UUV用动力锂电池综述

龚锋，王力

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

无人水下潜航器（Unmanned Underwater Vehicles，UUV）是一种能下潜的无人自主航行系统，可分为自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）和遥控水下航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）两类。UUV具有自主性、低风险性、隐蔽性、可部署性、环境适应性等特点，正成为西方发达国家军事海洋技术研究的前沿。美国海军在2005年初发布的《UUV主计划》明确了UUV的九种任务使命：情报/监视与侦查、反水雷、反潜战、探查/识别、海洋调查、通信/导航网络节点、载荷运送、信息战、时间敏感目标打击等[1]。可以预见UUV在未来战争中将发挥重大的军事效益。

然而，动力能源的滞后一直是阻碍UUV发展的瓶颈问题[2]。目前大多数UUV采用电动力推进，电能由所携带的电池组提供。传统动力电池，如铅酸电池、镉镍电池和锌银电池，由于电源性能限制，已不能满足UUV持久续航能力和多重任务执行的需求。锂是金属元素中质量最轻、电势最负、质量能密度最大的一种元素，标准电极电势为-3.045 V，理论容量可达3860 mA·h·g-1[3]，长期受电化学工作者的极大关注。本文综述了锂电池作为UUV动力电源的发展现状，分析了动力锂电池应用于UUV的发展趋势。

1 动力锂电池应用与UUV必然性分析

UUV在研和使用的动力能源包括外部供能（如ROV），动力电池供能，环境能（如太阳能、海洋能和波浪能等）转换供能等[4]。动力电池由于具有放电性能稳定，不受背压影响，使用简便，后期维护简单等优势，是UUV动力推进能源的首选。目前已应用于UUV的动力电池按工作性质可分为一次电池、二次电池和燃料电池。一次电池主要为锂亚硫酰氯电池，二次电池包括铅酸电池、镉镍电池、锌银电池和锂离子电池[5]，以及铝氧半燃料电池和燃料电池等。UUV用部分动力电池相关性能如表1所示。

表1 UUV用动力电池相关性能对比

1.1 传统动力电池

铅酸电池由于比能量低（实际比能量约为30~ 40 W·h·kg-1），电极的不可逆硫酸盐化，循环寿命短，在美国现役UUV中已淘汰；镉镍电池实际比能量约为55 W·h·kg-1，相对于铅酸电池提高并不明显，且镉存在严重的污染问题，极大地限制了它的应用和发展；锌银电池比能量较高，约为铅酸电池2 ~ 3倍，但由于充电时间长，使用寿命短，低温性能差，成本较高，目前仅少量应用于中小型UUV。

1.2 铝氧半燃料电池和燃料电池

铝氧半燃料电池和燃料电池拥有非常高的理论比能量，是未来很有开发潜力的动力电源。铝氧半燃料电池的实际比能量已达300 ~ 400 W·h·kg-1，与锂亚硫酰氯电池相当。但在实际应用中仍存在很多问题有待解决，如铝阳极的腐蚀及表面钝化，电解液循环系统，氧贮存和供应系统，空气电极性能的改进，高活性、低成本催化剂的研制等。已应用于UUV的质子交换膜燃料电池（PEMFC）比能量是锌银电池的4 ~ 10倍，目前难点主要集中在储氢技术、催化剂开发、水热管理和系统维护成本。由于技术的不成熟和平台安全性有待增强，当前燃料电池仅在有限的大型UUV上使用。

1.3 动力锂电池

从表1可知，锂电池工作电压高，是传统动力电池的2 ~ 3倍，能有效减少电池组中单体电池的串联数量，降低单体电池损坏带来的安全性风险。锂电池的比能量高，特别是一次锂电池。二次锂电池拥有良好的循环寿命，充放电至少在1000次以上，而锌银蓄电池一般为30 ~ 100次，铅酸蓄电池为300 ~ 500次。

尽管锂电池理论比能量远低于铝氧半燃料电池和氢氧燃料电池，但由于燃料电池技术上的不成熟和燃料存储的限制，实际比能量还相对较低。燃料电池的比能量虽有很大的提升空间，但需进一步研究开发。此外UUV用动力锂电池采用单体电池串并联供电，电池成组方便，便于后期电池的维护和更换。技术上的不成熟限制了燃料电池在UUV领域的广泛应用。综合上述多种原因，当前动力锂电池在UUV上的应用是必然的发展趋势。

2 UUV用动力锂电池应用实例

当前美国、德国和印度等国已经成功将锂电池应用于某些型号的UUV，为锂电池在UUV上的应用奠定了良好的实践基础。一次锂电池主要为锂亚硫酰氯电池，二次锂电池包括锂离子电池和聚合物锂离子电池。部分应用情况如表2所示。

