0 引　言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是指无人无缆操控，依靠自身控制系统和能源系统进行感知、导航、航行和作业的水下机器人。由于无人无缆的属性，因此AUV具有作业范围大、隐蔽性好等优点，特别适用于大航程、长航时等应用场景。

AUV的关键技术主要包括通信、导航、控制、能源和探测等5个方面，而AUV的续航力、航速和负载能力均受制于能源^[1]。随着锂离子电池技术的飞速发展，越来越多的深海装备也开始使用锂离子电池作为能源^{[2 - 3]}。以18650、21700为代表的圆柱型锂离子电池，具有尺寸标准、一致性好、成组方式灵活等特点，特别适合应用于圆柱形耐压电池舱内。如美国伍兹霍尔海洋研究所研制的万米级Nereus号ARV，就使用了18650型钴酸锂电池^{[4 - 5]}组成的锂离子电池系统作为能源。

根据尺寸和重量，可以将AUV分为小型AUV、中型AUV和大型AUV。中型AUV的尺寸和重量适中，续航力和搭载均比小型AUV出色，同时使用便利性和成本又优于大型AUV，因此，中型AUV正在被越来越多的海洋科学和工程研究机构所青睐。

1 研究背景

某中型AUV为深海技术科学太湖实验室稳定支持的技术验证专用载具，AUV总长度约3 m，重量约350 kg，耐压舱直径为530 mm，正常巡航速度3 kn，最大航速5 kn。该中型AUV具有较强的载荷搭载能力，可搭载质量较大的试验载荷，用于水下探测、作业等技术的测试与验证。同时，该AUV具有长航时航行能力，可以3 kn航速航行不小于8 h，满足所搭载载荷长时间水下测试的需求。

2 指标要求

根据AUV总体指标、布置、设备需求及电力负荷计算，经综合评估与分析，确定了锂离子电池系统的安装空间、电压等级、总电量、总重量等要求。锂离子电池系统安装空间的最大尺寸为φ460 mm×550 mm，电池系统分为24 V仪表电池组和110 V动力电池组2种规格的电池组，其中24 V仪表电池组电量不小于4 kWh，110 V动力电池组电量不小于6 kWh，电池系统总重量不大于70 kg。电池系统配备BMS，需具备单体电压、单体温度和总电流检测功能，具备电压过高、电压过低、温度过高、温度过低、过电流、SOC过高、SOC过低等报警和保护功能，可向AUV控制系统和充电机发送数据和报警信息。

3 锂离子电池系统设计 3.1 电芯选型

根据锂离子电池系统指标要求分析，综合考虑电芯安全性和可靠性，选用21700型三元锂离子电池，该电芯标称电压为3.65 V，标称容量4 Ah，重量约为69 g，最大放电电流可达1 C，能量密度达到了210 Wh/kg，具备优异的低温性能，具体参数如表1所示。经评估，该型21700型三元锂离子电池可以满足中型AUV锂离子电池系统的性能要求。

3.2 成组方案

根据该中型AUV锂离子电池系统指标要求和单体电池规格进行计算，24 V仪表电池组串联数为24 V/3.65 V≈6.6，实取7串，额定电压为25.55 V；24 V仪表电池组容量为4 kWh/25.55 V≈156.6 Ah，根据单体电池标称容量，24 V仪表电池组并联数为156.6 Ah/4 Ah=39.15，为增加系统冗余度以及综合考虑空间、重量、排布方式等因素，确定24 V仪表电池组并联数为45并，额定容量为180 Ah，额定电量为4.6 kWh。

110 V动力电池组串联数为110 V/3.65 V≈30.1，实取30串，额定电压为109.5 V；110 V动力电池组容量为6 kWh/109.5 V≈54.8 Ah，根据单体电池标称容量，110 V动力电池组并联数为54.8 Ah/4 Ah=13.7，为增加系统冗余度以及综合考虑空间、重量、排布方式等因素，确定110 V动力电池组并联数为15并，额定容量为60 Ah，额定电量为6.57 kWh。综上，中型AUV锂离子电池系统主要指标满足总体研制指标要求，主要指标如表2所示。

3.3 焊接工艺研究

常用圆柱电池标准规格主要分为18650型、11700型和4680型这3种，前两位数字代表圆柱电池直径，其余数字代表电池长度。圆柱电池由于其结构特点，自动化生产程度相较于软包电池和方形电池更高，因此一致性更好，成本优势更明显。随着特斯拉将圆柱电池引入电动汽车领域，圆柱电池的技术和市场均得到迅猛发展。

