关于水下电池的安全性和应用方向，你需要了解这些

全球对能源需求的不断增加，钻井、石油钻机和海洋生产平台等设施已成为海洋工程公司的重要资产组成。而这些设施的任何缺陷都将对环境和经济造成重大不利影响。

例如，英国石油公司（BP）深水地平线石油钻井平台爆炸，造成11人死亡，并在墨西哥湾造成广泛污染。英国石油公司发布的一份报告得出结论认为：事故是由“一系列复杂而相互关联的机械故障、人类错误判断、工程设计、操作实施等引起的”。

由此事故引起行业对海上石油平台安全应急机制的极大关注，如何有效、实时和安全的对海洋石油平台的水下部分进行安全检查成为不得不去考虑的问题，此时发展日渐成熟的无人水下系统当仁不让的成为了主角儿。

水下无人航行器如电动水下机器人、用于各种深水应用的遥控潜水器（ROV）和自治水下机器人（AUV）对于检查这些海上石油钻井平台的可能存在的安全隐患具有明显优势。这些设备能够在人类潜水员无法到达的深水区域进行连续有效的实时监测。

Hugin AUV的电池包用的是Kraken公司的

©Ocean Infinity

在过去的几十年里，这些机器人系统在恶劣和深远的环境中应用越来越普遍、性能和安全也越来越可靠。显而易见，安全、可靠、即时性的要求使得这些水下机器人对供电系统的要求也变得更加严格和苛刻。由于任务的多样性和复杂性，水下机器人需要更大的功率和续航能力，所以电池一方面必须足够坚固，以增强环境适应性（尤其是用于应急供电的遥控潜水器的电池），另一方面设置于水下的电池必须在耐久度和稳定性方面不断进步。

OPT公司132kWh的水下电池，工作深度500米，最大输出功率15kW，加上密封和安装结构，重量达到了6.7吨

©OPT

海洋可再生能源在海洋工业的发展过程中逐步实现小规模应用，但是可再生能源的周期性和随机性伴随而来的是需要有储能装置平衡这种波动。波浪能加水下/水面电池即是一种比较理想的调峰方案，也是比较好的水下装置供电方案。

水下装备的目前的一个发展趋势就是大深度，这造成了包括无人自主潜航器为代表的机器人系统无法高效往返水面充电的现实瓶颈，往返水面水下会大大缩短机器人的续航时间和工作时间。因此，人们在海底新建一些大容量充电桩是短期的必要选择。

海上油气开采推行无碳生产，新开发油气田在寻求引入大功率风电系统。浮式风电+水下油气工厂或许是未来的选择，因此，超大容量的水下蓄能装置在未来会有很好的应用前景。

另外的，由于气候协定，远洋航运的电力化趋势，对航线上的海上/海底充电中继站也有广泛需求，这些都是潜在的应用场景。考虑到散热和恶劣海况的问题，我更倾向于将储能装置置于海底，使用机器人牵引充电（或充氢气）飞头连接水面水下，即便是氢储能，也是置于海底要稳定许多，储能效率也高。

未来无人航运

©劳斯莱斯

越来越多的无人水下机器人（UUV）被用来执行特定的水下任务。这些UUV一般由UUV本体耐压仓内部储存的电池供电。然而，在紧急情况下，会采用外置的应急电池系统为其提供能源，而这一应急电池系统将面临比耐压仓内电池更加恶劣的工作环境。因此对于外置应急电池系统来说需要具备这些能力：

具有耐压和耐腐蚀性

保持较高的可靠性和功率密度比

基于上述考虑，应急电池单元一般会被封装在一个完全密封的外壳内，以防静水压力和湿气。然而甘蔗没有两头甜，如此密闭的系统如果发生故障，相关人员无法快速处理内部的系统。因此，一方面要求它们坚固可靠，另一方面内部系统一定要可以安全高效地运行。

大家都知道，当电池在密封外壳内放电或充电时，它会释放出由化学反应产生的大量热量和电阻损耗。在典型的电池系统中，由于缺乏电源热管理系统和自由空气冷却系统，电池产生的热量被封死在外壳中，这种积聚的热能是极其危险的，不但对电池的健康有害，而且严重损害电池的耐久度。

水密型磷酸铁锂电池包散热分析

©互联网

目前应急电池系统中普遍使用的电池是LiFePO4（磷酸铁锂）电池，高温是导致LiFePO4电池失效的最常见原因之一。电池热量大量产生和聚集的原因可能是在大电流下充放电以及周围环境中积聚的热能。因此，监控外壳内电池的温度并确保其在安全限值内运行是至关重要的。如果不能调节和控制密闭空间内的温度，则可能会给整个系统带来灾难，并危及无人潜水器的系统安全。因此，由于高能量和高电流范围内温度快速增高的风险，电源热量管理非常重要。同时电池热量管理对部件的使用寿命也有重大影响，合理的热量管理可以确保整个电池系统长时间无故障运行。

水下电池系统设计方案

©互联网

磷酸铁锂电池LiFePO4在电动汽车、智能电网以及最近在AUV应用中已经相当普遍。然而，这一类型的电池很容易受到环境温度或工作温度变化的影响，以及不可预见的过度充电或放电导致寿命缩短和性能不佳。因此，在电池管理系统BMS的开发过程中有必要将环境温度变化纳入到荷电状态（SOC）估算中。

反应热是LiFePO4电池的主要热源，接触电阻过高导致电池内部温度梯度较大。利用COMSOL对LiFePO4电池的热效应进行建模研究是研究电池传热问题的常用方法。相关研究人员依据这一研究方法对锂离子电池外壳上使用氮化硼涂层及其传热性能进行了研究分析。结果表明，该涂层可以改善电池的热管理。

目前国内外对水下航行器（UUV）用LiFePO4电池电源模块的研究较少，目前市场上有许多不同类型的海洋电池动力系统，见下表。一般来说水下电池通常更坚固，能承受海水进入，而水下连接器则能承受UUV中的高水压。如表中所示，电池的能量容量至少为1kWh，最小静态容量为18Ah，输出电流为10A，电池质量可达90kg。这些电池系统的电池类型主要有：聚锂电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、铅酸电池、铅碳技术电池和钛酸锂电池。对于水面应用（即船舶），与用于海上水下应用的电池相比，它们具有更高的充放电电流和更大的形状系数，对外壳设计、连接器和材料的要求更少。船用蓄电池动力系统通常在船上蓄电池室保持干燥状态。与锂离子电池相比，船东仍在使用的普通铅酸电池，可能相当重且占用空间。

市面上常见的一些海洋用电池动力包

©互联网

在海洋电池的使用中，电池的模块化技术是一个主要的方向，电池的模块化设计可以使用户快速更换已放电的电池和新充电的电池，它能使水下设备在海域快速更新能源进行部署。此外，模块化的电池电源系统通常配备耐压外壳，这样就可以不用为电池单独预留舱段，安全系数更高。