國外無人潛航器能源技術發展現狀與趨勢研究

曹紅梅，胡光蘭，李曉東

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

自主潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、遙控潛航器（Remotely Operated Vehicle，ROV）等統稱為無人潛航器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）。UUV技術的研究始于 20世紀 50年代，早期主要用于海上石油與天然氣的開發等[1]。20世紀80年代后期，隨著自動控制技術、微電子技術、水下通信技術、精確導航技術的發展，UUV的軍事作用也受到廣泛關注。無人潛航器（UUV）因其較強的靈活性、隱蔽性、高適應性等特點，在軍事、科技、經濟等方面有廣闊的應用前景，成為各國技術研究的熱點。UUV動力系統決定了潛航器的續航力和載荷能力，是無人潛航器最重要的分系統之一。

1 國外UUV能源技術發展現狀

1.1 蓄電池

蓄電池主要有鉛酸電池、銀鋅電池和鋰離子電池。早期的潛航器采用鉛酸蓄電池、銀鋅蓄電池等[2]。21世紀以來，隨著鋰離子電池的發展日益成熟，其在潛航器中的應用也越來越普遍。

1.1.1 鉛酸電池

早期的 UUV大多數使用鉛酸電池作為動力源。鉛酸電池于1859年發明，其技術成熟、性能可靠、成本低、安全性好，比能量約為30 Wh/kg，在早期的潛航器中得到了廣泛使用。美國1996年研制的“曼塔”（MANTA）大排量無人潛航器重14 t，使用鉛酸蓄電池，最高航速10 kn，巡航速度5 kn，耐力為4 h。它采用扁平形式，既可與艦艇聯合執行任務，也可脫離母艇單獨執行任務。

圖1 “曼塔”無人潛航器Fig. 1 MANTA UUV

由于鉛酸電池有能量密度低、充電困難、質量大等缺點，很多UUV都不再使用鉛酸電池作為動力源，目前主要用于UUV訓練。

1.1.2 銀鋅電池

最早用于潛航器的電池為鋅銀電池，銀鋅電池在20世紀90年代成為UUV的主要動力電池，這種電池的比能量較高，約為 80～110 Wh/kg，是當時鉛酸電池的2～3倍，能持續大電流放電[3]。美國的先進無人搜索系統（AUSS）、“奧德賽”（ODYSSEY）UUV、韓國的OKPL–6000 UUV均采用銀鋅電池為動力電源。

表1 銀鋅電池的應用實例Table 1 Application examples of sliver zinc battery

由于鋅銀電池充電慢，經不住多次充放電，在低溫環境中放電性能受影響大，含銀導致成本較高、維護費用高等，目前少量的中小型AUV用這種電池。

1.1.3 鋰離子電池

鋰離子電池是現在應用最廣泛的電池之一，其具有比能量高、電動勢高、循環使用壽命長、無記憶效應等優點。自1990年日本將鋰離子電池商品化以來，其優越性獲得了世界各國的關注[4]。21世紀初，鋰離子電池開始應用于UUV上，鋰離子的比能量約為210 Wh/kg。鋰離子電池的應用實例如表2所示。

表2 鋰離子電池的應用實例Table 2 Application examples of lithium-ion battery

1.2 燃料電池

燃料電池是一種把燃料所產生的化學能直接轉換成電能的化學裝置。燃燒所用燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣等，由于燃料價格便宜，無化學危害，發電后產生純水和熱，對環境無污染，能量轉化效率高等特點，受到了各國的廣泛關注。常用的燃料電池有鋁/過氧化氫半燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池[5]。燃料電池的比能量為260～400 Wh/kg，目前，燃料電池的技術還不夠成熟，處于應用初期，因此，燃料電池僅應用在有限的大型UUV上。

