UUV 动力电池发展现状与趋势

代化，张斌，徐言哲

(中国船舶集团公司第七一二研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

作为一种海上力量倍增器，无人水下航行器（UUV）有着广泛而重要的军事用途[1-3]。目前UUV 主要由动力电池提供电能。采用动力电池驱动的UUV 自带能源，灵活自如，可广泛应用于侦察监视、情报收集、跟踪、预警、通信中继、水下攻击等各方面[4-7]。为完成海上不同的作战任务，美军提出发展4 种不同级别的UUV：小型便携式UUV、轻型UUV、重型UUV 和大型UUV。目前，动力电池性能难以满足要求是UUV 技术发展的瓶颈之一，现有动力电池比能量低下是限制UUV 续航力的主要因素。如图1 所示，美国水下作战中心提出，以锌/银电池为基准（锌/银电池重量比能量密度约为80～110 Wh/kg），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，长远目标是提高至锌/银电池的10 倍[8]，对动力电池高比能量和高能量密度的要求尤为突出。特别是大型UUV，其功能强大，在水下工作时间更长，对能量特性有更高的要求。本文重点介绍UUV 动力电池的发展现状，同时对UUV 动力电池的发展趋势进行展望。

1 一次电池

用于UUV 的一次电池主要包括碱性电池和锂一次电池。碱性电池结构简单，能量密度达到140 Wh/kg，安全、价格低廉，缺点是长期贮存过程中会释放出氢气，而且离UUV 动力电池要求的近期比能量要求相距较远，能量密度较低。当对电池比能量密度要求较高时，锂一次电池是比较合适的选择，能够较好满足UUV 动力电池近期要求[9]。几种锂一次电池的性能如表1 所示[10]，锂一次电池的重量比能均达到300 Wh/kg以上。

锂/亚硫酰氯（Li/SOCl2）电池在国内外相关装备上已得到了应用，如美国海军长期水雷侦测系统（Long Term Mine Reconnaissance System，LMRS）UUV 和Spray AUG[11]，采用锂/亚硫酰氯（Li/SOCl2）电池作为动力，在水下工作深度为12～460 m，续航能力达到40 h/7 kn。国内水雷等装备也采用了锂/亚硫酰氯（Li/SOCl2）电池。锂/亚硫酰氯缺点是长期贮存后容易产生电压滞后，需要采用合适的方法进行消除。锂/二氧化锰电池具有较高的比能量，在UUV 等水中兵器已逐步得到应用。国内研制的软包装锂二氧化锰电池比能达到460 Wh/kg，已应用于UUV、航空声呐浮标、潜标等多种领域，具有自放电率低、贮存寿命长等特点。锂/氟化石墨（Li/CFx）电池的比能量可以达到900 Wh/kg，是目前商业化锂一次电池中比能最高的电池，已成功应用于航天领域，缺点是电池成本较高、放电过程中膨胀率较大、温升较高，作为UUV 动力电池时需解决散热等问题。Li/CFx-MnO2电池使用氟化石墨和二氧化锰的混合阴极，在保持电池较高比能的前提下降低电池成本，并提高电池的放电电压。

