載人潛水器鋰離子電池及其管理系統的雙冗余設計

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（中國船舶科學研究中心，無錫 214082）

某4500 m深度級別載人潛水器使用充油鋰離子電池作為唯一動力來源。該電池由2組并聯的主電池和2組并聯的副電池組成。主電池包括艏主電池和艉主電池；輸出電壓110 V，為潛水器提供動力供電，每組主電池容量360 A·h，由2個“36串3并”電池模塊并聯而成。副電池包括左副電池和右副電池；輸出24 V電壓，為潛水器控制系統等供電，每組副電池容量480 A·h，為1個“8串8并”模塊。

深海載人潛水器作為在大深度海底進行長時間作業的潛水器，因為有人的參與，所以必需保證潛水器系統極高的可靠性。鋰離子電池作為潛水器的動力源，共有344個電池單體，因數量較大，且長期工作在高壓強環境，其性能在多次下潛之后可能會出現下降甚至急劇變化。此外，其電池系統還涉及大量的電子器件，雖然在設計時經過多次的壓力考核測試，但在承壓狀況下仍有可能出現失效的情況[1]。因此，電池方案的設計更需要考慮其可靠性，而雙路同時采集、互為備用是一種比較好的方式[2]。

1 電池系統雙冗余設計方案

考慮到主電池系統的電路結構，兩組并聯主電池間以及每組主電池中兩組并聯的電池模塊間均體現了雙冗余的思想。一組主電池的電氣原理如圖1所示。

圖1 主電池電氣原理Fig.1 Main battery electrical schematic

圖中，每一組主電池被放置在一個單獨的帶壓力補償結構的充油電池箱內[3]，其“36串3并”電池模塊具體可拆解為4個“8串3并”模塊和1個“4串3并”模塊。模塊的基本組成是單體電池。

每組電池模塊所在回路均設置有接觸器、二極管、電流傳感器和熔斷器。充電時，兩組電池模塊分別由充電機進行充電；放電時，兩組電池模塊并聯放電。其中一組電池模塊或相關電子器件發生故障時，另一組電池模塊可繼續放電，維持潛水器110 V的電壓需求。對于兩組并聯主電池共計4組電池模塊，每一組電池模塊都能單獨為潛水器提供110 V供電，保證潛水器和人員的安全性，增加了可靠性，同時在兩組電池模塊的放電回路上安裝了二極管，能防止并聯模塊之間的環流。

對于副電池，主要在兩組并聯的副電池間進行了雙冗余設計。兩組副電池互為備份，當任意一組出現故障，另外一組都能繼續為潛水器提供24 V供電。一組副電池的電氣原理如圖2所示，每一組副電池也被放置在一個單獨的帶壓力補償結構的充油電池箱內。每組副電池模塊均設置有接觸器、二極管、電流傳感器和熔斷器，當其中一組電池或相關電子器件發生故障時，另一組電池可繼續放電，維持潛水器24 V的電壓需求，保證潛水器和人員的安全性，增加了可靠性，同時在兩組副電池的放電回路上也安裝了二極管，能防止并聯電池組之間的環流。

圖2 副電池電氣原理Fig.2 Secondary battery electrical schematic

2 電池管理系統的雙冗余設計

在電池的使用過程中，應避免發生過充電和過放電現象[4]，因為一旦過充或者過放電，鋰電池會發生損壞、容量降低、壽命減少等故障，嚴重的還可能發生鼓脹和起火燃燒等事故。電池管理系統BMS（battery management system）的主要作用是防止電池出現過充和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態，是連接充油鋰離子電池組與載人潛水器的重要紐帶；其主要功能是電池物理參數的實時監測、電池狀態的估測、在線診斷與預警、充放電控制、均衡管理和熱管理等。應用于潛水器的BMS原理如圖3所示，BMS主要包括CPU電路、采集電路和供電電路。

