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第二天一早,1966年1月1日,元旦。

吕辰跟着刘星海教授,来到工业陶瓷实验室。

汤渺教授的办公室里,他一个人坐在办公桌前,对着一堆实验数据发呆。

“汤教授,新年好。”刘星海走进去。

汤渺抬起头,看见是他们,愣了一下,随即笑了:“刘教授?小吕?你们怎么来了?”

刘星海在他对面坐下,从兜里掏出一包烟,给他和吕辰一人递了一根。

刘星海自己点上,吸了一口,缓缓吐出来。

“老汤,有个事找你。”

他把昨晚的事说了一遍。

从夜视仪测试,到电池短板,到锂电池的设想,到钠β-氧化铝的可能性。

汤渺听着,眉头渐渐皱起来。

听到“锂电池”三个字,他的眉头皱得更紧了。

听到“钠β-氧化铝”的时候,他猛地抬起头,眼睛直直地盯着刘星海。

“刘教授,你说什么?”

刘星海说:“钠β-氧化铝,你们一直研究的那个,那种灰白色的、电导不稳定的陶瓷片。”

汤渺沉默了几秒。

然后他站起来,走到墙角的一个文件柜前,打开柜门,从最里面翻出一个厚厚的牛皮纸档案袋。

档案袋上写着三个字:特殊样品。

他把档案袋放在桌上,解开棉线,倒出里面的东西。

七八块灰白色的陶瓷碎片,大小不一,形状各异,在阳光下泛着一种奇怪的哑光。

还有一本薄薄的实验记录本,封皮已经卷边,边角磨得发白。

汤渺翻开记录本,找到某一页,推到刘星海面前。

“你们说的是这个?”

刘星海低头看去。

记录本上,用工整的钢笔字记着一组实验数据。

实验编号:陶-62-107

实验日期:1962年11月7日

实验目的:烧结高强度氮化硅陶瓷,测试氧化铝添加剂对致密性的影响。

实验过程:……炉温失控,升至1650c保温两小时……

实验结果:样品呈灰白色,质地致密,敲击有金属声。x射线衍射显示,主相为氮化硅,但出现新相,初步判断为钠β-氧化铝。

备注:新相电导率异常,对钠离子有快速迁移能力。但机械强度低于预期,作为结构陶瓷不合格。暂存。

刘星海看完,抬起头,看着汤渺。

“老汤,这东西你存了三年?”

汤渺点点头,指着那些灰白色的碎片:“就这几块,当时意外烧出来,化学性非常奇怪,小吕认为事关未来能源,我们立了项,但是进展不大。”

他拿起一块碎片,对着阳光照了照。

“我们成立了一个预研小组,专门进行了研究,找到了电导率不稳定的原因,是能导钠离子,不是导电,是导离子。”汤渺专门强调,“钠离子可以在它的晶体结构里快速移动,像水在管子里流一样。”

他放下碎片,看着刘星海。

“当时,我们查了文献,发现国外有人在研究这种东西,叫快离子导体,也叫固体电解质。他们把这种材料用在一种叫‘钠硫电池’的东西上,能量密度能做到很高。”

他顿了顿,声音低下来:“我们也往这个方向开始了近一年的研究,但投入有限,成果就不用说了,而且这东西机械强度不行,做不了结构件。”

他解释道:“后来,实验室里的事情太多了,陶瓷刀具、轴承、罐体、耐腐蚀构件、封装材料,人手严重不足,我们的研究投入就更少了,那三名研究员,现在在化学所支援,研究耐腐蚀构件的应用……”

钠硫电池,是七十年代才成熟的技术。

现在才六六年,虽然没做下去,但种子已经埋下了。

吕辰开始道:“汤教授,您有没有想过用锂代替钠?”

汤渺看向他:“锂?”