2.1 LMRS

远程水雷侦查系统（LMRS）由波音公司和美国海军水下战中于2000年开始联合研制，用于雷区情报收集和水雷识别定位，如图1所示。它呈鱼雷状，包括2个自主潜航器，1个长18 m的机械回收臂，1套处理设备和1台任务规划/分析计算机。它采用高能量密度的锂亚硫酰氯电池作为动力能源，在水下工作深度为12 ~ 460 m，航程可达200 km，日工作区域达90 km2，能持续工作40 ~ 48 h。该系统装备有用于搜索和壁障的前视声呐，用于对目标定位和分类的侧扫声呐，先进的GPS导航系统，通过卫星通信的甚高频系统和专用与舰艇进行音响联络的传感器。其独特之处在于采用双鱼雷管发射和回收。美国海军准备对其进行进一步改进，使其更适合在浅海作战中对两栖战舰提供信息支持。

表2 UUV用部分动力锂电池应用情况

图1 LMRS在水下工作示意图

2.2 REMUS 100 AUV

REMUS 100 AUV最初由伍兹霍尔海洋生物实验室于1999年研制，用于近海岸测量，后在美国海军研究署（ONR）和美国特种作战司令部的支持下，经过改进用于军事领域，是第一个参与作战的UUV，曾经在2003年伊拉克战争期间为美英海军的联合清除水雷部队使用，帮助搜索和清除通过阿卜杜拉航道和乌姆盖斯尔港的水雷。 REMUS 100是一种两人便携式UUV（如图2所示），外观类似小型鱼类，由于体积小，可最大限度地进入海岸线、河口及内陆水域的浅水区域作业。动力能源由Saft公司研制的可充电锂离子电池组提供，电池充满电后，续航力为5 kn航速时 9 h、3 kn航速时20 h。该航行器内可以装配1 到4 个UUV 电池组，电池组都是采用并联的方式。而且电池在不需要打开航行器的情况下就可以进行充电。Hydroid公司计划以REMUS AUV作为美国海军未来大排量UUV海军原型技术（LDUUV INP）项目的试验性自主系统。

图2 两名美国海军正在布放REMUS 100 AUV

2.3 Bluefin

2005年Battellle公司收购便携式UUV第三大生产商Blufin Robotics公司，之后开发了一批小型、中型和大型自主水下航行器以满足用户对AUV有效载荷、续航能力、稳定性、潜水深度及导航性能的不同需求。Bluefin-9为该系列产品中最小型系统，能实现快速装卸和布放，采用1.5 kWh聚合锂电池组作为动力能源，其独立安装的抗压电池和数据模块可快速通过舱口进行更换。Bluefin-12采用与轻型鱼雷结构类似的带有尖端技术的智能包装，实现了有效载荷最大化和最高性能，采用1.5 kWh聚合物锂电池组作为动力能源，Bluefin-12S和Bluefin-12S分别采用5个和7个1.5 kWh聚合锂电池组作为动力能源。标准配置的Bluefin-21能携带一个高性能的455 kHz的侧扫声呐，高分辨率传感器和导航精度使Bluefin-21 AUV每次潜水能发现8平方海里的范围的水雷，采用2个3.5 kWh聚合物锂离子电池组供电。图3为对AUV锂电池组进行海底对接充电。

图3 Bluefin AUV 海底对接充电

3 UUV用动力锂电池发展趋势

3.1 未来UUV对动力电池要求

未来军用UUV的作战任务将更加复杂化和多元化，如支持“部队网”的UUV能够从距离目标很远的水面舰艇、潜艇或其他设施发射，自主行进至目标水域，停留数天甚至数周持续收集情报，这就要求UUV具有更大的续航力。未来UUV对动力电池的要求主要体现在如下几个方面：

1） 高比能量和能量密度，满足UUV更大的续航时间和距离要求；

2） 环境适应性好，在恶劣的条件（如高温、低温、高压等）下具有高的容量和良好的放电特性；

3） 输出功率大，满足UUV 2 ~ 7 kn的航速要求；

4） 技术成熟、安全性高、成本低、方便成组、便于使用和维护。

根据UUV的发展要求，未来对高能量密度的动力电池需求将更加突出，在比能量满足要求的前提下，其它条件相对容易实现。美国水下战中心提出，以锌银电池为基准，UUV动力电池的近期目标是将能量密度提高至锌银电池的4倍，长远目标是提高至10倍[6]。

3.2 UUV用动力锂电池发展方向

3.2.1 提高单体电池比能量

一次锂电池比能量较高，但由于生产工艺较成熟，实际比能量上升空间有限。开发新型电池是一个方向，如锂一氟化碳标准平衡电势高达6.06 V，理论比能量达6260 W·h·kg-1，但由于成本高和氟的强氧化性问题导致该体系未形成实用电池。二次锂电池是通过锂离子在电极材料的层状结构间嵌入和脱出进行充放电，锂离子电池的电化学性能主要取决于所用电极材料可逆脱嵌锂容量和电解质材料的结构和性能，开发高性能廉价的电极材料和高电导率电解质材料是当前锂离子电池研究的重点。

