龔鋒，王力

（中國船舶重工集團(tuán)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(tǒng)，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(fēng)險(xiǎn)性、隱蔽性、可部署性、環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)，正成為西方發(fā)達(dá)國家軍事海洋技術(shù)研究的前沿。美國海軍在2005年初發(fā)布的《UUV主計(jì)劃》明確了UUV的九種任務(wù)使命：情報(bào)/監(jiān)視與偵查、反水雷、反潛戰(zhàn)、探查/識(shí)別、海洋調(diào)查、通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、載荷運(yùn)送、信息戰(zhàn)、時(shí)間敏感目標(biāo)打擊等[1]?？梢灶A(yù)見UUV在未來戰(zhàn)爭中將發(fā)揮重大的軍事效益。

然而，動(dòng)力能源的滯后一直是阻礙UUV發(fā)展的瓶頸問題[2]。目前大多數(shù)UUV采用電動(dòng)力推進(jìn)，電能由所攜帶的電池組提供。傳統(tǒng)動(dòng)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(xù)航能力和多重任務(wù)執(zhí)行的需求。鋰是金屬元素中質(zhì)量最輕、電勢最負(fù)、質(zhì)量能密度最大的一種元素，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為-3.045 V，理論容量可達(dá)3860 mA·h·g-1[3]，長期受電化學(xué)工作者的極大關(guān)注。本文綜述了鋰電池作為UUV動(dòng)力電源的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了動(dòng)力鋰電池應(yīng)用于UUV的發(fā)展趨勢。

1 動(dòng)力鋰電池應(yīng)用與UUV必然性分析

UUV在研和使用的動(dòng)力能源包括外部供能（如ROV），動(dòng)力電池供能，環(huán)境能（如太陽能、海洋能和波浪能等）轉(zhuǎn)換供能等[4]。動(dòng)力電池由于具有放電性能穩(wěn)定，不受背壓影響，使用簡便，后期維護(hù)簡單等優(yōu)勢，是UUV動(dòng)力推進(jìn)能源的首選。目前已應(yīng)用于UUV的動(dòng)力電池按工作性質(zhì)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(dòng)力電池相關(guān)性能如表1所示。

表1 UUV用動(dòng)力電池相關(guān)性能對比

1.1 傳統(tǒng)動(dòng)力電池

鉛酸電池由于比能量低（實(shí)際比能量約為30~ 40 W·h·kg-1），電極的不可逆硫酸鹽化，循環(huán)壽命短，在美國現(xiàn)役UUV中已淘汰；鎘鎳電池實(shí)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(yán)重的污染問題，極大地限制了它的應(yīng)用和發(fā)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(shí)間長，使用壽命短，低溫性能差，成本較高，目前僅少量應(yīng)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?fù)碛蟹浅８叩睦碚摫饶芰?，是未來很有開發(fā)潛力的動(dòng)力電源。鋁氧半燃料電池的實(shí)際比能量已達(dá)300 ~ 400 W·h·kg-1，與鋰亞硫酰氯電池相當(dāng)。但在實(shí)際應(yīng)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(huán)系統(tǒng)，氧貯存和供應(yīng)系統(tǒng)，空氣電極性能的改進(jìn)，高活性、低成本催化劑的研制等。已應(yīng)用于UUV的質(zhì)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(diǎn)主要集中在儲(chǔ)氫技術(shù)、催化劑開發(fā)、水熱管理和系統(tǒng)維護(hù)成本。由于技術(shù)的不成熟和平臺(tái)安全性有待增強(qiáng)，當(dāng)前燃料電池僅在有限的大型UUV上使用。

1.3 動(dòng)力鋰電池

從表1可知，鋰電池工作電壓高，是傳統(tǒng)動(dòng)力電池的2 ~ 3倍，能有效減少電池組中單體電池的串聯(lián)數(shù)量，降低單體電池?fù)p壞帶來的安全性風(fēng)險(xiǎn)。鋰電池的比能量高，特別是一次鋰電池。二次鋰電池?fù)碛辛己玫难h(huán)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(yuǎn)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(shù)上的不成熟和燃料存儲(chǔ)的限制，實(shí)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(jìn)一步研究開發(fā)。此外UUV用動(dòng)力鋰電池采用單體電池串并聯(lián)供電，電池成組方便，便于后期電池的維護(hù)和更換。技術(shù)上的不成熟限制了燃料電池在UUV領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。綜合上述多種原因，當(dāng)前動(dòng)力鋰電池在UUV上的應(yīng)用是必然的發(fā)展趨勢。

2 UUV用動(dòng)力鋰電池應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)前美國、德國和印度等國已經(jīng)成功將鋰電池應(yīng)用于某些型號(hào)的UUV，為鋰電池在UUV上的應(yīng)用奠定了良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。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(yīng)用情況如表2所示。

