長(zhǎng)續(xù)航力AUV的能源儲(chǔ)備探討

【摘要】對(duì)于長(zhǎng)續(xù)航力自主水下航行體來(lái)說(shuō)，能量?jī)?chǔ)備是一個(gè)關(guān)鍵因素。本文著重論述了一次和二次電化學(xué)電池，現(xiàn)存航行體是如何構(gòu)建其能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)，并尋求確定僅用電化學(xué)電池能否以可承受的價(jià)格為將來(lái)的長(zhǎng)續(xù)航力AUV和所考慮的任務(wù)提供所需要的能量。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)續(xù)航力；AUV；能源儲(chǔ)備

1.引言

對(duì)于長(zhǎng)續(xù)航力自主水下航行體（AUV）來(lái)說(shuō)，能量?jī)?chǔ)備是一個(gè)關(guān)鍵因素。任務(wù)持續(xù)時(shí)間、水中航行速度以及傳感器和負(fù)載設(shè)備的能力都受到可用能量的限制，而可用能量反過(guò)來(lái)又是由能源特性和航行體設(shè)計(jì)者能夠賦予能量系統(tǒng)的質(zhì)量和體積以及能量系統(tǒng)重量如何由浮力來(lái)平衡的細(xì)節(jié)所決定的。大多數(shù)AUV是依靠所儲(chǔ)存的能量來(lái)進(jìn)行作業(yè)。少數(shù)例外，在本文不予考慮，則是利用來(lái)自環(huán)境的能量，其中既有如斯洛克姆（Slocum）滑行器熱機(jī)那樣直接源于環(huán)境的例子，也有如太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)AUV那樣自載設(shè)備充電的例子。

對(duì)過(guò)去和現(xiàn)在的AUV來(lái)說(shuō)，各種電池，不論是一次電池還是二次電池，到目前為止都是最常見的能量?jī)?chǔ)備的選擇。在簡(jiǎn)氏水下技術(shù)雜志中，可以查到61艘不同AUV能量源的信息。在這些航行體中，有53艘（3艘為一次電池，42艘為二次電池，4艘既有一次也有二次電池，4艘類型不明）是采用一次電池或二次電池。有4艘航行體采用鋁氧半燃料電池；僅有一艘航行體聲稱采用燃料電池（氫-氧燃料）；有兩艘半潛式航行體采用空氣吸入式柴油機(jī)（其中一艘是另外一艘的改型），而有一艘是采用閉合循環(huán)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管存在一些局限性，但至少在下一個(gè)五年中電池可能仍然是所選擇的技術(shù)。部分原因是因?yàn)橐恍┘夹g(shù)選項(xiàng)使構(gòu)成能量系統(tǒng)單元的成本、使用壽命、易用性、可維護(hù)性、安全性和能量供給的連續(xù)性等方面更加緊張。

考慮到電池的重要性，本文主要討論一次和二次電化學(xué)電池。對(duì)AUV質(zhì)量分配給能源系統(tǒng)的比例進(jìn)行回顧，能量系統(tǒng)范圍包括二次鉛酸電池到一次鋰電池。本文將試圖回答三個(gè)關(guān)鍵問題：

1）浮力材料如何影響能夠賦予能源系統(tǒng)的航行體質(zhì)量的比例？

2）一次和二次電化學(xué)電池對(duì)未來(lái)長(zhǎng)續(xù)航力AUV的能量需求能否提供技術(shù)解決方案？

3）如果可以的話，那么成本將可能是多少？給定情況下的結(jié)果顯示，能量成本和特定能量之間的關(guān)系是高度非線性的。

討論結(jié)果顯示了能夠最大限度減少能量需求的迭代反復(fù)設(shè)計(jì)過(guò)程的重要性。在討論電池給定能量和成本之間的非線性關(guān)系的同時(shí)，對(duì)能夠增加儲(chǔ)備能量的方法如降低航行體阻力和減少航行體負(fù)荷能量要求等進(jìn)行了探討。