图 1 UUV 对电池比能量密度的长期目标Fig. 1The goal of energy density of batteries for UUV

表 1 锂一次电池的主要性能Tab. 1The properties of Li primary batteries

2 二次电池

与一次电池相比，二次电池能够多次充放电，反复使用，节约成本。目前已用于UUV 的二次电池及其基本性能见表2[12]。铅酸电池、镉/镍电池是最早应用于UUV 的二次电池，缺点是比能量太低。镍氢电池的比能量稍高，曾用于HUGIN 3 000 UUV 的备用电池，但比能量仍不能满足要求。银锌电池的比能量相对较高，具有很高的比功率和较好的放电性能，但缺点是成本昂贵、作为二次电池循环次数少。锂离子电池的比能量和循环次数均较其他二次电池具有明显优势，目前商业化的锂离子电池能量密度接近300 Wh/kg，循环寿命达到3 000 次以上，是UUV 用电池的重要发展方向之一。美国海军研究署和美国特种作战司令部研发的REMUS 100 AUV，动力电源采用Saft 公司研制的锂离子电池组，续航力达到9 h/5 kn 和20 h/3 kn，曾经在2003 年伊拉克战争期间为美英海军搜索和清除水雷。挪威国防研究机构开发的新一代UUV（HUGIN 1000）采用了锂离子电池作为动力电池，电池容量为5 kWh，航行速度4 kn 时能够工作20 h[13]。Battellle 公司开发的Bluefin 系列均采用锂离子电池组作为动力电源，该系列UUV 可满足有效载荷、续航能力、稳定性、潜水深度及导航性能的不同需求。国内锂离子电池已应用与多个型号的UUV 以及鱼雷等领域。锂离子电池的能量密度及安全性有待进一步提高。锂/硫电池是以金属锂作为负极，单质硫或硫基复合材料作为正极的二次电池，实际能量密度达到350～500 Wh/kg，在能量密度上具有较明显的优势。固态锂电池由于具有高安全性，是目前锂电池发展的重要方向之一，目前处于产业化推广阶段。高比能、高安全性锂电池将大幅提升UUV 的安全性及巡航历程。

表 2 UUV 二次电池性能比较Tab. 2The properties of secondary batteries

3 燃料电池

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转变成电能的发电装置，其最大特点是不经过热机过程，因而不受卡诺循环限制，能量转换效率高，环境污染小，噪声低。磷酸燃料电池（PAFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）均使用氢气为燃料、氧气为氧化剂（见表3），不同之处在于二者的电解质和工作温度不同，但均能够满足UUV 对动力系统的使用要求。日本于1998 年首次研发出使用PAFC 做动力驱动的UUV（Urashima）[14]，在此基础上又开发出另一台由PAFC 驱动的AVU（AUV-EX1）[15]。与PAFC 相比，PEMFC 的工作温度较低，能量转换效率高。德国于2004 年将PEMFC 用于UUV 的驱动电源[16]，功率3.6 kW，总电量140 kWh，续航时间60 h，潜深4 000 m。国内天津大学将PEMFC 用于水下机器人Dragon 号并取得了成功[17]。PEMFC 应用于UUV 的主要问题在于燃料和氧化剂的贮存。贮存方式包括：1）加压条件下贮存氢气和氧气。由于氢在贮氢材料及供氢装置中的质量比较低，导致电池系统体积和质量显著增加，直接降低燃料电池系统的比能量。2）液氢和液氧方式贮存。液氢或液氧电池的能量密度能够达到350～760 Wh/kg[18]，但续航时间将会收到限制。3）气体重整。通过高氢含量碳氢化合物重整制氢，或通过H2O2的分解制取氧气。4）有机液体储氢。后2 种方式有相关关键技术尚待突破，以进一步提高燃料电池的能量密度。

其他体系燃料电池如固体氧化物燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池、直接硼氢化钠燃料电池以及硼氢化钠/双氧水燃料在UUV 上的应用如表3 所示。这些电池体系与PEMFC 具有类似的电池结构，燃料、氧化剂和工作温度有所不同。液态燃料与氢气相比，更容易贮存，因而能够得到更高的比能量密度。美国水下战中心为UUV 研制的SOFC 电池，主要用于大型UUV，其能源系统由燃料电池、燃料贮存及重整装置、液氧贮存及供氧装置、CO2吸收装置等部分组成。在2005 年针对21 英寸UUV 进行可行性试验的基础上[19]，美国水下战中心使用SOFC 做驱动电源，采用JP-10 碳氢化合物为燃料，液氧为氧化剂，将燃料重整后通过燃料电池与氧气进行电化学反应，整个系统的实际比能量达到350～600 kW/kg[20]。此外，采用液氧做氧化剂的硼氢化钠燃料电池的比能量达到950 Wh/kg[21-22]，伊利诺伊大学开发的硼氢化钠/双氧水燃料电池的比能量达到1 000 Wh/kg[23]。