2.1 LMRS

遠(yuǎn)程水雷偵查系統(tǒng)（LMRS）由波音公司和美國海軍水下戰(zhàn)中于2000年開始聯(lián)合研制，用于雷區(qū)情報(bào)收集和水雷識(shí)別定位，如圖1所示。它呈魚雷狀，包括2個(gè)自主潛航器，1個(gè)長18 m的機(jī)械回收臂，1套處理設(shè)備和1臺(tái)任務(wù)規(guī)劃/分析計(jì)算機(jī)。它采用高能量密度的鋰亞硫酰氯電池作為動(dòng)力能源，在水下工作深度為12 ~ 460 m，航程可達(dá)200 km，日工作區(qū)域達(dá)90 km2，能持續(xù)工作40 ~ 48 h。該系統(tǒng)裝備有用于搜索和壁障的前視聲吶，用于對目標(biāo)定位和分類的側(cè)掃聲吶，先進(jìn)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，通過衛(wèi)星通信的甚高頻系統(tǒng)和專用與艦艇進(jìn)行音響聯(lián)絡(luò)的傳感器。其獨(dú)特之處在于采用雙魚雷管發(fā)射和回收。美國海軍準(zhǔn)備對其進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，使其更適合在淺海作戰(zhàn)中對兩棲戰(zhàn)艦提供信息支持。

表2 UUV用部分動(dòng)力鋰電池應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(zhàn)司令部的支持下，經(jīng)過改進(jìn)用于軍事領(lǐng)域，是第一個(gè)參與作戰(zhàn)的UUV，曾經(jīng)在2003年伊拉克戰(zhàn)爭期間為美英海軍的聯(lián)合清除水雷部隊(duì)使用，幫助搜索和清除通過阿卜杜拉航道和烏姆蓋斯?fàn)柛鄣乃住?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(jìn)入海岸線、河口及內(nèi)陸水域的淺水區(qū)域作業(yè)。動(dòng)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(xù)航力為5 kn航速時(shí) 9 h、3 kn航速時(shí)20 h。該航行器內(nèi)可以裝配1 到4 個(gè)UUV 電池組，電池組都是采用并聯(lián)的方式。而且電池在不需要打開航行器的情況下就可以進(jìn)行充電。Hydroid公司計(jì)劃以REMUS AUV作為美國海軍未來大排量UUV海軍原型技術(shù)（LDUUV INP）項(xiàng)目的試驗(yàn)性自主系統(tǒng)。

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(chǎn)商Blufin Robotics公司，之后開發(fā)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(xù)航能力、穩(wěn)定性、潛水深度及導(dǎo)航性能的不同需求。Bluefin-9為該系列產(chǎn)品中最小型系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)快速裝卸和布放，采用1.5 kWh聚合鋰電池組作為動(dòng)力能源，其獨(dú)立安裝的抗壓電池和數(shù)據(jù)模塊可快速通過艙口進(jìn)行更換。Bluefin-12采用與輕型魚雷結(jié)構(gòu)類似的帶有尖端技術(shù)的智能包裝，實(shí)現(xiàn)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(dòng)力能源，Bluefin-12S和Bluefin-12S分別采用5個(gè)和7個(gè)1.5 kWh聚合鋰電池組作為動(dòng)力能源。標(biāo)準(zhǔn)配置的Bluefin-21能攜帶一個(gè)高性能的455 kHz的側(cè)掃聲吶，高分辨率傳感器和導(dǎo)航精度使Bluefin-21 AUV每次潛水能發(fā)現(xiàn)8平方海里的范圍的水雷，采用2個(gè)3.5 kWh聚合物鋰離子電池組供電。圖3為對AUV鋰電池組進(jìn)行海底對接充電。

圖3 Bluefin AUV 海底對接充電

3 UUV用動(dòng)力鋰電池發(fā)展趨勢

3.1 未來UUV對動(dòng)力電池要求

未來軍用UUV的作戰(zhàn)任務(wù)將更加復(fù)雜化和多元化，如支持“部隊(duì)網(wǎng)”的UUV能夠從距離目標(biāo)很遠(yuǎn)的水面艦艇、潛艇或其他設(shè)施發(fā)射，自主行進(jìn)至目標(biāo)水域，停留數(shù)天甚至數(shù)周持續(xù)收集情報(bào)，這就要求UUV具有更大的續(xù)航力。未來UUV對動(dòng)力電池的要求主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1） 高比能量和能量密度，滿足UUV更大的續(xù)航時(shí)間和距離要求；

2） 環(huán)境適應(yīng)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(shù)成熟、安全性高、成本低、方便成組、便于使用和維護(hù)。

根據(jù)UUV的發(fā)展要求，未來對高能量密度的動(dòng)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(shí)現(xiàn)。美國水下戰(zhàn)中心提出，以鋅銀電池為基準(zhǔn)，UUV動(dòng)力電池的近期目標(biāo)是將能量密度提高至鋅銀電池的4倍，長遠(yuǎn)目標(biāo)是提高至10倍[6]。

