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（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082）

某4500 m深度級(jí)別載人潛水器使用充油鋰離子電池作為唯一動(dòng)力來源。該電池由2組并聯(lián)的主電池和2組并聯(lián)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(dòng)力供電，每組主電池容量360 A·h，由2個(gè)“36串3并”電池模塊并聯(lián)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(tǒng)等供電，每組副電池容量480 A·h，為1個(gè)“8串8并”模塊。

深海載人潛水器作為在大深度海底進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的潛水器，因?yàn)橛腥说膮⑴c，所以必需保證潛水器系統(tǒng)極高的可靠性。鋰離子電池作為潛水器的動(dòng)力源，共有344個(gè)電池單體，因數(shù)量較大，且長(zhǎng)期工作在高壓強(qiáng)環(huán)境，其性能在多次下潛之后可能會(huì)出現(xiàn)下降甚至急劇變化。此外，其電池系統(tǒng)還涉及大量的電子器件，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過多次的壓力考核測(cè)試，但在承壓狀況下仍有可能出現(xiàn)失效的情況[1]。因此，電池方案的設(shè)計(jì)更需要考慮其可靠性，而雙路同時(shí)采集、互為備用是一種比較好的方式[2]。

1 電池系統(tǒng)雙冗余設(shè)計(jì)方案

考慮到主電池系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，兩組并聯(lián)主電池間以及每組主電池中兩組并聯(lián)的電池模塊間均體現(xiàn)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(gè)單獨(dú)的帶壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的充油電池箱內(nèi)[3]，其“36串3并”電池模塊具體可拆解為4個(gè)“8串3并”模塊和1個(gè)“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(shè)置有接觸器、二極管、電流傳感器和熔斷器。充電時(shí)，兩組電池模塊分別由充電機(jī)進(jìn)行充電；放電時(shí)，兩組電池模塊并聯(lián)放電。其中一組電池模塊或相關(guān)電子器件發(fā)生故障時(shí)，另一組電池模塊可繼續(xù)放電，維持潛水器110 V的電壓需求。對(duì)于兩組并聯(lián)主電池共計(jì)4組電池模塊，每一組電池模塊都能單獨(dú)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(shí)在兩組電池模塊的放電回路上安裝了二極管，能防止并聯(lián)模塊之間的環(huán)流。

對(duì)于副電池，主要在兩組并聯(lián)的副電池間進(jìn)行了雙冗余設(shè)計(jì)。兩組副電池互為備份，當(dāng)任意一組出現(xiàn)故障，另外一組都能繼續(xù)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(gè)單獨(dú)的帶壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的充油電池箱內(nèi)。每組副電池模塊均設(shè)置有接觸器、二極管、電流傳感器和熔斷器，當(dāng)其中一組電池或相關(guān)電子器件發(fā)生故障時(shí)，另一組電池可繼續(xù)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(shí)在兩組副電池的放電回路上也安裝了二極管，能防止并聯(lián)電池組之間的環(huán)流。

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

2 電池管理系統(tǒng)的雙冗余設(shè)計(jì)

在電池的使用過程中，應(yīng)避免發(fā)生過充電和過放電現(xiàn)象[4]，因?yàn)橐坏┻^充或者過放電，鋰電池會(huì)發(fā)生損壞、容量降低、壽命減少等故障，嚴(yán)重的還可能發(fā)生鼓脹和起火燃燒等事故。電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system）的主要作用是防止電池出現(xiàn)過充和過放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)，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(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)的估測(cè)、在線診斷與預(yù)警、充放電控制、均衡管理和熱管理等。應(yīng)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(tǒng)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of BMS

單片機(jī)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(gè)串聯(lián)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(guān)量采集電路輸出的充電、放電、強(qiáng)制鑰匙信號(hào)，通過開關(guān)量輸出電流控制總負(fù)、充電、放電接觸器。所有信號(hào)的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，通過隔離通信電路進(jìn)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(gòu)如圖4所示。充放電機(jī)或載人艙內(nèi)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(gè)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(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.4 BMS architecture block diagram

潛水器上數(shù)量眾多的BMS電路板需要通過設(shè)置不同的地址來加以區(qū)別，這樣才能準(zhǔn)確采集和分析電池的數(shù)據(jù)。在此，統(tǒng)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(shè)置通過BMS板上的4位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

485通訊中，為消除電纜中的信號(hào)反射，須在線路末端增加120 Ω終端匹配電阻，以增強(qiáng)485通訊的穩(wěn)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(shè)置終端電阻，終端電阻設(shè)置通過BMS板上的1位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)。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(tài)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)分析、電池安全防護(hù)、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(cè)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(cè)電池補(bǔ)償液位高度；4）當(dāng)BMS檢測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)定報(bào)警和保護(hù)參數(shù)時(shí)，BMS向控制系統(tǒng)發(fā)出一、二級(jí)報(bào)警提示或啟動(dòng)保護(hù)功能（切斷回路），報(bào)警和保護(hù)參數(shù)可在上機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)定；5）BMS具有旁路開關(guān)，緊急情況下，可忽略BMS的警告和保護(hù)，強(qiáng)制蓄電池組供電；6）具備SOC估算功能；7）具有熱備份，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組數(shù)據(jù)的雙路同時(shí)采集、控制，其中一個(gè)BMS發(fā)生故障，不影響另一個(gè)BMS繼續(xù)正常工作；8）具備RS485通訊功能，可與上位機(jī)、載人艙顯示電腦和充放電機(jī)進(jìn)行通訊；9）使用鑰匙信號(hào)控制BMS進(jìn)行充電、放電和強(qiáng)制放電操作；10）具有較強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，內(nèi)部電路進(jìn)行了電源、信號(hào)和通訊的隔離措施設(shè)計(jì)。

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(tǒng)基本功能Fig.5 BMS basic function

潛水器某潛次下潛、作業(yè)、過程中，BMS在雙冗余方式下采集的數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖可見，在下潛、作業(yè)和上浮階段里，BMS均雙路監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of dual redundant BMS

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某鋰離子電池在4500 m深度級(jí)別載人潛水器上的應(yīng)用，分析雙冗余思想在主電池和副電池電路結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)，以及BMS中的雙冗余設(shè)計(jì)。其中，兩組并聯(lián)的主電池以及每組主電池中兩個(gè)并聯(lián)電池模塊之間均互為備份，兩組并聯(lián)的副電池之間互為備份。此外，BMS的設(shè)計(jì)中也引入雙冗余設(shè)計(jì)思想，對(duì)于主電池的每個(gè)36串模塊和副電池的每個(gè)8串模塊，均設(shè)計(jì)2個(gè)互為備份的BMS板。整個(gè)電池系統(tǒng)中的雙冗余設(shè)計(jì)較好地保證了潛水器的供電可靠性。