UUV用動力鋰電池綜述

龔鋒，王力

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

無人水下潛航器（Unmanned Underwater Vehicles，UUV）是一種能下潛的無人自主航行系統，可分為自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）和遙控水下航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）兩類。UUV具有自主性、低風險性、隱蔽性、可部署性、環境適應性等特點，正成為西方發達國家軍事海洋技術研究的前沿。美國海軍在2005年初發布的《UUV主計劃》明確了UUV的九種任務使命：情報/監視與偵查、反水雷、反潛戰、探查/識別、海洋調查、通信/導航網絡節點、載荷運送、信息戰、時間敏感目標打擊等[1]。可以預見UUV在未來戰爭中將發揮重大的軍事效益。

然而，動力能源的滯后一直是阻礙UUV發展的瓶頸問題[2]。目前大多數UUV采用電動力推進，電能由所攜帶的電池組提供。傳統動力電池，如鉛酸電池、鎘鎳電池和鋅銀電池，由于電源性能限制，已不能滿足UUV持久續航能力和多重任務執行的需求。鋰是金屬元素中質量最輕、電勢最負、質量能密度最大的一種元素，標準電極電勢為-3.045 V，理論容量可達3860 mA·h·g-1[3]，長期受電化學工作者的極大關注。本文綜述了鋰電池作為UUV動力電源的發展現狀，分析了動力鋰電池應用于UUV的發展趨勢。

1 動力鋰電池應用與UUV必然性分析

UUV在研和使用的動力能源包括外部供能（如ROV），動力電池供能，環境能（如太陽能、海洋能和波浪能等）轉換供能等[4]。動力電池由于具有放電性能穩定，不受背壓影響，使用簡便，后期維護簡單等優勢，是UUV動力推進能源的首選。目前已應用于UUV的動力電池按工作性質可分為一次電池、二次電池和燃料電池。一次電池主要為鋰亞硫酰氯電池，二次電池包括鉛酸電池、鎘鎳電池、鋅銀電池和鋰離子電池[5]，以及鋁氧半燃料電池和燃料電池等。UUV用部分動力電池相關性能如表1所示。

表1 UUV用動力電池相關性能對比

1.1 傳統動力電池

鉛酸電池由于比能量低（實際比能量約為30~ 40 W·h·kg-1），電極的不可逆硫酸鹽化，循環壽命短，在美國現役UUV中已淘汰；鎘鎳電池實際比能量約為55 W·h·kg-1，相對于鉛酸電池提高并不明顯，且鎘存在嚴重的污染問題，極大地限制了它的應用和發展；鋅銀電池比能量較高，約為鉛酸電池2 ~ 3倍，但由于充電時間長，使用壽命短，低溫性能差，成本較高，目前僅少量應用于中小型UUV。

1.2 鋁氧半燃料電池和燃料電池

鋁氧半燃料電池和燃料電池擁有非常高的理論比能量，是未來很有開發潛力的動力電源。鋁氧半燃料電池的實際比能量已達300 ~ 400 W·h·kg-1，與鋰亞硫酰氯電池相當。但在實際應用中仍存在很多問題有待解決，如鋁陽極的腐蝕及表面鈍化，電解液循環系統，氧貯存和供應系統，空氣電極性能的改進，高活性、低成本催化劑的研制等。已應用于UUV的質子交換膜燃料電池（PEMFC）比能量是鋅銀電池的4 ~ 10倍，目前難點主要集中在儲氫技術、催化劑開發、水熱管理和系統維護成本。由于技術的不成熟和平臺安全性有待增強，當前燃料電池僅在有限的大型UUV上使用。

1.3 動力鋰電池

從表1可知，鋰電池工作電壓高，是傳統動力電池的2 ~ 3倍，能有效減少電池組中單體電池的串聯數量，降低單體電池損壞帶來的安全性風險。鋰電池的比能量高，特別是一次鋰電池。二次鋰電池擁有良好的循環壽命，充放電至少在1000次以上，而鋅銀蓄電池一般為30 ~ 100次，鉛酸蓄電池為300 ~ 500次。

盡管鋰電池理論比能量遠低于鋁氧半燃料電池和氫氧燃料電池，但由于燃料電池技術上的不成熟和燃料存儲的限制，實際比能量還相對較低。燃料電池的比能量雖有很大的提升空間，但需進一步研究開發。此外UUV用動力鋰電池采用單體電池串并聯供電，電池成組方便，便于后期電池的維護和更換。技術上的不成熟限制了燃料電池在UUV領域的廣泛應用。綜合上述多種原因，當前動力鋰電池在UUV上的應用是必然的發展趨勢。

2 UUV用動力鋰電池應用實例

當前美國、德國和印度等國已經成功將鋰電池應用于某些型號的UUV，為鋰電池在UUV上的應用奠定了良好的實踐基礎。一次鋰電池主要為鋰亞硫酰氯電池，二次鋰電池包括鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。部分應用情況如表2所示。

