UUV 動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

代化，張斌，徐言哲

(中國(guó)船舶集團(tuán)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(wú)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(dòng)力電池提供電能。采用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)的UUV 自帶能源，靈活自如，可廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、情報(bào)收集、跟蹤、預(yù)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(wù)，美軍提出發(fā)展4 種不同級(jí)別的UUV：小型便攜式UUV、輕型UUV、重型UUV 和大型UUV。目前，動(dòng)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(dòng)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(guó)水下作戰(zhàn)中心提出，以鋅/銀電池為基準(zhǔn)（鋅/銀電池重量比能量密度約為80～110 Wh/kg），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(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是提高至鋅/銀電池的10 倍[8]，對(duì)動(dòng)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(qiáng)大，在水下工作時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)能量特性有更高的要求。本文重點(diǎn)介紹UUV 動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)UUV 動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(jiǎn)單，能量密度達(dá)到140 Wh/kg，安全、價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是長(zhǎng)期貯存過(guò)程中會(huì)釋放出氫氣，而且離UUV 動(dòng)力電池要求的近期比能量要求相距較遠(yuǎn)，能量密度較低。當(dāng)對(duì)電池比能量密度要求較高時(shí)，鋰一次電池是比較合適的選擇，能夠較好滿足UUV 動(dòng)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(dá)到300 Wh/kg以上。

鋰/亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池在國(guó)內(nèi)外相關(guān)裝備上已得到了應(yīng)用，如美國(guó)海軍長(zhǎng)期水雷偵測(cè)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(dòng)力，在水下工作深度為12～460 m，續(xù)航能力達(dá)到40 h/7 kn。國(guó)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(diǎn)是長(zhǎng)期貯存后容易產(chǎn)生電壓滯后，需要采用合適的方法進(jìn)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(yīng)用。國(guó)內(nèi)研制的軟包裝鋰二氧化錳電池比能達(dá)到460 Wh/kg，已應(yīng)用于UUV、航空聲吶浮標(biāo)、潛標(biāo)等多種領(lǐng)域，具有自放電率低、貯存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。鋰/氟化石墨（Li/CFx）電池的比能量可以達(dá)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(yīng)用于航天領(lǐng)域，缺點(diǎn)是電池成本較高、放電過(guò)程中膨脹率較大、溫升較高，作為UUV 動(dòng)力電池時(shí)需解決散熱等問(wèn)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(duì)電池比能量密度的長(zhǎng)期目標(biāo)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(fù)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(jiàn)表2[12]。鉛酸電池、鎘/鎳電池是最早應(yīng)用于UUV 的二次電池，缺點(diǎn)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(duì)較高，具有很高的比功率和較好的放電性能，但缺點(diǎn)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(shì)，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(dá)到3 000 次以上，是UUV 用電池的重要發(fā)展方向之一。美國(guó)海軍研究署和美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部研發(fā)的REMUS 100 AUV，動(dòng)力電源采用Saft 公司研制的鋰離子電池組，續(xù)航力達(dá)到9 h/5 kn 和20 h/3 kn，曾經(jīng)在2003 年伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)期間為美英海軍搜索和清除水雷。挪威國(guó)防研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的新一代UUV（HUGIN 1000）采用了鋰離子電池作為動(dòng)力電池，電池容量為5 kWh，航行速度4 kn 時(shí)能夠工作20 h[13]。Battellle 公司開(kāi)發(fā)的Bluefin 系列均采用鋰離子電池組作為動(dòng)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(dǎo)航性能的不同需求。國(guó)內(nèi)鋰離子電池已應(yīng)用與多個(gè)型號(hào)的UUV 以及魚(yú)雷等領(lǐng)域。鋰離子電池的能量密度及安全性有待進(jìn)一步提高。鋰/硫電池是以金屬鋰作為負(fù)極，單質(zhì)硫或硫基復(fù)合材料作為正極的二次電池，實(shí)際能量密度達(dá)到350～500 Wh/kg，在能量密度上具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。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(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置，其最大特點(diǎn)是不經(jīng)過(guò)熱機(jī)過(guò)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(jiàn)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(duì)動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)的UUV（Urashima）[14]，在此基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)出另一臺(tái)由PAFC 驅(qū)動(dòng)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(guó)于2004 年將PEMFC 用于UUV 的驅(qū)動(dòng)電源[16]，功率3.6 kW，總電量140 kWh，續(xù)航時(shí)間60 h，潛深4 000 m。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)將PEMFC 用于水下機(jī)器人Dragon 號(hào)并取得了成功[17]。PEMFC 應(yīng)用于UUV 的主要問(wèn)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(dǎo)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(dá)到350～760 Wh/kg[18]，但續(xù)航時(shí)間將會(huì)收到限制。3）氣體重整。通過(guò)高氫含量碳?xì)浠衔镏卣茪洌蛲ㄟ^(guò)H2O2的分解制取氧氣。4）有機(jī)液體儲(chǔ)氫。后2 種方式有相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)尚待突破，以進(jìn)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(yīng)用如表3 所示。這些電池體系與PEMFC 具有類(lèi)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(guó)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(duì)21 英寸UUV 進(jìn)行可行性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[19]，美國(guó)水下戰(zhàn)中心使用SOFC 做驅(qū)動(dòng)電源，采用JP-10 碳?xì)浠衔餅槿剂希貉鯙檠趸瘎瑢⑷剂现卣笸ㄟ^(guò)燃料電池與氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際比能量達(dá)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(dá)到950 Wh/kg[21-22]，伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)的硼氫化鈉/雙氧水燃料電池的比能量達(dá)到1 000 Wh/kg[23]。

