浅析各国深海潜器用锂电池电性能
时间：2023-01-20 12:30:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵佳欢，刘 飞，周思思，张祥功
应用研究
浅析各国深海潜器用锂电池电性能
赵佳欢，刘 飞，周思思，张祥功
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）
本文以美国、英国、德国等深海装备动力发展先进的国家为主要研究对象，对比分析了各国对锂一次电池及锂二次电池在深海动力领域应用的研究。通过调研得出，在锂动力领域，各国对锂离子动力电池的研究相对较多，同时电池的应用等级主要在水下6 000 m以内，电池承压形式主要为充油耐压结构及高密度聚合物封装，小部分具有电池自承压能力。本研究对深海动力的发展及承压形式具有参考意义。
深海电池 耐压 锂电池
人类文明发展的过程中，从未停下对未知世界探索的脚步，上到浩渺宇宙，下到神秘深渊。在我们生活的星球上，海洋占总表面积的71%，平均水深3795米。目前人类已探索的海底只有5%，还有95%大海的海底是未知的。深海装备的发展是探索未知世界、把握地球发展变化的重要工具。而深海电池技术则是在探索过程中走的多远，看得多清的动力保障。
目前世界上用于深海探索的装备主要为潜水器，包括载人潜水器（HOV）和无人潜水器（UUV）。其中无人潜水器又可分为自主潜水器（AUV）、遥控潜水器（ROV）、自主/遥控潜水器(ARV) 、水下滑翔机（underwater glider，Glider）[1]。深海装备的动力电池来源主要有一次电池、二次电池（液态锂离子电池(LIB)、锂聚合物电池（PLIB））、燃料电池、半燃料电池以及混合电池动力。本文将对近几年来各国深海锂电池的发展现状、技术水平及发展趋势做简要的分析介绍。
为了满足对深海探索、探查/识别、以及监控侦察、载荷运送、反潜战等军事作战的需求，[2]深海装备需要具备大深度、远航程、长航时、机动性能好、搭载平台灵活的特点，因此要求深海动力电池具有工作电压高、放电平台电压稳定、高比能量、长储存寿命以及免维护的特点。锂一次电池中锂/亚硫酰氯电池比能量很大，一般可达420 Wh/kg，低速率放电时最高达650 Wh/kg，此外还具有比功率大；
电压高：电池开路电压为3.65 V，以1 mA/cm2放电时，电压可保持在3.3 V，90%的容量范围内电压保持不变；
电池能以10 mA/cm2或更高电流密度放电，电压精度高：常温中等电流密度放电时放电曲线极为平坦；
高低温性能好：一般可在-40～50℃内正常工作，甚至在-50～150℃内也能工作；
-40℃时的容量约为常温容量的50%；
贮存性能好：一般可湿搁置5年或更长时间。早在2000年的时候，锂/亚硫酰氯电池就被研制应用于远程水雷侦查系统（LMRS），用于雷区情报收集和水雷识别定位。LMRS应用高能量密度的锂/亚硫酰氯电池，可在水下工作深度为12～460 m，航程可达200 km，日工作区域达90 km2，能持续工作40～48 h。锂/亚硫酰氯电池虽具备高能量密度，但其存在安全稳定性较差、低温放电容量衰减较大、电压滞后现象以及大电流放电能力差等缺点，导致深海装备经过储存后，出现明显钝化、激活时间过长；
电性能参数在其储存寿命内衰减至不能满足工作要求，以及安全性变差。[3]国内研究者目前对Li/MnO2、 Li/SO2、 Li/SOCl2、 Li/CFx、 Li/CFx-MnO2等几种高性能锂一次电池进行研究，这些一次电池在保持其高比能的同时，也存在电池成本较高、放电过程中膨胀率较大、温升较高等问题亟需解决[4]。
2.1 锂离子电池
锂离子电池从相对于锂一次电池具有更好的循环寿命及安全性，在侦察、探测、信息收集、深海考察等领域有更高的应用价值。
由美国水螅公司生产的REMUS系列无人潜航器都应用锂离子电池，其中，REMUS-6000应用一个带耐压外壳的12 kWh的高度模块化二次锂离子电池组，系统可选配加装第二组12 kWh的电池组，充电时间8小时，该电池最多可充电300次或使用寿命为五年。REMUS M3V无人潜航器，于2018年3月完成首次试航，潜深300 m，航速最高可达10 kt。
Ocean Power Technologies（OPT）于2020年推出SUBSEA电池，该深海电池为磷酸铁锂（LiFePO4）电池。外壳采用全钢压力容器，使用寿命长达10年，最大水深达500 m。该电池总标称容量为132 kWh，峰值功率输出高达15 kW。
图1 SUBSEA电池
