42V系统用36V-VRLA电池与热管理方法的开发

摘要：42Ｖ电力系统是在上世纪90年代由于对电功率的需求不断增加而开发的，目前已应用于轻型混合电动车（HEV）。为了满足轻型混合电动车舒适、安全、燃油效率高的要求，开发研制了42V系统用36V－VRLA电池，这种电池在加速寿命试验中模拟了轻型混合电动车的行驶模式,试验中显示出缩短电池寿命性能的主要原因是电池产生热量、高温所致。因此，分别试制了18V分体式和36V整体槽电池，并在整体槽电池中施加了热管理方法。事实证明，有效的热管理方法可以延长电池的寿命性能。 叙词：36V电池 热管理方法 混合电动车 Abstract：Development of 42V power system was initiated by the increasing demand of electric power in 1990s and now it has been applied to a type of　hybrid electric vehicle systems (HEVs). 36V-VRLA battery is developed to meet the requirements of a mild hybrid vehicle, which should be comfortable, safe and with high fuel efficiency.Under the accelerated duration experiment, driving mode for the mild HEV is simulated using the battery, which shows that the battery duration is shortened due to the heat generation and high temperature. Thus,　18V-split and 36V-monoblock batteries are developed and meanwhile thermal management is applied in monoblock batteries. It is proved that effective thermal management can extend the duration of the battery. Keyword：36V Battery, Thermal management, Hybrid electric vehicle

1 前言

1.1 42V系统的背景

汽车42V系统化的研究是：（1）由90年代中期，汽车电气自动化对电功率的要求有明显的增加；（2）提高混合型汽车的燃油效率和气体减排而发展起来的。新老电气自动化的不同之处，是传统自动化以油压和齿轮机械驱动的动力转向装置、制动器、悬架装置、发动机阀等全部由电气驱动运行。同时，新的电气自动化可通过严格的控制来提高燃油效率，并进一步使用电气加热式催化剂和快速为挡风玻璃除霜等新装置，从而为驾驶员提供了方便。相反，对电功率的要求由原来的最大2kW大幅度地增加到3kW～7kW，这就需要大功率的发电机。因此，同时也着手研究起动装置和发电机一体化起动直流发电机。通过一体化起动直流发电机的研究而发展到轻型混合动力系统。即，怠速、停行后的发动机起动和加速装置，制动时可以再生能量提高燃油效率和气体减排。而且，这一功能的实现是开发高性能36Ｖ－VRLA电池不可缺少的条件。目前，美国麻省理工学院（MIT）在全球范围内联合“42Ｖ系统的国际财团”，在欧洲针对汽车42Ｖ系统展开了研究探讨。日本电气学会“42Ｖ电源专业委员会及汽车技术学会42Ｖ分会”加大力度研发这一课题。在全球42Ｖ系统化的潮流中为了环保，汽车和汽车配件的生产厂家纷纷步入实用化的研制阶段。

1.2 42Ｖ系统的未来

全球关注的42Ｖ系统车辆，最初由日本国内生产厂家研制成功，第一款车于2001年8月已上市。接着，2002年秋下款42Ｖ系统车又推向了市场。2003年欧洲研制的42Ｖ系统车也进入了市场，这样42Ｖ系统车层出不穷地入市。我们期待着2005年～2010年这一系统的车辆正式开始普及。

100Ｖ或200Ｖ以上的高压纯混合动力系统车，比燃油车效率优良的42Ｖ系统车更早地上市，销售数量逐年增加。目前，这一系统主要是采用镍氢电池，但也有探讨选择锂离子电池。这些混合系统以助动装置为主的大功率负载可适应更宽的范围，同时具有高效再生能力，与42V系统相比大幅度地节省了燃油。但是，因成本高，被接受有一定的难度，尝试起来也是矛盾重重。所以，有人建议在42V系统中将36V-VRLA电池与双电荷电容器组合，目的是充分利用储能装置良好的再生充电性能，也是汽车替代产品中倍受关注的技术。可见上述各种混合系统车辆，未来将在电压、功能、及价格等多方位得到调整。但是，在试制过程中，应进一步地提高以电池为主要部件的产品性能及降低成本。预计2005年～2010年要大幅度推广低成本的42Ｖ系统混合电动车。

２　36V-VRLA电池的开发

轻型混合动力系统车，要求36V－VRLA电池通过部分荷电方式，满足怠速、停行后的发动机启动、加速助动装置和制动时的能量再生及长寿命等性能。即，低电阻、大功率及良好的可逆性和充电接受

性能，并可得到高的放电总量和循环寿命性能。因此，有必要对正极板、负极板、隔板、电解液等重要部件进行改进，其关系如图1所示。电池的尺寸与JIS标准中的D 26型电池相同，容量为18Ah。此外，在模拟轻型混合动力车行驶模式图3部分荷电状态的加速寿命试验中确认，与标准的VRLA电池相比寿命性能提高了（3～５）倍。

