UUV 動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

代化，張斌，徐言哲

(中國船舶集團公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

作為一種海上力量倍增器，無人水下航行器（UUV）有著廣泛而重要的軍事用途[1-3]。目前UUV 主要由動力電池提供電能。采用動力電池驅(qū)動的UUV 自帶能源，靈活自如，可廣泛應用于偵察監(jiān)視、情報收集、跟蹤、預警、通信中繼、水下攻擊等各方面[4-7]。為完成海上不同的作戰(zhàn)任務，美軍提出發(fā)展4 種不同級別的UUV：小型便攜式UUV、輕型UUV、重型UUV 和大型UUV。目前，動力電池性能難以滿足要求是UUV 技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一，現(xiàn)有動力電池比能量低下是限制UUV 續(xù)航力的主要因素。如圖1 所示，美國水下作戰(zhàn)中心提出，以鋅/銀電池為基準（鋅/銀電池重量比能量密度約為80～110 Wh/kg），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，長遠目標是提高至鋅/銀電池的10 倍[8]，對動力電池高比能量和高能量密度的要求尤為突出。特別是大型UUV，其功能強大，在水下工作時間更長，對能量特性有更高的要求。本文重點介紹UUV 動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀，同時對UUV 動力電池的發(fā)展趨勢進行展望。

1 一次電池

用于UUV 的一次電池主要包括堿性電池和鋰一次電池。堿性電池結(jié)構(gòu)簡單，能量密度達到140 Wh/kg，安全、價格低廉，缺點是長期貯存過程中會釋放出氫氣，而且離UUV 動力電池要求的近期比能量要求相距較遠，能量密度較低。當對電池比能量密度要求較高時，鋰一次電池是比較合適的選擇，能夠較好滿足UUV 動力電池近期要求[9]。幾種鋰一次電池的性能如表1 所示[10]，鋰一次電池的重量比能均達到300 Wh/kg以上。

鋰/亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池在國內(nèi)外相關(guān)裝備上已得到了應用，如美國海軍長期水雷偵測系統(tǒng)（Long Term Mine Reconnaissance System，LMRS）UUV 和Spray AUG[11]，采用鋰/亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池作為動力，在水下工作深度為12～460 m，續(xù)航能力達到40 h/7 kn。國內(nèi)水雷等裝備也采用了鋰/亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池。鋰/亞硫酰氯缺點是長期貯存后容易產(chǎn)生電壓滯后，需要采用合適的方法進行消除。鋰/二氧化錳電池具有較高的比能量，在UUV 等水中兵器已逐步得到應用。國內(nèi)研制的軟包裝鋰二氧化錳電池比能達到460 Wh/kg，已應用于UUV、航空聲吶浮標、潛標等多種領域，具有自放電率低、貯存壽命長等特點。鋰/氟化石墨（Li/CFx）電池的比能量可以達到900 Wh/kg，是目前商業(yè)化鋰一次電池中比能最高的電池，已成功應用于航天領域，缺點是電池成本較高、放電過程中膨脹率較大、溫升較高，作為UUV 動力電池時需解決散熱等問題。Li/CFx-MnO2電池使用氟化石墨和二氧化錳的混合陰極，在保持電池較高比能的前提下降低電池成本，并提高電池的放電電壓。