此外，混合动力PowerBuoy®深海电池系统复合磷酸铁锂电池和太阳能电池，可通过太阳能电池板进行充电，1kW斯特林发动机可提供备用动力（以液态丙烷为燃料）。这种结合使混合动力PowerBuoy®成为低碳至零碳的动力，同时可以在极端天气，大风浪或低浪环境中提供动力。
由美国L3Harris公司生产的Iver4 900无人潜航器，于2019年9月完成12.5小时，27.5海里的远距离无人反水雷测试任务。该潜航器使用锂离子电池，航程可达80海里，同时提供长达40 h的适用寿命，航速最高可达3海里/小时（3k）。
由美国克雷肯机器人公司2019年10月展出的研制的ThunderFish潜航器，搭载模块化可互换的高密度聚合物封装耐压锂离子电池提供动力，完成720 h的水下耐久性。航行时间为20～48 h，可下潜至6 000 m的深度。
英国RS Aqua公司为ROV和AUV执行长期监控与传感器部署任务设计了PowerPack –大容量深海锂离子电池，PowerPacks™提供一系列标准配置，容量从650到5 210 Wh，4种标准电压：14.4、25.2、46.8和50.4 V。钛或POM制成的外壳的深度等级为100、300、3000、4 000和6 000 m。适用于冰下或深海等极端条件。
德国SubCtech在深海动力方面有几个代表性电池，电池主要输出电压为14 V、24 V、200 V和400 V。
SubCtech PowerPacks™标准电池提供不同的标准配置，包括容量，电流，电压，尺寸和外壳，可以按需定制所有电池。使用钛或POM外壳使该电池可用于6 000 m的深度。
图2 SubCtech系列产品
图3 SubCtech PowerPacks™标准电池
大功率高能量锂离子PowerPack™参数如下。标准容量：674 Wh和1 700 Wh；
电压范围：14 V，25 ～50 V；
放电电流7 A，最高可达50 A；
应用范围为水下300 m，2 000 m，4 000 m，6 000 m。产品种NEW “Long-Jim” “A” 型高容量电池的主要参数如表1所示。
此外SubCtech还可以提供定制电池服务，电压范围在14 V至400 V，功率最高达25 kW，电流最高50 A，峰值140 A，可在式水下充电，水下UPS功能，工作深度达6 000 m。
表1 NEW “Long-Jim”“A”型高容量电池的主要参数
2020年11月，德国EAS电池公司推出新型船载模块化电池系统。灵活的拓扑结构可以使电池模块灵活组合。此外EASy-Marine®模块混合动力系统将电池和柴油发电机组结合在一起，其目标是将燃料消耗保持在最佳点，并始终保持在最佳水平。"有了EASyMarine®，每艘船可节省多达30%的柴油。同时该电池还可以和氢燃料电池一起高效的运用。EAS还研制了其他几款磷酸铁锂-石墨锂离子电池适用于水下的电池，主要参数如表2、表3所示。
表2 EAS磷酸铁锂-石墨锂离子电池参数1
表3 EAS磷酸铁锂-石墨锂离子电池参数2
德国Kraken Power研制了以可承受600bar静水压力（相当于6 000 m水深）的电力驱动系统，以及基于功率范围在1.6 kWh到几MWh的能量供应系统。Kraken Power通过电池系统自身的耐压技术替代传统的压力外壳，可在6 000 m的深度中使用。其耐压系统（PTS）的工作方式类似于压力补偿系统，系统内组件承受静水压力，使用不可压缩的弹性体（如硅树脂或聚氨酯）替代原有的液体压力补偿结构，同时采用专有的真空技术封装聚合物。与充油补偿系统相比，耐压系统具有较低的比重和较小的体积，耐腐蚀性强，维护成本低。
2.2 锂聚合物电池
近几年应用在深海装备中的二次电池中，锂聚合物电池应用的较为广泛。锂聚合物电池不仅具有锂离子电池的优良性能，还可以制成任意形状和尺寸。并且由锂聚合物电池提供动力的UUV普遍下潜深度更深。
由挪威Kongsberg maritime公司2018年12月推出最新研制的HUGIN Superior无人潜航器，搭载62.5 kWh耐压锂聚合物电池提供动力，可在8 h内完成充电，同时内置安全系统，可避免过充和过放以及一般使用的危险。最高航速可达5.2 kt，该潜航器可在3 kt速度下执行任务72 h，在4 kt速度下52 h，可下潜至6000 m的深度。
