科技动态 | 海用电池组、充电和容量测试

图1.   英国科考船詹姆斯·克拉克·罗斯号（James Clark Ross）上部署的伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）的SeaBED AUV吸引了一对好奇的南极企鹅的注意，这是一种大浮力、小重量的自动扶正航行器。航行器设计者考虑到了低温会降低电池容量。

（图片来源：Hanumant Singh /WHOI）

电池通过浸泡在导电电解液中的两种电化学活性物质产生电能。电池阳极和阴极之间的电位差为电势，单位为伏特。电池由若干个电池单元（cell）串联而成。电池的容量指电池在一段时间内放电的能力，以安-时（amp-hours）为单位。电池的能量，以瓦-时（watt-hours）为单位，是其容量乘以平均电位。电池组是一组串联的电池，以增加电压；或是一组并联电池，以增加电流；或同时兼有串并联。

电池分为原电池和二次电池两大类。原电池仅能使用一次，因为其产生电流的化学过程是不可逆的。例如碱性电池和锂电池（lithium cells）。二次电池可通过充电器进行反向电流充电，内部阳极和阴极板在此过程中被刷新，但这一再生过程并不完美，每次充放电循环中都会有一些物质丢失，这就限制了电池的可充电次数，即循环寿命。

电池的工作原理是化学反应。化学反应速率在很大程度上受温度的影响。深海较低的温度会降低大多数电池化学物质的容量（capacity），有些电池会比其他电池的容量更低。

电池容量等级根据电池适度的放电率（discharge rate）确定。如果实际放电倍率超过合适的放电倍率，电池的电量会因内阻增加而加速耗尽。具体放电图可参阅制造商的数据表。

许多电池都有自放电率，这意味着即使在无负载搁置条件下，电池单元的反应物也会慢慢结合，并减少可用能量。可将可充电电池连在涓流充电器（trickle charger）上以防止这种情况的发生，就像将电缆连到岸上节点一样，但无缆航行器的设计者不得不在一开始就增加额外的容量来解决这个问题。

一些电池的化学成分，主要是镍镉（Nickel-Cadmium，NiCd）和镍氢（Nickel Metal Hydride，NiMH），具有充电记忆效应。这种情况描述了这些电池在部分放电后反复充电，会逐渐失去其最大能量容量。对于具有压力补偿能力的电池而言，增加环境压力对其反应速率并无影响，因为固体或液体材料在很大程度上是不可压缩的。金属外壳电池，包括普通碱性电池，不能进行压力补偿。对电池的物理改装，包括对电池单元进行压力补偿，都会影响电池的容量。

某些化学物质因其可用性、能量密度、操作简易性和成本而在海洋领域得到了广泛应用。这些电池包括：一次电池（原电池），如碱性电池（alkaline-manganese dioxide，碱性二氧化锰）和锂电池；二次电池，包括镍氢（Nickel Metal Hydride，NiMH）电池、镍镉（Nickel-Cadmium，NiCad）电池、铅酸（Lead-Acid）电池，以及最近的锂离子（Lithium-ion）电池和锂聚合物（Lithium Polymer，LiPo）电池。每种电池各有其优缺点，选择电池通常需要进行一定程度的权衡。

直接焊接到电池上可能会损坏电池单元。可以购买带有点焊镍焊片的电池，这样就可以将单体电池组装为电池组。矩形形状的标准包装壳可从Digikey等供应商处购买。许多制造商将单体电池组装成定制的电池组。如果需要自己设计，可在www.powerstream.com/BPD.htm网站上查看《设计电池组的工程指南》（“Engineering Guidelines for Designing Battery Packs”）。

碱性电池：和其他类型的原电池相比，碱性原电池有着最多的标准尺寸，在世界各地都很常见。如果你在一个远方港口，需要临时拼凑一个备用电池组，这种电池很方便。注意在关键应用中，不要依赖弹簧式电池座。金霸王公司（Duracell）报告称当温度下降到0°C时，碱性电池会失去大约1/3的容量。随着电流消耗的增加，温度的影响会变得更加显著。

