UUV动力电池现状及发展趋势

第ｌ８卷第２期　鱼　雷　技　术　Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．２　２０１０年４月　ＴＯＲＰＥＤ０　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ａｐｒ．２０１０　ＵＵＶ动力电池现状及发展趋势　蔡年生　（中国船舶重工集团公司第７１２研究所，湖北武汉，４３００６４）　摘要：无人水下航行器（ＵＵＶ）的长远发展计划使其对动力电池比能量的要求日益突出，而现有的常规一次电池及二次　电池由于能量密度低不能满足该要求。该文详细介绍了ＵＵＶ对动力电池的发展要求及动力电池的发展现状，通过对电　池理论比能量和实际比能量的比较，得出了动力电池的发展与ＵＵＶ长远要求之间存在的差距，展望了动力电池的发展　趋势，半燃料电池和燃料电池已获得较高的实际比能量，由于其具有相当高的理论比能量，实际比能量还有较大的上升　空间，最有希望满足ＵＵＶ对动力电池的长远要求。　关键词：无人水下航行器（ＵＵＶ）；动力电池；比能量；燃料电池　中图分类号：ＴＪ６３１．２；ＴＭ９１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３．１９４８（２０１０）ｏ２－ｏｏ８１－０７　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｂａｔｔｅｒｙ　ｆｏｒ　ＵＵＶ　ｗｉｔｈ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｔｒｅｎｄｓ　ＣＡＩ　Ｎｉａｎ—ｓｈｅｎｇ　（Ｎｏ．７１２　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｙｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｆｏｒ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｉｍａｒｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ＵＵＶ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｅｎｅｒｙｇ　ｆｏｒ　ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ　ＵＵＶ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ａｌｕｍｉｎｕｍ—ｏｘｙｇｅｎ　ｓｅｍｉ—ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ（ＰＥＭ）ｏｒ　ｓｏｌｉｄ　ｏｘｉｄｅ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌｓ（ＳＯＦＣ）ｈａｖｅ　ｖｅｒｙ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ，ｅ．ｇ．１ｉｑｕｉｄ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ａｎｄ　ｌｉｑｕｉｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ＰＥＭ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌｓ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｅｎｅｒｙｇ　ｏｆ　３５０～７６０　Ｗｈ／ｋｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｄｅｃａｎｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ＳＯＦＣ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　４００—４５０　Ｗｈ／ｋｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）；ｐｏｗｅｒ　ｂａｔｔｅｙｒ；ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｅｎｅｒｇｙ；ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ　Ｏ　引言　Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＮＭＲＳ）已于上世纪末装备　水下自主航行器（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅ—　潜艇，计划到２０２０年，将有数以千计的ＵＵＶ可参　加未来海战　。