圖 1 UUV 對電池比能量密度的長期目標Fig. 1The goal of energy density of batteries for UUV

表 1 鋰一次電池的主要性能Tab. 1The properties of Li primary batteries

2 二次電池

與一次電池相比，二次電池能夠多次充放電，反復使用，節(jié)約成本。目前已用于UUV 的二次電池及其基本性能見表2[12]。鉛酸電池、鎘/鎳電池是最早應用于UUV 的二次電池，缺點是比能量太低。鎳氫電池的比能量稍高，曾用于HUGIN 3 000 UUV 的備用電池，但比能量仍不能滿足要求。銀鋅電池的比能量相對較高，具有很高的比功率和較好的放電性能，但缺點是成本昂貴、作為二次電池循環(huán)次數(shù)少。鋰離子電池的比能量和循環(huán)次數(shù)均較其他二次電池具有明顯優(yōu)勢，目前商業(yè)化的鋰離子電池能量密度接近300 Wh/kg，循環(huán)壽命達到3 000 次以上，是UUV 用電池的重要發(fā)展方向之一。美國海軍研究署和美國特種作戰(zhàn)司令部研發(fā)的REMUS 100 AUV，動力電源采用Saft 公司研制的鋰離子電池組，續(xù)航力達到9 h/5 kn 和20 h/3 kn，曾經(jīng)在2003 年伊拉克戰(zhàn)爭期間為美英海軍搜索和清除水雷。挪威國防研究機構(gòu)開發(fā)的新一代UUV（HUGIN 1000）采用了鋰離子電池作為動力電池，電池容量為5 kWh，航行速度4 kn 時能夠工作20 h[13]。Battellle 公司開發(fā)的Bluefin 系列均采用鋰離子電池組作為動力電源，該系列UUV 可滿足有效載荷、續(xù)航能力、穩(wěn)定性、潛水深度及導航性能的不同需求。國內(nèi)鋰離子電池已應用與多個型號的UUV 以及魚雷等領域。鋰離子電池的能量密度及安全性有待進一步提高。鋰/硫電池是以金屬鋰作為負極，單質(zhì)硫或硫基復合材料作為正極的二次電池，實際能量密度達到350～500 Wh/kg，在能量密度上具有較明顯的優(yōu)勢。固態(tài)鋰電池由于具有高安全性，是目前鋰電池發(fā)展的重要方向之一，目前處于產(chǎn)業(yè)化推廣階段。高比能、高安全性鋰電池將大幅提升UUV 的安全性及巡航歷程。

表 2 UUV 二次電池性能比較Tab. 2The properties of secondary batteries

3 燃料電池

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置，其最大特點是不經(jīng)過熱機過程，因而不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境污染小，噪聲低。磷酸燃料電池（PAFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）均使用氫氣為燃料、氧氣為氧化劑（見表3），不同之處在于二者的電解質(zhì)和工作溫度不同，但均能夠滿足UUV 對動力系統(tǒng)的使用要求。日本于1998 年首次研發(fā)出使用PAFC 做動力驅(qū)動的UUV（Urashima）[14]，在此基礎上又開發(fā)出另一臺由PAFC 驅(qū)動的AVU（AUV-EX1）[15]。與PAFC 相比，PEMFC 的工作溫度較低，能量轉(zhuǎn)換效率高。德國于2004 年將PEMFC 用于UUV 的驅(qū)動電源[16]，功率3.6 kW，總電量140 kWh，續(xù)航時間60 h，潛深4 000 m。國內(nèi)天津大學將PEMFC 用于水下機器人Dragon 號并取得了成功[17]。PEMFC 應用于UUV 的主要問題在于燃料和氧化劑的貯存。貯存方式包括：1）加壓條件下貯存氫氣和氧氣。由于氫在貯氫材料及供氫裝置中的質(zhì)量比較低，導致電池系統(tǒng)體積和質(zhì)量顯著增加，直接降低燃料電池系統(tǒng)的比能量。2）液氫和液氧方式貯存。液氫或液氧電池的能量密度能夠達到350～760 Wh/kg[18]，但續(xù)航時間將會收到限制。3）氣體重整。通過高氫含量碳氫化合物重整制氫，或通過H2O2的分解制取氧氣。4）有機液體儲氫。后2 種方式有相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)尚待突破，以進一步提高燃料電池的能量密度。

其他體系燃料電池如固體氧化物燃料電池（SOFC）、直接甲醇燃料電池、直接硼氫化鈉燃料電池以及硼氫化鈉/雙氧水燃料在UUV 上的應用如表3 所示。這些電池體系與PEMFC 具有類似的電池結(jié)構(gòu)，燃料、氧化劑和工作溫度有所不同。液態(tài)燃料與氫氣相比，更容易貯存，因而能夠得到更高的比能量密度。美國水下戰(zhàn)中心為UUV 研制的SOFC 電池，主要用于大型UUV，其能源系統(tǒng)由燃料電池、燃料貯存及重整裝置、液氧貯存及供氧裝置、CO2吸收裝置等部分組成。在2005 年針對21 英寸UUV 進行可行性試驗的基礎上[19]，美國水下戰(zhàn)中心使用SOFC 做驅(qū)動電源，采用JP-10 碳氫化合物為燃料，液氧為氧化劑，將燃料重整后通過燃料電池與氧氣進行電化學反應，整個系統(tǒng)的實際比能量達到350～600 kW/kg[20]。此外，采用液氧做氧化劑的硼氫化鈉燃料電池的比能量達到950 Wh/kg[21-22]，伊利諾伊大學開發(fā)的硼氫化鈉/雙氧水燃料電池的比能量達到1 000 Wh/kg[23]。