2.1 LMRS

遠程水雷偵查系統（LMRS）由波音公司和美國海軍水下戰中于2000年開始聯合研制，用于雷區情報收集和水雷識別定位，如圖1所示。它呈魚雷狀，包括2個自主潛航器，1個長18 m的機械回收臂，1套處理設備和1臺任務規劃/分析計算機。它采用高能量密度的鋰亞硫酰氯電池作為動力能源，在水下工作深度為12 ~ 460 m，航程可達200 km，日工作區域達90 km2，能持續工作40 ~ 48 h。該系統裝備有用于搜索和壁障的前視聲吶，用于對目標定位和分類的側掃聲吶，先進的GPS導航系統，通過衛星通信的甚高頻系統和專用與艦艇進行音響聯絡的傳感器。其獨特之處在于采用雙魚雷管發射和回收。美國海軍準備對其進行進一步改進，使其更適合在淺海作戰中對兩棲戰艦提供信息支持。

表2 UUV用部分動力鋰電池應用情況

圖1 LMRS在水下工作示意圖

2.2 REMUS 100 AUV

REMUS 100 AUV最初由伍茲霍爾海洋生物實驗室于1999年研制，用于近海岸測量，后在美國海軍研究署（ONR）和美國特種作戰司令部的支持下，經過改進用于軍事領域，是第一個參與作戰的UUV，曾經在2003年伊拉克戰爭期間為美英海軍的聯合清除水雷部隊使用，幫助搜索和清除通過阿卜杜拉航道和烏姆蓋斯爾港的水雷。 REMUS 100是一種兩人便攜式UUV（如圖2所示），外觀類似小型魚類，由于體積小，可最大限度地進入海岸線、河口及內陸水域的淺水區域作業。動力能源由Saft公司研制的可充電鋰離子電池組提供，電池充滿電后，續航力為5 kn航速時 9 h、3 kn航速時20 h。該航行器內可以裝配1 到4 個UUV 電池組，電池組都是采用并聯的方式。而且電池在不需要打開航行器的情況下就可以進行充電。Hydroid公司計劃以REMUS AUV作為美國海軍未來大排量UUV海軍原型技術（LDUUV INP）項目的試驗性自主系統。

圖2 兩名美國海軍正在布放REMUS 100 AUV

2.3 Bluefin

2005年Battellle公司收購便攜式UUV第三大生產商Blufin Robotics公司，之后開發了一批小型、中型和大型自主水下航行器以滿足用戶對AUV有效載荷、續航能力、穩定性、潛水深度及導航性能的不同需求。Bluefin-9為該系列產品中最小型系統，能實現快速裝卸和布放，采用1.5 kWh聚合鋰電池組作為動力能源，其獨立安裝的抗壓電池和數據模塊可快速通過艙口進行更換。Bluefin-12采用與輕型魚雷結構類似的帶有尖端技術的智能包裝，實現了有效載荷最大化和最高性能，采用1.5 kWh聚合物鋰電池組作為動力能源，Bluefin-12S和Bluefin-12S分別采用5個和7個1.5 kWh聚合鋰電池組作為動力能源。標準配置的Bluefin-21能攜帶一個高性能的455 kHz的側掃聲吶，高分辨率傳感器和導航精度使Bluefin-21 AUV每次潛水能發現8平方海里的范圍的水雷，采用2個3.5 kWh聚合物鋰離子電池組供電。圖3為對AUV鋰電池組進行海底對接充電。

圖3 Bluefin AUV 海底對接充電

3 UUV用動力鋰電池發展趨勢

3.1 未來UUV對動力電池要求

未來軍用UUV的作戰任務將更加復雜化和多元化，如支持“部隊網”的UUV能夠從距離目標很遠的水面艦艇、潛艇或其他設施發射，自主行進至目標水域，停留數天甚至數周持續收集情報，這就要求UUV具有更大的續航力。未來UUV對動力電池的要求主要體現在如下幾個方面：

1） 高比能量和能量密度，滿足UUV更大的續航時間和距離要求；

2） 環境適應性好，在惡劣的條件（如高溫、低溫、高壓等）下具有高的容量和良好的放電特性；

3） 輸出功率大，滿足UUV 2 ~ 7 kn的航速要求；

4） 技術成熟、安全性高、成本低、方便成組、便于使用和維護。

根據UUV的發展要求，未來對高能量密度的動力電池需求將更加突出，在比能量滿足要求的前提下，其它條件相對容易實現。美國水下戰中心提出，以鋅銀電池為基準，UUV動力電池的近期目標是將能量密度提高至鋅銀電池的4倍，長遠目標是提高至10倍[6]。

3.2 UUV用動力鋰電池發展方向

3.2.1 提高單體電池比能量

一次鋰電池比能量較高，但由于生產工藝較成熟，實際比能量上升空間有限。開發新型電池是一個方向，如鋰一氟化碳標準平衡電勢高達6.06 V，理論比能量達6260 W·h·kg-1，但由于成本高和氟的強氧化性問題導致該體系未形成實用電池。二次鋰電池是通過鋰離子在電極材料的層狀結構間嵌入和脫出進行充放電，鋰離子電池的電化學性能主要取決于所用電極材料可逆脫嵌鋰容量和電解質材料的結構和性能，開發高性能廉價的電極材料和高電導率電解質材料是當前鋰離子電池研究的重點。