法国已批产用于灭雷的ＲＯＶ，至　ｈｉｃｌｅｓ，ＡＵＶ）与水下遥控航行器（Ｒｅｍｏｔｅｌｙ　Ｏｐｅｒａ—　２００７年，已向ｌ４个国家提供了近３５０具灭雷　ｔｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＲＯＶ）统称为无人水下航行器（Ｕｎ—　ＲＯＶ。俄罗斯、英国、日本、挪威、澳大利亚、德国、　ｍａｎｎｅｄ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ）。ＵＵＶ技术自　加拿大、瑞典、韩国及我国也于上世纪末开展了　上世纪５０年代开始发展以来，由于声纳、导航技　ＵＵＶ研究。至今全球已有多型军用及民用ＵＵＶ　术的发展及开发海底能源和军事需求的推动，近　投入使用。各类ＵＵＶ年会、刊物、竞赛及生产和　２０年特别是１９９４年“联合国海洋法公约”生效以　销售ＵＵＶ的公司也应运而生，ＵＵＶ产业及市场　来发展尤为迅速。１９９５年，美国海军制定了ＵＵＶ　正在逐步形成。然而，现有ＵＵＶ技术水平与科　发展计划，后来又多次制定ＵＵＶ总体发展规划，　学、经济、军事对ＵＵＶ的要求仍有相当大的距离，　开展了多型ＵＵＶ研制工作，部分型号的ＵＵＶ已　动力电池性能难以满足要求是ＵＵＶ技术发展的　装备部队，如近程水雷侦察系统（Ｎｅａｒ—Ｔｅｒｍ　Ｍｉｎｅ　瓶颈之一。现有动力电池比能量低下是限制　收稿日期：２００９—１２－０２；修回日期：２０１０－０１＿２４．　作者简介：蔡年生（１９４１一），男，研究员，主要从事鱼雷动力电池研究　鱼雷技术ｗｗｗ．ｙｌｊｓｚｚ．ｅｎ　８１　２０１０年４月　鱼雷技术　第】８卷　ＵＵＶ续航力的主要因素。本文将综述ＵＵＶ电池　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ＬＤ）ＭＲＵＵＶ对动力电池的近期　现状，常规一次和二次电池的比能量与ＵＵＶ要求　（初步）要求和长远（目标）要求见表１　。该　的差距以及ＵＵＶ动力电池研究进展及发展趋势。　ＵＵＶ外径６０　ｉｎ，动力电池有效直径５５　ｉｎ。若用　１　ＵＵＶ对动力电池的要求　质子交换膜（Ｐｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ，ＰＥＭ）燃　料电池，长度３．６９　ｍ（近期）及２．４　ｍ（长远），输　ＵＵＶ在研动力包括太阳能、核能、热能和电　出电压１００～４００　Ｖ，最大购置安装费１０　０００￥／　能等，目前主要使用由动力电池提供的电能，其具　ｋｗｈ，最大再循环费１００￥／ｋＷｈ。从表１可知，　有使用简便、隐蔽性好、不受背压影响的优势。　该动力电池要达到长远要求，其比能量约为近期　ＵＵＶ对动力电池的要求除使用安全、维护简　要求的１０倍，而相应功率特性的差距则小一些。　单或免维护、价格低廉且平均单次使用费用低廉、　环境友好、功率特性好等要求以外，对动力电池高　比能量和高能量密度的要求也尤为突出。美国舰　队使用的作为鱼雷训练靶的ＭＫ３０—１型ＵＵＶ，采　用锌／银二次电池，美国水下战中心提出，以锌／银　电池为基准，ＵＵＶ动力电池的近期目标是，将能　≥　ＵＵＶ　量密度提高至锌／银电池的４倍，长远目标是提高　褂　长期目标　羞ｌ０　至锌／银电池的１０倍　。现有电池性能与该目标　鱼雷　长期目标　有相当大的距离，如图１所示。ＵＵＶ对比能量的　ＵＳＡＢＣ　长远要求既高于美国汽车电池协会（Ｕ．Ｓ．Ａｄ－　长期目标　ｖａｎｃｅｄ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ，ＵＳＡＢＣ）提出的汽车电　ＵＳＡＢＣ　１９９５年目标　池的长远目标，也高于鱼雷动力电池的长远目标。　１０　１００　１　０００　特别是大型ＵＵＶ，其功能强大，在水下工作　比能量／ｗｈ·ｋｇ一　时间更长，对能量特性有更高的要求。例如，美海　图１　商品化常规电池的比能量、比功率与ｕｕＶ长远　军于２００２年提出研制任务重组式无人水下航行　要求的关系　器（Ｍｉｓｓｉｏｎ　Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｆｉｇ．１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ＵＵＶ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＭＲＵＵＶ），其中６Ｏ　ｉｎ的大排水量（Ｌａｒｇｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　表ｌ　美国海军ＬＤ　ＭＲＵＵＶ燃料电池能源系统近期和长远要求　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　Ａｍｅｒｉｃａ　Ｎａｖｙ　ＬＤ　ＭＲＵＵＶ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ＵＵＶ在选用动力电池时，对动力电池的密度　ＵＵＶ电池工作应不受ＵＵＶ下潜深度的影　也十分重视。当电池系统的密度大于海水的密度　响。如果电池能在引入背压的情况下工作，可放　（１．０３　ｋｇ／Ｌ）时，ＵＵＶ必须排除比电池系统更大　在耐压壳外，不占据有效荷载的空问；若电池部件　的体积，才能得到相应的浮力。如果电池系统的　（如贮氢材料）可当压舱物质使用，也相当于减轻　密度比海水的密度大得越多，排水超过电池体系　了电池的重量，这些都有利于该电池的选用。　体积的量亦越多。所以，在能量特性相同的情况　ＵＵＶ动力电池需要有对工作环境和后勤支持的　下（如同类电池竞争时），对于密度值大于海水密　适应性，尽可能降低后勤支持的难度和工作量，特　度的系列，将优先选用密度值接近海水密度的电　别是燃料补给应该方便简单。　池。电池系统密度的希望值在１．２　ｋｇ／Ｌ左右　ｊ。　ＵＵＶ动力电池设计应该模块化，对不同尺寸　８２　Ｔｏｒｐｅｄｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＷＶＣ￣ｃｑ．ｙｌｊｓｚｚ．ｃｎ　２０１０年４月　蔡年生：ＵＵＶ动力电池现状及发展趋势　第２期　的ＵＵＶ有很强的适应能力，其形状、组成排布等　需能适应ＵＵＶ的一体化设计，否则将影响选用。　例如，镁／溶解氧海水电池具有很高的比能量，　１９９３年曾用于早期ＵＵＶ　Ｊ，２００３年其改进型试　用于高精度（海床）无人测绘监视系统（Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅ—　ｃｉｓｉｏｎ　Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ｇｅｏｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，　ＨＵＧＩＮ）系列，续航力延至２１天，但其功率特性　差，难以与ＡＵＶ进行一体化设计，这仍然对被采　用形成了障碍。结果军用的ＨＵＧＩＮ　１０００采用了　锂聚合物电池，民用的ＨＵＧＩＮ　１１及ＨＵＧ１Ｎ　３０００　采用了铝／双氧水电池　。　另外，ＵＵＶ动力电池应该有与母船的通信能　力，能适时将电池工作状况数据传递给使用者。　互　蚓　焱　尉　２　从电池比能量比较看满足ＵＵＶ长远要　求的可能性　常规电池性能与ＵＵＶ长远要求的最大差距　是比能量的差距，若比能量提升，其他要求也相对　易于满足。什么样的电池体系可得到更高的比能　量，哪类电池有可能满足ＵＵＶ的长远要求，或者　说哪类电池根本不可能满足该要求，从各类电池　的理论比能量分布情况可以得到相应的指导。　２．１　电池理论比能量的比较　∑电化当量／ｇ　图２典型化学能源体系的比能量　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｉｎ－ｕｓｅ　ａｎｄ　ｓｐａｒｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｆｏｒ　ＵＵＶ　图２大致可分为３个部分：Ｉ）左下角用斜线　标出的部分，包括常用的水溶液电池，其理论比能　量不超过５５０　Ｗｈ／ｋｇ。尽管此板块镉／镍电池曾　用于挪威ＨＵＧＩＮ系列ＵＵＶ的研究阶段，铅酸电　电池的比能量是指单位质量（所有电池部件　的质量和）电池能够提供的实际能量，单位为　Ｗｈ／ｋｇ。电池的理论比能量指单位质量的成流反　应物质能够提供的理论能量，单位亦为Ｗｈ／ｋｇ。　由于电池提供的实际能量与放电条件及电池设计　情况有关，电池各部件的质量也与选材及设计因　素有关，同一反应的不同电池，比能量并不相同。　而理论比能量决定于理论能量（由该反应的标准　生成自由能的变化确定）和成流反应物质质量　（由电化当量确定），具有与成流反应对应的确定　关系。