宋德勇,何巍巍,李邦鵬,鄭鵬,楊申申,王磊

(1.中國船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無錫,214082;2.深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇 無錫,214082)

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)集成了水下通信、自動控制、模式識別和人工智能等技術(shù)[1],在與母船之間無物理連接、無人駕駛的情況下,依靠自身攜帶的動力以及機器智能自主地完成復(fù)雜海洋環(huán)境中預(yù)定任務(wù),具有活動范圍不受電纜限制,隱蔽性能好等優(yōu)點[2]。而模塊化AUV 能夠根據(jù)任務(wù)更改搭載設(shè)備,易于升級,是當(dāng)前AUV 的重要發(fā)展方向[3]。

電池組的性能是衡量水下航行器尤其是深海航行器優(yōu)越性的重要指標(biāo)[4],因此高性能水下動力電池技術(shù)已成為AUV 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[5]。在眾多類型電池中,鋰離子電池在比能量、循環(huán)壽命、制造和維護成本上具有較大優(yōu)勢,是AUV 動力電池的主要來源[6]。對于大深度AUV,為減輕電池艙的質(zhì)量,通常將電池置于壓力補償型油艙中[7],但電池本身會因此承受深海壓力。而當(dāng)深度不大時,一般將電池組放置于耐壓艙,只有艙體本身承受海水壓力。

以美國海神號(Nereus)AUV 為例,其電源系統(tǒng)為18 kWh 的可充電鋰離子電池組,該電池組共有2352 個容量為2.2 Ah 的鈷陰極柱狀18650 型鋰離子電池,每個單體電池儲存的能量為7.92 Wh,采用168 并14 串結(jié)構(gòu)組成的鋰離子電池組總能量為18.63 kWh,由7 個2.66 kWh 的模組構(gòu)成[8]。此種結(jié)構(gòu)與圓柱電池艙比較適配,但其整體結(jié)構(gòu)不利于維護和定位故障,且未采用雙冗余結(jié)構(gòu),電池組可靠性有待提高?；诖?文中基于模塊化和雙冗余設(shè)計思想,選擇21700 鋰離子電池作為單體電芯,進行AUV 圓柱電池艙下鋰離子電池組模塊化設(shè)計研究,試驗驗證了該電池組具有較高的能量密度和可靠性。

1 研究背景

該AUV 工作水深1000 m、航程200 km,其能源系統(tǒng)包括動力電池組和控制電池組,分布在4 個電池艙內(nèi),動力電池組主要為主推、側(cè)推和垂推提供110 V 直流電,控制電池組為控制系統(tǒng)及其他設(shè)備提供24 V 直流電,主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1) 電壓:動力電池組為110 V,控制電池組為24 V;

2) 正常放電電流:動力電池組為2 A,控制電池組為28 A;

3) 最大持續(xù)電流:動力電池組為40 A,控制電池組為40 A;

4) 額定容量:動力電池組電容 ≥25 kWh,控制電池組電容 ≥25 kWh;

5) 安裝空間:4 ×Φ225 mm×950 mm;

6) 工作溫度:-20～40℃;

7) 貯存溫度:-30～40℃;

8) 質(zhì)量:≤280 kg。

該AUV 能源系統(tǒng)工作溫度較低,壽命要求高,需具有較高能量密度,并能安裝于電池艙內(nèi)。根據(jù)電池組的整體技術(shù)要求,綜合考慮質(zhì)量、體積、安全性、技術(shù)成熟度及壽命等指標(biāo),選擇能量密度較高的21700 三元鋰離子電池。該型號電池標(biāo)稱電壓3.6 V,電壓范圍2.5～4.2 V,容量5 Ah,能量密度達到230 Wh/kg,具有較長的循環(huán)壽命和優(yōu)良的低溫性能[9],可用于電池組的單體電芯。

2 電池組模塊化設(shè)計

完整的鋰離子電池組由電池模組、電池管理系統(tǒng)、機械連接件、電氣連接件、高壓器件以及接插件組成,其組成框圖如圖1 所示。電路控制模塊包含了1 個主控模塊、若干個從控模塊等;電氣連接件包含電池模塊間的聯(lián)接匯流排、檢測線纜和連接銅排等;機械連接件包含螺栓組件、電池組支撐滑軌和導(dǎo)線槽等;高壓器件包括二極管和接觸器等。

