突破技术垄断 占领能源新高地

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  国产第一辆汽车诞生于1956年,比国外整整晚了71年,就算迎头追赶了半个世纪,至今也没有开发出一辆真正畅销国际市场的汽车。打造具有国际竞争力的民族品牌,中国汽车发展任重道远。与传统汽车工业发展不同的是,现阶段全世界新能源汽车研究几乎处于同一发展水平线上。“全世界站在同一起跑线上,正是我国突破技术垄断的绝佳时期。”上海交通大学机械与动力工程学院博士生导师张希说。
  抓住新能源汽车的发展势头
  2006年,上海交通大学博士毕业前夕,张希在一次国际性学术交流大会上与国际新能源汽车领域著名学者Chris Mi教授相遇。一番沟通交流后,Chris Mi邀请张希毕业之后到美国密歇根大学电气与计算机工程系继续深造。张希对新能源汽车的研究之路也便从此展开,并将车辆能量管理、电驱动以及电池相关技术划定为其研究重点。
  在张希看来,作为新能源汽车家族中的重要一员,电动汽车是解决能源危机和环境问题的重要途径,其现实应用价值受到全世界的关注。然而,续驶里程不足以及电池老化问题始终制约着电动汽车的发展。要提升电动汽车的续航能力和电池使用寿命,主要依靠车载能量源相关技术的发展。如此一来,如何高效地利用能量源系统中有限的能量和消除电池老化的潜在因素,即能量管理技术,就成为电动汽车的关键技术之一。
  在美国密歇根大学从事博士后研究工作期间,张希被委任为“电动汽车多能量源高效能量管理技术研究”项目技术负责人。他在国际上首次提出了基于小波变换的考虑发动机、超级电容、锂离子电池和燃料电池等多种能量源的高效能量管理新策略,并通过对多能量源各自特性的深入整合,最终产生最优的燃油经济性和电池寿命预期。总结相关研究成果后,张希发表的一篇SCI论文至今已被他人引用超过70次,在车辆能量管理技术提升方面发挥了重要作用。更难能可贵的是,该项目研究成果受到国际最大的科技图书出版商Springer-Verlag的青睐,于2011年出版成英文专著Vehicle Power Management: Modeling, Control and Optimization。2012年,该书挤进Springer电子版书籍最畅销的前25%,其第一作者就是张希。
  美国数年,张希从未忘记过关注国内新能源汽车产业的发展。随着国内对该行业的愈发重视,张希对于国内的发展环境充满期待,更希望将自己这些年的研究經验带回国内。2009年,他回来了。
  回国以来,通过对电动汽车电池各项性能展开研究,张希在推动电池建模与管理技术上,包括电池电化学性能、电池老化机理、动力电池梯次利用技术等方面,努力探索着。基于动力电池电化学性能的等效电路参数实时辨识,他对电池电化学性能做了深入研究,其成果可有效提高参数辨识的精确性与实时性。与此同时,为了更好地归结电动汽车电池老化机理,他将其与行驶工况结合,很好地揭示了电动汽车行驶工况对电池老化产生的影响。
  当被问到研究的出发点时,张希认为,最重要的就是要紧密结合国家产业发展的需要。比如,新型车辆的开发和利用受到各国政府和工业界的重视,起因就是能源短缺与环境问题的日趋严重。张希关于电动汽车能量管理方面所攻克的多项关键技术,也是源于此。这些研究成果不仅可充分挖掘车辆的能量利用率,在汽车能量管理系统的完善方面也颇富经济价值。2015年,张希作为多能源控制系统关键技术方面研究成果的主要完成人之一荣获上海市科技进步奖二等奖。据了解,该系列成果已获得数亿元人民币的直接经济效益。
  同样是2015年,国务院总理李克强在全国节能与新能源汽车产业发展推进工作座谈会中作出重要批示,明确指出要“突出重点、合理布局”。所谓“突出重点”即针对产业发展的“瓶颈”和“短板”,着力突破核心技术和关键零部件的制约,提升自主创新能力和技术水平。我国新能源汽车产业发展“瓶颈”与“短板”无疑就是电动汽车电池的开发和利用。于张希而言,这种重视,既是机遇也是挑战,他会把握住新能源汽车在我国的良好发展势头,从研究层面做出更多的贡献。
  在“积累”和“保鲜”中攻关
  2009年,张希接受中国船舶重工集团公司第七0四研究所邀请,决定回国继续从事新能源研究开发工作,被委任为高级工程师和项目组负责人。其后的两年,他积累了关于生产一线的宝贵经验,而一线需求与研究层面上的一些不匹配,以及对于电动汽车研究的追求,都令他更加渴望开展升华性的研究。进入上海交通大学后,张希成功申请国家科学基金面上项目的支持,启动了“电动汽车电驱动暂态多域耦合机理与控制研究”。该项目主要基于混合储能系统展开,在电动汽车使用寿命延长方面有极强的理论及现实应用意义。
  “科研道路是一个从量变到质变的发展。”张希长期与锂离子电池以及超级电容组成的混合储能系统打交道,他发现在电动汽车行驶过程中,锂离子电池端会出现大扰动非线性的瞬态电流。“这种非线性的瞬态电流的存在,很有可能造成锂离子电池内部结构塌陷式伤害,严重影响使用电池寿命。”张希表示。
  到底如何解决这个问题?假如原有的道路行不通,是不是可以换条路呢?他在心里划下了一个个问号。此时的张希,已经学会跳出既有问题存在的维度,转换一个角度重新寻找突解决问题的方法。他尝试将电动汽车电驱动系统看成一个整体,对汽车行驶在电池端电流的量化影响机理做研究,创造性地提出直流有源滤波方法,将电动汽车牵引电机与混合储能直流—直流变换器控制相结合。“这种方法可以降低动力电池的大扰动瞬态电流纹波,延长动力电池的使用寿命。”他自信地说。作为国际上首位提出电动汽车直流有源滤波方法的研究者,张希此项目自申请之初就得到了组委会评审专家的一致好评,研究成果更是得到了美国俄亥俄州立大学Giorgio Rizzoni教授,密歇根大学Chris Mi教授、Jing Sun教授,德国斯图加特大学Jochen Wiedemann教授等国际知名学者的一致认可。
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