1.3 混合動力技術

1.3.1 電–電混合動力

雖然燃料電池有很多優點，但是當潛航器所需功率波動時，燃料電池需要經過一段時間的調整才能適應負載的變化，因此，需要一個輔助的能量裝置與燃料電池互補，共同供電。電–電混合動力系統通常由燃料電池系統和電池組組成。混合目的是使用燃料電池滿足AUV的基本功率需求，當UUV的功率需求較高時，燃料電池的動力不足，由電池組補充動力，當UUV功率需求較低時，燃料電池給電池組充電[6]。以下是幾個混合動力驅動UUV的例子。

表3 燃料電池電池的應用實例Table 3 Application examples of fuel cell

表4 混合動力電池的例子[6]Table 4 Application examples of hybrid battery

1.3.2 柴電混合動力

柴油機能夠以相當高的熱效率將熱能轉變為電能，柴油機和電動力可構成柴電混合動力，是有很大發展前景的動力能源。它具有技術成熟度高、使用成本便宜等優點，一般用于大排量無人潛航器。潛航時使用蓄電池，電量耗盡后浮出水面使用柴油發電機組充電，其原理與柴電潛艇類似。2017年美國研制的“回聲旅行者”（ECHO VOYAGER）采用了柴電混合的動力系統，在日常作業中靠電力進行驅動，但當電力不足時，則可使用燃油進行發電。它可以攜帶大約3 800 L的燃油，可以使其橫跨太平洋且中途不需要進行補給。“回聲旅行者”（ECHO VOYAGER）重約50 t，長度約15.5 m，與同類潛艇相比有省油的優點，配有的油電混合系統讓它可以在海上航行6個月。

圖2 “回聲旅行者”Fig. 2 ECHO VOYAGER UUV

1.4 國外典型UUV能源技術對比分析

UUV動力能源有鉛酸電池、銀鋅電池、鋰離子電池以及燃料電池等（見表 5）。鉛酸電池和銀鋅電池比能量較低，現已被鋰離子電池取代。鋰離子電池的比能量是鉛酸電池的幾倍，是中小型潛航器的主要動力源。美國的金槍魚系列均采用鋰離子電池，比能量最高達210 Wh/kg。燃料電池的比能量比鋰離子電池高，高達400 Wh/kg，使用該電池可將潛航器續航時長提升數倍，多用于遠航程UUV上。對于大型潛航器，各國開始采用與常規潛艇類似的柴電動力系統。

表5 UUV各類電池對比Table 5 Comparison of various types of UUV batteries

隨著UUV技術的不斷發展，各國對UUV動力能源的要求也越來越高，更偏好能量密度高、價格便宜、安全性能好的動力源。

2 國外UUV能源技術發展趨勢分析

UUV續航能力的大小、傳感器攜帶的多少都取決于其能源技術的性能。隨著UUV執行的任務越來越復雜，對更大續航能力的UUV的需求日益提升，傳統的UUV能源電池性能有限，嚴重限制了它們的潛水周期和應用范圍，遠遠不能滿足新型UUV持久續航能力和多重任務執行的需求，迫切需要開發大容量、長時間工作的能源。目前，各國已開始研制各種比能量和能量密度更高的新型能源動力技術。新型蓄電池未來仍將大量應用在便攜式、輕型及重型UUV上，研究的重點在改進正負極材料比容量，以提高電池的能量密度。燃料電池大多處于實驗室開發階段，各國開始試驗重整制氫技術，尋找新型燃料，用以研制高功率密度的燃料電池。混合動力技術將采用較高能量密度和功率密度的燃料電車和電池組系統。利用可再生能源、水下充電技術、浮力推進、核動力等動力能源也將得到更多的研究和應用。

2.1 新型蓄電池技術

目前新型UUV普遍應用鋰離子電池為水下動力。常用的鋰離子電池易形成枝晶，引起短路著火，存在一定安全隱患，耐壓、耐溫、耐穿刺特性較差，容易短路和過熱引發起火、爆炸等事故。因此，各國正在研發鋰離子電池的替代品，包括鋰硫電池、鋰空氣電池等，未來將可能取代鋰離子電池。

