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领跑新能源技术 奏响新时代强音

2020-04-18倪海波

科学中国人·下旬刊 2020年12期
关键词:电机电动汽车实验室

倪海波

近年来,我国新能源汽车市场持续火爆。2012年,我国电动汽车销量是美国的1/4,在国际新能源汽车市场上,中国还只是一个配角。而到了2016年,我国电动汽车的销量已是美国的2倍,占全球的40%。截至2019年年底,我国新能源汽车保有量已达381万辆,并且增量连续两年超过100万辆。

短短数年间,我国已经成为全球最大的新能源汽车市场。如此迅猛的发展态势,既得益于国家政策层面的大力支持,也得益于汽车企业的积极行动,更离不开广大汽车技术科研人员的不懈努力、协同攻关,北京理工大学副教授、电动车辆国家工程实验室支部书记、副主任王志福就是其中的一位佼佼者。十多年来,他致力于新能源智能车辆、驱动电机及其控制系统控制技术与测试技术等的研发工作,主持参与了包括科技部新能源汽车重点专项、国家自然科学基金、总装预研等在内的数十项科研项目。在电动汽车电驱动控制技术、驱动系统测试技术、电动汽车辆综合控制技术等方面取得了一系列重要创新性成果,部分成果已经实现了产业化转化,取得了良好的经济效益、社会效益。

当前,我国新能源汽车产业已经建立起一定的先发优势和规模优势。然而,随着汽车“新四化”(电动化、智能化、网联化、共享化)浪潮的开启,百年汽车产业正处于大变局、大洗牌的黎明前夜。如何继续领跑新能源汽车行业,在新的科技浪潮中争取主动,是王志福和他的团队正在思索的问题。

主动选择

1996年高考后,19岁的王志福面临着决定人生发展方向的第一道难题——报志愿。当时的山东农村,消息闭塞,人们对于高校、专业等知之甚少,几乎没有可以与之商量和求助的人。

就在此时,王志福突然想起曾经看过的一本课外书。那本书简单介绍了北京理工大学的办学情况、教学风格、知名教授等,让他对北京理工大学有了模糊的印象。“当时北京理工大学在山东的编号是‘1007,所以就想看看‘007是什么样的。”他笑谈。各种机缘巧合下,王志福的第一志愿选择了北京理工大学车辆学院。

金秋九月,王志福如愿以偿地走进北京理工大学校园,开始了求学求知之旅。“那会儿我们专业叫汽车与拖拉机专业。毕业证上也是这样写的。”回想起本科专业,王志福不禁笑了——这个专业名称现在说起来有点“土”。

可汽车产业本身却并不“土”,作为世界经济的支柱产业之一,其已经有100多年的发展历史。随着汽车拥有量的逐年增加,汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题日益严重。控制汽车废气污染及寻找石油的替代能源已成为亟待解决的课题。近几十年来,世界各国一直努力推动研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车。其中,电动汽车绿色、环保、节约能源,能实现复合可持续发展,是最具开发潜力的绿色交通工具,美、日、德等国家都在加紧研发,以期占领技术高地。

经过4年的系统学习,王志福越来越意识到在装备传统燃油发动机的车辆上,欧美日等强国,已将发动机、变速器和汽车电控等汽车中的核心零部件研究得相当透彻,核心技术和零部件的生产制造都基本掌握在国外企业手中,我国传统燃油汽车发展受到的限制很多,而以电动汽车为代表的新能源汽车领域,却是方兴未艾,大有可为。

在获得保研本校机会后,王志福主动将研究方向锁定为新能源汽车技术领域。为此他找到时任北京理工大学车辆与交通工程学院院长、我国新能源汽车行业“正向开发”的领航者孙逢春教授,提出希望能够在他的指导下开展新能源汽车技术的学习、研究。看到自己的学生有如此超前的想法,孙逢春教授非常高兴,便一口答应下来。在孙逢春、张承宁等老一辈专家的悉心指导下,王志福的学术积淀更加深厚了。