燃料電池在放電過(guò)程中存在2 個(gè)方面的明顯缺點(diǎn)：1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有一定的滯后，輸出功率波動(dòng)時(shí)需要一段時(shí)間的調(diào)整；2）不支持能量的雙向流動(dòng)，不能吸收電機(jī)制動(dòng)過(guò)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(yīng)快、能量回饋容易的特點(diǎn)。燃料電池的難點(diǎn)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(hù)時(shí)間以及小型化。燃料電池體系在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題得到解決后，比能量將進(jìn)一步提高并且更將實(shí)用化，最有希望滿足UUV 對(duì)動(dòng)力電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)要求。

表 3 幾種燃料電池基本性能及在UUV 上的應(yīng)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(yáng)極，氧化劑（過(guò)氧化氫、海水中的溶解氧）做陰極，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)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(chǔ)壽命長(zhǎng)、使用安全、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)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(guó)防研究所針對(duì)UUV 需求進(jìn)行研制而且應(yīng)用成功的電池。HUGINⅡ采用鋁/雙氧水電池，每補(bǔ)充一次雙氧水可工作36 h。電池組由4 個(gè)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(jìn)能源。鋁/雙氧水電池用于HUGIN 3 000 時(shí)，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(jìn)入應(yīng)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(zhǎng)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(chǔ)上，加拿大燃料電池技術(shù)公司開(kāi)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)作為動(dòng)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(guò)主電源燃料電池和輔助電源鋰離子電池分別能夠運(yùn)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(yīng)快、能量回饋容易的特點(diǎn)。采用燃料電池/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)由燃料電池功能，一部分能量存儲(chǔ)在鋰電池組，電機(jī)制動(dòng)時(shí)，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(dòng)力系統(tǒng)用于UUV 也進(jìn)行了相關(guān)研究，主電源也是燃料電池[24]。混合電池動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)功能、比能量的最大化[25]。

6 UUV 動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)

動(dòng)力電池是目前UUV 主要的能源供應(yīng)方式。動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)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(wù)，但是現(xiàn)有動(dòng)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(jìn)一步提高。結(jié)合各種動(dòng)力電池的優(yōu)缺點(diǎn)以及目前世界各國(guó)的研究現(xiàn)狀，UUV 動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì)如下：

1）近期仍以常規(guī)動(dòng)力電池為主導(dǎo)。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(yīng)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(dǎo)地位，比能量相對(duì)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(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2）后期將以新型動(dòng)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(wèn)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(duì)比能量的要求。對(duì)于大型UUV，將以燃料電池和半燃料電池為主。