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全氣候動力電池為新能源汽車裝上了一顆抗凍“心臟”

2021-05-13 13:25:03 來源：科技日報

不同于夏季奧運會，冬奧會舉辦期間，氣溫低至零下三四十攝氏度（℃），這意味著2022年北京冬奧會的低溫環(huán)境將給新能源汽車的啟動、續(xù)航等提出更高要求。

面向冬奧環(huán)境的應(yīng)用需求，在國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項“高性能純電動大客車動力平臺關(guān)鍵技術(shù)及整車應(yīng)用”項目的支持下，由北京理工大學（以下簡稱北理工）教授、中國工程院院士孫逢春指導，北理工電動車輛國家工程實驗室教授、博士生導師林程帶領(lǐng)的項目團隊自主研發(fā)的鋰離子動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品——全氣候動力電池，可在極寒環(huán)境下提供強勁動能，為新能源汽車裝上了一顆抗凍“心臟”。

開發(fā)加熱極，實現(xiàn)-40℃環(huán)境一鍵加熱

“電池的化學反應(yīng)需要一定溫度，所以電動車在-10℃環(huán)境里如果不采取相應(yīng)措施就沒法工作。為解決電動汽車在極寒環(huán)境充電困難、無法啟動等問題，我們研發(fā)的鋰離子動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品采取內(nèi)置加熱膜片的方式，使電池出現(xiàn)第三極，即加熱極，可在環(huán)境溫度-40℃狀態(tài)一鍵加熱，實現(xiàn)快速自加熱與冷啟動。”林程在接受科技日報記者采訪時表示。

據(jù)介紹，為了解決電動車在嚴寒環(huán)境面臨的系列難題，北理工、榮盛盟固利動力科技有限公司、北京理工華創(chuàng)電動車技術(shù)有限公司（以下簡稱理工華創(chuàng)）、北汽福田汽車股份有限公司等項目團隊成員共同研發(fā)了全氣候電池系統(tǒng)。其原理說來有些“劍走偏鋒”，在極低溫環(huán)境下，讓電池利用僅剩的一點能量，給自身加熱。其工作過程相當于內(nèi)部快速短路，從而使電池迅速變熱，將自己激活。

2018年嚴冬，內(nèi)蒙古海拉爾天寒地凍，只見由林程團隊開發(fā)的電動汽車在白雪皚皚的道路上行駛。經(jīng)過測試，車輛在-40℃的低溫環(huán)境下靜置48小時后，啟動電池加熱，電池系統(tǒng)每分鐘升溫4℃，消耗能量占總能量的5%。

2019年同期，林程團隊在海拉爾繼續(xù)組織車輛冬季試驗，電池系統(tǒng)每分鐘升溫7℃，消耗能量占總能量的5%，空調(diào)制熱能耗降低40%。

2020年初團隊又進行了一次冬季試驗。截至目前，北理工牽頭的項目團隊開發(fā)的鋰離子動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品在海拉爾成功完成3次全氣候動力電池極寒環(huán)境試驗，自加熱速率指標達到國際領(lǐng)先水平。

林程指出：“這是一整套創(chuàng)新體系，涉及很多核心技術(shù)，團隊不僅對加熱系統(tǒng)的控制策略和理論展開研究，如加熱片材料選擇優(yōu)化、加熱回路研發(fā)和加熱策略的研究，還要與整車控制聯(lián)合起來。目前，全氣候動力電池系統(tǒng)整個工作原理驗證工作已完成，并成功研發(fā)出電池系統(tǒng)產(chǎn)品樣機。”

項目團隊開發(fā)的全氣候鋰離子動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品，系統(tǒng)能量突破了155瓦時/千克，可以通過一鍵加熱技術(shù)在5分鐘左右將-30℃的動力電池快速加熱到正常使用狀態(tài)，加熱能耗不高于5%，車輛可以正常啟動和行駛。整車產(chǎn)品已經(jīng)獲得產(chǎn)品公告并投入試驗示范應(yīng)用。

面向冬奧會需求，展現(xiàn)三大核心技術(shù)亮點

顯然，電動汽車要滿足冬奧會的應(yīng)用需求，除了要能夠在低溫環(huán)境下啟動、續(xù)航和有效使用外，還要充分考慮冬奧會河北賽區(qū)以山區(qū)為主的地形地貌，解決山路、冰雪路面汽車的安全行駛問題，此外，電動汽車還需要具備較高的智能駕駛水平等。

“在冬奧會上亮相的電動汽車必須形成技術(shù)高地，展示新一代電動汽車的核心技術(shù)，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向。耐寒、強勁的動力系統(tǒng)、智能駕駛功能，將是冬奧會電動汽車的三大核心亮點。”林程表示。

