深海载人潜水器电池管理系统控制策略研究

深海载人潜水器作为国之重器，因其具备有人驾驶和近距离观察、操作的特性，已成为目前深海装备的研究热点之一。建造年代较早的载人潜水器，如美国的“阿尔文号”、俄罗斯的“和平1号”和“和平2号”以及我国的“蚊龙号”，受当时的技术水平限制，其使用的铅酸电池或锌银电池，并未使用电池管理系统对其进行监控和管理。

锂离子电池因其比能量高、循环寿命长、成本低等优点，被越来越多的深海载人潜水器所使用。

由于锂离子电池比能量高、串并联结构复杂，尤其是其电压、温度等参数安全工作区间较窄，超出该安全工作区间后，锂离子电池性能和寿命将受到较大影响，超过一定程度，将引发安全事故。

因此，锂离子电池必须使用电池管理系统进行数据检测和故障诊断。而深海载人潜水器因其特殊的使用环境和工况，电池系统必须保证较高安全性，对其电池管理系统控制策略进行深入的研究具有重要意义。

1 锂离子电池在深海载人潜水器中的应用情况

国内外最新投入使用的深海载人潜水器，如我国“深海勇士”号和美国“深海挑战者”号等均使用了锂离子电池作为动力能源。研制年代较早的深海载人潜水器在近些年的大修升级改造中也逐渐使用锂离子电池替代原有电池类型，如日本“深海6500”载人潜水器已使用锂离子电池取代原先使用的锌银电池，国内外大深度载人潜水器锂电池使用情况如表1所示。

2 深海载人潜水器供电结构

典型的深海载人潜水器的电力能源系统，根据用电设备的用途，一般提供两种电压等级的直流电，即仪表电和动力电。仪表电电压多为DC24V，动力电电压等级较多，常用的有DCllOV、DC150V、DC230V等。正因为仪表电和动力电的用途不同，其供电电池的控制策略也需要进行差异化设置。

3 电池管理系统双备份硬件架构

为提高深海载人潜水器锂电池系统的可靠性和冗余度，电池管理系统采用双备份硬件架构，两套硬件具备独立的电源、采样和控制信号通道，可以实现对电池组的同时采样和控制。大深度潜水器锂电池组一般采用充油补偿结构，电池管理系统也必须与锂电池承受同样的海水压力，这对电子元器件来说是极大的考验。虽然在研制过程中，元器件都经过了严格的筛选和耐压试验，但电子元器件一直在低温高压强的环境中工作，其可靠性无疑会加速衰减。双备份硬件架构的优势在于如其中一套电池管理系统失效，另一套电池管理系统可以继续工作，保证潜水器仍可以监控锂电池组状态，保证潜水器安全。

4 电池管理系统控制策略研究内容

电池管理系统控制策略研究内容包含了上下电控制策略、状态评估与预警、报警设置与处理方式等等。

4.1 上下电控制

深海载人潜水器蓄电池组的典型上下电控制模式有两种：外部供电模式和自启动模式。如图1（a）所示，外部供电模式依赖于舱内的应急电池提供启动电源，是一种较为成熟的上下电控制模式；如图1（b）所示，自启动模式无需外界提供启动电源，由自身电源向电池管理系统供电，可以避免消耗应急电池的电量。

4.2 强制供电

深海锂离子电池组需具备强制供电功能，当电池管理系统发生误报警或全部失效的情况，潜水器可以启动强制供电功能，屏蔽电池管理系统的控制信号，直接控制放电开关的闭合，使潜水器在紧急状态下仍具备供电能力，保证潜水器的机动能力。

4.3 报警设置及故障控制策略

深海锂离子电池组因其在高压、低温和复杂电磁干扰等特殊的环境下使用，电池管理系统的报警设置和故障控制策略也具有其特殊性。

电池管理系统设置三级报警模式，当检测到的故障达到一级、二级报警阔值时，根据软件中预设的控制策略，只上报给综合显控系统，由潜航员判断锂电池状态并处理，电池管理系统不自行处理；当故障达到三级报警阈值时，电池管理系统将根据控制策略预设的处理方式进行处理。其中，仪表电池因关系到生命支持系统和潜水器应急系统的供电，在任何情况下不允许自动断开供电开关，仪表电池与动力电池阔值设置及故障处理方式如表2所示。

4.4 SOC和SOH

SOC估算是电池管理系统最核心的功能之一，电池管理系统通过采样的电压、电流和时间等数据，对电池剩余电量进行估算。SOH则是根据采样的所有电池数据，综合评估电池的健康状况。

由于载人潜水器锂电池大多在低温高压环境下使用，且每年存在一定时间的陆上存储工况，因此，在SOC和SOH控制策略设计时，需充分考虑低温和存储对其性能的影响，通过建立低温放电模型和存储自放电模型，实时对SOC和SOH进行校正，确保电池管理系统对电池状态估算的准确性。

4.5 充电机控制

载人潜水器锂电池在充电时，需要与专用充电机进行实时通讯，由专用充电机对锂电池的状态进行分析和控制，保证锂电池在充电状态下的安全性。如充电机发生故障，当锂电池己充满，而充电机未正常切断充电回路，电池管理系统作为最后一道保护措施，将强行切断电池组充电接触器，确保锂电池不发生过充事故。

5 HOV与AUV电池管理系统控制策略对比

随着锂电池技术的发展，越来越多的AUV（即水下无人无缆潜水器）也采用锂离子电池作为其能量来源。HOV和AUV因电池组容量、作业模式和是否载人的差异，其锂电池管理系统的控制策略设计也存在着较大差异。

载人潜水器的电池管理系统需要控制管理的电池组容量较AUV大很多，HOV锂电池组的多方面冗余备份也使得其电池管理系统的复杂程度高于AUV，因此HOV的电池管理系统控制策略需要比AUV综合分析、处理得更多的数据。

其次，目前大多数AUV属于预编程式水下机器人，当电池管理系统检测到电池的故障时，只能机械式地根据预设的故障处理模式进行处理，其控制策略最重要的功能是保证AUV可以在锂电池系统发生故障时，不发生进一步的失控事故，危及整个AUV的安全回收，无法根据潜水器当前状况进行灵活处置；而HOV由潜航员操纵，潜航员可以根据电池管理系统上报的数据和潜水器状态，进行综合分析和处置；如潜航员未进行及时处置，电池管理系统依然可以根据预先设置的处理模式进行自动处理，其控制策略还需要考虑人机协作的相关设计。

6 应用情况及结果分析

“深海勇士”号载人潜水器自2017年投入运行以来，截止2019年8月，已累计下潜近200次，锂离子蓄电池组也已安全完成充放电循环200余次，充油耐压锂电池组的成功应用，为“深海勇士”号载人潜水器的高效应用起到了较好的支撑作用。

锂离子蓄电池组的安全稳定运行，离不开电池管理系统对电池组状态的实时监控，以及根据控制策略进行的数据分析和故障处理。

图2是“深海勇士”号载人潜水器第165次下潜的动力电池组的部分相关数据记录，从数据记录中可以看出，电池管理系统的双备份架构在同时对锂离子蓄电池组的状态进行监控，包括总电压、总电流、电芯温度和SOC等等。

7 结语

随着高比能量的锂离子电池越来越多地应用在深海潜水器中，电池管理系统对其的安全监控和故障处理也将发挥越来越重要的作用。本文从硬件架构和软件策略两方面对深海载人潜水器的电池管理系统控制策略进行了分析研究，并针对载人潜水器和无人潜水器电池管理系统控制策略的区别进行了相应阐述，为锂离子电池在深海装备领域的大规模安全应用提供了一定思路。