2003年,王志福顺利获得硕士学位,留在校属企业北京理工大学产业公司从事车辆设计工作。当时,孙逢春教授承担了为奥运会研发电动大巴车的任务,作为年轻的技术骨干,王志福深度参与其中。

“那时候确实比较‘彪,我帶了一帮孩子在通州的试验场做试验。”王志福回忆。虽然只是一个刚毕业的学生,但凭着一股初生牛犊不怕虎的勇气,他还是热火朝天地干了起来。不会的,就跟老工程师学;不懂的,就上图书馆查。从盖厂房到买设备,从做实验到画图稿,硬是把任务扛了下来。当时正值“非典”时期,王志福不仅要在试验场盯工期,还要往返学校做大量沟通工作,其中的辛苦可想而知。

一分辛劳,一分收获。看到团队研发的55辆自主创新的纯电动大客车行驶上路,为奥运官员、媒体记者和运动员提供24小时服务,兑现了“科技奥运、绿色奥运”的承诺时,王志福倍感欣慰。

披荆斩棘

与传统能源汽车不同,电动汽车的核心是“三电技术”,即驱动电机、动力电池和整车控制技术。由于新能源汽车采用了新的动力来源和驱动系统及相应的控制系统,在整车制造及总装上又与传统汽车在生产工艺设备上存在很大差异。这些都是横亘在电动汽车产业化道路上的障碍。

整车控制系统,相当于电动汽车的“大脑”,对电动汽车的运行、安全、经济性等起着至关重要的作用。破解这一关键技术,对推动我国电动汽车行业的技术进步,打破国外的技术壁垒,将核心技术掌握在中国人自己的手里,意义重大。

为此,王志福和团队展开了系统的攻关。他们组织了精兵强将,从整车控制的各个关键节点入手,各个击破,实现了全流程的开发,形成了具有完全自主知识产权的整车控制系统。例如轮毂驱动电动汽车,一辆车在经过不同的路面时,每个车轮怎样运动,直接关系到整车的行驶效率和车辆平顺性。每个车轮就像人抬轿子一样,得协调起来,这就涉及相应的控制算法研究。诸如此类,不胜枚举。

“说简单一点,整车控制系统其实就是一块电路板,这谁都能做,关键的是里面的程序。”边说着,王志福边站起身,拿出了一块电路板向记者介绍起来。这是一块手掌大小的电路板,上面布满了密密麻麻的线路和节点,每一条线路,每一个节点,都凝聚着他们的智慧和汗水。现在,王志福和团队研制的基于模型开发的电动汽车辆整车控制器系统,已经成功推广到唐骏汽车公司、唐车车辆等单位,实现了产品化、系列化,实现了巨大的经济效益和社会效益。

安全,是电动汽车的命脉。针对车辆行驶过程中转矩不稳等安全问题,王志福和团队创造性地提出,直流升压电路与反激式开关电路级连组成低压变换电源并从高压取电设计结构和双闭环矢量控制算法,转速补偿调节,转速跟踪调节等成功应用于电动汽车辆电机控制器设计,相关控制器产品已经得到了推广应用。

一叶落而知秋。多年来,王志福致力于电动汽车辆、电机及其控制系统控制技术设计与测试技术研究工作,主持了国家科技部原“863”现代交通与新能源汽车领域子课题1项、国家自然科学基金1项,某预研课题子课题2项,北京科委课题1项;参与承担了原“863”新能源汽车重大专项“奥运用纯电动客车整车优化及制造”“车用驱动电机系统检测技术和快速评价方法研究”“电动环卫车辆研制开发”“电动汽车用驱动电机与电池成组测试公共平台建设”“纯电动大客车及控制系统1”“电动汽车用电机及控制器测试规范与实验方法研究”“电动汽车电机及其控制系统测试和评价研究”“电动汽车电机及其控制器高低温和密封试验研究”“车用驱动电机系统产业化集成技术研究”等20余项课题。十多年来,他风雨无阻,一路披荆斩棘,砥砺前行,有力地推动了我国电动汽车行业技术创新和产业进步。