锂-铁(Li/Fe)电池：这些来自劲量公司（Energizer）的原电池可以替代1.5 V标称电压的碱性电池。Energizer Ultimate Lithium牌AA、AAA电池和9 V电池均采用这种化学原理。在大电流放电循环中，这些电池的容量比碱性电池高2.5倍，由于自放电少，因此具有更长的存储寿命，并且在低温下具有更大的容量。温度对容量的影响只有在电池温度低于0°C时才开始显现。

锂-亚硫酰氯（Lithium-thionyl chlorid，Li-SOCl2）电池：这些原电池在所有普通电池中能量密度最高，并且能在很短的时间内提供大量电流。由于早期发生的事故，每个电池单元都设有一个内部保险丝，以防止短路和迅速放电，从而避免随之而来的排气和可能爆炸的问题。金属锂装在一个不锈钢薄罐中，遇水会剧烈反应。

锂离子电池：这些二次电池不受记忆效应的影响，能够进行中等深度放电，比一次锂电池安全得多。它们可用于需要轻量级和高功率耗电的应用场合。它们需要内置保护装置，以防过充电和过放电。它们的自放电率相对较低，每月约为6%。锂离子电池通常被封装在一个坚硬的金属壳中，以保持电极紧紧缠绕在隔膜上，这增加了一些重量，并限制了电池的形状和尺寸。

锂聚合物电池：锂离子电池的低成本版。LiPo电池在阳极板和阴极板之间使用了一种干而薄的电解质聚合物隔膜，这种结构被称为“酱卷心蛋糕”（“jellyroll”）。这种方法产生了一个很薄的截面和较大的平面形状。一旦完全放电，LiPo电池被认为可以安全地扔进垃圾桶和垃圾填埋场，制造商说，将电池扔进一桶盐水中就能完成处理。

对于海上应用而言，LiPo电池采用“软包”（pouch）设计，具有柔软平坦的形体。软包袋采用真空密封，所有的空隙都由胶体电解质填充。这样就没有可内爆的空间，是压力平衡的充油（pressure-balanced, oil-filled，PBOF）组件的候选电池。本文作者曾亲自测试过浸入Ziplock™袋中矿物油中的软包LiPo，试验压力达20,000 psi（137.9 Mpa），没有看到和测到任何性能下降的现象。对设计师来说，这种设计的潜在优势在于两方面：1）在耐压壳体外部携载电池组，水下载体只需从总浮力中减去水的重量，而内部携载电池组，则要从总浮力中减去它们在空气中的重量；2）在小型海洋着陆器或AUV上，通过拔掉用过的外部电池组并插入重新充满电的电池就可很容易地完成电池更换。

图2.   经测试，LiPo软包电池在充满油的袋子中受到20,000 psi（137.9 Mpa）的压力而未损坏。它们的固态BMS保护电路同样具有耐压能力。

（图片来源：EHAO Manufacturing）

图3. 2012年3月，詹姆斯•卡梅隆（James Cameron）的“深海挑战者”号（DEEPSEA CHALLENGER）正处于母船“美人鱼蓝宝石”号（R/V Mermaid Sapphire）的后甲板上，准备历史性地潜入马里亚纳海沟的“挑战者深渊”海底。驾驶舱在左边，龙骨在右边。右舷PBOF LiPo电池组位于推进器上方中部的透明聚碳酸酯面板后面。第2套相同的电池位于深潜器的左舷。单个电池组分别装在 ISO 浮材合成材料加工的独立口袋中。

（图片来源：Earthship LLC）

铅酸电池：古老的铅酸电池有3种类型：

1）湿电池或充液电池；

2）吸附式玻璃纤维隔板（Absorbent Glass Mat，AGM）电池；

3）凝胶电解质电池。

后两者被称为阀控铅酸（valve regulated lead acid，VRLA）电池，采用免维护设计。铅酸电池的性能与温度相关，当它们接近0°C时，其容量可能会下降到额定容量的60%，具体取决于电流消耗情况。当放电速度低于 1C 时，铅酸电池的容量会大大提高。

铅酸湿电池必须保持直立，否则由35%硫酸和65%水构成的电解液会溢出。它们可以暴露在高环境压力下，并且可以安装在壳体外部，就像在1960年代早期的“里雅斯特”号深潜器（DSV Trieste）上所做的那样。如果暴露在海水中，则必须进行压力补偿。任何补偿液都必须考虑比重、混溶性和相对于电解质的表面张力。