理论比能量的计算公式为　理论比能量＝　Ｘ２６　８００／∑电化当量（１）　式中：　为标准平衡电势，Ｖ；∑电化当量为产生　１　Ｆ电量所耗费反应物的总质量，ｇ。　池可用于训练，锌／银电池已用于美国ＭＫ３０、　ＭＯＳＳ、Ｄｒａｐｅｒ／ＤＡＲＰＡ及我国ＣＲ－２等型ＵＵＶ，由　于理论比能量尚且与ＵＵＶ动力电池长远要求有　相当距离，这类电池不可能满足ＵＵＶ的长远要　求，只能近期被部分采用。２）图２左上方主要由　锂电池和金属空气电池组成，其中Ｌｉ／ＳＯＣＩ　电池　理论比能量大于１　０００　Ｗｈ／ｋｇ，已用于美海军长　期水雷侦测系统（Ｌｏｎｇ．Ｔｅｒｍ　Ｍｉｎｅ　Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＬＭＲＳ）ＵＵＶ，可以较好地满足近期要求，　但要满足ＵＵＶ的长远要求仍无可能。现有锂／聚　合物电池和锂离子电池都已用于多型ＵＵＶ，但其　理论比能量也不高（见表２），也只能满足近期要　求。Ｌｉ／Ｆ电池的Ｅ　高达６．０６　Ｖ，理论比能量达　由于电池实际电压低于　，其质量还包括电　解质、隔膜（隔离物）、电池壳、集流体、极柱，甚至　包括反应物贮存供给装置、辅助系统等，远大于反　应物的总质量，所以，电池实际比能量一般只有理　论比能量的２５％一３５％　。即在一般情况下，要　想获得大于１　０００　Ｗｈ／ｋｇ的实际比能量，理论比　能量至少要大于２　８５７　Ｗｈ／ｋｇ才有可能。各种典　型电化学能源体系的理论比能量见图２　Ｅ７］。　鱼雷技术　ｗｘｇｗ．ｙｌｊｓｚｚ．ｃｎ　６　２６０　Ｗｈ／ｋｇ，它是正负极反应物质都考虑在内的　理论比能量的上限，但由于氟的强氧化性及安全　性问题，至今该体系未形成实用电池。３）图２右　上角内插图为燃料电池或半燃料电池，有更高的　理论比能量。其中氢／空气电池由于只考虑燃料　氢的质量，而氢又是在所有元素中产生１　Ｆ电量耗　用质量最小者，所以在所有电池中，氢／空气电池　８３　２０１０年４月　鱼雷技术　第ｌ８卷　具有最高的理论比能量，达３２　７０２　Ｗｈ／ｋｇ。半燃　料电池也具有较高的理论比能量（如铝／空气电　池为８　１４０　Ｗｈ／ｋｇ），对于有可能将氧化剂置于耐　容量大到一定程度后，最终决定比能量的是氢氧　压壳外的电池，其实际比能量有很大的上升空间。　氢／氧燃料电池的理论比能量为３　６６０　Ｗｈ／ｋｇ，可　源，特别是氢的质量和体积在贮氢物质（或设备）　中所占的比例，如果增大该比例，可充分利用比能　量上升空间。目前，已有部分类别电池用于　ＵＵＶ，或正在研究准备用于ＵＵＶ，其理论比能　量　，　见表２。　视为最终以氢为燃料而又将燃料和氧化剂都计算　在内的各类燃料电池的理论比能量上限。当电池　如表２所示，锂离子电池的理论比能量是基　表２　ＵＵＶ部分已用或备用电池的理论比能量　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｓｐｅｃｉｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｆｓｏｍｅ　ｉｎ－ｕｓｅ　ａｎｄ　ｓｐａｒｅ　ｂａＵｅ￣ｅｓ　ｆｏｒ　ＵＵＶ　于表中电极材料及相应的反应计算的，随着　新型电极材料的研制成功，新型锂离子电池及锂／　ｋＷ动力电池为例对各类电池进行的比较。从表　３可以看出，二次电池中，锂离子电池和锂／聚合　物电池的比能量和循环周次均高于锌／银电池，曾　经取代或计划取代锌／银电池，但由于其安全和管　理较难，取代放缓甚至出现反复。随着新的电极　材料研制成功，锂二次电池的比能量还有可能提　聚合物电池可望拥有更高的理论比能量。然而，　就现有的二次电池而言，尽管已被选用或准备选　用，由于连理论比能量都达不到ＵＵＶ的长远要　求，所以即使经过再长时间的改进和提高也不可　能满足ＵＵＶ的长远要求，只可能用于对比能量要　求不太高的ＵＵＶ。现有的一次电池也缺少比能　量上升的可能空间，只可能满足近期需求。燃料　电池和半燃料电池有较高的理论比能量，为逼近　或达到ＵＵＶ的长远要求提供了可能性，若能逐步　提高燃料、氧化剂在其贮存供给材料及装置中的　质量比，减小辅助系统的体积和质量，实现燃料电　高，但上升空间仍然有限。Ｌｉ—ＳＯＣＩ：电池具有相　当好的能量特性（有其实际比能量大于６００　ｗｈ／　ｋｇ的报道），由于在ＵＵＶ中放电倍率较低，安全　性也相对好一些，但由于只能使用一次，仍然限制　了其使用的广泛性。一次锂电池中，锂／二氧化　锰、锂／一氟化碳电池的实际比能量都较高，前者　大于２３０　Ｗｈ／ｋｇ和５３５　Ｗｈ／Ｌ（其中，软包装电池　池与ＵＵＶ的一体化设计，将有利于充分利用比能　量的可提高空间。　