓夕法尼亞大學教授王朝陽分別進行了主題演講,如果你仔細聆聽,就會發現,這兩位遠隔重洋的學者因為新能源汽車過冬技術而千里相逢,成就了一段科學界的高山流水。

山水相逢

賓州大學是世界頂尖研究型大學之一,在新能源汽車研究領域卓有建樹。兩年多前,賓州大學王朝陽教授的研發團隊發明了全氣候電池,這是一種新的電池系統,可以自己發熱,能解決寒冷狀態下電池低溫問題。2016年,王朝陽在學術界享有盛譽的國際綜合性科學週刊《自然》發表相關論文。

隔著太平洋的另一邊,北京理工大學的電動車輛工程技術中心是國內最早從事電動車輛研究的單位,是國內最早從事電動車輛研究的單位, 2008年由國家發改委授權成立了電動車輛國家工程實驗室,北理工教授孫逢春擔任主任。2008年北京奧運會期間,孫逢春團隊主持實施國際奧運史上首次奧運中心區零排放公交工程。2015年,中國獲得2022年冬奧會舉辦資格,孫逢春馬上意識到,冬奧會期間需要大量的新能源服務車輛,這也是中國新能源汽車解決寒區或過冬問題的最佳契機。

從2009年“十城千輛”到現在,中國新能源汽車基本解決了黃河以南和華北大部分新能源汽車的應用問題,但到了冬天,尤其是在華北、東北、西北等高寒地帶,新能源汽車還是容易被使用者垢病抱怨。面對全民對冬奧會的關注,孫逢春希望能研發出全氣候的新能源汽車,徹底解決寒區新能源汽車推廣應用問題。

科學無國界,更何況新能源汽車本就是全球共同戰略。孫逢春查閱了大量國內外文獻,無意中看到了王朝陽新發表的文章。在此之前,他們倆並不認識,不過理工男大概都有相同的腦電波頻率吧,憑著專業的執著和對科學的追求,他們通過電子郵件認識,逐漸瞭解,繼而產生了默契和友誼,後面的事情就水到渠成,他們很快達成合作共識。

找到了技術,孫逢春教授就開始考慮:如何將概念應用於整車,如何將一篇論文用在新能源汽車上,繼而完成批量化上路。

2016年,孫逢春成立了一個50人的冬奧會新能源車輛研發和應用團隊。王朝陽教授在採訪過程中,告訴汽車總站,在美國,這是不可思議的,像他這樣的教授,要想在美國找一個50人市場化應用團隊,不知道要到何年何月才能實現。王朝陽不得不讚嘆,國內對實施新技術轉化新產品的能力之強,令人羨慕。

2017年9月,孫逢春宣佈:北京理工大學聯合盟固利、清華大學、北汽福田客車、北汽新能源、宇通客車等組建 “全氣候動力電池在電動車輛的工程化應用”團隊完成的全天候電池技術,攻克了低溫氣候。

“點石成‘金’”

以前,國內解決電動汽車動力電池低溫問題,主要採用外部加熱方式,但這種加熱系統能耗高、時間長、效率低、效果差,孫逢春教授和王朝陽教授的解決方案則是在現有鋰電池中加入一層金屬鎳鉑片,連通電源後,就可以使電池迅速加熱,而且這項技術不需要改變鋰電池的原有工藝和材料,相容磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰、鈦酸鋰等各種動力電池。

王朝陽教授先後驗證了幾百種材料後,最終確定了鎳鉑作為加熱的材料,王朝陽教授告訴汽車總站,目前鎳鉑片厚度約為5毫米,據估算成本佔到原材料成本的0.4%,幾乎可以忽略不計。

孫逢春教授的團隊在現有的鋰電池中加入了這層鎳鉑片,一端連線負極,另外一端延伸到電池外形成第三極埠。連通電源後,開關的溫度感測器啟動,在探測到環境溫度降低到25攝氏度左右時,就會通過開關控制電流通過鎳片,抗電阻性會讓鎳片發熱並且從內部為電池提供溫度,一旦溫度上升到超過室溫時,電池配備的開關就會自動將電流轉移到直接給電池充電。