18650型和21700型圆柱电池结构如图1所示，主要由正极盖、壳体（含负极盖）、垫圈、安全阀、正极、隔膜、负极及电解液等组成。其中，正极盖呈拱形结构，圆柱侧壁壳体与负极盖为一体筒状结构，正极盖与负极壳体之间通过垫圈进行隔绝。正极盖呈拱形，与下方安全阀具有一定的空间间隙，且正极盖比负极盖厚度略厚；而负极盖则紧靠内部卷芯，因此，圆柱电芯的负极焊接较正极更具挑战。

在圆柱电池焊接工艺中，电阻点焊无疑是成熟度最高。电阻点焊是利用柱状电极，加压使镍片与电池正负极盖紧密接触，并接通电流，在电阻热的作用下使镍片与正负极盖接触处熔化，冷却后形成焊点。其优点在于工艺可靠，焊接设备成熟；缺点在于电阻点焊为一次性焊接，不可重复，可维性差。铝丝超声波焊接首先由特斯拉引入圆柱电池焊接领域^[6]，铝丝充当与母排连接的导线，同时可以充当保险丝，在短路时可以自动熔断保护电池组安全，并且可以实现重复焊接，可维性大大提高。但缺点在于对焊接设备和焊接工艺的要求较高，未能在国内大规模应用。激光焊接技术是通过光学系统将激光束聚焦在很小的工件区域，利用其优异的方向性和高功率密度，在极短暂的时间内使镍片形成一个能量高度集中的热源区，从而使镍片与正负极盖熔融并形成牢固的焊接点和焊缝。激光焊接具有焊接精度高、效率高、焊接牢固等优点，广泛应用于方形电池极柱焊接。但其在18650和21700圆柱电池焊接领域应用较少，主要原因在于负极盖较薄，焊接工艺不成熟、稳定时，易将负极盖焊穿，造成安全隐患，同时激光焊接也属于一次性焊接，可维性差。特斯拉在4680圆柱电池汇流排焊接中，使用了激光焊接^[7]，主要原因是4680圆柱电池功率增大，原有的铝丝超声波焊接工艺不足以支撑单体电池的充放电电流。

综合评估电阻焊接、铝丝超声波焊接和激光焊接3种焊接工艺的优劣势，结合国内焊接供应链调研情况，该中型AUV锂离子电池系统确定采用电阻点焊工艺进行焊接，更侧重于电芯焊接的可靠性，降低焊接工艺难度。在焊接前，通过更严格的配组筛选和测试，提高电芯的可靠性，用于解决电阻点焊不可重复的劣势。

3.4 结构设计

根据电阻焊接的特点，为减少镍片的形变应力，防止焊点不良，影响电池组性能，针对性设计了下沉式蜂窝支架结构，有效解决了上述问题，提升了焊接可靠性，电池模组展开效果图如图2所示，电池组结构图如图3所示。

当圆柱型锂离子电池发生热失控时，其壳体内压力将升高，当达到安全阀开启压力时，会使安全阀破裂泄压^[8]。泄压的过程类似于爆喷，在爆喷过程中，高温高压气体会携带一定的物质喷发出来^[9]。喷发的物质可能会引起热失控蔓延或相邻电池短路，因此必须在结构设计中增加热失控蔓延的防护措施。在该型AUV电池结构中，前后相叠的2个电池模组间，设置有一层云母片，用来阻断相邻圆柱型电池的热失控扩散。该云母片采用2 mm厚HP-8硬质云母薄片，可耐高温达到1050 ℃，既具备了较高的结构强度，可防护高速喷发物质的冲击，又具备较高的耐高温和阻燃性能，可防止喷发的高温物质引发其他物质燃烧。

3.5 电路设计

24 V仪表电池组和110 V动力电池组输入输出接口均采用异口结构，即采用了不同接插件作为充电口和放电口。在电池组主回路上均设置有接触器、电流传感器、熔断器等对电池组的充放电继续管理和保护，其中24 V仪表电池组上设置有二极管，防止24 V应急电池误并联接入时，形成环流^[10]，对电池组造成危害。24 V仪表电池组和110 V动力电池组电气原理图如图4所示。