2.影響AUV可分配給能量?jī)?chǔ)備質(zhì)量的各種因素

AUV中能源的質(zhì)量和體積是影響航行體尺寸的一個(gè)主要設(shè)計(jì)因素，并進(jìn)而對(duì)平臺(tái)總體產(chǎn)生影響。簡(jiǎn)圖1的縱軸表示作為特定能源能量的函數(shù)，相對(duì)1、10、100和1000kWh總的任務(wù)功率需求情況下需要達(dá)到的能源質(zhì)量的大小。長(zhǎng)續(xù)航力螺旋槳驅(qū)動(dòng)AUV可能需要至少100kWh的能量。盡管通過(guò)了解其特定能量和任務(wù)的能量需求，可以采用這種簡(jiǎn)單的方法來(lái)估計(jì)能源的質(zhì)量，但相對(duì)于AUV的總質(zhì)量來(lái)說(shuō)要想對(duì)能源質(zhì)量所代表的含義進(jìn)行評(píng)估不是那么簡(jiǎn)單。下面的章節(jié)探討這一問題，并討論在目前和過(guò)去的各種AUV中能量系統(tǒng)質(zhì)量相對(duì)于總質(zhì)量的比例。

AUV的總質(zhì)量（通常在假定AUV是接近零浮力的情況下，也可以是尺寸）可以用一個(gè)方程來(lái)表示，方程的形式取決于航行體的配置。對(duì)于一艘包含多個(gè)耐壓艙的AUV來(lái)說(shuō)，在能源配置在一個(gè)或多個(gè)耐壓艙的情況下，航行體的質(zhì)量可由下式給出：

其中ME為能源質(zhì)量，MBE為容納能源的耐壓艙的質(zhì)量，Mi為第i個(gè)耐壓艙或其他部件的總質(zhì)量，而MBj是為獲得總的接近零浮力的要求的重物或附加浮體的質(zhì)量。對(duì)于只有單個(gè)耐壓殼體的AUV來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)以下方法來(lái)使用此方程，即令MBE表示單耐壓殼體的質(zhì)量，Mi表示第i個(gè)內(nèi)部部件的質(zhì)量，而令MBj表示獲得總的零浮力的第j個(gè)配重重物（若有的話）的質(zhì)量。

圖1 所需能源質(zhì)量與任務(wù)能量需求之間的關(guān)系

長(zhǎng)續(xù)航力AUV的一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是使可用于能源的質(zhì)量占總的航行體質(zhì)量的比例最大化。即在滿足其他設(shè)計(jì)要求諸如下潛深度和負(fù)載能力的基礎(chǔ)上，ME與MAUV的比例應(yīng)盡可能地高。盡管ME與MAUV的比能夠給出一個(gè)簡(jiǎn)單的度量標(biāo)準(zhǔn)，但成分項(xiàng)包含m+n+I項(xiàng)，因此，有多達(dá)m+n+I個(gè)因素會(huì)影響這一比例。不過(guò)，對(duì)現(xiàn)有航行體的ME與MAUV的比進(jìn)行考察能夠用來(lái)對(duì)已經(jīng)建造的AUV的能量攜帶能力進(jìn)行評(píng)估。注意航行體是按照標(biāo)稱的最大深度在橫坐標(biāo)進(jìn)行排序。最直觀的結(jié)論是目前的航行體沒有一艘ME與MAUV的比大于0.5，而且沒有一艘下潛能力超過(guò)1500m的AUV其ME與MAUV的比值大于0.25。