吕辰点点头:“对,锂是最轻的金属,电位最负。如果能用锂离子代替钠离子,保持同样的层状结构,就能做出锂β-氧化铝或者类似物。锂离子在固体里快速移动,就能做出全固态锂电池。”

汤渺沉默了几秒,然后笑了:“小吕,三年前,我们意外烧出这种陶瓷,你跟我说这种材料可能事关未来能源。建议长期研究,哪怕十年不出成果,也要养着。”

汤渺看着他,眼里带着笑意:“当时我就听了你的意见,在我们发布的第二批课题上,就专门以此为课题招了三个研究员,专门研究。但,电池研究,谈何容易。”

他走到另一个柜子前,打开柜门。

里面整整齐齐码着十几个小盒子,每个盒子上都贴着标签。

“陶-63-03”、“陶-63-08”、“陶-64-01”……

汤渺随手拿出一个盒子,打开,里面是一小袋灰白色的粉末。

“这是六三年三月烧的,改了配方,加了锂辉石,想试试能不能直接烧出锂的类似物。”

他又拿出另一个盒子:“这是六四年八月烧的,用了不同的烧结温度,测了电导率,比钠β-氧化铝低两个数量级。”

再拿出一个:“这是今年三月烧的,用了热压烧结,致密性提高了,电导率也涨了一点,但还是不够。”

他把那些盒子一个一个摆在桌上,摆成一个小山。

“三年了,我们断断续续烧了二十几炉,烧出来的东西,没有一炉能用的。”

他看着刘星海,声音平静得像在说别人的事。

“刘教授,这条路,我们走了三年,没走通。”

实验室里安静下来。

阳光照在那堆盒子上,照在那些灰白色的粉末上,照在汤渺平静的脸上。

吕辰看着那些盒子,心里涌起一股说不清的滋味。

三年。

二十几炉。

没有一炉能用的。

但那三名研究员还在烧。

没有经费,只有一个虚无缥缈的目标,就这样默默烧了三年。

“汤教授……那些研究员?”吕辰开口,声音有些沙哑。

汤渺摆摆手:“别说话,听我说完。”

他重新坐下,点了一支烟:“三年没走通,不代表这条路是死路。钠β-氧化铝能导钠,锂β-氧化铝理论上也能导锂。问题是晶体结构能不能稳住,锂离子能不能在层间快速移动。”

他转过身,看着刘星海:“刘教授,如果现在正式立项,给他们半年,保证烧出锂β-氧化铝的样品。给他们一年,保证测出离子电导率。给他们两年,保证做出原型电池。”

刘星海看着他,没说话。

汤渺继续说:“但有一个问题。这种材料,机械强度不行。做结构件不行,做耐压容器不行,只能做电解质。要做出能用的电池,还得解决正极、负极、封装、集流……一大堆问题。”

他顿了顿,声音低下来:“三个人,做不了这么多。”

刘星海站起来:“老汤,不用三个人做。”

他看着那些盒子,看着那些灰白色的粉末:“工业陶瓷实验室,从今天起,增加一个研究方向,快离子导体与固态电池。”

“你让那三个年轻人回来,要人给人,要设备给设备,要经费给经费。”

“半年之内,我要看到锂β-氧化铝的样品。一年之内,我要看到离子电导率的测试数据。两年之内,我要看到能在夜视仪上用的原型电池。”

汤渺沉默了几秒,然后笑了:“刘教授,你这话,我那三名研究员等了三年,我代他们谢谢你。”

吕辰心里涌起一股热流。

三年。

一个随口说的想法,被三个人默默坚持了三年。

二十几炉废品,被小心翼翼保存了三年。

没有经费,没有任务,没有承诺,只是因为相信。

他忽然想起一句话。

念念不忘,必有回响。

“汤教授,”他开口了,“我有个想法。”

汤渺看向他。

吕辰走到桌前,拿起一块灰白色的陶瓷碎片。

他在桌上比划着:“电池的结构,可以用金属做外壳,用陶瓷做内部的隔膜。陶瓷只负责导离子,不负责承力。这样,机械强度的问题就解决了。”

他又拿起一块碎片:“正极和负极,可以用薄膜工艺涂在陶瓷表面。这样,离子从正极到负极,穿过陶瓷,路径最短,内阻最小。”

他抬起头,看着汤渺:“这样,就是一个全固态薄膜电池。体积小,能量密度高,寿命长,没有漏液风险。”

汤渺的眼睛亮了。

“薄膜电池……”他喃喃着,突然转向刘星海,“刘教授,真空镀膜那边,能不能配合?”