年虽不惑,慨而当歌,王志福仍在路上。现在,他主持的科技部新能源汽车重点专项“SiC电机控制器评测方法研究”、国家自然科学基金项目“电动汽车电驱动系统动态换挡控制方法及效率优化策略研究”“多轮独立电驱动车辆过驱动耦合解析与转矩控制分配研究”等多个项目正在有条不紊地进行中,不断拓展着研究的深度和广度。

薪火相传

2019年,电动车辆国家工程实验室主任孙逢春找到王志福等几个“年轻人”,说:“你们几个小子别躲在背后享清福了,你们要把这个担子给挑起来,以后实验室的发展就交给你们了。”虽然看似是句玩笑话,可信任却是实打实的。就这样,王志福从老一辈的手里接过接力棒,出任电动车辆国家工程实验室副主任。从2000年到实验室攻读硕士学位算起,王志福已经与实验室朝夕相处了20年。他既是实验室发展变化的亲历者、见证者,也是实验室发展的贡献者、建设者。

电动车辆国家工程实验室的历史可以追溯至20世纪50年代末,是国内最早从事电动汽车辆研究的专门机构。自国家“八五”计划以来,实验室受到了发改委、科技部、工信部、原总装备部和北京市政府等单位的重点支持,进入了高速发展时期。

王志福亲身经历了实验室从一个课题组起步,从“两个半”老师、6个硕士做起,经过20年的发展,在技术方面,形成了完善的技术体系,在纯电动汽车总体技术、混合动力汽车总体技术、整车轻量化技术、整车综合控制系统、电动汽车动力驱动系统技术等多个领域开展了卓有成效的研究工作。在人员方面,实验室拥有50名教职工,其中教授9人,副教授及高级工程师21人,在站博后共15人,形成了学术带头人引领、中青年为主、学术思想活跃、有影响力的学术队伍。“整个实验室还有小400人的学生队伍,再加上两个学科型公司的话,每个公司现在有300人,相当于我们整个团队加起来将近1000人。”不假思索,整个实验室的规模,王志福脱口而出。

在长期的科技攻关和技术积累下,实验室取得了大批的知识产权成果,出版学术专著60余部,发表学术论文上千篇,获授权专利近280余项。主持起草了多项国家标准、行业标准,建立了电动汽车充电站北京市地方技术标准体系。研究成果获得多项国家奖励,其中国家技术发明奖二等奖2项、国家科学技术进步奖二等奖2项,高等学校科学技术优秀成果奖科学技术进步奖一等奖1项、中国汽车工业科学技术奖一等奖2项,省部级一等奖6项,以及其他省部级奖励多项;被评为“国防科技创新团队”“科技奥运先进集体”。

经过多年的发展,实验室已经发展成为我国智能新能源汽车技术的领跑者,在国际上声誉日隆,与国外高校、专家学者的合作日益密切。比如2020年年初,實验室研究团队在孙逢春的带领下,与美国宾夕法尼亚大学教授王朝阳等专家、研究单位一道,共同攻克了“面向冬奥环境的新能源汽车关键技术开发及示范”项目,实现了技术上的重大突破,并研制成功了面向冬奥示范应用的纯电动乘用车、智能纯电动中型客车、燃料电池大客车和纯电动大客车。

再比如,由北京理工大学主办,实验室等单位共同承办的《新能源与智能载运》期刊,超过一半的编委会成员来自美国、德国、加拿大、英国、瑞典、瑞士等载运、交通和新能源技术领先的国家或地区,包括多个国际期刊主编、副主编,有助于期刊的国际化。

在新的历史时期,在王志福等一大批研人员的努力下,实验室将再接再厉,全力攻克包括全天候动力电池、智能电动汽车辆控制系统等关键核心技术,拓展深挖监管平台大数据分析应用,推动深圳汽车研究院的产学研落地进度,在研发国产实验室测试装备上有所担当,为新能源汽车强国建设贡献才智。