在對(duì)MAUV中包含的m+n+I個(gè)項(xiàng)目范圍內(nèi)的一些因素進(jìn)行分析以后，才能得出其它結(jié)論。例如，有很多比例低于0.15的航行體是測(cè)試或演示航行體，這種情況下，至少以它們當(dāng)前的配置可能不需要提供太多的能量；這類航行體的例子包括Twin Burger、Sea Squit和Urashima。相反，像Pilot Fish這樣的具有很高M(jìn)E與MAUV比的航行體是一種淺水潛浮測(cè)試航行體，它是由一個(gè)塑料單耐壓殼體組成，主要用來(lái)演示振動(dòng)鰭推力器的有效性；它只有很少的附加負(fù)載和儀器，其目標(biāo)是獲得與海洋生物類似的大致范圍為25W/kg的功率重量比。對(duì)于Theseus AUV，圖中包括了其測(cè)試配置（20kWh鎳鉻電池）和作業(yè)配置（360kWh鎳鉻電池），可以看出對(duì)于作業(yè)配置的航行體來(lái)說(shuō)其ME與MAUV比明顯增加。

對(duì)于那些能源包含在一個(gè)或更多耐壓殼體中的航行體來(lái)說(shuō)，耐壓殼體的質(zhì)量將是整個(gè)航行體質(zhì)量的主要成分。若航行體的尺寸（質(zhì)量）受到限制，那么浮力材料的性能和選擇對(duì)航行體的能量負(fù)載能力是很重要的。史蒂文生和葛蘭姆給出了質(zhì)量排水量比以及耐壓殼體和浮力泡沫材料的密度的趨勢(shì)圖和數(shù)據(jù)。重新給出環(huán)形加強(qiáng)圓柱體的質(zhì)量浮力比的表達(dá)式如下：

其中 MB是耐壓殼體的質(zhì)量，B為所提供的浮力，S為要求的安全因子，PW為最大工作壓力（MPa），而K為取決于材料的常數(shù)：對(duì)于鈦合金為～75，碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）為100～120，鋁合金為～67。

按照盡量減少質(zhì)量浮力比即盡量減少所需工作深度下的航行體質(zhì)量為原則，在安全因子為1且大于24～35MPa（2400～3500m）條件下，優(yōu)勢(shì)的對(duì)比是從環(huán)形加強(qiáng)耐壓殼體到玻璃鋼球體和浮力泡沫材料而逐次增加。從更為實(shí)際的情況出發(fā)，對(duì)鈦合金耐壓殼體交點(diǎn)應(yīng)為～2000m（安全因子為1.2），若使用更大的如2的安全因子對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料交點(diǎn)為1750m。

可以通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)看浮力儲(chǔ)備對(duì)整個(gè)ME與MAUV比的影響。首先，能源位于鈦合金環(huán)形加強(qiáng)耐壓殼體中，安全因子為1.2（MB/B=0.10），工作深度為600m的AUV，其最大ME與MAUV比為0.9。其次，能源位于鈦合金環(huán)形加強(qiáng)耐壓殼體中，安全因子為1.2（MB/B=0.10），工作深度為600m的AUV，其最大ME與MAUV比為0.2。對(duì)于這種深潛航行體，采用玻璃鋼球體（MB/B=0.7）來(lái)提供浮力有明顯的優(yōu)點(diǎn)，其最大ME與MAUV比為0.59，對(duì)同樣的總重量，能量負(fù)荷有三倍的改進(jìn)。

對(duì)于深潛AUV而言，通過(guò)采用泡沫材提供浮力而不是耐壓殼體提供浮力的方法，即利用增加有效比能來(lái)獲得續(xù)航力的增加一般要求能源應(yīng)能夠在環(huán)境壓力下工作。這將嚴(yán)重地降低對(duì)電池化學(xué)特性和電池結(jié)構(gòu)的選擇范圍。鉛酸電池在這種模式下已經(jīng)應(yīng)用多年。更新的鋰固態(tài)聚合物電池已可在壓力下工作。至于象鋰一氟化碳一類（LiCF）的電池化學(xué)材料構(gòu)成的袋狀電池是否能夠在壓力平衡模式下工作仍然是一個(gè)待研究的問題。在所有這些情況下，保護(hù)外罩的質(zhì)量和任何惰性壓力補(bǔ)償流體都會(huì)降低有效比能。