鉴于24 V仪表电的重要性，当24 V仪表电池组发生故障或电量不足造成AUV无法正常工作及返航时，定位信标和水声通信等应急示踪装置仍需要24 V供电来正常工作，用于示踪救援。因此，在24 V仪表电池组以外，还配置有1组24 V应急电池组。该应急电池采用高能量密度的锂亚一次电池进行成组，电量达到约1 kWh。应急电池由应急切换电路进行接入控制，当正常24 V母线有电时，应急电池处于待机状态；当24 V仪表电池发生故障或电量不足而切断输出，导致正常24 V母线失电时，应急切换电路立即将应急电池接入应急24 V母线，保障应急示踪设备的正常工作。

3.6 电池管理系统设计

电池管理系统（BMS）采用主从式架构，从控模块（BSU）主要功能是采集电池单体电压、单体温度等参数，主控模块（BMU）综合分析自身采集的电流和BSU上传数据，根据控制策略，控制接触器的通断。同时，BMU将电压、电流、温度、SOC和报警信息等电池数据通信至AUV控制系统，并接收控制系统的控制指令。

BMU由单片机、CAN通信模块、电源模块、接触器控制模块、模拟量采集模块组成，BSU由单片机、CAN通信模块、电源模块、电压采样模块、温度采样模块等组成。其中，电压采样模块主要使用LTC6804系列电压采集芯片采集电池组单体电压，单个芯片最高采集12串单体电池电压，具有测量精度高、抗干扰能力强等特点。24 V仪表电池组使用1块BSU采集7串单体电池电压，110 V动力电池组使用3块BSU采集30串单体电池电压，每块BSU采集10串单体电池电压。需要注意的是，当单块BSU采集的电池模组内存在连接阻抗不一致时，如模组内跨接铜排长度不一致时，为避免铜排压降影响相邻单体电池电压采样精度，需要对铜排两端电压采样进行处理。使用BSU采集铜排两端电压，在程序中去除采集到的铜排两端电压值，即可保证与铜排相邻单体电池电压采样精度。

BMU内存储有预设控制策略^[11]，在发生过压、欠压、过温、过流、SOC低等异常情况时，BMU将根据控制策略和采集的数据，对电池组进行相应的控制和保护。BMU故障报警与保护等级分为三级，一级和二级报警将上传给AUV控制系统，不进行保护动作，由控制系统对AUV进行相应的控制。当达到三级阈值时，BMU将进行相应保护动作。

BMS与充电机之间通过CAN通信和钥匙信号，实现对电池组充电操作上下电执行和数据传递^[12]。在充电过程中，当锂离子电池组发生故障时，BMS与充电机之间需按预设流程进行分级控制。当BMS发出一级报警时，充电机显示报警信息，提醒维护人员停止充电并检查故障；如未能人工停机，随着故障的发展，BMS发出二级报警，此时充电机将自动降流至0，随后切断向BMS提供的充电钥匙信号，电池组充电回路切断，充电停止；如充电机未能自动停止充电，随着故障的发展，当故障达到BMS三级报警阈值时，BMS将自动切断充电回路，停止充电。BMS与充电机充电控制流程图如图5所示。

通过BMS与充电机的三级充电保护流程，实现了一级人工切断、二级充电机自动切断和三级BMS自动切断的3层防护措施，大大提高了锂离子电池系统的充电安全性。

4 测试验证

在24 V仪表电池组和110 V动力电池组装配、调试后，分别对2组电池组进行了常温充放电测试。24 V仪表电池组按40 A进行恒流放电测试，110 V动力电池组按15 A进行恒流放电测试，仪表电池组常温放电测试曲线如图6所示，动力电池组常温放电测试曲线如图7所示，放电电量测试结果如表3所示。

根据表3中的常温放电容量测试结果，24 V仪表电池组的放电电量满足指标要求的4 kWh，110 V动力电池组的放电电量满足指标要求的6 kWh。24 V仪表电池组和110 V动力电池组总重量为69.2kg，满足指标要求的总重量不大于70 kg。

5 结　语

随着近年来圆柱型锂离子电池技术的不断发展，圆柱型锂离子电池在越来越多的领域得到应用。而圆柱型锂离子电池一致性好、成组灵活的特点，特别适合各型AUV根据各自不同的能源、安装空间需求，进行电量、形状等方面的灵活设计，不必根据方形或软包电池的固有电量和尺寸进行取舍。本文针对圆柱电池焊接工艺、结构设计与热失控防护、BMS设计与控制策略等关键技术进行研究，对水下无人装备锂离子电池系统的设计具有一定参考价值。