42V系统用36V-VRLA电池与热管理方法的开发

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。

3.2  热管理的方法（TM）

热管理与电池的外观示于图6，电池表面与内部温度的分布分别示于图7。并且，图7横坐标的数字表示电池内单格的位置。图８是当时显示的温度分布。

３.2.1　18Ｖ分体电池

18Ｖ分体电池如图６（a）所示，36V整体槽电池内部温度非常高，中间格与边格的温差大。18V分体电池因表面积大便于散热，随着电池整体温度的下降，各单格的温度差也得到了改善。

图6 热管理与电池形状：（a）18分体式；（b）对流通道；（c）散热管、散热片

图7  热管理与温度分布

3.2.2  对流通道

电池中设计对流用通道，对流系统的36V整体槽电池的照片示于图6（b）。电池槽侧面的竖孔和电池槽盖上方的孔与电池内部相连，通过空气对流，分散电池内部的热量。由计算机模拟试验得知，拓宽通道可抑制温度上升，但10mm以上时其效果逐渐饱和。另外，电池按传统的D型电池尺寸进行设计时，如果加宽通道将减小电极的体积，这样就无法保证电池容量。为此，通道的宽度适宜于10 mm。这样将通道的宽度固定为10mm，自然对流与每秒1m的强化对流的温度分布示于图7、图8。强化对流是从电池槽上盖的孔部送风，在入口附近测定风速值，通过强化对流获得接近18V分体电池的温度。当然，通过自然对流也可以确认散热效果。

图8 热管理与温度分布

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。