科创中国
电池监测及管理系统设计与研究
成果类型：: 实用新型专利
发布时间: 2022-10-14 11:05:11
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：“科创中国”高端装备产业科技服务团| 贡天媛 | 2022-10-23 17:47:22
建立深海环境条件下的电池组模型与管理策略，开发高可靠性、高电磁兼容性、高耐压力变化性的电池管理系统，可对电池在全寿命周期与任务剖面内进行实时监测与健康状态管理，设计出耐高液压、高可靠性、高电磁兼容性的智能深海电池管理系统，保障电池组在最佳状态下工作。在研制“奋斗者”号载人潜水器用锂离子电池组的过程中，项目还将该技术应用推广至其他万米深潜器的动力能源供给。该项目在微观耐压设计与宏观验证、超高安全性电池技术、仿深海鱼耐压原理的密封设计与仿真计算方法、全海深耐压开关技术、电池组评估试验和耐压电池单体无损原位检测方法等方面做了显著的创新工作，研制的电池组总能量超过
1 ） 完成了深海电池监测技术及管理策略攻关，实现了对深海电池组实行动态检测，具备电池组的早期预警、故障报警及过流、过压和与过温等保护功能。
全海深高能量密度锂电池管理系统已申请国家发明专利，是电池组在深海环境下安全使用的重要保障。
2 ）完成了深海高压力变化条件下的元器件、电路板筛选与评估技术、全海深压力条件下电池状态检测及评估技术攻关，建立了电池单体电压、温度、形变（鼓胀）情况等与电池状态的关系，制定了全海深压力环境下元器件与电路板筛选规范。
3 ）完成了电池组的安全风险辨识、状态监测与安全管理策略，提升了项目电池组在万米压力环境中工作的安全可靠性。
4 ）完成了电池组安全性评估方法的研究，形成了从电池单体、电子元器件、电池模块到电池组的安全评估方法、耐压测试规范（图17）。为万米深海潜水器的动力电池组筛选评估提供了准确、有效的考核方法。形成的《电池系统安全性内在因素研究报告与内部健康特征研究报告》解析了深海压力下可能造成电池组宏观安全失控的源头，实现了电池系统故障的定位与控制响应。经过筛选、评估后的电池组已顺利完成多次海试验证。
项目组累计完成12种类型共20组全海深锂离子蓄电池组工程样机的研制，装备了国内5家总体单位的7种型号深海潜水器，实现了国内主流深海潜水器电能源系统的全覆盖应用。结合不同应用场景，该项目的技术成果还将用于深海预置装备、深海信息簇、深海穿梭机的建设，助推我国深海装备体系发展，为我国深远海国家战略提供重要电能源保障。
研究团队由中国船舶集团有限公司第七一二研究所的二十余名专家组成，其中具有高级工程师以上职称的成员十五人。
研究团队开展了全海深高能量密度锂电池材料、电极设计与工艺、成组耐压结构、管理系统等方面的技术研究，实现了高稳定性电极、电解质与复合隔膜、电芯耐压结构与电化学性能匹配性、电池监测与管理系统、电池组成组与结构、电池安全性评估与控制等关键技术的突破，研制的电池组以满分成绩通过了马里亚纳海沟海试验收，在“奋斗者”号万米载人潜水器上得到应用。
本团队已申请发明专利19项，已授权11项，论文及国防科技报告15篇。
该项目按照任务书的要求，深入开展了高稳定性电极、电解质与复合隔膜、电芯耐压结构与电化学性能匹配性、电池监测及管理系统、电池组成组与结构、电池安全性评估与控制等关键技术的研究，完成了全海深高能量密度锂电池的研制，受理发明专利19项、授权发明专利11项。全面完成了任务书要求的预定任务，达到了预期目标，对深海关键技术与装备专项目标的实现起到了关键支撑作用。该项目投入时间较长，未在产品化商业化实现规模销售。但该成果产品化商业化的材料采购成本与生产成本均可控，技术含量较高，与同类产品相比竞争优势较强。推动了社会进步，科技发展，对环境保护起到至关重要的作用。
全海深高能量密度锂电池是“奋斗者”号万米载人潜水器的核心关键技术，实现了我国深海锂电池的设计、制造以及试验等方面能力的跨越式发展，填补了我国全海深载人潜器用锂离子电池的空白，助力“奋斗者”号多次实现万米下潜并开展作业以及多次科考应用、创造了中国载人深潜新纪录以及成功向建党百年献礼。研究成果也在“海斗一号”全海深无人潜水器上得到了应用，对实现我国全海深无人潜水器在国际范围内由“并跑”到“领跑”的转变起到了重要作用。该项目取得的深海锂电池关键材料、电池单体技术、耐压轻质化结构技术、关键器件及管理系统、总体设计技术与评估方法、产品样机等诸多成果，将对我国加快建设“透明海洋”技术体系具有重要意义。
奋斗者”号成功拉开了人类对海斗深渊科考的序幕，将有越来越多不同类型的深海潜水器随之开发，深海潜水器的规模等级、用电功率、海底作业时间均将提升。随之要求深海电池组的能量密度、能量等级、输出功率、经济性均得到提升，具体按国内、国外产品发展趋势如下：
（1）国内全海深锂电池的发展趋势：高安全性、高能量密度（200Wh/kg）、宽输出功率（瓦级~百千瓦级）、高环境适应性（宽温域-20℃~55℃、全海深）、低成本。预计实现时间：2025年。
（2）国外全海深锂电池的发展趋势：高安全性、高能量密度（230Wh/kg）、宽输出功率（瓦级~兆瓦级）、高环境适应性（宽温域-20℃~55℃、全海深）、新应用场景研究（外星UUV）。预计实现时间：2025年。
期望与要求：
（1）加强全海深锂电池的原位研究平台的建设，着力解决全海深锂电池技术发展的基础问题；
（2）完善深海电池系统科学设计平台，缩短全海深锂电池系统的设计周期；
（3）建设全海深锂电池先进生产线，提高制造工艺水平和产品成熟度，降低规模化应用成本。
该项目投入时间较长，未在产品化商业化实现规模销售。但该成果产品化商业化的材料采购成本与生产成本均可控，技术含量较高，与同类产品相比竞争优势较强。
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