UUV能源技术发展现状与趋势

王同春

摘 要：UUV续航能力的大小、传感器携带的多少都取决于动力电源的性能，动力电源是UUV整体设计和性能的关键。本文对目前UUV能源的发展现状进行了说明，并对未来UUV能源的发展趋势进行了分析。

关键词：UUV能源; 燃料电池; 斯特林热机; 不依赖空气推进系统; 混合动力

0 引言

UUV执行的任务越来越复杂，需要更大的续航能力，其技术发展将主要集中在能显著提高续航能力的动力电源系统、高度智能化系统、精确导航系统、完善的信号处理系统等方面。其中动力电源是UUV整体设计和性能优劣的关键。UUV的续航能力及所能携带传感器都取决于动力电源的性能。然而，传统UUV电源严重限制了UUV的性能，远远不能满足新形势下UUV大航程、多任务的要求，因此急需开发大容量、长续航时间的动力电源。

1 传统UUV能源

传统的UUV能源主要有铅酸电池、镉镍电池和银锌电池。铅酸电池在工艺和成本方面具有一定的优势，但比能量低、循环寿命短等缺点突出，在美国现役UUV中已经被淘汰，目前主要用于UUV训练。相对铅酸电池，镍镉/镍氢电池比能量提高并不明显，使用大电流放电，寿命稍优于铅酸电池，能维持UUV航行4～12h，但性价比不高。银锌电池充电时间长，使用寿命短，低温性能差、成本维护费用较高，比能量是铅酸电池的2～3倍，主要用于轻、中型UUV。传统能源应用于UUV的实例有加拿大的The-seus、英国的AUTOSUB、美国的ODYSEYY AUV等。

2 锂系列电池

锂电池主要有一次和二次锂电池。一次锂电池通常以金属锂作为负极，采用非水电解质溶液，在有机溶剂中加入无机盐使之导电。一次性锂电池的应用实例有美国的海底滑行者和远程水雷侦察系统等。二次锂电池在发展初期多采用金属锂及非水溶剂电解质，由于锂电极多次充电后表面积增大，引起自放电速度增大及安全问题，因此此类电池已很少继续发展。二次锂电池有多种类型，目前最受到重视的是二次锂离子电池和聚合物锂离子电池。

由于锂离子动力电池具有容量大、体积小、重量轻、储存寿命长等多项特点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，成为动力电池的主流。锂离子电池单体电压高、自放电率低、比能量高、循环寿命长，从理论上讲，它适合于各种型号UUV。锂离子电池的应用实例有加拿大的VEXPLORER 5000、美国的REMUS 100和REMUS 6000、挪威的“休金”MRS和法国的Alistar 3000等。

聚合物锂离子电池采用具有离子导电性并兼具隔膜作用的凝胶聚合物电解质代替目前锂离子电池中的液态电解质，电池的工作原理与锂离子电池基本一致。在电池的充放过程中，锂离子通过具有导电性的凝胶聚合物电解质在正负极之间嵌入和脱嵌，从而实现从化学能到电能的转变。聚合物锂离子电池具有更高的比能量、安全可靠、循环寿命长，容量损失少、体积利用率高等许多优点。其应用实例有英国的AUTOSUB 6000、美国的Bluefin-12D和Bluefin-21、德国的“海獭”MKII等。

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持续转化为电能的电化学装置。主要优点有效率高、噪声低、污染低等。

现有UUV多采用蓄电池动力，续航力普遍仅有10～40小时，难以满足长期情报侦察或作战需求。美海军希望将UUV续航力延长至数周甚至数月，正在发展大容量、高功率密度的燃料电池技术，中远期UUV动力系统（含氢源和氧源）功率密度发展目标是达到500Wh/L和500Wh/kg。

美海军从2011年正式启动大排水量UUV燃料电池创新性海军样机项目，发展容量达1.8MWh的燃料电池，峰值功率为37.5kW，巡航功率700W。2018年开展系统集成和水下试验，技术成熟度将达到6级。美海军希望借助这个项目，将希望将UUV续航力延长至70天。燃料电池能源公司、Sierra Lobo公司、Hamilton Sundstrand公司、Lynntech公司、NexTech、通用原子公司、UTC公司、通用汽车公司等多个机构参与了技术研发，每个子合同金额约为2000万美元。这些机构采用技术路线各不相同，燃料电池类型包括质子交换膜型和固态氧化物型，氢源包括液氢、钠金属氢化物储氢、铝水反应制氢、JP-10燃油重整制氢等，通用汽车公司甚至基于车用设计发展了UUV燃料电池。

