宋德勇,何巍巍,李邦鵬,鄭鵬,楊申申,王磊

(1.中國船舶科學研究中心,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[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雜海洋環(huán)境中預定任務,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)任務更改搭載設備,易于升級,是當前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[4],因此高性能水下動力電池技術已成為AUV 發(fā)展的關鍵技術[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 串結構組成的鋰離子電池組總能量為18.63 kWh,由7 個2.66 kWh 的模組構成[8]。此種結構與圓柱電池艙比較適配,但其整體結構不利于維護和定位故障,且未采用雙冗余結構,電池組可靠性有待提高。基于此,文中基于模塊化和雙冗余設計思想,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,動力電池組主要為主推、側推和垂推提供110 V 直流電,控制電池組為控制系統(tǒng)及其他設備提供24 V 直流電,主要技術指標如下。

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。根據(jù)電池組的整體技術要求,綜合考慮質量、體積、安全性、技術成熟度及壽命等指標,選擇能量密度較高的21700 三元鋰離子電池。該型號電池標稱電壓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,總容量25.92 kWh,所有電芯均經過一致性篩選。

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計提升互換性,模塊內部電池排列設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,總容量26.46kWh。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 電池組模塊結構

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構形式,分別置于電池模塊兩側,與所有電芯完全匹配,通過螺栓固定,鎳片均位于框架外側,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鎳片表面,電池組模塊底部裝有滾動導輪組,可在導軌上自由滾動。

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,滾動導輪組底部設有兩連接板,固定鄰近電池組模塊,電池組模塊頂部設有銅排,連接電池組模塊間電極。通過此結構形式,滾動導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;線槽結構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,負責采集每個串聯(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)軟件設計采用模塊化設計,各個模塊實現(xiàn)功能之后,由主程序進行調用,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。從控板程序負責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;主控板程序相對復雜,負責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。每個動力電池模組通過接插件分別為1 臺主推、1 臺側推和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。當其中1 個電池模組或相關電子器件發(fā)生故障時,AUV 控制系統(tǒng)可關斷接觸器,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)關系。

如圖7 所示,動力電池模組通過滾動導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量為62 kg,控制電池模組質量為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、調試結束后,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,放電容量測試結果如表1 所示。

表1 常溫放電容量測試結果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℃低溫放電試驗結果表明,能量和低溫放電方面電池組可滿足技術指標,電池組系統(tǒng)能量密度超過200 Wh/kg。

4 結束語

文中根據(jù)某AUV 的技術指標,選用高能量密度的21700 鋰離子電池,針對圓柱電池艙結構,在模塊化設計思想的指導下,將電池模塊設計為圓柱形結構,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)也采用模塊化設計。

模塊化和雙冗余的設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,未來應考慮在模塊內部進行分組設計,以降低維護成本。