42V系統用36V-VRLA電池與熱管理方法的開(kāi)發(fā)

摘要：42Ｖ電力系統是在上世紀90年代由于對電功率的需求不斷增加而開(kāi)發(fā)的，目前已應用于輕型混合電動(dòng)車(chē)（HEV）。為了滿(mǎn)足輕型混合電動(dòng)車(chē)舒適、安全、燃油效率高的要求，開(kāi)發(fā)研制了42V系統用36V－VRLA電池，這種電池在加速壽命試驗中模擬了輕型混合電動(dòng)車(chē)的行駛模式,試驗中顯示出縮短電池壽命性能的主要原因是電池產(chǎn)生熱量、高溫所致。因此，分別試制了18V分體式和36V整體槽電池，并在整體槽電池中施加了熱管理方法。事實(shí)證明，有效的熱管理方法可以延長(cháng)電池的壽命性能。 敘詞：36V電池 熱管理方法 混合電動(dòng)車(chē) 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系統的背景

汽車(chē)42V系統化的研究是：（1）由90年代中期，汽車(chē)電氣自動(dòng)化對電功率的要求有明顯的增加；（2）提高混合型汽車(chē)的燃油效率和氣體減排而發(fā)展起來(lái)的。新老電氣自動(dòng)化的不同之處，是傳統自動(dòng)化以油壓和齒輪機械驅動(dòng)的動(dòng)力轉向裝置、制動(dòng)器、懸架裝置、發(fā)動(dòng)機閥等全部由電氣驅動(dòng)運行。同時(shí)，新的電氣自動(dòng)化可通過(guò)嚴格的控制來(lái)提高燃油效率，并進(jìn)一步使用電氣加熱式催化劑和快速為擋風(fēng)玻璃除霜等新裝置，從而為駕駛員提供了方便。相反，對電功率的要求由原來(lái)的最大2kW大幅度地增加到3kW～7kW，這就需要大功率的發(fā)電機。因此，同時(shí)也著(zhù)手研究起動(dòng)裝置和發(fā)電機一體化起動(dòng)直流發(fā)電機。通過(guò)一體化起動(dòng)直流發(fā)電機的研究而發(fā)展到輕型混合動(dòng)力系統。即，怠速、停行后的發(fā)動(dòng)機起動(dòng)和加速裝置，制動(dòng)時(shí)可以再生能量提高燃油效率和氣體減排。而且，這一功能的實(shí)現是開(kāi)發(fā)高性能36Ｖ－VRLA電池不可缺少的條件。目前，美國麻省理工學(xué)院（MIT）在全球范圍內聯(lián)合“42Ｖ系統的國際財團”，在歐洲針對汽車(chē)42Ｖ系統展開(kāi)了研究探討。日本電氣學(xué)會(huì )“42Ｖ電源專(zhuān)業(yè)委員會(huì )及汽車(chē)技術(shù)學(xué)會(huì )42Ｖ分會(huì )”加大力度研發(fā)這一課題。在全球42Ｖ系統化的潮流中為了環(huán)保，汽車(chē)和汽車(chē)配件的生產(chǎn)廠(chǎng)家紛紛步入實(shí)用化的研制階段。

1.2 42Ｖ系統的未來(lái)

全球關(guān)注的42Ｖ系統車(chē)輛，最初由日本國內生產(chǎn)廠(chǎng)家研制成功，第一款車(chē)于2001年8月已上市。接著(zhù)，2002年秋下款42Ｖ系統車(chē)又推向了市場(chǎng)。2003年歐洲研制的42Ｖ系統車(chē)也進(jìn)入了市場(chǎng)，這樣42Ｖ系統車(chē)層出不窮地入市。我們期待著(zhù)2005年～2010年這一系統的車(chē)輛正式開(kāi)始普及。