燃料电池在放电过程中存在2 个方面的明显缺点：1）动态响应具有一定的滞后，输出功率波动时需要一段时间的调整；2）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，发挥其响应快、能量回馈容易的特点。燃料电池的难点在于如何提高氢和氧所占比重、最大程度地降低成本和维护时间以及小型化。燃料电池体系在一些关键技术问题得到解决后，比能量将进一步提高并且更将实用化，最有希望满足UUV 对动力电池的长远要求。

表 3 几种燃料电池基本性能及在UUV 上的应用情况Tab. 3The properties of fuel cells and their usage in UUV

4 半燃料电池

半燃料电池，即金属-空气电池，使用金属（镁、铝等）做阳极，氧化剂（过氧化氢、海水中的溶解氧）做阴极，通过电化学反应转变成电能，提供高能量密度的电能，具有比能量高、放电电压稳定、存储寿命长、使用安全、无污染等优点。应用于UUV 的半燃料电池主要有铝/双氧水电池、铝/氧气电池[13]。铝/双氧水电池是挪威国防研究所针对UUV 需求进行研制而且应用成功的电池。HUGINⅡ采用铝/双氧水电池，每补充一次双氧水可工作36 h。电池组由4 个铝/双氧水电池及电液循环系统、控制单元组成，由DC/DC 转换为600 W，30 V 的推进能源。铝/双氧水电池用于HUGIN 3 000 时，容量50 kWh，比能量100 Wh/kg，可续航60 h/440 km。铝/氧电池最早于1993 年进入应用研究阶段，加拿大燃料电池技术公司（原铝能公司）为XP-21 UUV 研制的铝/氧电池系统长2.24 m，重400 kg，可供能100 kWh，能量密度260 Wh/L，为原用铅酸电池的8 倍。在此基础上，加拿大燃料电池技术公司开发了一系列铝能半燃料电池用于水下兵器。

5 混合电池动力系统

为了满足UUV 在不同工作环境中的工况需要，一些UUV 使用混合电池动力系统作为动力源。Urashima和AUV-EX1 均使用PAFC 做主电源，其他二次电池做辅助电源，其中AUV-EX1 通过主电源燃料电池和辅助电源锂离子电池分别能够运行300 km 和100 km。锂离子电池可以作为辅助供电装置与燃料电池协同作用，发挥其响应快、能量回馈容易的特点。采用燃料电池/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功能，一部分能量存储在锂电池组，电机制动时，锂电池可吸收回馈电流。加拿大燃料电池技术公司在混合动力系统用于UUV 也进行了相关研究，主电源也是燃料电池[24]。混合电池动力系统的关键在于系统的合理设计，实现电池系统功能、比能量的最大化[25]。

6 UUV 动力电池发展趋势

动力电池是目前UUV 主要的能源供应方式。动力电池驱动的UUV 采用自治控制方式，灵活自如，能够完成UUV 的各种作战任务，但是现有动力电池比能量低下是限制UUV 续航力的主要因素，电池的能量密度、安全性和使用寿命有待进一步提高。结合各种动力电池的优缺点以及目前世界各国的研究现状，UUV 动力电池的发展趋势如下：

1）近期仍以常规动力电池为主导。尽管目前大多数常规电池的比能量密度较低，但考虑到成本、寿命、方便性、可维修性、安全性及构件供应的连续性等因素，目前商业化的锂一次电池和锂二次电池将占据主导地位，比能量相对较高、技术成熟的锂一次电池（如锂/二氧化锰电池）及安全性较高的锂离子电池（如磷酸铁锂电池），将具有较强的竞争力。

2）后期将以新型动力电池为主。具有较高比能的一次电池和二次电池，在解决现有技术问题后，在UUV上的使用具有较大潜力。一次电池（如Li/CFx 电池）和固态锂电池，可满足UUV 对比能量的要求。对于大型UUV，将以燃料电池和半燃料电池为主。