3 热管理（TM）的开发

3.1 部分荷电状态加速寿命试验中电池热量的产生

上述36V-VRLA电池的研发过程中，首先在2V单体电池中进行主要技术指标的试验。其结果，是围绕着将36V电池一分为二，制成18V还是制成36V整体槽电池展开了讨论。在增加了单格数目的试验中，以部分荷电状态进行加速寿命试验时明显地发热、温度上升，显然有必要进行热管理。部分荷电状态（PSOC）加速寿命试验，是按图3所示充放电模式构成的试验1，和比试验1多一次循环而产生热量的试验2进行试验。开始试验时电池荷电状态为75%，在此采用单格2V的18V及36V整体槽的VRLA电池，按试验2进行部分荷电状态（PSOC）加速寿命试验，研究电池表面温度与寿命的关系，结果示于图4。随着电池表面温度的升高，寿命性能陡降。18V和36V电池寿命相差1.5倍以上，显然电池形状对电池寿命有很大的影响。

图3 Psoc（部分充电）状态加速寿命试验模式

其次，是36V整体槽电池，选18V和36V电池进行加速寿命试验，在循环过程中测定电池表面与内部的温度变化。达到最高温度的中间第5单格的表面与内部温度的变化示于图5。

图5 加速寿命试验时36V整体电池的温度

由图得知，36V整体槽电池的温度，电池内部比表面升高近20℃。2V单体电池表面与内部的温差在5℃以下。通过简易的温度计测定的试验热值与充放电时的极化可推测，试验1约40W，试验2约70W。试验是在部分荷电状态（PSOC）下进行，所以，由正极产生的气体难以在负极进行再化合反应，并且充电与放电的电量大致相等，各自产生的反应热相互抵消，这种热量大部分是导体电阻和液体电阻产生的焦耳热。电池内部温度上升，对寿命性能有很大的影响，所以试用按3.2项中3的方法进行电池的热管理(TM)。在此测试试验1加速寿命试验时电池的表面与内部温度,在此基础上以计算机模拟的方法求出整体电池的温度分布，对比热管理的效果。

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3.2.3 散热管(HPF)

安装了日本古河电工株式会社开发的散热管和散热片的36V整体槽电池的照片示于图6(c)。散热管夹在散热片与电池槽之间，图片中隐藏在电池的中间部位。电池中采用的散热片是采用原材料铝挤压加工制成。另外，散热管的槽也是原材料铝挤压加工制成多路扁管。这种扁管的厚度为1.9mm。散热管中分散热量的流体使用非氟利昂系列物质。如图７、图８所示，就控制温度上升而言，18Ｖ分体电池的散热管、散热片具有与强制对流相同的效果。另外，因与中间壁面接触的散热管的导热速率高，所以各单格的温度分布均匀。

3.3 通过热管理改善电池的寿命性能

适用于上述热管理的36V-VRLA电池，经过试验２加速寿命试验的结果示于图９。强制对流和对流通道散热管、散热片对寿命性能的改善效果与18Ｖ分体电池相同，与整体电池对比寿命性能高出50％以上。自然对流的对流系统对寿命性能的改善效果比36Ｖ整体电池也高出20％。

图9 36V-VRLA电池的寿命性能

４　寿命周期的环保

42Ｖ系统化的目的之一是削减排气量，从这一观点出发，对目前提出的36Ｖ-VRLA电池进行了寿命周期的环保试验。在此对铅的冶炼、电池生产及配件的生产，以及将电池搭载在车上10年行驶10万km产生二氧化碳量进行了估算，结果示于图10。本文热管理技术最大的效果是延长电池寿命、削减电池更换频率。适用于（TM）热管理技术的36V-VRLA电池应确保任何时候散热所需的间距，与36V整体电池相比轻量化提高了10%，实现了车体在行驶时二氧化碳气体的减排。在寿命周期环保方面散热管、散热片和18V分体电池占优势，但是，散热管、散热片在精炼铝的提炼及制造过程中产生的二氧化碳部分，对18V分体电池而言又是不足之处。

图10 36V-VRLA电池寿命周期的环保试验

5 小结

(1) 开发了具有良好的放电、再充电及寿命性能的36V-VRLA电池。

(2) 36V-VRLA电池温度对寿命性能有很大的影响。但是，如3项中新开发的TM（热管理的电池），即:①18V分体电池，②散热装置（散热管）及适用于对流通道的电池寿命性能提高50%以上，③自然对流的寿命性能也提高了20%。

（3）通过LCA（寿命周期的环保）、TM（散热）技术为二氧化碳的减排做出了一定的贡献，其中18V分体电池最为明显，安装有散热装置的电池排第二位。

36V-VRLA电池的放置可以考虑在发动机室、车内的座位下面、后背箱等部位。今后还将研发出适合散热的放置状态提供给汽车生产厂家。

参考文献 ： 略

原文标题和作者 以下‘电’‘开发’改为日文繁体

42V システム用36V-VRLA池とサ-マルマネジメソトの_kする

古川 淳 , 坂本 光 , 饭琢博幸■