2.1.1 鋰硫電池

鋰硫電池負極由純鋰金屬組成，正極是硫碳混合物，理論能量密度能達到2 600 Wh/kg，幾乎是鋰離子電池的5倍，其價格低廉、污染小。但是鋰硫電池存在容易自放電、循環特性差等問題。2016年，美國德克薩斯大學使用三元S/PPy–MnO2復合正極材料，MnO2可捕獲溶解的多硫化物，抑制穿梭效應，管狀的聚吡咯柔韌性和導電性好，兩者協同作用可有效解決鋰硫電池自放電的問題[7]。2021年，英國OXIS公司研制了閃點高于100 ℃的鋰硫電解質，在電池正極形成硫化鋰（Li2S）保護層，其熔點高達938 ℃，可以起到絕緣作用，防止熱量散失，第1代鋰硫電池能量密度可達450 Wh/kg，更高能量密度的鋰硫電池還在研制中[8]。

2.1.2 鋰–空氣電池

鋰–空氣電池負極是金屬鋰，正極是空氣（氧氣），利用金屬鋰的氧化還原反應實現電池的充放電。負極電解液一般使用含鋰鹽的有機電解液，正極電解液一般為堿性水溶性凝膠。鋰–空氣電池負極使用鋰離子與氧氣直接反應，理論儲能密度遠高于鋰離子電池。目前存在的問題在于電壓損失高、氧的吸收和釋放易引起電池體積變化。為了解決這些問題，各國開始研究新型鋰–空氣電池技術。美國麻省理工學院將Li2O納米顆粒填充到海綿狀的CO3O4結構中，研制出新型超輕負極，充放電時，負極材料在 Li2O/Li2O2/LiO2三相間轉換，無氧氣的吸收與釋放，保證了結構的穩定性[9]。該設計為封閉結構，有望用于UUV。

2.2 高功率密度燃料電池

目前，燃料電池的技術還不夠成熟，氫氣的儲存或制備是限制燃料電池大規模應用的瓶頸。因此，燃料電池僅應用在有限的大型UUV上，如挪威HUGIN 3000，采用45 kWh鋁/過氧化氫半燃料電池，潛深3 000 m，續航力為60 h。為了進一步提高UUV的續航力，各國研究機構開始大力發展大容量、高功率密度的燃料電池技術。燃料電池（Fuel Cell Energy）能源公司、UTC公司、通用原子（General Atomics）公司和英飛尼迪（Infinity）公司，通用汽車公司等多個機構參加了該技術研究。這些機構采用技術路線不同，燃料電池類型包括質子交換膜（PEM）、固態氧化物以及金屬燃料等，此外，還開始試驗重整制氫技術，為UUV試驗了甲醇、JP–10燃油、鋁水反應等制氫方式[10]。這類燃料電池比功率高，能量密度大，可以支持潛航器長達30 d的航程。

2015年，美國開始研制大排量創新型LDUUV–INP潛航器，該UUV直徑約1.5 m，長13.5 m，重量約10 t，最高航速10 kn，采用燃料電池動力系統。2019年，美海軍進行了LDUUV–INP的最終測試。美國為LDUUV–INP研制了2種燃料電池：固體氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池。燃料電池能源公司為其開發固體氧化物燃料電池系統，該系統以JP–10燃油和液氧為燃料，可產生1 800 kWh的電能，滿足LDUUV航行70 d的需求。通用原子公司和英飛尼迪公司聯合研制質子交換膜燃料電池：英飛尼迪公司負責研制氫氧燃料電池；通用原子公司負責研制鋁水反應制氫裝置，已完成40 h不間斷測試。

圖3 美國LDUUV–INPFig.3 LDUUV–INP

開放水域動力公司研發了一種鋁–海水燃料電池，通過鋁合金與水的置換反應，直接產生電能，無需攜帶儲氧罐，能量密度高達2～3 kWh/L，是鋰離子電池的10倍[11-12]。