２．２电池实际比能量的比较　部分ＵＵＶ选用电池的实际能量特性见表　可达４００　Ｗｈ／ｋｇ左右），后者的大型电池可达５９０　Ｗｈ／ｋｇ和１　０５０　Ｗｈ／Ｌ＿ｏ　，但仍与ＵＵＶ的长远要　求有相当大的差距，比能量的提高已没有足够的　上升空间，且只能使用一次，费用过高（特别是　锂／一氟化碳电池）也对近期使用构成障碍。　Ｔｏｒｐｅｄｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｗｗ．ｙ￣ＳＺＺ．ｅｎ　３¨…。表３是美国水下战中心以ＵＵＶ使用的２．５　２０１０年４月　蔡年生：ＵＵＶ动力电池现状及发展趋势　第２期　理论比能量高的燃料电池也确实获得了高的　１　ｈ。阳极可用时间１００　ｈ。电池组由４个铝／双　实际比能量。表中列出的ＮａＢＨ　和ｃ　Ｈ：　，其氢　的质量与贮氢物质质量比都大于德国潜艇ＡＩＰ燃　料电池中的金属氢化物贮氢方式，相应地，电池系　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　３０００时，由６电池串联，可续航　统有更高的比能量。实际比能的比较也表明，通　６Ｏ　ｈ／４４０　ｋｍ。堆电压９　Ｖ经ＤＣ／ＤＣ供系统稳定　的３０　Ｖ电压，容量５０　ｋＷｈ，比能量１００　Ｗｈ／ｋｇ。　１８５　Ｌ／７　ｍｏｌ　ＫＯＨ连续加入双氧水（７０Ｌ／５０％　ＨＰ）以保持稳定（而较低）的过氧化氢及氧浓度。　半燃料电池（如铝／氧电池）已进入应用研究　阶段。加拿大燃料电池技术公司（原铝能公司）　常使用的电池包括近几年商品化的锂二次电池实　际比能量都不足２００　Ｗｈ／ｋｇ，与ＵＵＶ长远要求有　相当大的差距。燃料电池系统由于氢在贮氢材料　及供氢装置中的质量比较低，实际比能量长期徘　徊在１００　Ｗｈ／ｋｇ左右，在ＵＵＶ电池研究的推动　下，贮氢技术及高氢含量碳氢化合物重整技术有　所突破，硼氢化钠液氧质子膜电池、液氢液氧质子　膜燃料电池、十二烷液氧固体氧化物燃料电池　（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ，ＳＯＦＣ）都已经获得较高比　能量而且还有较大的上升空间，最有希望满足　ＵＵＶ对动力电池的长远要求。　为ＸＰ．２１　ＵＵＶ（其国防部组织研制，直径２ｌ　ｉｎ，长　６　ｍ，重５００　ｋｇ）研制的铝／氧电池系统长２．２４　ｍ，　重４００　ｋｇ，可供能１００　ｋＷｈ，为原用铅酸电池的８　倍。该电池组由２个７６单体组成的电堆并联，放　电电压９０～１２０　Ｖ，输出功率２　ｋＷ，约０．２　ｋＷ耗　于自身辅助系统，能量密度２６０　Ｗｈ／Ｌ¨　。　提高燃料、氧化剂在其贮、供材料及装置中的　质量比，提高ＰＥＭ燃料电池实际比能量的研究工　作已取得进展。美国Ｓｉｅｒｒａ　Ｌｏｂｏ公司以２１　ｉｎ　３　ＵＵＶ动力电池应用概况及发展趋势　３．１　ＵＵＶ动力电池应用概况　为了满足ＵＵＶ的近期要求，各类电池都针对　ＵＵＶ进行了应用研究，部分应用情况如表４所　示。已用于ＵＵＶ的一次电池有锂／亚硫酰氯电　池，二次电池有锌／银电池、锂离子电池、锂／聚合　物电池，半燃料电池有铝／双氧水电池、铝／氧电　池，燃料电池有ＰＥＭ电池，另外，碱锰电池、铅酸　ＵＵＶ为应用目标研制的液氢液氧ＰＥＭ燃料电　池，由于贮氢密度的提高，比能量从１００　Ｗｈ／ｋｇ　左右提高至３５０～７６０　Ｗｈ／ｋｇ　Ｊ６　３。液氢液氧可从　母船电解水制得的氢、氧液化后灌装。　ＳＯＦＣ电池小型化、实用化研究取得了重大　进展。美国水下战中心为ＵＵＶ研制的ＳＯＦＣ电　池准备用于大型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、ＣＯ　电池也有个别用例。　３．２　ＵＵＶ动力电池主要进展及发展趋势　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一型电池　。　吸收装置等部分组成。２００５年针对２１　ｉｎ　ＵＵＶ进　行了可行性试验　，以十二烷为燃料，液氧为氧　ＨＵＧＩＮⅡ采用铝／双氧水电池，每补充一次双氧　水可工作３６　ｈ。更换电液补加双氧水的甲板时间　鱼雷技术　ｗ＇ｃｆｗ．ｙ￣ｓｚｚ．ｃｎ　化剂，十二烷经蒸气重整后输人由３００单体组成　的电堆产生电能。该系统输出功率２．５　ｋＷ（４　ｋｎ　８５　２０１０年４月　鱼雷技术　第１８卷　表４　ＵＵＶ部分动力电池应用情况　Ｔａｂｌｅ　４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｐｏｗｅｒ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｆｏｒ　ＵＵＶ　时１．