锂电池理论比能量与UUV的远期要求差距较大，即便容量有更大的提升，也无法满足UUV的长远发展，只能满足UUV近期能量需求。

3.2.2 加强电源系统安全性

与便携式电池相比，UUV用动力锂电池质量、体积、容量、功率和放电倍率等都大得多。为给UUV负载提供足够的电压和功率，锂电池组通常由很多单体锂电池串并联构成，电池数量巨大，放电状况复杂，散热条件和滥用情况都会导致安全事故的发生。而海军装备对动力电池的可靠性、安全性要求很高，所以UUV用动力锂电池的安全性应引起足够的重视。

1） 加强单体锂电池安全性设计。如聚合物锂离子采用固体聚合物作为电解质，增强使用安全性，降低了电池的体积，可能成为锂离子电池发展趋势。

2） 开发新型动力锂电池组充放电智能管理系统。一个完善的管理系统通常应该包括：电池过流监测及短路监测、单节锂电池过压欠压监测、单节锂电池温度监测、电池组电量平衡，对于二次电池，还应记录充放电循环次数。

3.2.3 建立模块化、标准化体系

目前美国海军研制的UUV基本上只能执行单一任务，型号多，大小不一。开发标准化的无人潜航器任务模块，让它们具有更大的兼容性，能够在不同尺寸和型号的UUV上使用，将极大地降低总开发和生产成本，加快研发速度，符合低投入持续性发展的要求，预计是未来UUV的发展方向。

不同锂电池的电化学性能、工作温度和生产成本等方面存在较大的差别，如一次锂电池中，锂亚硫酰氯电池工作电压为3.65 V，比能量可达500 W·h·kg-1，而锂二氧化锰电池工作电压只有2.9 V，比能量约为250 W·h·kg-1，需根据不同的使用条件选择不同型号单体电池。当电池型号确定后，根据使用条件和负载要求选择合适的电池组模块，将大大简化操作流程，也便于后期的电池组更换与维护。图4a为一种高能量锂电池组模块结构，能提供300 V电压，为节省时间和成本，可用多组电池模块组建电池组（如图4b）供电[7]。电池作为动力推进系统的重要组成部分，根据不同的作战任务需求，建立模块化、标准化的电池供应体系是当前急需解决的重要课题。

图4 一种UUV用锂电池模块和电池组结构示意图

3.2.4 应用于混合动力系统

锂电池除可单独作为动力源为UUV提供电能外，还可以与其他能源协同为UUV供能。

如燃料电池拥有非常高的比能量，发展燃料电池是解决未来UUV高续航力要求的有效途径。但燃料电池在放电过程中存在两个明显不足，一是动态响应具有一定的时滞，当输出功率波动时，需要一段时间调整；二是不支持能量的双向流动，不能吸收电机制动过程中产生的电流。锂离子电池可以作为辅助供电装置与燃料电池协同作用，发挥响应快，能量回馈容易的特点。图5为一种燃料电池/锂电池动力系统结构，当UUV启动时，可用锂电池供电，平稳运行时，由燃料电池供能，一部分能量储存至锂电池组，电机制动时，锂电池可吸收回馈电流。此外，锂电池也可以作为储能装置，储存太阳能和波浪能发电系统产生的电能，供UUV使用。如由AUSI研制的SAUVⅡ（Solar-powered AUV）无人潜航器，采用太阳能发电供能，装备了1.0 m2的太阳能电池般，动力系统中包含了288个商用锂离子电池[4]。

4 结束语

动力推进能源是决定UUV整体性能的关键因素。锂电池比传统UUV动力电池的电性能更好，而铝氧半燃料电池和燃料电池由于技术有待增强，目前锂电池成为UUV重要的动力能源。综合考虑电池成本、寿命、方便性、可维修性、安全性及构件供应连续性等因素，可以预见今后几年内锂电池仍将是UUV动力电池的首选。但随着UUV对动力电池要求的提高，锂电池应在提高比能量的同时，努力开发电池智能化管理系统增强电池组的安全性，并加强锂电池供应体系标准化、模块化的构建。随着高能量电源技术的成熟，尽管锂电池将不能满足大型、高续航力UUV要求，但在中小型UUV也仍将具有很强的竞争力，且可作为混合动力与燃料电池、太阳能和波浪能等能源协同为UUV提供能量。

图5 UUV用燃料电池/锂电池动力系统结构

[1] 吴懿鸣. 未来无人化水下战场——美国海军无人潜航器发展扫描[R]. 2010, 02A: 30-34.

[2] E. Henderson, Pantelakis, T. An, E.. Energy systems for FAU AUVs [autonomous underwater vehicles][C].Proceedings of the 2002 Workshop on, 2002: 5-10.

[3] 陈军, 陶占良, 苟兴龙. 化学电源——原理、技术与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006: 288 - 290.

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