载人潜水器锂离子电池及其管理系统的双冗余设计

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（中国船舶科学研究中心，无锡 214082）

某4500 m深度级别载人潜水器使用充油锂离子电池作为唯一动力来源。该电池由2组并联的主电池和2组并联的副电池组成。主电池包括艏主电池和艉主电池；输出电压110 V，为潜水器提供动力供电，每组主电池容量360 A·h，由2个“36串3并”电池模块并联而成。副电池包括左副电池和右副电池；输出24 V电压，为潜水器控制系统等供电，每组副电池容量480 A·h，为1个“8串8并”模块。

深海载人潜水器作为在大深度海底进行长时间作业的潜水器，因为有人的参与，所以必需保证潜水器系统极高的可靠性。锂离子电池作为潜水器的动力源，共有344个电池单体，因数量较大，且长期工作在高压强环境，其性能在多次下潜之后可能会出现下降甚至急剧变化。此外，其电池系统还涉及大量的电子器件，虽然在设计时经过多次的压力考核测试，但在承压状况下仍有可能出现失效的情况[1]。因此，电池方案的设计更需要考虑其可靠性，而双路同时采集、互为备用是一种比较好的方式[2]。

1 电池系统双冗余设计方案

考虑到主电池系统的电路结构，两组并联主电池间以及每组主电池中两组并联的电池模块间均体现了双冗余的思想。一组主电池的电气原理如图1所示。

图1 主电池电气原理Fig.1 Main battery electrical schematic

图中，每一组主电池被放置在一个单独的带压力补偿结构的充油电池箱内[3]，其“36串3并”电池模块具体可拆解为4个“8串3并”模块和1个“4串3并”模块。模块的基本组成是单体电池。

每组电池模块所在回路均设置有接触器、二极管、电流传感器和熔断器。充电时，两组电池模块分别由充电机进行充电；放电时，两组电池模块并联放电。其中一组电池模块或相关电子器件发生故障时，另一组电池模块可继续放电，维持潜水器110 V的电压需求。对于两组并联主电池共计4组电池模块，每一组电池模块都能单独为潜水器提供110 V供电，保证潜水器和人员的安全性，增加了可靠性，同时在两组电池模块的放电回路上安装了二极管，能防止并联模块之间的环流。

对于副电池，主要在两组并联的副电池间进行了双冗余设计。两组副电池互为备份，当任意一组出现故障，另外一组都能继续为潜水器提供24 V供电。一组副电池的电气原理如图2所示，每一组副电池也被放置在一个单独的带压力补偿结构的充油电池箱内。每组副电池模块均设置有接触器、二极管、电流传感器和熔断器，当其中一组电池或相关电子器件发生故障时，另一组电池可继续放电，维持潜水器24 V的电压需求，保证潜水器和人员的安全性，增加了可靠性，同时在两组副电池的放电回路上也安装了二极管，能防止并联电池组之间的环流。

图2 副电池电气原理Fig.2 Secondary battery electrical schematic

2 电池管理系统的双冗余设计

在电池的使用过程中，应避免发生过充电和过放电现象[4]，因为一旦过充或者过放电，锂电池会发生损坏、容量降低、寿命减少等故障，严重的还可能发生鼓胀和起火燃烧等事故。电池管理系统BMS（battery management system）的主要作用是防止电池出现过充和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态，是连接充油锂离子电池组与载人潜水器的重要纽带；其主要功能是电池物理参数的实时监测、电池状态的估测、在线诊断与预警、充放电控制、均衡管理和热管理等。应用于潜水器的BMS原理如图3所示，BMS主要包括CPU电路、采集电路和供电电路。

图3 电池管理系统原理框图Fig.3 Schematic diagram of BMS

单片机是CPU电路的核心，主要处理温度采集电路输出的电池电芯温度，电压采集电路输出的电池组中每个串联模块及总的电压，模拟量采集电路输出的电池电流、液位、压力，开关量采集电路输出的充电、放电、强制钥匙信号，通过开关量输出电流控制总负、充电、放电接触器。所有信号的数据输出到数据存储电路，通过隔离通信电路进行485通信。CPU电路的供电由24 V电源通过隔离电源电路提供3.3 V和5 V电压。

潜水器BMS架构如图4所示。充放电机或载人舱内显示电脑与BMS之间均通过485通信，每箱主电池安装有2组共4块双冗余36串主电池BMS板，每箱副电池安装有一组共2块双冗余8串副电池BMS板，整个潜水器共安装有8块36串主电池BMS板和4块8串BMS板。

图4 电池管理系统架构框图Fig.4 BMS architecture block diagram

潜水器上数量众多的BMS电路板需要通过设置不同的地址来加以区别，这样才能准确采集和分析电池的数据。在此，统一定义所有主电池中4块BMS板地址依次为 1，2，3，4； 所有副电池中 2块BMS板地址依次为5，6；地址设置通过BMS板上的4位拨码开关实现。

485通讯中，为消除电缆中的信号反射，须在线路末端增加120 Ω终端匹配电阻，以增强485通讯的稳定性，定义所有主电池箱和副电池箱中最后一位地址的BMS板设置终端电阻，终端电阻设置通过BMS板上的1位拨码开关实现。具体定义见表1。

BMS的基本功能如图5所示，主要包括电池状态监测、电池状态分析、电池安全防护、电池信息管理和电池均衡管理等五大功能。

BMS的基本功能如下：1）检测主、副蓄电池中，每串电池的电压、温度以及所有单体电池的鼓胀情况；2）采集主、副蓄电池充、放电回路电流；3）检测电池补偿液位高度；4）当BMS检测数据超过设定报警和保护参数时，BMS向控制系统发出一、二级报警提示或启动保护功能（切断回路），报警和保护参数可在上机软件进行设定；5）BMS具有旁路开关，紧急情况下，可忽略BMS的警告和保护，强制蓄电池组供电；6）具备SOC估算功能；7）具有热备份，可以实现对电池组数据的双路同时采集、控制，其中一个BMS发生故障，不影响另一个BMS继续正常工作；8）具备RS485通讯功能，可与上位机、载人舱显示电脑和充放电机进行通讯；9）使用钥匙信号控制BMS进行充电、放电和强制放电操作；10）具有较强的抗干扰性和稳定性，内部电路进行了电源、信号和通讯的隔离措施设计。

表1 主电池和副电池的BMS地址Tab.1 BMS address of main battery and secondary battery

图5 电池管理系统基本功能Fig.5 BMS basic function

潜水器某潜次下潜、作业、过程中，BMS在双冗余方式下采集的数据如图6所示。由图可见，在下潜、作业和上浮阶段里，BMS均双路监测电芯温度、总电压、总电流和SOC，全程均正常工作。

图6 双冗余BMS监测数据Fig.6 Monitoring data of dual redundant BMS

3 结语

针对某锂离子电池在4500 m深度级别载人潜水器上的应用，分析双冗余思想在主电池和副电池电路结构中体现，以及BMS中的双冗余设计。其中，两组并联的主电池以及每组主电池中两个并联电池模块之间均互为备份，两组并联的副电池之间互为备份。此外，BMS的设计中也引入双冗余设计思想，对于主电池的每个36串模块和副电池的每个8串模块，均设计2个互为备份的BMS板。整个电池系统中的双冗余设计较好地保证了潜水器的供电可靠性。