３　ｋＷ，１７　Ａ；７　ｋｎ时２．５　ｋＷ），可工作４０　ｈ，　总能量１００　ｋＷｈ，最大效率４５％，工作温度７５０～　比容量的嵌锂电极材料，进一步提高比能量及安　全性，使维护更简单方便，更好地满足ＵＵＶ的近　期要求。锂／亚硫酰氯电池和锂／一氟化碳电池可　发挥比能量高的优势，进一步提高安全性并降低　价格。锂／二氧化锰电池可发挥比能量较高和价　格低廉的优势，加强应用研究和均匀性研究可增　强竞争力。　燃料电池同时具有较高实际比能量和较大比　能量提高空间，用于ＵＵＶ的常规电池将逐步被比　能量更高的燃料电池或半燃料电池取代。燃料电　池在发展过程中将努力提高氢及氧在其供给装置　（贮存材料、化合物、贮存装置、重整制氢装置、供　给装置等）中的质量比。质量比较大的燃料电池　类别将得到好的发展。如以液氢方式贮氢的　ＰＥＭ燃料电池、以碳氢化合物为燃料的ＳＯＦＣ电　Ｔｏｒｐｅｄｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＷＷＷ．ｙｌｊｓｚｚ．ｃａ　８５０　ｏＣ，总有效体积１８９　Ｌ，质量２０９　ｋｇ，比能量　４００～６００　Ｗｈ／ｋｇ，能量密度４００～６００　Ｗｈ／Ｌ，可循　环３０～４０周。该ＳＯＦＣ比能量高于通用的一次　电池和二次电池，比能量可与锂／亚硫酰氯电池竞　争，而可补加燃料循环使用则是优势。　为满足ＵＵＶ的近期需求，常规电池将发展各　自的优势以改进提高。如锌／氧电池可发挥使用　安全、比能量较高、电压精度高等优势。研制采用　比电阻适当，阻挡银迁移能力强，化学稳定性好的　接枝膜延长循环寿命，按ＵＵＶ的工作制优化设　计，提高比能量，使其在ＵＵＶ的近期使用中占有　席之地。锂离子电池和锂／聚合物电池可发挥　比能量高和平均单次使用费用低的优势，拓展高　２０１０年４月　蔡年生：ＵＵＶ动力电池现状及发展趋势　第２期　池、硼氢化物燃料电池、硼氢化物／双氧水燃料电　池等。　［７］查全性．试论高比能电池进展［Ｊ］．物理，１９９８，２７　（１０）：５９２—５９８．　４结束语　ＵＵＶ在军事、科学、经济等领域都具有十分　重要的战略地位，势必会有大的发展。目前，已用　于ＵＵＶ的电池有锂／亚硫酰氯电池、锌／银电池、　锂离子电池、锂／聚合物电池、铝／氧电池、铝／双氧　水电池和ＰＥＭ电池等；在研的ＵＵＶ动力电池有　镁（铝）／海水溶解氧电池、硼氢化钠／氧电池、硼　氢化钠／双氧水电池、ＰＥＭ电池和ＳＯＦＣ电池等。　常规的一次电池和二次电池实际比能量不高，而　Ｚｈａ　Ｑｕａｎ—ｘｉｎｇ．Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｅｎｅｒｙ　ｇＤｅｎｓｉｔｙ　Ｂａｔｔｅｉｒｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８８，２７（１０）：５９２—５９７．　［８］毛示曼，刘建国，邹志刚，等．直接硼氢化钠／双氧水　燃料电池研究［Ｊ］．电源技术，２００８，３２（１２）：８２７·８３１．　Ｍａｏ　Ｓｈｉ－ｍｉｎ，Ｌｉｕ　Ｊｉａｎ—ｇｕｏ，Ｚｏｕ　Ｚｈｉ—ｇａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｅｌｅｍｅｎ—　ｔａｒｙ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ａ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｒｏｈｙｄｒｉｄｅ／Ｈ２　Ｏ２　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ［Ｊ］．　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００８，３２（１２）：８２７—　８３１．　［９］Ｄｅｍｉｒｃｉ　Ｕ　Ｂ．Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｒｏｈｙｄｒｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ：Ｍａｉｎ　Ｉｓｓｕｅｓ　Ｍｅｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ·－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ·－ａｓｓｅｍｂｌｙ　ａｎｄ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　且由于理论比能量较低，实际比能上升的空间有　限，仅能满足ＵＵＶ的近期要求，对于ＵＵＶ的长远　要求，半燃料电池和燃料电池已获得较高的实际　比能量，由于有相当高的理论比能量，实际比能量　还有较大的上升空间。