探索能源新未来打造动力新系统 ——记北京理工大学机械与车辆学院副教授王恩华

半个世纪以来，随着人类对能源的利用不断升级，带动人类科技的发展和工业技术进步，给人们带来更加便利和美好的生活，同时，也对生态环境造成了不可逆转的破坏，比如：全球气候变暖、大气污染严重……等。现如今，世界能源危机和环保问题日益突出，以化石燃料为主的汽车、船舶等工业面临着严峻挑战，随着电能、太阳能、天然气等新能源的开发与利用，发展新能源汽车逐渐成为汽车产业转型升级的关键，我国作为能源消耗大国，开发和利用新能源更是节能减排的重要途径。

北京理工大学机械与车辆学院副教授王恩华，多年来长期扎根于有机朗肯循环（以下简称“ORC”）系统技术、内燃机节能技术、新能源动力系统等研究领域，主要研究方向包括固体氧化物燃料电池与电解水技术、ORC技术，内燃机及混合动力系统技术等。负责主持国家自然科学基金面上项目和国家重点研发计划项目子课题，参与国家973和863项目多项，取得了一系列创新科研成果，并致力于产业转化应用，取得了显著的经济和社会效益，创新突破新能源发展的瓶颈，为实现节能减排和“双碳”战略规划作出了重要贡献。

创新电池能源技术

近年来，我国新能源汽车市场持续火爆，截至2023年6月底，全国新能源汽车保有量已经高达1620万辆，占汽车总量的4．9％，其中，纯电动汽车保有量1259．4万辆，占新能源汽车总量的77．8％。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，离不开广大汽车技术科研人员的不懈努力。

为此，在国家重点研发计划子课题“SOFC 系统控制与快速启动技术”研究中，王恩华针对车用固体氧化物燃料电池系统设计与控制，进行固体氧化物燃料电池设计与制备工艺开发。固体氧化物燃料电池具有更高的能量转化效率，且无需贵金属催化剂，可直接使用现有的烃类、醇类燃料。开发车用固体氧化物燃料电池技术，可以实现交通领域的减排增效，实现内燃机到燃料电池动力系统的快速升级转型，对推动我国新能源汽车产业革命具有十分重要的意义。

据王恩华介绍，该项技术的创新点是，车用系统负载跟随及快速启动等目标要求实时准确的系统状态估计与控制。基于电堆多物理场模型研究固体氧化物燃料电池在车用工况下的热流体和电化学耦合工作机理，开发系统控制模型、状态估计方法及自适应控制算法，提升系统综合性能并增强系统鲁棒性。目前，他们正在开展固体氧化物燃料电池单体设计，电堆性能仿真和快速启动控制策略研究，相关研究成果将为固体氧化物燃料电池在交通领域的应用提供技术支撑。

固体氧化物燃料电池研究成果：（a）电解质低温烧结表面微观形貌；（b）金属支撑单电池内部温度场分布；（c）金属连接体涂层腐蚀机理研究

如今回望当初求学历程，早在2000年做本科毕业设计的时候，王恩华就加入了节能与新能源汽车动力系统领域著名专家欧阳明高院士的课题组，并从事柴油机电控方面的研究。随后，他顺利进入清华大学汽车工程系攻读动力机械及工程专业的硕士研究生，在此期间，王恩华继续在欧阳老师课题组做发动机电控研究。研究生毕业一年后，王恩华进入江铃汽车集团公司担任项目工程师，从事某发动机技术引进项目的开发标定工作；2006年，他又进入北京汽车研究总院，从事整车电子控制系统设计开发、汽油机电子控制系统标定方面的研发工作。

回顾汽车发展历史100多年，随着汽车产量逐年增多，尾气排放污染、过度消耗石油资源等引起的环境和能源问题日益严重，新世纪以来，世界各国一直在致力研发应用低排放或零排放技术。工作期间，王恩华也看到欧美日等国在车辆动力系统技术上远远超过中国，为了加深自己的专业知识，2009年，他重回高校，于北京工业大学环境与能源工程学院热能工程专业攻读博士，主要进行发动机的余热利用研究。2013年博士毕业后，为了学习西方国家的先进理论知识和技术，2015年至2016年，王恩华远赴英国格拉斯哥大学做访问学者，此行不仅开阔了他的科研视野，也让他在科研的广度和深度上有了更多新的认知。

打造动力循环系统

学有所悟，而后笃行，心有所信，方能行远。2016年，王恩华带着一身先进的知识和技术回国，进入北京理工大学机械与车辆学院担任博士生导师，科研攻关、教书育人，并驾齐驱，各有突破。在中低温动力循环系统方面，王恩华取得了一系列具有广泛影响力的成果。

2018年，王恩华申报的国家自然科学基金面上项目“船用柴油机与非共沸工质有机朗肯循环耦合工作机理研究”获得批准，该项研究基于ORC技术的船用柴油机余热动力循环理论。他说：“船舶动力系统在航行时基本处于稳态工况，采用ORC回收这部分余热可明显提高系统能效，降低污染物排放。研究基于ORC技术的船用柴油机余热动力循环理论，对提高我国的能源利用效率、实现节能减排目标、促进社会可持续发展具有重要意义。”

在该项目中，王恩华主要针对适用于船用柴油机余热动力循环的新型高效环保工质开发及非共沸工质ORC耦合机理开展探索，从船用柴油机余热动力循环、非共沸有机工质选择、船用柴油机与ORC联合系统非设计工况点性能等方面进行了深入研究，取得了创新性的研究成果。他针对性地提出了一种改进的基于微扰链的统计缔合模型的新型工质设计方法，以及针对船用柴油机的非共沸工质ORC底循环工质优选与组分调控策略，进而在全工况范围内实现与船用柴油机的联合系统协同优化这一解决方案。该项研究成果可有效提升非设计点工况余热回收效率，也可应用于其他热源或负荷变化场合，具有重要的科学意义和广泛的应用价值。

该项成果的重要创新点在于，项目采用理论计算和数值仿真及测试试验对船用柴油机与非共沸工质的ORC耦合系统的工质选择、底循环设计、联合系统工作特性和非共沸工质的组分迁移进行了深入的分析和研究。通过构建基于PC－SAFT的工质热物性计算模型，以硅氧烷和HFO／HFE类工质为对象分析了在过热区和两相区的物性计算精度，并预测了碳氢类工质的ORC系统性能，基于基团的分子设计方法，改进了PC－SAFT模型的工质设计算法；采用热经济性分析方法对比研究了ORC和Kalina循环及跨临界CO2循环的性能，并在考虑膨胀机工作特性基础上分析了非共沸工质ORC的非设计点工况工作特性；他还搭建了ORC系统与柴油机的联合动态仿真模型，设计了开环和闭环反馈控制策略，分析了在动态工况下联合系统的工作特性，进一步建立了千瓦级小功率ORC用轴流涡轮的设计和性能分析流程；最后，在整个柴油机工况范围内，他分析了非共沸工质组分与排气温度和环境温度的匹配特性，得到了非共沸工质的设计准则。总之，这项技术从新的角度揭示了非共沸工质ORC与柴油机的耦合系统工作机理，同时为ORC系统在柴油机余热回收上的应用提供了理论和实验支持。基于此项目，王恩华开发了基于CAMD的工质分子设计方法可为不同应用条件下的高效环保循环工质开发提供有效的方法，部分进气冲击涡轮的研究成果可应用于高膨胀比小流量条件下的小型超临界动力循环。冷热源变化工况下的非共沸工质设计方法为实际ORC的降本增效提供了技术支撑。