刘星海点点头:“宝鸡那边,西工大联合实验室,有真空镀膜设备。让他们派人来,或者送样品过去。”

汤渺又看向吕辰:“正极材料呢?负极材料呢?”

吕辰想了想:“正极可以用钴酸锂,或者锰酸锂。负极用石墨,或者锂金属。这些,半导体所那边应该有研究。”

汤渺点点头:“好!就这么干!”

他拿起那本实验记录本,翻到空白页,开始飞快地写着什么。

一边写一边念叨:“锂β-氧化铝烧结,温度曲线再优化……薄膜镀膜工艺,先送宝鸡试……正极材料,联系半导体所……封装工艺,找精密机床实验室……”

吕辰心里想着,那三名研究员的三年,是该还给他们了。

从陶瓷实验室回来,吕辰来到诸葛彪的办公室。

钱兰和诸葛彪都在,两人正在讨论着高频脉冲电机的验证办法,正说到尖峰电压的克服问题。

诸葛彪在纸上画着:“这个尖峰电压,本质是电感储能释放。电机绕组是电感,电流关断的时候,磁场能量要释放,所以产生尖峰。换个角度想,这个能量不能浪费。”

钱兰道:“什么意思?”

诸葛彪画了一个简单的电路图,左边是电源,右边是电机绕组,中间是一个开关管。

开关管旁边,画了一个二极管,指向一个电容。

“你看,传统的做法,是用续流二极管把能量泄放掉,或者用吸收电路把能量消耗掉。能量都浪费了,变成热量。”

他在电容旁边画了一个箭头,指向电源:“但如果把这个电容接回电源,那能量是不是就能回收?”

钱兰眼睛亮了:“你说的是……能量回馈?”

诸葛彪点点头:“对。开关管关断的时候,电感的能量通过二极管给电容充电。如果这个电容是电源的输入电容,那能量就回到电源里了,这就是能量回馈。”

钱兰皱着眉头想了想:“理论上可行。但问题是,电感能量回馈的时候,电压会升高。如果不加控制,这个电压还是会超过电源电压,照样击穿管子。”

诸葛彪说:“所以需要控制。不是简单的二极管加电容,而是用一个dc-dc变换器,把电感能量转换成稳定的电压,再送回电源。”

他继续画了一个开关管,一个电感,一个二极管,一个电容,标准的boost电路拓扑。

“这是升压电路。电感储能的时候,开关管导通,电流流过电感。开关管关断的时候,电感两端电压反向,和电源电压叠加,通过二极管给电容充电,电容电压比电源电压高。”

他指着那个电容:“如果把这个电容换成电源母线,那能量就回馈到电源里了。同时,这个电路本身也可以用来做电源变换。”

他看着钱兰:“你们知道这意味着什么吗?意味着,咱们可以把电机驱动和电源管理结合起来?”

吕辰听得脑袋里一亮,夜视仪现在最大的问题是电池。

铅酸电池太重,低温性能差。

银锌电池太贵,寿命短。

那如果咱们换一种思路,不是换电池,而是把电池的每一分电都用到极致呢……

他立即将这个想法说了出来,诸葛彪立即就给出了解答。

他拿出一张白纸画了起来:“夜视仪里,增强管需要高压,几百伏甚至上千伏。但电池只有十几伏或者二十几伏。所以需要dc-dc变换,把低压变成高压。”

“这个dc-dc变换,本质上就是一个开关电源。开关管、变压器、整流二极管、滤波电容。”

他画了一个简单的反激变换器拓扑:“这个电路里,变压器就是个电感。开关管导通的时候,变压器储能。开关管关断的时候,储能释放,给负载供电。和电机驱动电路,本质是一样的。”

他抬起头,看着吕辰和钱兰:“咱们的高频脉冲电机驱动,就是要精确控制开关管的导通和关断,产生需要的脉冲序列。那这套技术,能不能用在dc-dc变换上?”