此外，开放水域动力公司也研发了UUV铝-海水燃料电池，通过铝合金与水的置换反应，直接产生电能，无需携带储氧罐，能量密度高达2～3 kWh/L，是锂离子电池的10倍。

4 斯特林热机AIP技术

不依赖空气推进（AIP）系统就是在常规水下航行器的蓄电池组和柴油发电机组的基础上再添加一个不依赖空气的推进系统作辅助动力提供给水下航行器。

目前较成熟的AIP系统主要有 “斯特林”发动机（SE-AIP）、闭式循环柴油机（CCD-AIP）、燃料电池（FC-AIP）三种均作为航行器的辅助动力。其中瑞典研制的“斯特林”发动机的新型动力装置最先达到实用阶段，技术也最为成熟，相对于其他AIP系统处于领先地位。

斯特林发动机是一种外部能源加热的活塞式往复发动机。由于可采用各种形式的热源工作，且振动小、噪音低，在常规潜艇、小型潜艇和UUV上具有广泛的发展和应用前景。小型热气机动力系统在能量密度、功率、工作深度和能源供给等方面完全能满足未来UUV动力系统要求。

美国海军研究局(ONR)已经授予汉密尔顿公司(Hamilton)一份价值1800万美元的合同，为海军大排水量无人水下航行器原型(LDUUV INP)项目开发节能技术。

　　根据合同，Hamilton公司的研究人员将重点演示基于高能量质子交换膜燃料电池(PEMFC)的不依赖空气动力(AIP)推进系统，用于下一代大型长航时监视无人水下航行器(UUV)。PEMFC技术需要相对较低的温度和压力范围，以及一种特殊的聚合物电解质膜。这种燃料电池被认为是一种很有前途的替代产品，以取代碱性燃料电池。

　　美国海军的LDUUV INP项目开发一种大型无人水下航行器，用于在大洋和近海港口海域执行情报、监视和侦察(ISR)任务，其部署时间应可以超过70天。项目将开发UUV自主长航时推进系统，功率达817~1800千瓦，长达3米(120英寸)，并可持续46~70天。

5 混合动力

虽然燃料电池作为航行器的供电系统具有很多优点，但其动态响应具有一定的时滞。当航行器所需功率波动时，燃料电池的输出功率需经过一段时间的调整才能适应负载的变化；当航行器中的电机回馈制动时，必须吸收电机回馈的电能，而燃料电池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能。因此，供电系统中需要一个辅助能源装置与燃料电池互补，共同为负载供电。燃料电池发挥供电时间长、效率高等优势；辅助供电装置发挥其响应快、能量回馈容易等特点。辅助能源的主要作用是提供瞬时加速状态下的辅助动能以及完成制动状态下的能量吸收，故辅助能源对功率密度以及充放电能力要求较高。蓄电池（如铅酸电池、镍氢电池及锂离子电池等）或者超级电容器均为动力性能源，且超级电容器充放电能力更强，但其容量相对不足，综合功率密度、能量密度及成本、安全性等因素，选择镍氢电池作为混合动力系统中的辅助能源。

航行器一般具有多个自由度，亦即一般具有多个电机，各个电机通常在不同的时刻启动、加载、匀速运动、减速制动，导致动力系统功率的波动非常频繁。而在不同工作模式下两种能源的合理分配是整个动力系统能量管理的关键和核心。每个工作模式下动力系统能量流的控制目标侧重点不同，故每个工作模式下采取的控制策略也有所不同。

6 水下充电可提高UUV续航力

目前UUV普遍使用蓄电池动力，需要经常打捞UUV进行充电或更换电池组，大幅限制了UUV在水下的实际航行时间和任务执行能力，已经成为限制UUV部署范围的瓶颈问题。

美军设想的UUV水下充电有两种形式：一是接入潜艇水下远程导弹系统（ULRM）或干式遮蔽舱，利用潜艇为UUV充电；另一种是在海底布放，利用水下电缆为UUV充电。两种充电形式都可以同时向UUV传输数据。

