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充电 15 分钟,续航 400 公里,汽车快充时代来了?

如今,人们对电的依赖程度,已经不亚于水和空气。伴随着全球新一轮能源革命蓬勃兴起,发电的方式在变革,传输装备在升级,电的应用领域也在不断深化,一个电能驱动的全新时代正在加速到来。

01

中国正在打造时速 400 公里的高速列车

复兴号 CR400BF 动车组,是当下中国高铁线路上运行速度最快的车型之一,时速高达 350 公里,比直升飞机的速度还要快。

对于中国的高铁制造者来说,他们的目标,是制造出未来世界上商业运行最快的高速列车,实现每小时 400 公里的运营时速。一列 8 节车厢的高铁,总重量接近 500 吨,驱动这样一个庞然大物以 400 公里时速运行,电力驱动是最优的选择。

工程师哈大雷和他的团队,负责将 6000 多根不同种类的电线分类到位后,逐一安装。100 多种电线电缆,它们最长的 40 米,最短的不足 5 厘米,接近两万个接口的对接全部要靠人工完成。

在湖南株洲,拥有 18 年牵引电机研制经验的晏才松带领团队,正在为时速 400 公里的高速列车打造一台全新的电机,单台牵引电机的功率需要提高到 800 千瓦。

功率增大,电流增加,能够利用的却只有车厢底部的有限空间,功率增大后的散热更是难题。晏才松团队的方案,是用自带磁场的永磁体代替电磁体,这样一来,在不增加热量的同时,电机功率可以提升 1.2 倍。

采用新型的稀土永磁材料加工而成的磁钢,磁场强度相当于地球磁场的两万倍。巨大的磁力能实现更高的电机功率密度,为了解决安装难题,晏才松团队研发了 TQ-800 永磁同步牵引电机。

中国仅用了 20 年的时间,就实现了轨道交通电力驱动技术从直流到交流,从感应异步到永磁同步的跃进。这台中国新一代永磁同步牵引电机,将助力中国高铁实现 400 公里的世界最快运营时速。

不仅如此,相比采用传统异步牵引电机,整车节能超过 12%。从北京到上海,单程就可节约用电超过 5000 度。

02

充电 15 分钟,续航 400 公里,汽车快充来了!

福建宁德,全球最大的动力电池生产基地,全世界四分之一的电动汽车电池产自这里,平均每分钟有 1000 个电动汽车电池下线。

电池的能量密度,是决定电动汽车续航里程的关键指标。过去 10 年,动力电池工程师王升威团队通过升级化学材料,将电池包能量密度提升了两倍,达到 180 瓦时每千克,让电动汽车续航里程从不到 200 公里提升到超过 700 公里。在化学材料短期无法取得重大技术突破的情况下,这已经接近电池能量密度的极限。

如何继续提升?普通电池包是由模组组成,每个模组包含 10 个左右电芯,王升威的方案是取消模组结构,直接把电芯集成到电池包,同样的电池包空间可以放进更多的电芯,能量密度就可以再提升百分之二十。

然而,每个电芯内部超过 100 层,如果每一层极片的厚度偏差 1 微米,电芯平均厚度偏差就会超过 0.1 毫米。一排电芯数量在 20 至 30 个之间,累计产生的 2 至 3 毫米偏差,将造成电池包无法组装。这样的结构变化,对电芯的一致性提出了极高的要求。

为了实现目标,王升威和团队利用一年的时间,反复实验,才得到了理想的配方。石墨、粘合剂、导电剂和水的特定比例混合,这是团队秘不示人的独门技艺。它们在自动负压罐中充分搅拌,混合均匀后,被涂到铜箔上。

严苛的生产工艺,将厚度达到 60mm 的电芯平均厚度偏差严格控制在 0.1 毫米以内,最终实现了整体质量极高的统一标准,让电芯直接集成到电池包的设想最终得以实现。电池的能量密度提高到 220 瓦时每千克以上,由此将电动汽车的续航里程提升至 1000 公里以上。

对于王升威而言,实现这个目标还远远不够。15 年前,他从事手机电池的研制,创造了充电五分钟、通话两小时的快充传奇。五年后,转行到电动汽车电池研制的他,希望把快速充电的便利带给了电动汽车的用户,他们研制的电池包只需要充电 15 分钟,就能为汽车提供 400 公里的续航。

仅仅一年前,这样的充电速度还被认为是绝无可能。更高的能量密度,更快的充电速度,日趋先进的动力电池,将让人们驾驶电动汽车出行变得更加方便、快捷、高效。

03

大容量城市送电迎来新技术

城市输电,要求是保障安全的前提下,用更小的空间输送更多的电能。传统架空线路占用空间太大,地下电缆承受电压等级又太低。苏通地下管廊,正在将总输电容量高达 1500 万千瓦的电能送入城市,是世界上电压等级最高、输送容量最大的地下输电系统。

这里采用的新型输电技术,将载流导体安装在金属管道内,注入绝缘性能远远优于空气的高压六氟化硫气体,利用地下空间,让城市稀有的土地得到节省,并且完成大容量的电能输送。这被认为是全世界解决城市输电问题的优选方案。

而中国工程师还在努力让这种线路占用的空间变得更小,江苏中关村科技产业园内,陈晓凌的团队正在寻找突破空间极限的办法。

陈晓凌的方案是把三根导体装入一个管道内,取代原来三根导体各放一个管道的设计,占用空间由此减小了近三分之一。但随之而来的问题是,当大电流通过时,三根导体之间会产生巨大的电动力,排斥的力量相当于两颗手雷在瞬间爆炸。这对绝缘支撑件的强度提出了极高要求。

绝缘支撑件是封闭输电设备最关键的部件,直接影响到线路的安全运行。工程师们全新设计制作的三支撑绝缘件在测试中电压升到 742 千伏,这是三相共箱封闭输电单元所能承受的最高电压,超过国家标准要求 20%,这将是三相共箱技术承载电压的新的世界纪录。

今天,中国单个城市的最高用电量已经超过 1000 亿千瓦时,未来,这个数字还将继续增长。不断优化的气体绝缘金属封闭输电技术,在未来将成为城市能源主动脉,源源不断地输送巨量清洁电力。

半小时观察:能源变革推进高质量发展

驾驶汽车可以用电,驱动高铁需要用电,航天器飞行也离不开电,人类对电能的驾驭还在不断大胆地向前探索着。今天,中国正在推动清洁电能对传统化石能源的深度替代,加快构建适应高比例可再生能源发展的新型电力系统,电能已经成为驱动中国高质量发展的重要动力,也将开启能源清洁高效利用的全新时代。

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