100Ｖ或200Ｖ以上的高壓純混合動(dòng)力系統車(chē)，比燃油車(chē)效率優(yōu)良的42Ｖ系統車(chē)更早地上市，銷(xiāo)售數量逐年增加。目前，這一系統主要是采用鎳氫電池，但也有探討選擇鋰離子電池。這些混合系統以助動(dòng)裝置為主的大功率負載可適應更寬的范圍，同時(shí)具有高效再生能力，與42V系統相比大幅度地節省了燃油。但是，因成本高，被接受有一定的難度，嘗試起來(lái)也是矛盾重重。所以，有人建議在42V系統中將36V-VRLA電池與雙電荷電容器組合，目的是充分利用儲能裝置良好的再生充電性能，也是汽車(chē)替代產(chǎn)品中倍受關(guān)注的技術(shù)?？梢?jiàn)上述各種混合系統車(chē)輛，未來(lái)將在電壓、功能、及價(jià)格等多方位得到調整。但是，在試制過(guò)程中，應進(jìn)一步地提高以電池為主要部件的產(chǎn)品性能及降低成本。預計2005年～2010年要大幅度推廣低成本的42Ｖ系統混合電動(dòng)車(chē)。

２　36V-VRLA電池的開(kāi)發(fā)

輕型混合動(dòng)力系統車(chē)，要求36V－VRLA電池通過(guò)部分荷電方式，滿(mǎn)足怠速、停行后的發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)、加速助動(dòng)裝置和制動(dòng)時(shí)的能量再生及長(cháng)壽命等性能。即，低電阻、大功率及良好的可逆性和充電接受

性能，并可得到高的放電總量和循環(huán)壽命性能。因此，有必要對正極板、負極板、隔板、電解液等重要部件進(jìn)行改進(jìn)，其關(guān)系如圖1所示。電池的尺寸與JIS標準中的D 26型電池相同，容量為18Ah。此外，在模擬輕型混合動(dòng)力車(chē)行駛模式圖3部分荷電狀態(tài)的加速壽命試驗中確認，與標準的VRLA電池相比壽命性能提高了（3～５）倍。

3 熱管理（TM）的開(kāi)發(fā)

3.1 部分荷電狀態(tài)加速壽命試驗中電池熱量的產(chǎn)生

上述36V-VRLA電池的研發(fā)過(guò)程中，首先在2V單體電池中進(jìn)行主要技術(shù)指標的試驗。其結果，是圍繞著(zhù)將36V電池一分為二，制成18V還是制成36V整體槽電池展開(kāi)了討論。在增加了單格數目的試驗中，以部分荷電狀態(tài)進(jìn)行加速壽命試驗時(shí)明顯地發(fā)熱、溫度上升，顯然有必要進(jìn)行熱管理。部分荷電狀態(tài)（PSOC）加速壽命試驗，是按圖3所示充放電模式構成的試驗1，和比試驗1多一次循環(huán)而產(chǎn)生熱量的試驗2進(jìn)行試驗。開(kāi)始試驗時(shí)電池荷電狀態(tài)為75%，在此采用單格2V的18V及36V整體槽的VRLA電池，按試驗2進(jìn)行部分荷電狀態(tài)（PSOC）加速壽命試驗，研究電池表面溫度與壽命的關(guān)系，結果示于圖4。隨著(zhù)電池表面溫度的升高，壽命性能陡降。18V和36V電池壽命相差1.5倍以上，顯然電池形狀對電池壽命有很大的影響。

圖3 Psoc（部分充電）狀態(tài)加速壽命試驗模式

其次，是36V整體槽電池，選18V和36V電池進(jìn)行加速壽命試驗，在循環(huán)過(guò)程中測定電池表面與內部的溫度變化。達到最高溫度的中間第5單格的表面與內部溫度的變化示于圖5。

圖5 加速壽命試驗時(shí)36V整體電池的溫度

由圖得知，36V整體槽電池的溫度，電池內部比表面升高近20℃。2V單體電池表面與內部的溫差在5℃以下。通過(guò)簡(jiǎn)易的溫度計測定的試驗熱值與充放電時(shí)的極化可推測，試驗1約40W，試驗2約70W。試驗是在部分荷電狀態(tài)（PSOC）下進(jìn)行，所以，由正極產(chǎn)生的氣體難以在負極進(jìn)行再化合反應，并且充電與放電的電量大致相等，各自產(chǎn)生的反應熱相互抵消，這種熱量大部分是導體電阻和液體電阻產(chǎn)生的焦耳熱。電池內部溫度上升，對壽命性能有很大的影響，所以試用按3.2項中3的方法進(jìn)行電池的熱管理(TM)。在此測試試驗1加速壽命試驗時(shí)電池的表面與內部溫度,在此基礎上以計算機模擬的方法求出整體電池的溫度分布，對比熱管理的效果。