诸葛彪说到这里,突然反应过来:“你是要把电机驱动的脉冲控制技术,用到电源管理上?”

“对。”吕辰说,“不仅仅是脉冲控制。还有反馈,还有闭环。电机驱动需要精确控制步进,电源管理需要精确控制输出电压。这两者,在控制逻辑上是相通的。”

他指着诸葛彪画的那个boost电路。

“你看这个电路,输出电压和输入电压的关系,取决于开关管的占空比。d = 1 - Vin/Vout。如果能精确控制占空比,就能精确控制输出电压。”

“而占空比的精确控制,不就是咱们现在在做的事吗?”

钱兰的眼睛亮了:“咱们这个控制芯片,能做电源管理的控制器?”

吕辰点点头:“我是有这个想法,这个芯片的功能是接收晶振的精确时钟,分频倍频,产生精确的脉冲序列,接收反馈信号,实现闭环控制。这不就是电源管理需要的吗?”

诸葛彪,盯着那个电路图看了很久:“吕辰,你这个想法,有点意思。”

“电机驱动的负载是电机绕组,是感性负载。电源管理的负载是纯电阻,或者恒功率负载。特性不一样,但控制逻辑确实可以复用。”他拿起笔继续画,“特别是反馈这一块。电机驱动需要光栅尺反馈实际位置,电源管理需要分压电阻反馈实际电压。都是反馈,都是闭环控制。”

他琢磨道:“夜视仪的增强管,需要几百伏高压。电池只有24伏,那就需要升压,但驱动电路本身,就可以做成升压的。”

钱兰补充道:“夜视仪要背在身上,电池就那么点,效率低一点,续航就少一大截。咱们这个控制芯片,如果用查表式pId,功耗可以做得非常低。”

吕辰点点头:“对。而且咱们可以用脉冲频率调制,轻载的时候降低开关频率,减少开关损耗。”

三个人越说越热闹,完全忘了时间。

阳光从东边照到头顶,又从头顶偏到西边。

但那张纸上,电路图越来越多,公式越写越密。

从电机驱动,到dc-dc变换,到能量回馈,到电源管理。

从夜视仪,到炮兵计算器,到电子引信,到所有需要电池的设备。

最后,诸葛彪画了一个大大的圆,把所有东西圈在一起。

他用粉笔点着那个圆:“电源管理,本质上是精确控制开关管的导通和关断,是闭环控制,也是反馈调节。这就是咱们的第一款‘通用开关控制芯片’。”

“最高效的dc-dc变换,加上最低功耗的控制电路。夜视仪有了这个,就能把现有电池的每一分电都用到极致,让半小时变成一小时,一小时变成两小时。”

诸葛彪顿了顿:“这个想法不错,目前看来理论上可行。但有一个问题,夜视仪那个增强管,需要的是稳定电压,不能有纹波。所以要多级滤波,或者用线性稳压后级。效率会降一点,但电压更稳。”

他又琢磨道:“或许可以用多个相位错开,嗯,四相交错并联,纹波能抵消掉大部分。”

他拿起铅笔,在图纸上开始画。

“咱们现在这个芯片,本来就有六个pwm输出通道。拿四个来做交错并联,剩下两个做保护和控制。”

“外围电路,需要四个电感,四个开关管,四个二极管。体积会大一点,但夜视仪那个箱子,装得下。”

钱兰在旁边补充:“效率的话,如果开关频率选得合适,用低导通电阻的管子,做到90%以上应该没问题。”

三个人越说越细,从拓扑结构到元器件选型,从控制逻辑到保护电路,一条一条过。

等到全部过完,天已经黑了。