鋰電池理論比能量與UUV的遠期要求差距較大，即便容量有更大的提升，也無法滿足UUV的長遠發展，只能滿足UUV近期能量需求。

3.2.2 加強電源系統安全性

與便攜式電池相比，UUV用動力鋰電池質量、體積、容量、功率和放電倍率等都大得多。為給UUV負載提供足夠的電壓和功率，鋰電池組通常由很多單體鋰電池串并聯構成，電池數量巨大，放電狀況復雜，散熱條件和濫用情況都會導致安全事故的發生。而海軍裝備對動力電池的可靠性、安全性要求很高，所以UUV用動力鋰電池的安全性應引起足夠的重視。

1） 加強單體鋰電池安全性設計。如聚合物鋰離子采用固體聚合物作為電解質，增強使用安全性，降低了電池的體積，可能成為鋰離子電池發展趨勢。

2） 開發新型動力鋰電池組充放電智能管理系統。一個完善的管理系統通常應該包括：電池過流監測及短路監測、單節鋰電池過壓欠壓監測、單節鋰電池溫度監測、電池組電量平衡，對于二次電池，還應記錄充放電循環次數。

3.2.3 建立模塊化、標準化體系

目前美國海軍研制的UUV基本上只能執行單一任務，型號多，大小不一。開發標準化的無人潛航器任務模塊，讓它們具有更大的兼容性，能夠在不同尺寸和型號的UUV上使用，將極大地降低總開發和生產成本，加快研發速度，符合低投入持續性發展的要求，預計是未來UUV的發展方向。

不同鋰電池的電化學性能、工作溫度和生產成本等方面存在較大的差別，如一次鋰電池中，鋰亞硫酰氯電池工作電壓為3.65 V，比能量可達500 W·h·kg-1，而鋰二氧化錳電池工作電壓只有2.9 V，比能量約為250 W·h·kg-1，需根據不同的使用條件選擇不同型號單體電池。當電池型號確定后，根據使用條件和負載要求選擇合適的電池組模塊，將大大簡化操作流程，也便于后期的電池組更換與維護。圖4a為一種高能量鋰電池組模塊結構，能提供300 V電壓，為節省時間和成本，可用多組電池模塊組建電池組（如圖4b）供電[7]。電池作為動力推進系統的重要組成部分，根據不同的作戰任務需求，建立模塊化、標準化的電池供應體系是當前急需解決的重要課題。

圖4 一種UUV用鋰電池模塊和電池組結構示意圖

3.2.4 應用于混合動力系統

鋰電池除可單獨作為動力源為UUV提供電能外，還可以與其他能源協同為UUV供能。

如燃料電池擁有非常高的比能量，發展燃料電池是解決未來UUV高續航力要求的有效途徑。但燃料電池在放電過程中存在兩個明顯不足，一是動態響應具有一定的時滯，當輸出功率波動時，需要一段時間調整；二是不支持能量的雙向流動，不能吸收電機制動過程中產生的電流。鋰離子電池可以作為輔助供電裝置與燃料電池協同作用，發揮響應快，能量回饋容易的特點。圖5為一種燃料電池/鋰電池動力系統結構，當UUV啟動時，可用鋰電池供電，平穩運行時，由燃料電池供能，一部分能量儲存至鋰電池組，電機制動時，鋰電池可吸收回饋電流。此外，鋰電池也可以作為儲能裝置，儲存太陽能和波浪能發電系統產生的電能，供UUV使用。如由AUSI研制的SAUVⅡ（Solar-powered AUV）無人潛航器，采用太陽能發電供能，裝備了1.0 m2的太陽能電池般，動力系統中包含了288個商用鋰離子電池[4]。

4 結束語

動力推進能源是決定UUV整體性能的關鍵因素。鋰電池比傳統UUV動力電池的電性能更好，而鋁氧半燃料電池和燃料電池由于技術有待增強，目前鋰電池成為UUV重要的動力能源。綜合考慮電池成本、壽命、方便性、可維修性、安全性及構件供應連續性等因素，可以預見今后幾年內鋰電池仍將是UUV動力電池的首選。但隨著UUV對動力電池要求的提高，鋰電池應在提高比能量的同時，努力開發電池智能化管理系統增強電池組的安全性，并加強鋰電池供應體系標準化、模塊化的構建。隨著高能量電源技術的成熟，盡管鋰電池將不能滿足大型、高續航力UUV要求，但在中小型UUV也仍將具有很強的競爭力，且可作為混合動力與燃料電池、太陽能和波浪能等能源協同為UUV提供能量。

圖5 UUV用燃料電池/鋰電池動力系統結構

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