為達到冬奧會新能源汽車應(yīng)用要求，理工華創(chuàng)通過產(chǎn)學研融合研發(fā)，將高性能全氣候電動汽車關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于冬奧環(huán)境中的純電動大客車開發(fā)，目前這項成果已經(jīng)具備量產(chǎn)條件。

據(jù)介紹，在冬奧會電動汽車的動力方面，理工華創(chuàng)發(fā)明了“新型雙電機驅(qū)動系統(tǒng)”，開發(fā)出了電動汽車無動力中斷高效一體化動力驅(qū)動技術(shù)，該技術(shù)緊扣商用車實際應(yīng)用需要，研發(fā)出的成果結(jié)構(gòu)精簡緊湊，扭矩輸出能力強、比功率密度高、節(jié)能潛力大。這在國內(nèi)系首創(chuàng)，該技術(shù)既能實現(xiàn)自動換擋，又能保證電力不中斷，大大提升了電動汽車性能。

不僅如此，冬奧會電動汽車上還安裝了理工華創(chuàng)研發(fā)的智能網(wǎng)聯(lián)整車控制器，能夠和互聯(lián)網(wǎng)、車內(nèi)的組件網(wǎng)絡(luò)無縫連接，具備整車控制、遠程診斷、藍牙診斷、遠程FOTA、無線標定功能，具備多重加密及握手機制，保障通信及文件的安全。電動汽車可通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳車輛狀態(tài)及故障，實現(xiàn)遠程診斷和更新程序。

“按照團隊設(shè)想，未來車走到任何地方，內(nèi)部每一塊電池、每一塊回路的信息，都能夠?qū)崟r到達監(jiān)控中心、管理團隊和整車企業(yè)，以便實現(xiàn)科學監(jiān)控管理，提前預(yù)判故障。”林程說。

實現(xiàn)量產(chǎn)，能耗較現(xiàn)有同類產(chǎn)品降低20%

2020年初，在內(nèi)蒙古牙克石中汽中心呼倫貝爾冬季汽車試驗場開展冬奧會新能源汽車技術(shù)極寒環(huán)境試驗中，林程團隊將整車靜置于-30℃以下的極寒環(huán)境中，在40個小時后，整車被凍透。現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)顯示，福田12米電動大客車、宇通7米中型客車、北汽新能源電動小客車三類車型可實現(xiàn)6分鐘快速自加熱啟動，升溫速度每分鐘超過5℃，低溫啟動環(huán)節(jié)電池加熱能耗不高于5%，車輛行駛過程無須再給電池加熱。福田客車低溫增焓空調(diào)制熱試驗，實現(xiàn)30分鐘內(nèi)整車車廂溫度從-30℃提升到19℃，而目前常規(guī)車用的熱泵空調(diào)在-15℃的環(huán)境中將無法啟動。三類車型順利通過全氣候動力電池低溫加熱、空調(diào)制熱、除霜及冰雪條件下的爬坡、加速、制動、能耗等系列試驗。

在測試現(xiàn)場研討會上，孫逢春院士表示，本次極寒測試的成功，標志著中國新能源汽車在全氣候動力電池、低溫增焓空調(diào)、全氣候整車控制等核心關(guān)鍵技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先水平，為新能源汽車突破嚴寒禁區(qū)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。未來新能源汽車將無懼超低溫嚴寒，并且能夠保持與常溫狀態(tài)下幾乎相同的續(xù)駛里程。

林程告訴記者，目前已經(jīng)開展全氣候新能源客車的小批量生產(chǎn)，并在北京延慶等地區(qū)試跑。如果全氣候電池技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，我國電動汽車將有望普及到西北、東北等高寒地區(qū)，甚至出口到俄羅斯及北歐國家。

北京市科委官網(wǎng)顯示，經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，該項目團隊在完成全氣候電池技術(shù)原理驗證的基礎(chǔ)上，集成全氣候電池系統(tǒng)、智能整車控制器、動力電池一鍵加熱控制系統(tǒng)、無動力中斷兩擋電驅(qū)動總成、低溫增焓空調(diào)、航空氣溶膠車體保溫材料等多項創(chuàng)新性產(chǎn)品，并解決了極寒條件下純電動汽車無法充放電、整車無法啟動、空調(diào)能耗高等技術(shù)難題。整車能耗較現(xiàn)有同類車型在運行工況下降低20%，電池系統(tǒng)可在-40℃至60℃超寬環(huán)境溫度下正常運行。

預(yù)計到2022年，具備高性能和全氣候工作模式的電動汽車將展示在世人面前，有望成為北京冬奧會上的一道靚麗風景。

標簽：全氣候電池新能源汽車動力