美国Battelle公司已研发出“OceanHub” UUV水下母港样机，利用“金枪鱼-12”UUV完成了海试。利用该系统样机，UUV可自主导航并停泊，入坞后利用wifi接口上传/下载任务数据，并使用感应线圈实现电力传输，无需金属间的直接接触。水下母港充电功率为1.7kW，效率可达90%，UUV充电时间为4～6小时，同时还可进行数据的上传和下载。美国海军研究发现，水下充电时发射和接受线圈间隔应控制在5 cm以内，电磁波频率应低于100 kHz。

美海军2015年启动“前沿部署能源与通信基地”创新性海军样机项目，设想在3000 m左右深度的海底布设一定数量的能源补给点，这些补给点的连线可绵延数百千米，寿命超过20年。潜航器在这条线执行任务时，就如同汽车在高速公路上行驶，能源补给点则如同高速公路上的加油站，潜航器可以在补给点补充能源并中转数据，保障了水下长航时、远航程作业。

7 新型蓄电池可能取代锂离子电池

目前新型UUV普遍应用锂离子电池为水下动力。锂离子电池是目前应用范围较广的蓄电池，具有大容量、稳定性及充放特性好等优点。然而，目前常用的锂离子电池易形成枝晶，引起短路着火，存在一定安全隐患，包括耐压、耐温、耐穿刺特性较差，容易短路和过热引发起火、爆炸等事故等。为此，各国正在研发锂离子电池的替代品，包括锂硫电池、锂空气电池等，未来将可能取代锂离子电池。

锂硫电池负极由纯锂金属组成，正极为硫碳混合物，理论能量密度能达到2600 Wh/kg，是锂离子电池的10倍，同时价格低廉、污染小。目前存在的问题在于容易自放电、循环特性差等。英国OXIS公司发展了闪点高于100℃的锂硫电解质，在电池正极形成硫化锂（Li2S）保护层，其熔点高达938℃，可以起到绝缘作用，防止热量散失。OXIS公司预计其新型锂硫电池至2017年平均能量密度将达到400Wh/kg，而密度仅为900kg/m3。美国德克萨斯大学奥斯汀分校使用三元S/PPy-MnO2复合正极材料，MnO2可捕获溶解的多硫化物，抑制穿梭效应，管状的聚吡咯柔韧性和导电性好，二者协同作用可有效解决锂硫电池自放电的问题。

锂空气电池负极使用金属锂，正极为空气（氧气），利用金属锂的氧化还原反应实现电池的充放电。负极电解液一般使用含锂盐的有机电解液，正极电解液一般为碱性水溶性凝胶。锂-空气电池负极使用锂离子与氧气直接反应，理论储能密度远高于锂离子电池。目前存在的问题在于电压损失高、氧的吸收和释放易引起电池体积变化。美国麻省理工学院将Li2O纳米颗粒填充到海绵状的Co3O4结构中，研制出新型超轻负极，在充放电时，负极材料在Li2O/Li2O2/LiO2三相之间转换，没有O2吸收与释放，保证了结构稳定性。同时，自封闭的结构设计也阻隔了空气中水和二氧化碳。新型负极材料理论比能量高达1341Ah/kg，实验值为587Ah/kg，循环电压损失只有0.24V，仅为此前的1/5。这种封闭式结构无需与外界进行空气交换，可设计为封闭结构，有望用于无人潜航器。

8 结束语

除上述介绍的几种能源系统外，UUV可利用的能源还有太阳能、基于铝-海水燃烧的下一代AUV能源系统、以碳氢化合物为燃料的UUV动力源、用来为AUV电源充电的波浪能系统等。现在大部分AUV都是由可充电电池进行供电的（锂离子电池、聚合物锂离子电池、镍氢电池），并配有一定的电池管理系统。有的UUV使用一次锂电池，续航力大；一些较大型的UUV使用铝氧半燃料电池，但维护成本高。目前中小型UUV应用最多的是可充电锂离子电池和聚合物锂离子电池，而燃料电池由于其技术不够成熟、平台安全性有待加强等问题而仅在有限的大型UUV上应用。