圖1 電池組組成框圖Fig.1 Battery pack composition

2.1 成組方式

動力電池組由48 并30 串共1440 只電芯串并組成,總?cè)萘?5.92 kWh,所有電芯均經(jīng)過一致性篩選。

如圖2 所示,1 個動力電池組模塊由72 只電芯組成,軸向長度80 mm,殼體內(nèi)徑225 mm。電池組分成若干個電池模塊,各個模塊均采用模塊化設(shè)計提升互換性,模塊內(nèi)部電池排列設(shè)計為圓柱型相切形式,可以最大限度地利用空間。

圖2 動力電池組模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of power battery pack module

24 并電池組成1 個電池單元,3 個電池單元串聯(lián)組成1 個電池模塊,10 個模塊串聯(lián)組成1 個電池模組,2 個電池模組并聯(lián)組成動力電池組,60 個電池單元共20 個電池模塊組成動力電池組。

控制電池組由210并7串共1470只電芯串并組成,總?cè)萘?6.46kWh。70并電池或2組35并電池或35 并電池組成1 個電池模塊,11 個電池模塊串聯(lián)組成1 個電池模組,2 個電池模組并聯(lián)組成控制電池組,22 個電池模塊組成控制電池組。

2.2 電池組模塊結(jié)構(gòu)

圖3 所示為動力電池組模塊三維示意圖,具體包括3 串24 并單體電池、電池框架、框架絕緣蓋板、鎳片、滾動導(dǎo)輪組、緊固件、電壓和溫度采樣線等。

圖3 動力電池組模塊Fig.3 Module of power battery pack

電池組模塊的展開效果如圖4 所示,2 個框架采用蜂窩煤結(jié)構(gòu)形式,分別置于電池模塊兩側(cè),與所有電芯完全匹配,通過螺栓固定,鎳片均位于框架外側(cè),將電池組分組并聯(lián),并以串聯(lián)形式連接不同組電池單元,兩絕緣板分別覆蓋于外側(cè)鎳片表面,電池組模塊底部裝有滾動導(dǎo)輪組,可在導(dǎo)軌上自由滾動。

圖4 電池模塊展開效果圖Fig.4 Diagram of battery pack module expansion effect

電池組模塊間通過螺栓相互固定,滾動導(dǎo)輪組底部設(shè)有兩連接板,固定鄰近電池組模塊,電池組模塊頂部設(shè)有銅排,連接電池組模塊間電極。通過此結(jié)構(gòu)形式,滾動導(dǎo)輪大大降低了圓柱電池組模塊在圓柱形電池艙中安裝和拆卸的難度;圓柱電芯模塊化分組設(shè)計,減少了圓柱電芯更換時對其他電芯的影響,降低了維護成本;線槽結(jié)構(gòu)使采樣線和動力線有序且緊湊的分類固定,提高了電池整體美觀性和后期維護的便捷性。

電池組模塊實物如圖5 所示,單個模塊安裝完成后,可直接通過底部連接塊與軸向螺栓和另一個模塊進行固定連接。

圖5 電池組模塊實物照片F(xiàn)ig.5 Picture of battery pack module

2.3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計

由于動力電池組和控制電池組均分為2 個并聯(lián)供電回路,故而電池管理系統(tǒng)設(shè)計為主控板和從控采集板兩部分。

主控板由單片機控制器、電流采集模塊、控制器域網(wǎng)通信模塊、485 通信模塊、接觸器控制模塊和電源模塊等組成,其功能包括接收每一塊從控采集板發(fā)送的單體電壓及溫度值、采集電池工作電流值、對整個電池組進行電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)估算、安全管理、與AUV 控制器進行通信、接收控制器指令控制充放電接觸器以及充電管理等。從控板由單片機控制器、LTC6803HG-4 電池電壓采集模塊、溫度采集模塊、CAN 通信模塊和電源模塊等組成,負(fù)責(zé)采集每個串聯(lián)回路中所有單體電池電壓值以及溫度值,并通過CAN 總線發(fā)送給主控板。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,各個模塊實現(xiàn)功能之后,由主程序進行調(diào)用,完成采集及控制功能,具體分為主控板程序和從控板程序兩部分。從控板程序負(fù)責(zé)采集所有電池單體電壓和溫度傳感器,通過CAN 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控板;主控板程序相對復(fù)雜,負(fù)責(zé)與所有從控采集板進行通信,進行報警信號處理,采集電流傳感器值并進行SOC 運算,與AUV 控制器通信,控制接觸器等。

2.4 電池組電路和總體布局

圖6 所示為動力電池電氣原理圖,控制電池組原理與其相同。動力電池組可分為2 個30 串24 并電池模組,每一組動力電池被放置在1 個單獨的圓柱電池艙內(nèi)。每個動力電池模組通過接插件分別為1 臺主推、1 臺側(cè)推和1 臺垂推供電,2 個電池模組間通過電纜進行并聯(lián)。