挪威研制了一種流體阻力較低的 UUV，主要用于海洋研究。該UUV采用鎂–海水燃料電池。如果采用比能高的低壓鎂–海水電池，該UUV的潛在航程可達1 100～1 200 n mile。

2.3 混合動力技術

2.3.1 電–電混合動力

電–電混合動力能源技術的發展很大程度上取決于燃料電池和蓄電池的技術發展。隨著燃料電池技術的不斷進步，高功率密度的燃料電池的研制成功勢必會帶來電–電混合動力的進步；另一方面，隨著新型蓄電池技術的發展，電池能量密度高。這種電–電混合動力能源既有高功率密度，又有高能量密度，是無人潛航器動力電源的重要發展方向。

2.3.2 柴電混合動力

近年來，UUV的發展呈現出大型化的發展趨勢，大排量UUV成為技術發展的重點。為了支撐新型UUV的長期作業能力，多采用較高能量密度和功率密度的柴電混合動力系統。“虎鯨”（ORCA）是美國 2017年開始研制的一款超大型無人潛航器。其尾部布置有柴油機發電機組、蓄電池艙等動力與能源系統。憑借先進的柴電動力系統，它可自主航行6 500 n mile，可裝載輕型甚至重型魚雷，具備應對“反水雷、反潛、反水面艦艇等作戰任務”的突出能力。2022年4月28日，美國海軍在對“虎鯨”進行了首次水下測試。圖4為美國“虎鯨”超大型無人潛航器概念圖。

圖4 “虎鯨”概念圖Fig. 4 Concept of Orca UUV

2.4 可再生能源

2.4.1 微生物燃料電池

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。它利用海底沉積物中富含厭氧微生物的呼吸作用直接產生電能，陽極一般放置在養分充足但氧氣不足環境中，陰極放在富含溶解氧的海水中。

2017年，美國海上作戰系統中心太平洋分部（SSC Pacific）研發了一種海底的微生物燃料電池，該電池裝備了攪拌器，攪拌器把海底沉積物攪動起來，形成稀釋的（大約1%）沉積物–海水溶液，該稀釋的溶液緩慢地通過陽極室進行循環，平均功率密度可達到170 mW/m2。該電池可在一段時間內不接觸海底沉積物，每月接觸幾分鐘就可以維持其運行，并可在陽極不暴露在氧氣中的狀態下重新放置在海底沉積物區。因此，這種微生物燃料電池有望為 UUV、水下滑翔機和彈出式海底設備提供自主電源。

美國海上作戰系統中心太平洋分部還提出了一種利用 MFC供電可變形 UUV。陽極布置在 UUV底部，可直接接觸微生物環境；陰極布置在 UUV上部，暴露在海水中。該 UUV底部接觸模式時，UUV為扁平狀，底部陽極可全面接觸海底沉積物發電，陰極呈彎曲狀態。當UUV運動時，UUV為流線型，MFC電極使用柔性材料，可跟隨UUV變形。

2.4.2 溫差能技術

海水溫差能技術是利用表層和深層海水間的溫差進行發電，用于浮標或滑翔式 UUV，其續航力可達數年。2009年美國研發出 SOLO–TREC潛航器，是世界首個溫差能驅動的 UUV[13]。溫差能技術的發展方向是建造海洋溫差能供電的充電站。2014年，美海軍計劃建造水下充電站。最終目標是在深海部署大型電源。據推測，這種無須維護、壽命極長的電源，可以與UUV水下充電站相結合，形成海上無人充電網絡。