據孫逢春介紹,使用該技術之後,,從零下20度加熱到0度以上12.5秒,能耗為3%,如果是外部加熱,能耗沒有損失,電池從零下40度到0度以上是42.5秒,自加熱能耗損失掉6.6%。電池加上這套系統以後,重量增加約1%,總體放電功率提升6倍以上。

因為考慮到張家口冬季氣溫,同時兼顧東北西北等寒區實際情況,孫逢春團隊針對核心關鍵零部件的研發,都是按照低溫零下45攝氏度這個標準來進行要求,確保冬奧會零下23度的時候不出問題。

及鋒而試

在中國,有種寒冷叫“呼倫貝爾的冬天”。這裡不但冬季漫長,而且零下40度的氣溫很常見。

2018年3月8號前後,已經當選中國工程院院士的孫逢春,帶著團隊前往呼倫貝爾市海拉爾區做實驗,當時海拉爾溫度為零下38度。孫院士的三輛冬奧會實驗用車,其中兩輛客車、一輛乘用車,在野外一個冰湖上擱置72個小時之後,採用全天候電池技術,進行5分鐘,三輛車都能正常執行,全部通過了實驗,而且效果良好,這不但說明全天候電池完成了一項世界性的實驗,同時也論證了一項全世界都沒做到的技術。

對此,王朝陽教授表示略有不滿。作為一個科學家,他希望的不止是在實驗室裡寫論文,更希望能在試驗場裡親眼目睹驗證過程。於是,2019年初,長期生活在氣候適宜的賓夕法尼亞州的王朝陽收到了一份禮物:全套東北專用大棉襖、大棉褲、棉帽子、棉鞋和東北專用圍巾手套……

2019年1月15號,孫逢春院士、王朝陽教授和他們的團隊再赴海拉爾,在零下40度的氣溫下,再次完成全氣候新能源汽車產品定型和示範考核試驗。

同時孫逢春團隊成功實施了一鍵自加熱的技術,駕駛員需要加熱時,可以實現一鍵自動智慧加熱。此外,這個團隊還開發應用了減重輕量化、低溫增焓空調和整車隔熱保溫系統。這樣,一個基於全天候電池技術的全天候新能源汽車,才真正完成了寒區冬夏季不同氣候下熱管理的全部問題。孫逢春院士表示:有了這個核心技術,電動汽車再也沒有禁區了。

“百鍊成鋼”

任何新的技術在新生時期,難免要受到這樣或那樣的擔心和懷疑,全天候電池也不例外。與民間的熱切期待不同,國內外不少專家對這項技術存在質疑。

但是,科學技術的進步必須要有質疑,也必須要經得起質疑,王朝陽教授表示,全天候電池現在已有大量的相關文章發表,從不同角度公開闡述原理,讓大家都能看得懂,甚至可以參照實現。而以孫逢春和王朝陽為代表的技術團隊,則在技術落地和商業化的時候,自己把一個又一個的外來的自有的懷疑和擔心解決掉,等到全天候電池在整車上普遍使用,到那時候,質疑的聲音自然就會越來越小。

畢竟,這是一個具有劃時代意義的技術突破。正如孫逢春院士所斷言:“當2022年冬奧會結束,中國的電動汽車將不會再有禁區。”

也就是說,現有技術條件下生產的電動車,全球沒有一輛電動車能在零下40度放置72小時後還能動彈,而我們中國改變了這種局面:在野地裡,沒有外來電源,通過自加熱,我們中國的電動汽車跑了起來。

全世界都沒能做到,我們做到了。

當然,意義不僅如此。王朝陽表示,希望通過這個成功案例,以後可以每年都能引進一些實用的汽車技術到中國,讓有意願的機構實現商業化落地,推動行業更好發展,這同樣是一項有意義的工作。

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Reference:科技日報

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