燃料電池在放電過程中存在2 個方面的明顯缺點：1）動態(tài)響應具有一定的滯后，輸出功率波動時需要一段時間的調(diào)整；2）不支持能量的雙向流動，不能吸收電機制動過程中產(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)揮其響應快、能量回饋容易的特點。燃料電池的難點在于如何提高氫和氧所占比重、最大程度地降低成本和維護時間以及小型化。燃料電池體系在一些關(guān)鍵技術(shù)問題得到解決后，比能量將進一步提高并且更將實用化，最有希望滿足UUV 對動力電池的長遠要求。

表 3 幾種燃料電池基本性能及在UUV 上的應用情況Tab. 3The properties of fuel cells and their usage in UUV

4 半燃料電池

半燃料電池，即金屬-空氣電池，使用金屬（鎂、鋁等）做陽極，氧化劑（過氧化氫、海水中的溶解氧）做陰極，通過電化學反應轉(zhuǎn)變成電能，提供高能量密度的電能，具有比能量高、放電電壓穩(wěn)定、存儲壽命長、使用安全、無污染等優(yōu)點。應用于UUV 的半燃料電池主要有鋁/雙氧水電池、鋁/氧氣電池[13]。鋁/雙氧水電池是挪威國防研究所針對UUV 需求進行研制而且應用成功的電池。HUGINⅡ采用鋁/雙氧水電池，每補充一次雙氧水可工作36 h。電池組由4 個鋁/雙氧水電池及電液循環(huán)系統(tǒng)、控制單元組成，由DC/DC 轉(zhuǎn)換為600 W，30 V 的推進能源。鋁/雙氧水電池用于HUGIN 3 000 時，容量50 kWh，比能量100 Wh/kg，可續(xù)航60 h/440 km。鋁/氧電池最早于1993 年進入應用研究階段，加拿大燃料電池技術(shù)公司（原鋁能公司）為XP-21 UUV 研制的鋁/氧電池系統(tǒng)長2.24 m，重400 kg，可供能100 kWh，能量密度260 Wh/L，為原用鉛酸電池的8 倍。在此基礎上，加拿大燃料電池技術(shù)公司開發(fā)了一系列鋁能半燃料電池用于水下兵器。

5 混合電池動力系統(tǒng)

為了滿足UUV 在不同工作環(huán)境中的工況需要，一些UUV 使用混合電池動力系統(tǒng)作為動力源。Urashima和AUV-EX1 均使用PAFC 做主電源，其他二次電池做輔助電源，其中AUV-EX1 通過主電源燃料電池和輔助電源鋰離子電池分別能夠運行300 km 和100 km。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)揮其響應快、能量回饋容易的特點。采用燃料電池/鋰電池動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當UUV 啟動時可用鋰電池供電；平穩(wěn)運行時由燃料電池功能，一部分能量存儲在鋰電池組，電機制動時，鋰電池可吸收回饋電流。加拿大燃料電池技術(shù)公司在混合動力系統(tǒng)用于UUV 也進行了相關(guān)研究，主電源也是燃料電池[24]?；旌想姵貏恿ο到y(tǒng)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的合理設計，實現(xiàn)電池系統(tǒng)功能、比能量的最大化[25]。

6 UUV 動力電池發(fā)展趨勢

動力電池是目前UUV 主要的能源供應方式。動力電池驅(qū)動的UUV 采用自治控制方式，靈活自如，能夠完成UUV 的各種作戰(zhàn)任務，但是現(xiàn)有動力電池比能量低下是限制UUV 續(xù)航力的主要因素，電池的能量密度、安全性和使用壽命有待進一步提高。結(jié)合各種動力電池的優(yōu)缺點以及目前世界各國的研究現(xiàn)狀，UUV 動力電池的發(fā)展趨勢如下：

1）近期仍以常規(guī)動力電池為主導。盡管目前大多數(shù)常規(guī)電池的比能量密度較低，但考慮到成本、壽命、方便性、可維修性、安全性及構(gòu)件供應的連續(xù)性等因素，目前商業(yè)化的鋰一次電池和鋰二次電池將占據(jù)主導地位，比能量相對較高、技術(shù)成熟的鋰一次電池（如鋰/二氧化錳電池）及安全性較高的鋰離子電池（如磷酸鐵鋰電池），將具有較強的競爭力。

2）后期將以新型動力電池為主。具有較高比能的一次電池和二次電池，在解決現(xiàn)有技術(shù)問題后，在UUV上的使用具有較大潛力。一次電池（如Li/CFx 電池）和固態(tài)鋰電池，可滿足UUV 對比能量的要求。對于大型UUV，將以燃料電池和半燃料電池為主。