2.5 水下充電技術

使用蓄電池的UUV需要上浮或打撈進行充電或更換電池組，在上浮充電時極易遭受攻擊，大幅限制了UUV在水下的航行時間和任務執行能力，成為制約UUV的瓶頸問題之一，因此，美國海軍正在為UUV開發水下充電站，讓UUV無需上浮或打撈就可充電。目前設想的水下充電技術有2種形式：1）接入潛艇水下遠程導彈系統（ULRM）或干式遮蔽艙，利用潛艇為UUV充電；2）在海底布放，利用水下電纜為UUV充電[14]。

美國巴特爾（Battelle）公司2014年已研發出“水下母港”（Oceanhub）樣機，利用“金槍魚”–12 UUV完成了海試。利用該樣機，UUV可自主導航并停泊，使用感應線圈實現電力傳輸，無需金屬間的直接接觸。“水下母港”充電功率為1.7 kW，效率可達 90%，UUV充電時間為4～6 h[15]。美國2015年啟動的創新性海軍項目，設想在3 000 m海底布設一定數量能源補給點，這些補給點可延綿數百千米，壽命超過20年。UUV在這條線執行任務時，這些能源補給點如同加油站一樣，潛航器可在補給點補充能源并中轉數據，保障了水下長航時、遠航程作業。

圖5 “金槍魚”–12 UUV完成“水下母港”海試Fig. 5 The sea trial of OceanHub for Bluefin 12 UUV

2.6 浮力推進

潛航器還有一種特殊的動力推進方式，即浮力推進。水下滑翔機是利用浮力推進的帶翼UUV。它利用魚鰾的工作原理，依靠調節自身重力與浮力實現上浮與下潛，借助水動力實現水中滑翔，可以對復雜海洋環境進行長時虛、大范圍的觀測與探測[16]。浮力推進因其能源消耗極小，具有效率高、續航力大的特點，深受美國海軍及美國海洋科研機構的青睞。美國特利丹（Teledyne）公司研制的SLOCUM水下滑翔機利用凈浮力和姿態角調整獲得推進力[17]。

2021年，美國 DAPPA開始研制“蝠鲼”（MANTA RAY），它是高效率、長航時的UUV，將應用新型能源管理技術和海底能量收集技術以及低功率、高效率的水下推進系統。從DARPA披露的資料來看，“蝠鲼”很可能融合了浮力推進技術。

2.7 核動力

核動力是利用可控核反應來獲取能量，從而得到動力、熱量和電能。將核能轉化為電能的裝置包括反應堆和汽輪發電機組。核能在反應堆中被轉化為熱能，熱能將水變為蒸汽推動汽輪發電機組發電。俄羅斯最新研制的“波塞冬”的動力系統使用了小型核動力，使其可以不受自身燃料攜帶量的限制，有了幾乎無限巡航能力。“波塞冬”長度約為20 m，直徑為1.5 m，其最大潛深可達1 000 m，可以200 km/h的速度前行。由于俄羅斯官方透露的信息并不多，所以對于“波塞冬”的具體情況，外界依然知之甚少。

圖6 俄羅斯“波塞冬”Fig. 6 Russian POSEIDON UUV

3 結束語

未來UUV的商業和軍事領域的應用范圍會越來越復雜多樣，對UUV續航能力的要求也會越來越高，這對UUV新的能源技術提出了長達數月、甚至數年的超長續航力的迫切需求。目前應用較多的動力能源是鋰系列電池，可滿足UUV近期的發展需求，然而發展更大容量、更高能量密度以及環保清潔的能源已成為未來UUV動力能源的發展方向。新型鋰電池、高功率密度燃料電池由于其理論比能量較高，后期提升空間較大，可以滿足 UUV中長期應用的需求，此類能源技術后期發展潛力巨大，是UUV未來發展的優選動力能源。可再生能源、核動力等動力能源雖然其發展不成熟，但是與鋰離子電池組的混合動力系統在不斷進步中，未來應用極具潛力。除了文中介紹的最新能源技術外，UUV的動力源還有太陽能、潮汐能、風能等能源。相信在目前先進的電池技術基礎上，未來無人潛航器的能源系統將會更加持久和安全。