爲參加北京冬奧會 電動汽車裝上了抗凍“心臟”
本報記者 華 凌
2019年1月，全氣候12米純電動公路客車在內蒙古海拉爾牙克石試驗場開展冰雪路面測試。 理工華創供圖
本次極寒測試的成功，標誌着中國新能源汽車在全氣候動力電池、低溫增焓空調、全氣候整車控制等核心關鍵技術方面處於世界領先水平，爲新能源汽車突破嚴寒禁區奠定了堅實的技術基礎。
不同於夏季奧運會，冬奧會舉辦期間，氣溫低至零下三四十攝氏度（℃），這意味着2022年北京冬奧會的低溫環境將給新能源汽車的啓動、續航等提出更高要求。
面向冬奧環境的應用需求，在國家重點研發計劃“新能源汽車”重點專項“高性能純電動大客車動力平臺關鍵技術及整車應用”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的項目團隊自主研發的鋰離子動力電池系統產品——全氣候動力電池，可在極寒環境下提供強勁動能，爲新能源汽車裝上了一顆抗凍“心臟”。
開發加熱極，實現-40℃環境一鍵加熱
“電池的化學反應需要一定溫度，所以電動車在-10℃環境裡如果不採取相應措施就沒法工作。爲解決電動汽車在極寒環境充電困難、無法啓動等問題，我們研發的鋰離子動力電池系統產品採取內置加熱膜片的方式，使電池出現第三極，即加熱極，可在環境溫度-40℃狀態一鍵加熱，實現快速自加熱與冷啓動。”林程在接受科技日報記者採訪時表示。
據介紹，爲了解決電動車在嚴寒環境面臨的系列難題，北理工、榮盛盟固利動力科技有限公司、北京理工華創電動車技術有限公司（以下簡稱理工華創）、北汽福田汽車股份有限公司等項目團隊成員共同研發了全氣候電池系統。其原理說來有些“劍走偏鋒”，在極低溫環境下，讓電池利用僅剩的一點能量，給自身加熱。其工作過程相當於內部快速短路，從而使電池迅速變熱，將自己激活。
2018年嚴冬，內蒙古海拉爾天寒地凍，只見由林程團隊開發的電動汽車在白雪皚皚的道路上行駛。經過測試，車輛在-40℃的低溫環境下靜置48小時後，啓動電池加熱，電池系統每分鐘升溫4℃，消耗能量佔總能量的5%。
2019年同期，林程團隊在海拉爾繼續組織車輛冬季試驗，電池系統每分鐘升溫7℃，消耗能量佔總能量的5%，空調製熱能耗降低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的鋰離子動力電池系統產品在海拉爾成功完成3次全氣候動力電池極寒環境試驗，自加熱速率指標達到國際領先水平。
林程指出：“這是一整套創新體系，涉及很多核心技術，團隊不僅對加熱系統的控制策略和理論展開研究，如加熱片材料選擇優化、加熱迴路研發和加熱策略的研究，還要與整車控制聯合起來。目前，全氣候動力電池系統整個工作原理驗證工作已完成，併成功研發出電池系統產品樣機。”
項目團隊開發的全氣候鋰離子動力電池系統產品，系統能量突破了155瓦時/千克，可以通過一鍵加熱技術在5分鐘左右將-30℃的動力電池快速加熱到正常使用狀態，加熱能耗不高於5%，車輛可以正常啓動和行駛。整車產品已經獲得產品公告並投入試驗示範應用。
面向冬奧會需求，展現三大核心技術亮點
顯然，電動汽車要滿足冬奧會的應用需求，除了要能夠在低溫環境下啓動、續航和有效使用外，還要充分考慮冬奧會河北賽區以山區爲主的地形地貌，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高地，展示新一代電動汽車的核心技術，引領行業發展方向。耐寒、強勁的動力系統、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。
爲達到冬奧會新能源汽車應用要求，理工華創通過產學研融合研發，將高性能全氣候電動汽車關鍵技術應用於冬奧環境中的純電動大客車開發，目前這項成果已經具備量產條件。
據介紹，在冬奧會電動汽車的動力方面，理工華創發明了“新型雙電機驅動系統”，開發出了電動汽車無動力中斷高效一體化動力驅動技術，該技術緊扣商用車實際應用需要，研發出的成果結構精簡緊湊，扭矩輸出能力強、比功率密度高、節能潛力大。這在國內系首創，該技術既能實現自動換擋，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研發的智能網聯整車控制器，能夠和互聯網、車內的組件網絡無縫連接，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網絡上傳車輛狀態及故障，實現遠程診斷和更新程序。
“按照團隊設想，未來車走到任何地方，內部每一塊電池、每一塊迴路的信息，都能夠實時到達監控中心、管理團隊和整車企業，以便實現科學監控管理，提前預判故障。”林程說。
實現量產，能耗較現有同類產品降低20%
2020年初，在內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極寒環境試驗中，林程團隊將整車靜置於-30℃以下的極寒環境中，在40個小時後，整車被凍透。現場試驗數據顯示，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6分鐘快速自加熱啓動，升溫速度每分鐘超過5℃，低溫啓動環節電池加熱能耗不高於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製熱試驗，實現30分鐘內整車車廂溫度從-30℃提升到19℃，而目前常規車用的熱泵空調在-15℃的環境中將無法啓動。三類車型順利通過全氣候動力電池低溫加熱、空調製熱、除霜及冰雪條件下的爬坡、加速、制動、能耗等系列試驗。
在測試現場研討會上，孫逢春院士表示，本次極寒測試的成功，標誌着中國新能源汽車在全氣候動力電池、低溫增焓空調、全氣候整車控制等核心關鍵技術方面處於世界領先水平，爲新能源汽車突破嚴寒禁區奠定了堅實的技術基礎。未來新能源汽車將無懼超低溫嚴寒，並且能夠保持與常溫狀態下幾乎相同的續駛里程。
林程告訴記者，目前已經開展全氣候新能源客車的小批量生產，並在北京延慶等地區試跑。如果全氣候電池技術得以廣泛應用，我國電動汽車將有望普及到西北、東北等高寒地區，甚至出口到俄羅斯及北歐國家。
北京市科委官網顯示，經過多年技術攻關，該項目團隊在完成全氣候電池技術原理驗證的基礎上，集成全氣候電池系統、智能整車控制器、動力電池一鍵加熱控制系統、無動力中斷兩擋電驅動總成、低溫增焓空調、航空氣溶膠車體保溫材料等多項創新性產品，並解決了極寒條件下純電動汽車無法充放電、整車無法啓動、空調能耗高等技術難題。整車能耗較現有同類車型在運行工況下降低20%，電池系統可在-40℃至60℃超寬環境溫度下正常運行。
預計到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，有望成爲北京冬奧會上的一道靚麗風景。