一、总览（目标）

• 目标：为 AUV 提供满足任务时长、功率需求与作业深度的安全、可维护、可替换的电源系统；兼顾能量密度、可靠性、热管理、防水/耐压与可充放电寿命。

• 输出物：需求说明书、系统架构图、单体/模组规格、BMS 要求、机械壳体/压载策略、充放电与维护流程、测试与认证计划、风险与应急处置指南。

（重要背景与行业现状参考综述）

二、需求捕获（必须第一步）

列出并量化（示例项 — 请替换为你的具体数值）：

1. 任务参数：航速、巡航功率、峰值功率（推进器启动/冲刺）、通信/传感器功耗。

2. 续航目标：例如 24 小时 / 48 小时 / 指定航程（取决于任务）。

3. 作业深度：例如 200 m / 2000 m / 6000 m —— 深度决定“压力补偿 vs 压力耐受”策略。

4. 环境：海温范围、循环温差、是否存在强磁/化学腐蚀环境。

5. 安全与法规：是否需按海事/船检或行业标准认证（ABS/IMO/IEC 等）

三、化学与单体电芯选择（关键决策）

• 推荐主流：高能量密度的 锂离子（Li-ion / LiPo）；若极端安全优先可选 LiFePO4（能量密度较低但热稳定性好）。

• 深海/极深海场景：考虑 压力耐受/压力容许（pressure-tolerant）单体或模组，已被多款商用 AUV/服务商采用。示例公司与技术路线有基于凝胶/封装的 pressure-tolerant 解决方案。

• 选型要点：单体容量、电压平台（例如 3.2V/3.7V）、内阻、放电倍率（C-rate）、循环寿命（DoD 条件下）、安全认证（UN38.3/CELL 质量）。

四、电池模组与系统架构（模块化原则）

• 采用“单体→模组→包→系统”的分层设计，便于替换与隔离故障。每模组包含若干并联/串联单体并具本地冗余与隔离开关。

• 系统电压：根据推进器/驱动器与 BMS 支持确定（低压系统 <60V 或 高压系统 >200V）。高压可以减小线缆与转换损失，但需要更严格的绝缘与安全措施。

• 设计要包括：主断开（MSD）、模块隔离开关、熔断/过流保护、旁路/旁路加热（取决环境）和远程故障告警接口（CAN/RS485/以太网）。

五、电池管理系统（BMS）——安全核心

• 功能（必需）：单体电压监测、温度监测、单体平衡（被动或主动）、SOC/SOH 估算、充放电限制、过流/短路/过温/低压保护、故障记录与日志、冗余通信链路、隔离检测。

• 可靠性要求：分级冗余（例如主 BMS + 备份微 BMS / 硬件看门狗），若为高风险任务建议按功能安全标准评估/开发（参考 IEC 61508 等适用标准）。

• 接口：充电桩/湿插接头/感应充电控制协议、地面控制台日志导出、车辆内控制网络（CAN bus 等）。

• 设计注意：避免 BMS 软件内单点故障；日志应能长期保存故障溯源数据（电压、温度、事件时间戳）。

六、机械与压力策略（决定深度适应）

两种主流方案（各有优缺点）：

1. 压力壳（pressure housing）隔离电池模块：将电池放在气密壳体内，保持常压环境。优点：传统、便于管理热/气密；缺点：壳体重量/体积/密封可靠性要求高。

2. 压力耐受/补偿设计（pressure-tolerant）：让外部海水或惰性油等介质与电池包外壳直接接触，单体经过特殊封装以承压运行，减小壳体刚度需求并增加能量密度/体积利用率（被部分商用方案采用并在深海应用中验证）。示例与案例研究见相关技术资料。

机械设计要点：密封圈材料选型、连接器（湿插/干插）选择、耐腐蚀材料、应力集中分析与疲劳测试、排气/压差策略（充放电过程热膨胀管理）。

七、热管理

• 海水散热良好但深海温度低，需保证电芯在最佳工作温度窗口（例如 0–40℃ 视电芯而定）。

• 方案：被动导热路径（电芯→模组底板→壳体→海水）优先；在极端工况下使用加热器以避免低温低效与不可恢复损伤；在高放电/高功率短时间工况上设计短期散热能力。文献有用于 AUV 的相变/金属泡沫等 BTM（Battery Thermal Management）方案实验。

八、充电方案（海上/水下）

• 可能情形：岸基充电、船上快速充电、原位/水下充电（接触式湿插或非接触感应/电磁耦合）。若需原位补能，设计必须包含湿插接头/导流管理和充电控制协议，并考虑充电时的安全隔离与监控。历史上已有 AUV 的水下充电研究与试验报道。

九、安全与法规（必须）

• 遵循并验证相关标准/规范（如 IEC 电池相关标准、船级社 ABS 的锂电池安装要求、运输与测试要求如 UN38.3，视具体应用与售后市场决定）。在设计与生产早期就与认证机构沟通以减少返工。

• 安全管理：FMEA/FTA 风险分析、热失控传播控制（模组间隔热与机械隔墙）、灭火/极端故障应急流程（若舰载或有人操作环境需更严格）。

十、试验与验证计划（分层验证）

1. 单体测试：容量、内阻、循环寿命、过充/短路/针刺（实验室级安全测试，按标准执行）。

2. 模组测试：平衡性能、异常单体隔离、热跑测试、振动/冲击、IP 等级试验。

3. 包/整机测试：整车功率寿命测试、深度循环（压力/温度）、EMC/EMI 测试、系统级 BMS 容错测试（断电/通信中断/复位）。

4. 海试：分阶段从浅水到任务深度的重复任务验证并记录数据。

5. 认证试验：按目标市场/运营主体要求提交材料并配合第三方检验。

十一、维护/更换与寿命管理

• 建议设计模块化、热插拔或快速更换模组接口（便于现场更换与返厂维护）。

• 建立 SOC/SOH 跟踪数据库，制定换模/淘汰策略（例如 SOH < 80% 即计划退役），并保留完整的测试与事件日志以支持寿命预测与保修。

十二、风险矩阵（示例）

• 热失控（高）→ 设计：模组隔热、阻燃材料、BMS 强制断开、逃逸通道与日志。

• 漏水/渗入（中高）→ 设计：多级密封、压力测试、泄露探测传感器。

• 单点 BMS 失效（中）→ 设计：硬件冗余、独立的安全回路、Watchdog。

十三、推荐供应商/技术路径（示例）

• 压力耐受电池供应商与方案：Kraken SeaPower 等（已实现 6000m 级产品）。

• 传统模组与整合：参考商用 AUV（REMUS/Bluefin）采用的方案与业界论文对比选择。

十四、交付清单（最小可交付成果）

1. 需求规格（明确任务/环境/续航等量化目标）。

2. 系统架构图（电气与机械接口图草案，不含详细接线图）。

3. 单体/模组/壳体规格表 + 推荐零件清单（BOM 草案）。

4. BMS 规格（接口/通信/故障行为/冗余策略）。

5. 原型验证计划与测试用例清单。

6. 维护与应急手册草案。