将继续提高氢及氧在其供　给装置（贮存材料、化合物、贮存装置、重整制氢　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００７，１７２（２）：　６７６－６８７．　［１０］Ｃａｒｒｅｉｒｏ　Ｌ　Ｇ，Ａｌａｎ　Ａ．Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　［ＥＢ／ＯＬ］．２００６—９—１　２．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｔ１．ｄｏｅ．ｇｏｖ／ｐｕｂ—　ｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．　［１１］李一平，燕奎臣．“ＣＲ－２”自治水下机器人在定点调　装置、供给装置等）中的质量比，使其逐步满足　ＵＵＶ的长远要求。动力源是ＵＵＶ技术发展的主　要瓶颈之一，作为主要动力源之一的动力电池由　于现有水平与ＵＵＶ的长远要求差距较大，而且研　究周期较长，需要及早地启动相应的高比能电池　研制计划。　参考文献：　查中的应用［Ｊ］．机器人，２００３，２５（４）：３５９—３６２．　Ｌｉ　Ｙｉ—ｐｉｎｇ．Ｙａｈ　Ｋｕｉ—ｃｈｅｎ．“ＣＲ－０２”ＡＵＶ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｐｏｉｎｔ—Ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．Ｒｏｂｏｔ，２００３，２５（４）：３５９—３６２．　［１２］李锡群，王志华．无人水下航行器（ＵＵＶ）技术综述　［Ｊ］．船电技术，２００３（６）：１２—２９．　Ｌｉ　Ｘｉ—ｑｕｎ．Ｗａｎｇ　Ｚｈｉ—ｈｕａ．Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅ－　ｈｉｃｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｊ］．Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３（６）：１２－２９．　［１３］Ｆｅｒｎａｎｄｅｓ　Ｐ　Ｇ，Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎ　Ｐ，Ｂｒｉｅｒｌｅｙ　Ａ　ｓ，ｅｔ　ａ１．Ａｕｔｏｎ—　［１］许韦韦，孟昭香．新兴的水下作战平台ＵＵＶ［Ｊ］．指挥　控制与仿真，２００６，２８（３）：１６—１９．　Ｘｕ　Ｗｅｉ—ｗｅｉ，Ｍｏｎｇ　Ｚｈａｏ—ｘｉａｎｇ．ＵＵＶ，ｔｈｅ　Ｒｉｓｉｎｇ　Ｕｎｄｅｒ—　ｏｍｏｕｓ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ：Ｆｕｔｕｒｅ　ＰｌａｔｆｌＩＩＴＩＳ　ｆｏｒ　Ｆｉｓｈ—　ｅｒｉｅｓ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ『Ｊ］．ＩＣＥＳ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　２００３，６Ｏ（３）：６８４－６９１．　ｗａｔｅｒ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ［Ｊ］．Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ，２００６．２８（３）：１６—１９．　［１４］Ｈａｓｖｏｌｄ　０，Ｊｏｈａｎｓｅｎ　Ｋ　Ｈ，Ｍｏｌｌｅｓｔａｄ　Ｏ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　Ａｌｋａ—　ｌｉｎｅ　Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ／Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｐｅｒｏｘｉｄｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　［２］Ｃａｎｃｉｌｌｉｅｒｅ　Ｆ　Ｍ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＵＵＶ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｒ］．