圖3 電池管理系統原理框圖Fig.3 Schematic diagram of BMS

單片機是CPU電路的核心，主要處理溫度采集電路輸出的電池電芯溫度，電壓采集電路輸出的電池組中每個串聯模塊及總的電壓，模擬量采集電路輸出的電池電流、液位、壓力，開關量采集電路輸出的充電、放電、強制鑰匙信號，通過開關量輸出電流控制總負、充電、放電接觸器。所有信號的數據輸出到數據存儲電路，通過隔離通信電路進行485通信。CPU電路的供電由24 V電源通過隔離電源電路提供3.3 V和5 V電壓。

潛水器BMS架構如圖4所示。充放電機或載人艙內顯示電腦與BMS之間均通過485通信，每箱主電池安裝有2組共4塊雙冗余36串主電池BMS板，每箱副電池安裝有一組共2塊雙冗余8串副電池BMS板，整個潛水器共安裝有8塊36串主電池BMS板和4塊8串BMS板。

圖4 電池管理系統架構框圖Fig.4 BMS architecture block diagram

潛水器上數量眾多的BMS電路板需要通過設置不同的地址來加以區別，這樣才能準確采集和分析電池的數據。在此，統一定義所有主電池中4塊BMS板地址依次為 1，2，3，4； 所有副電池中 2塊BMS板地址依次為5，6；地址設置通過BMS板上的4位撥碼開關實現。

485通訊中，為消除電纜中的信號反射，須在線路末端增加120 Ω終端匹配電阻，以增強485通訊的穩定性，定義所有主電池箱和副電池箱中最后一位地址的BMS板設置終端電阻，終端電阻設置通過BMS板上的1位撥碼開關實現。具體定義見表1。

BMS的基本功能如圖5所示，主要包括電池狀態監測、電池狀態分析、電池安全防護、電池信息管理和電池均衡管理等五大功能。

BMS的基本功能如下：1）檢測主、副蓄電池中，每串電池的電壓、溫度以及所有單體電池的鼓脹情況；2）采集主、副蓄電池充、放電回路電流；3）檢測電池補償液位高度；4）當BMS檢測數據超過設定報警和保護參數時，BMS向控制系統發出一、二級報警提示或啟動保護功能（切斷回路），報警和保護參數可在上機軟件進行設定；5）BMS具有旁路開關，緊急情況下，可忽略BMS的警告和保護，強制蓄電池組供電；6）具備SOC估算功能；7）具有熱備份，可以實現對電池組數據的雙路同時采集、控制，其中一個BMS發生故障，不影響另一個BMS繼續正常工作；8）具備RS485通訊功能，可與上位機、載人艙顯示電腦和充放電機進行通訊；9）使用鑰匙信號控制BMS進行充電、放電和強制放電操作；10）具有較強的抗干擾性和穩定性，內部電路進行了電源、信號和通訊的隔離措施設計。

表1 主電池和副電池的BMS地址Tab.1 BMS address of main battery and secondary battery

圖5 電池管理系統基本功能Fig.5 BMS basic function

潛水器某潛次下潛、作業、過程中，BMS在雙冗余方式下采集的數據如圖6所示。由圖可見，在下潛、作業和上浮階段里，BMS均雙路監測電芯溫度、總電壓、總電流和SOC，全程均正常工作。

圖6 雙冗余BMS監測數據Fig.6 Monitoring data of dual redundant BMS

3 結語

針對某鋰離子電池在4500 m深度級別載人潛水器上的應用，分析雙冗余思想在主電池和副電池電路結構中體現，以及BMS中的雙冗余設計。其中，兩組并聯的主電池以及每組主電池中兩個并聯電池模塊之間均互為備份，兩組并聯的副電池之間互為備份。此外，BMS的設計中也引入雙冗余設計思想，對于主電池的每個36串模塊和副電池的每個8串模塊，均設計2個互為備份的BMS板。整個電池系統中的雙冗余設計較好地保證了潛水器的供電可靠性。