如果給定這些選項(xiàng)，將如何對(duì)這些選項(xiàng)進(jìn)行比較？已經(jīng)由Mierlo及其他人提出了將零浮力下比能作為性能指標(biāo)的思想。也就是將能源和所需要的浮力（無(wú)論何種形式）被當(dāng)作一個(gè)整體單元并將空氣中每公斤重量所能獲得的能源進(jìn)行比較。

注意50MPa下裝在環(huán)形加強(qiáng)鈦合金耐壓殼體中電池的性能表現(xiàn)較差。在這種情況下的分析顯示，一次錳堿性電池的有效比能與在玻璃球體中的鉛酸電池的有效比能相當(dāng)。當(dāng)然，出于安全性考慮可以排除在密封的玻璃球體中采用鉛酸電池，但在這種情況下，即使有不到10%的比能損失，但鉛酸電池與玻璃球體一起可應(yīng)用于壓力平衡模式。很清楚，長(zhǎng)續(xù)航力深潛航行體可采用耐壓電池來(lái)獲得收益。

3.結(jié)束語(yǔ)

在REMUS和Geosub航行體中使用的鋰離子二次電池是現(xiàn)代AUV的最新成就。雖然它們的比能比銀鋅電池要低，但它們有較佳的循環(huán)壽命和較低的保有成本，因此相對(duì)于較大數(shù)量的任務(wù)次數(shù)而言可以降低資金成本，而使它們成為電池的較佳選擇。但為長(zhǎng)續(xù)航力AUV提供1000kWh的鋰離子電池的重量可能超過(guò)6000kg。按照很多當(dāng)代航行體通常0.2的比例，將此能源質(zhì)量轉(zhuǎn)換為航行體質(zhì)量，則航行體重量意味著差不多要超過(guò)30t。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用目的而言，這樣的航行體將會(huì)是不切實(shí)際的，但可能也有例外，如基于岸基的航行體。

比鋰離子有更高比能的電池化學(xué)特性是能夠獲得的，商用鋰一氟化碳電池的比能可超過(guò)700Whkg-1（表1），是鋰離子電池的4倍。不過(guò)，它們是單次使用的一次性電池，而且價(jià)格昂貴。單個(gè)一次錳堿性電池能量的每Wh成本為0.07英鎊，而鋰一氟化碳電池的每Wh成本為7英鎊。比能的增加是以巨大的資金成本為代價(jià)。因此，即使能夠?yàn)锳UV提供質(zhì)量小于1500kg的1000kWh的能量（整個(gè)AUV質(zhì)量為7000kg），這種航行體也是不經(jīng)濟(jì)的。

對(duì)于長(zhǎng)續(xù)航力AUV而言，最實(shí)際的選擇到底是什么？存在很多選擇，其中很多已經(jīng)是或仍然是研究課題，它們包括如下：增加航行體上系統(tǒng)和儀器的能量效率；增加推進(jìn)效率；降低航行體阻力，在所有任務(wù)中保持低阻力；同時(shí)遵循本文的論述，增加ME與MAUV比。

增加ME與MAUV比可通過(guò)如下途徑：在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格控制每一個(gè)組件的質(zhì)量；選擇適當(dāng)?shù)牟牧?；不超過(guò)航行體或其組件規(guī)定的深度規(guī)格；對(duì)工作深度的航行體，選擇最適宜的浮力；進(jìn)一步研究降低玻璃鋼筒體實(shí)際破壞壓力的不確定性；進(jìn)一步研究成本適中的能夠在環(huán)境壓力下工作的高比能電化學(xué)電池；研究混合能源，將電化學(xué)電池的簡(jiǎn)單性和可靠性與高比能其它能源（如基于燃燒的系統(tǒng)）結(jié)合起來(lái)。