3.2 UUV用動(dòng)力鋰電池發(fā)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(chǎn)工藝較成熟，實(shí)際比能量上升空間有限。開發(fā)新型電池是一個(gè)方向，如鋰一氟化碳標(biāo)準(zhǔn)平衡電勢高達(dá)6.06 V，理論比能量達(dá)6260 W·h·kg-1，但由于成本高和氟的強(qiáng)氧化性問題導(dǎo)致該體系未形成實(shí)用電池。二次鋰電池是通過鋰離子在電極材料的層狀結(jié)構(gòu)間嵌入和脫出進(jìn)行充放電，鋰離子電池的電化學(xué)性能主要取決于所用電極材料可逆脫嵌鋰容量和電解質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)和性能，開發(fā)高性能廉價(jià)的電極材料和高電導(dǎo)率電解質(zhì)材料是當(dāng)前鋰離子電池研究的重點(diǎn)。

鋰電池理論比能量與UUV的遠(yuǎn)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(yuǎn)發(fā)展，只能滿足UUV近期能量需求。

3.2.2 加強(qiáng)電源系統(tǒng)安全性

與便攜式電池相比，UUV用動(dòng)力鋰電池質(zhì)量、體積、容量、功率和放電倍率等都大得多。為給UUV負(fù)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(lián)構(gòu)成，電池?cái)?shù)量巨大，放電狀況復(fù)雜，散熱條件和濫用情況都會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。而海軍裝備對動(dòng)力電池的可靠性、安全性要求很高，所以UUV用動(dòng)力鋰電池的安全性應(yīng)引起足夠的重視。

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

2） 開發(fā)新型動(dòng)力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)。一個(gè)完善的管理系統(tǒng)通常應(yīng)該包括：電池過流監(jiān)測及短路監(jiān)測、單節(jié)鋰電池過壓欠壓監(jiān)測、單節(jié)鋰電池溫度監(jiān)測、電池組電量平衡，對于二次電池，還應(yīng)記錄充放電循環(huán)次數(shù)。

3.2.3 建立模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化體系

目前美國海軍研制的UUV基本上只能執(zhí)行單一任務(wù)，型號(hào)多，大小不一。開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的無人潛航器任務(wù)模塊，讓它們具有更大的兼容性，能夠在不同尺寸和型號(hào)的UUV上使用，將極大地降低總開發(fā)和生產(chǎn)成本，加快研發(fā)速度，符合低投入持續(xù)性發(fā)展的要求，預(yù)計(jì)是未來UUV的發(fā)展方向。

不同鋰電池的電化學(xué)性能、工作溫度和生產(chǎn)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(dá)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(jù)不同的使用條件選擇不同型號(hào)單體電池。當(dāng)電池型號(hào)確定后，根據(jù)使用條件和負(fù)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(hù)。圖4a為一種高能量鋰電池組模塊結(jié)構(gòu)，能提供300 V電壓，為節(jié)省時(shí)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(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求，建立模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的電池供應(yīng)體系是當(dāng)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(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 應(yīng)用于混合動(dòng)力系統(tǒng)

鋰電池除可單獨(dú)作為動(dòng)力源為UUV提供電能外，還可以與其他能源協(xié)同為UUV供能。

如燃料電池?fù)碛蟹浅８叩谋饶芰?，發(fā)展燃料電池是解決未來UUV高續(xù)航力要求的有效途徑。但燃料電池在放電過程中存在兩個(gè)明顯不足，一是動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有一定的時(shí)滯，當(dāng)輸出功率波動(dòng)時(shí)，需要一段時(shí)間調(diào)整；二是不支持能量的雙向流動(dòng)，不能吸收電機(jī)制動(dòng)過程中產(chǎn)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(xié)同作用，發(fā)揮響應(yīng)快，能量回饋容易的特點(diǎn)。圖5為一種燃料電池/鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)UUV啟動(dòng)時(shí)，可用鋰電池供電，平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，由燃料電池供能，一部分能量儲(chǔ)存至鋰電池組，電機(jī)制動(dòng)時(shí)，鋰電池可吸收回饋電流。此外，鋰電池也可以作為儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)存太陽能和波浪能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)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(fā)電供能，裝備了1.0 m2的太陽能電池般，動(dòng)力系統(tǒng)中包含了288個(gè)商用鋰離子電池[4]。

4 結(jié)束語

動(dòng)力推進(jìn)能源是決定UUV整體性能的關(guān)鍵因素。鋰電池比傳統(tǒng)UUV動(dòng)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(shù)有待增強(qiáng)，目前鋰電池成為UUV重要的動(dòng)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(gòu)件供應(yīng)連續(xù)性等因素，可以預(yù)見今后幾年內(nèi)鋰電池仍將是UUV動(dòng)力電池的首選。但隨著UUV對動(dòng)力電池要求的提高，鋰電池應(yīng)在提高比能量的同時(shí)，努力開發(fā)電池智能化管理系統(tǒng)增強(qiáng)電池組的安全性，并加強(qiáng)鋰電池供應(yīng)體系標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的構(gòu)建。隨著高能量電源技術(shù)的成熟，盡管鋰電池將不能滿足大型、高續(xù)航力UUV要求，但在中小型UUV也仍將具有很強(qiáng)的競爭力，且可作為混合動(dòng)力與燃料電池、太陽能和波浪能等能源協(xié)同為UUV提供能量。

圖5 UUV用燃料電池/鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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