如果用橡胶隔膜密封，就必须对电池进行通风，以控制充电过程中形成的气体。斯克里普斯海洋学研究所（Scripps Institution of Oceanography）的Frank Snodgrass于1968年提出了一种创新的压力补偿方法。他的湿式蓄电池顶部通向海洋，向猫眼指示器注入电解液。每个电池都有一根PVC立管，管内充满了比海水重（sg=1.026）、比电池电解液轻（sg=1.265）的不混溶屏障流体。原来的电池排气帽被拧到立管的顶部，以排出充电时产生的气体。电线被焊接到铅（Pb）柱上。铅酸电池还被用作一次性配重。因此，改装后的电池组件被封装在一个灌注了热沥青的低成本胶合板盒子内。当载体从压载物框架上释放时，一个压力补偿的拉开式连接器允许简单地断开电缆（参见图3）。

图4.   斯克里普斯海洋学研究所的带有一次性压载物框架和铅酸电池的Munk-Snodgrass深海潮汐舱（1968年）。

（图片来源：Photo Science, Vol 162, #3849, Oct 4, 1968）

（图片来源：Global Ocean Design）

胶体密封铅酸（Sealed Lead-Acid，SLA）电池：这种电池基本上是用凝胶型电解质代替湿式铅酸电池中的液体。这使它可在任何位置使用。SLA电池在较低电势下工作，以防止产生气体，这意味着它们永远不会被充满电，这使得其能量密度在所有二次电池中是最低的。SLA电池自放电率低，没有记忆效应，不能快速充电。如果对压力进行补偿，它们的功能可能不会受到影响，不过本文作者从未尝试过。

镍氢电池：NiMH电池能量密度高，自放电率可达30%/月，并具有一定的记忆效应。其最大放电率为5C。NiMH电池在大电流放电应用中具有优势，主要是因为它们的内阻低。NiMH电池在深度放电时可能会出现寿命问题，但如果部署的数量有限，这可能不是问题。

有一种低自放电镍氢电池（low–self-discharge nickel–metal hydride，LSD NiMH）。LSD NiMH电池被称为Eneloop，目前只有AA和AAA两种型号。

确定电池容量的最佳方法是使用计算机控制的电池分析仪测量其实际性能，例如西山无线电公司的计算机控制的CBA V。CBA V可测试任何类型或尺寸、任何化学成分或电池数量的电池，其最高电压为57 V，连续功率高达200 W。西山无线电公司还提供100 V的版本。基本版售价189美元，价格适中，而专业版（Pro）只需再加40美元。

CBA可以测量电池中储存的实际能量，并以安-时或瓦-时为单位进行报告。该系统使用恒流负载在单个页面上以图形方式显示电压与时间的关系。显示的图形可以保存和打印。同一电池在不同条件下的多张测试图，或多个电池在相似条件下的多张测试图，都可以重叠和比较（参见图7）。测试结果标签可以打印出来。

CBA所使用的这种直观易懂的软件旨在保护CBA和被测电池、提供电池单元计数的自动感知、对测试速率进行安全性检查，并推荐最低安全放电电压。

本文作者还使用CBA检查了低压断路（low-voltage cut-out，LVCO）的功能，通过设置 CBA 断电电压比额定 LVCO 最低值低0.50 VDC来防止LiPo电池过放电。LVCO被证实可以像广告中宣传的那样起作用。

原电池可用于测试和预测较大电池组的性能。一旦使用，就会丢弃。可对二次电池或电池组进行测试，然后重新充电。

用于寒冷环境中的电池可放在冰箱或冷冻室中测试，用引线与CBA V连接。

CBA V可以执行功率剖面（Power Profile）测试，这对于设计浮标和无人水面艇（USV）上的太阳能充电系统非常有用。

对于非常低的连续或间歇电流，West Mountain Radio CBA HR（High Resolution，高分辨率）模型被设计用于测试从0.7到10 V的任何小电池，负载电流为1 mA到1000 mA（最大10 W），增量步长为1 mA。

电池测试可由制造商进行，以保证质量；也可由终端用户在开始关键应用之前对电池进行测试，掌握各自的特性，选择合适的电池。测试必须复现预期的现场条件，特别是温度和电流消耗。用户需要根据自己的数据来做出决策。