Ｒｈｏｄｅ　Ｉｓｌａｎｄ：ＮＵＷＣ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｎｅｗｐｏｒｔ，１９９４：１４７—１５１．　ｔｈｅ　Ｈｕｇｉｎ　ＩＩ　Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ—　ｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，１９９９，８０（１－２）：２５４—２６０．　［３］Ｋｅｖｉｎ　Ｌ．Ｄａｖｉｅｓ　Ｉ，Ｍｏｏｒｅ　Ｒ　Ｍ．ＵＵＶ　ＦＣＥＰＳ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｒ］．Ｍａｎｏａ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｈａｗａｉｉ．２００６：８—９．　［１５］Ｄｏｕｇｈｅ￣ｙ　Ｔ　Ａ，Ｋａｒｐｉｎｓｋｉ　Ａ　Ｐ．Ｗａｎｅｒ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ａｌｕｍｉ—　Ｂｕｍ—Ａｉｒ：Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ，１９９６，３５４７（３）：７—１６．　［４］Ｈａｓｖｏｌｄ　０．Ａ　Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ—ｓｅａｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｒ　Ａｕ—　ｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．『Ｃ］／／Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　１４：Ｔｈｅ　１８　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．　Ｓｔｒａｔｆｏｒｄ　ｕｐｏｎ　Ａｖｏｎ，１９９３：２４３—２５５．　［１６］Ｓｔｏｏｐｓ　Ｂ　Ｎ，Ｎｇｕｙｅ　Ｃ　Ｔ，Ｈａｂｅｒｂｕｓｃｈ　Ｍ　Ｓ．Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　ｆｏｒ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ａｕｖａｃ．ｏｒｇ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｐｕｂｌｉ—　ｃａｔｉｏｎｓ／ｆｉｌｅｓ／２００９／ｓｌｉｕｕｖｆｕｅｌｃｅｌ１．ｐｄｆ．　［５］Ｈａｓｖｏｌｄ　０，ＳｔＯｒｋｅｒｓｅｎ　Ｎ　Ｊ，Ｆｏｒｓｅｓ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　ｆｏｒ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ—　ｈａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００６，１６２（２）：９３５—９４２．　［１７］Ｂｕｒｋｅ　Ａ　Ａ，Ｃａｒｒｅｉｒｏ　Ｌ　Ｇ．Ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ａｎ　Ａｉｒ～　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｕｎ—　ｍａｎｎｅｄ　Ｕｎｄｅｒｓｅａ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｌ　Ｊ　１．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　［６］Ｌｉｎｄｅｎ　Ｄ，Ｒｅｄｄｙ　Ｔ　Ｂ．电池手册［Ｍ］．北京：化学工业　出版社，２００７：１１—１２．　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００６，１５８（１）：４２８－４３５．　（责任编辑陈曦）　鱼雷技术ｗｗｗ．ｙｌｊｓｚｚ．ｃｎ