美国通用动力公司研发出耐压锂聚合物电池，电池系统内部配置保护、监视、功率控制和电池调节功能。2019年9月展出的Bluefin-12无人潜航器动力系统配置4个1.9 kWh的可充电锂离子电池。电池电压为30 V,尺寸为38.4 cm×13.3 cm×21 cm，重14.3 kg，最大充、放电电流分别为15 A和30 A,正常充、放电电流分别为12 A和10 A。Bluefin-9采用模块化设计，维护人员可在30分钟内更换容量1.9 kWh的锂离子电池，其最大航速可达6 kt（11.1 km/h），可以以5 kt的航速开展测量工作，3 kt的航速在水下运行8小时。Bluefin独特的电池模式使得在甲板上快速反转保持在两小时之内，无需打开受压舱就能交换电池。全负荷的电池能为潜航器提供18 h、时速为3 kn的勘察所需的能力，水深200 m 内的作业覆盖范围达150 km。Bluefin的标准1.5 kWh电池组是防水，耐压的，并包括用于自平衡，监控和安全的自己的智能电子产品。即插即用连接器使用户无需打开压力容器即可在海上几分钟内轻松更换包装。
由于核心技术具有可扩展性，因此Bluefin提供了各种容量的电池，包括1.8 kWh，3.5 kWh和8.88 kWh电池组，以及可扩展至148 kWh的电源解决方案。
英国OceanTools研制的OceanCELL-12由单个锂离子聚合物电池模块组成，并组装在额定深度3 000 m的外壳中。OceanCELL-25和Ocean CELL-38包含多个同种类型电池模块，可延长至4 000 m深度的运行时间。
表4 OceanCELL电池主要参数
美国Southwest Electronic Energy Group (SWE)（2019年被Ultralife Corporation收购）于2017年推出了SeaSafe II和SeaSafe Direct大型锂离子聚合物电池，可在28 Ah或其他容量选项下提供30 V电压，可应用于6 000 m的水深中。SeaSafe II电池组需安装在压力平衡的充油（PBOF）容器中，而SeaSafe Direct可以直接放入水中使用而无需PBOF容器。在使用上，两种电池在放电电流上有较大的差别，具体参数如表5所示。
表5 SeaSafe II和SeaSafe Direct参数
2.3 锂硫电池
锂硫电池具备理论能量高、成本低的优点，在有效解决其活性材料在循环过程中体积波动大，容量衰减迅速，自放电等问题后，锂硫电池是一种很有前途的下一代储能技术。
英国Steatite公司、OXIS Energy公司、英国MSubs和英国国家海洋学中心于2017年联合研制了可用于海洋自主系统(MAS)的耐压6 000 m的锂硫电池组。
这些电池可在超过600个大气压力和低温（0～4℃）的严酷深海条件下进行工作。同时优化了电池的组成，以克服低温下的性能损失。12 Ah电池，在低温和高压下放电时，有效的中性浮力能量密度（NBED）几乎是锂离子参考电池的两倍。电池寿命测试中，可达到60～80周。同时，OXIS开发了一个原型锂硫袋单元，可以达到470 Wh/kg，预计近期将达到500 Wh/kg，到2025年可达到600 Wh/kg。
在深海动力领域，当前世界各国主要选用锂离子电池为动力能源，[5]同时兼顾一次电池、其他二次电池、混合动力电池及燃料电池的研究应用。本文研究了当前世界上主要的深海锂电池的发展及应用，可以为深海武器装备、深海探索装备的动力发展提供一定的参考。
[1] 曹俊, 胡震, 刘涛,等. 深海潜水器装备体系现状及发展分析[J]. 中国造船, 2020, 61(1): 15.
[2] 荆有泽, 刘志伟. UUV用动力电池现状及其发展趋势[J]. 电源技术, 2019, 43(6): 4.
[3] 叶浩亮, 陈涛, 陈遥沛. 一种AUV锂-亚硫酰氯电池储存可靠性试验评估方法[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(2): 6.
[4] 代化, 张斌, 徐言哲. UUV动力电池发展现状与趋势[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(12): 4.
[5] 戴国群, 陈性保, 胡晨. 锂离子电池在深潜器上的应用现状及发展趋势[J]. 电源技术, 2015, 39(8): 5.
Analysis of lithium batteries for deep-sea submersible in various countries
Zhao Jiahuan, Liu Fei, Zhou Sisi, Zhang Xianggong
( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM912
A
1003-4862（2022）10-0048-04
2022-05-18
潜水器设计与试验重点标准研究（工信部重装函[2020]313号）
赵佳欢（1995-），女，助理工程师，研究方向：化学电源。E-mail：zhaojhjob@126.com
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