奋斗有我

回顾王志福的科研生涯,“奋斗”二字闪闪发光。看着研究成果应用到实际中,培养的学子走到科研一线,王志福感到由衷的自豪。

2006年,王志福开始读博。那时候,他既要保证工作的顺利开展,又要抽出时间阅读专业书籍、撰写博士论文,“压力比较大”。为此,他经常凌晨4点爬起来写论文,写到6点多的时候,小睡一会,然后再到办公室工作。老师们也看出他很辛苦,经常宽慰他:“你小子别仗着身体好,不要命。”直到现在,王志福依然感念这份深厚的师生情谊。还有一次,一个项目在快要结题时,突然在实验过程中发生了意外。“那会儿仗着年轻,熬了两个通宵,把问题给解决掉了”,保证了项目的顺利开展。

不经历风雨,怎能见彩虹。现在,王志福已经是智能新能源汽车技术领域的技术骨干、学科带头人,研究成果丰硕,应用效果明显。2014年,他获北京市政府科学技术奖一等奖;2016年,获淮海科学技术奖委员会科学技术奖三等奖;2018年,获中国高等教育学会高校教师创新大赛三等奖等。同时,他抽出时间,兼任国家工业和信息化部新能源车辆准入审查专家、中国汽车工程学会会员、中国电工学会学会电动汽车分会会员、电动汽车电磁兼容标准研究制定工作组成员,积极在社会工作中贡献才智。

作为北京理工大学副教授、硕士生导师,北京电动车辆协同创新中心支部书记,王志福在言传身教中,将“奋斗”“务实”的传统传递给年轻一代。王志福承担了本科生和研究生的实验教学和现场测试管理工作,培训相关测试与试验有关人员达155人次,参与了《GB/ T36282—2018电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法》《G B/T 18488.1—2006电动汽车用牵引电机及其控制器技术条件》《GB/T18488.2—2006电动汽车用牵引电机及其控制器试验方法》等国标的编制修改工作,制定了科技部“十五”“十一五”电动汽车重大专项“电动汽车电机及其控制器技术规范”“电动汽车电机及其控制器试验规范”等。

在教学工作中,他以教书育人为己任,将“四重”内容渗透到專业课教育中,同时,注重结合学科特点,主动拓展学生学习的广度,鼓励学生以工程应用为导向的创新。从本科二年级开始,引入导师制,结合各类创新大赛,引导学生去做全过程的创新。此外,就车辆工程教育的学科特点而言,王志福还特别注重学生实践、创新思维的培养。“比如在考题上,我们就会设计一些不局限于课本知识,有计算题,有判断题,也有一些自由发挥的场景题,要求学生把全流程设计描绘出来。”王志福举例。

课堂教学中,王志福教会学生的是专业知识,而在课堂之外,学生收获的却是宝贵的人生财富。王志福常常告诫学生,在科研工作中,除了技术攻关,还有很多“技术外”的工作。一次,他带领学生去做现场调试,遇到厂里的工人起冲突。他就和学生说:“咱们不能光在这看着,要去理解和观察,为什么会发生冲突;发生冲突后,怎么去解决问题。”因为以后到厂里工作,学生们也有可能会遇到类似的问题,一旦没有顺利解决,就有可能会影响项目进度。学习之外,王志福还经常与学生谈心,带学生爬山、锻炼,被学生们评为“最佳实践老师”。

在多年工作的基础上,王志福出版了《嵌入式车载信息系统开发与应用》《电动汽车辆驱动系统理论与设计》《车辆电磁兼容基础》等学术著作,并参加编写和翻译了《现代电动汽车技术 》《混合电动汽车辆基础》《装甲车辆混合动力电传动技术》等著作;申请国家发明专利10余项,获授权5项,发表EI/SCI论文30余篇。在他看来,撰文写作更像是对以往研究工作的一次“系统的梳理”。

2019年,工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》提出我国新能源汽车渗透率到2025年将达25%,为新能源汽车产业的发展定下了时间表,吹响了集结号。

胡适曾经说过:“功成不必在我,而功力必不唐捐。”王志福正以“功成不必在我”的精神境界和“功成必定有我”的历史担当,为在世界新能源汽车领域发出中国声音而不懈奋斗。

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