圖6 動力電池組電氣原理圖Fig.6 Electrical schematic diagram of power battery packs

每個電池模組所在回路均設(shè)置有接觸器、二極管、電流傳感器和熔斷器,充電時,2 個電池模組分別由充電機進行充電;放電時,2 個電池模組并聯(lián)放電。當(dāng)其中1 個電池模組或相關(guān)電子器件發(fā)生故障時,AUV 控制系統(tǒng)可關(guān)斷接觸器,而另1 個電池模組可繼續(xù)放電,維持AUV 110 V 的電壓需求,保證AUV的安全性,增加了可靠性,同時在2個電池模組的放電回路上安裝了二極管,能防止并聯(lián)模組之間的環(huán)流[10]。

動力電池組共20 個模塊,編號1～10 為電池模組1,安置在1 號電池艙;11～20 為電池模組2,安置在2 號電池艙,2 個模組為并聯(lián)關(guān)系?？刂齐姵亟M有22 個模塊,編號1～11 為電池模組1 在3 號電池艙,12～22 為電池模組2 在4 號電池艙,2 個模組為并聯(lián)關(guān)系。

如圖7 所示,動力電池模組通過滾動導(dǎo)輪從電池艙軌道上推入電池艙,整體裝配效果良好,其中動力電池模組質(zhì)量為62 kg,控制電池模組質(zhì)量為63 kg。

圖7 動力電池模組與電池艙裝配圖Fig.7 Assembly picture of power battery module in battery cabin

3 電池組放電試驗

2 組動力電池模組和2 組控制電池模組裝配、調(diào)試結(jié)束后,分別進行了常溫充放電測試。動力電池組按20 A 進行恒流放電,控制電池組按50 A進行恒流放電,放電容量測試結(jié)果如表1 所示。

表1 常溫放電容量測試結(jié)果Table 1 Test results of discharge capacity at room temperature

動力電池組1 和動力電池組2 的平均放電容量之和為25.22 kWh,控制電池組1 和控制電池組2 的平均放電容量之和為25.26 kWh,均滿足指標(biāo)不小于25 kWh 的要求。動力電池模組系統(tǒng)能量密度為203.39 Wh/kg,控制電池模組系統(tǒng)能量密度為200.48 Wh/kg。

為驗證電池組在低溫下的工作可靠性和測試低溫放電容量,抽選了1 個動力電池模組和1 個控制電池模組進行了-20 ℃的低溫放電測試。電池低溫放電試驗現(xiàn)場如圖8 所示。

圖8 電池低溫放電試驗Fig.8 Low temperature battery discharge test

低溫放電試驗過程中,2 組電池組工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)采集正常,動力電池組放電容量為106.114 Ah,電量為11.46 kWh,為初始平均放電容量的91%;控制電池組放電容量為474.709 Ah,電量為11.96 kWh,為初始平均放電容量的94.7%。在低溫環(huán)境中,2 組電池組均可以按額定電流持續(xù)放電至截止電壓,數(shù)據(jù)采集和通信正常,滿足指標(biāo)要求的-20 ℃可以正常工作,動力電池模組低溫放電曲線如圖9所示。

圖9 動力電池模組-20 ℃放電曲線Fig.9 Discharges curves of power battery module at -20 ℃

電池組常溫放電試驗和-20℃低溫放電試驗結(jié)果表明,能量和低溫放電方面電池組可滿足技術(shù)指標(biāo),電池組系統(tǒng)能量密度超過200 Wh/kg。

4 結(jié)束語

文中根據(jù)某AUV 的技術(shù)指標(biāo),選用高能量密度的21700 鋰離子電池,針對圓柱電池艙結(jié)構(gòu),在模塊化設(shè)計思想的指導(dǎo)下,將電池模塊設(shè)計為圓柱形結(jié)構(gòu),根據(jù)圓柱電池艙來合理排布電池組,減小電池組體積。模塊內(nèi)部電芯按組劃分進行串并聯(lián),模塊之間也通過串并聯(lián)進行連接,實際維護時可通過電池管理系統(tǒng)定位故障點,每個電池組均由2 個完全相同的模組并聯(lián)組成,同時電池管理系統(tǒng)也采用模塊化設(shè)計。

模塊化和雙冗余的設(shè)計提高了電池組的可維性和可靠性,但每個電池模塊有電池單體出現(xiàn)故障時需整個進行更換,因此,未來應(yīng)考慮在模塊內(nèi)部進行分組設(shè)計,以降低維護成本。