国防资讯 | 大型UUV的增程途径——燃料电池

图1.Dive Technologies公司的DIVE-LD大型UUV

这个领域现在由锂电池主导。但随着包括海军在内的各方都在寻求进一步提高续航能力，燃料电池也再次成为考虑的对象。锂电池（一次、二次、耐压或不耐压）或燃料电池的选择取决于AUV的大小和用户的使用概念。

Cellula Robotics公司的AUV产品经理说：“这世上你能做到最简单的事恐怕就是给AUV接上插头，为它充电。”然而，这也意味着它此时不能工作。他说，在商业领域，作业是在昂贵的调查船上进行的，为更换二次电池付费是值得的，这样可以让航行器直接回到水中。但对于远程XLUUV型航行器来说，更可能从岸上布放，岸上的准备时间不那么关键，因此这不是一个问题。如今，英国国家海洋学中心（National Oceanography Centre，NOC）最近用其ALR4证明，一组锂一次电池可让AUV航行近2000 km。但对一些人来说，能够航行5000 km的燃料电池更具吸引力。

图2 Cellula公司的燃料电池

图3 Cellula公司的Solur-LR UUV

图4.康斯伯格公司（Kongsberg）在C&C公司的一艘Hugins AUV上使用半燃料电池

1. 历史沿革

早在1980s年代和1990s年代初，铅酸、镍镉和银锌电池技术就被用于水下航行器。国际潜艇工程公司（International Submarine Engineering）的Theseus AUV使用银锌二次电池，续航时间达到了60 h，用于在加拿大国防Spinnaker项目中铺设了光纤监听缆。但这些电池要么能量低（镍镉/铅酸电池），要么成本高，要么循环寿命短（银锌电池），因此人们开始寻找替代品。

在挪威，挪威国防研究机构（Norwegian Defence Research Establishment，FFI）为AUVs开发了一种镁/溶解氧“海水电池”，AUV能以4 kn的速度航行1000英里。但是它没有足够的能量给传感器供电。因此，FFI开发了一个新概念，“铝-过氧化氢”半燃料电池，它使用过氧化氢、氢氧化钾和铝棒。最初，它能进行36 h的潜水。当时，海上油气行业的勘探深度超过1500 m，然后是2500 m。在这些深度上，操作者想要一种比深拖更精确的测量方法。现在是Oceaneering公司一部分的C&C技术公司（C&C Technologies），决定投资AUVs来完成这项工作。Oceaneering公司产品经理Jami Cheramie说，在考虑开发自己的机器人后，该公司向市场推出了关键属性：3000 m额定深度，真正精确的导航和48 h运行时间。

2. Hugin 2的燃料电池

康斯伯格公司（Kongsberg）将FFI的铝-过氧化氢半燃料电池技术商业化到Hugin 2中，满足了他们的需求（Hugin 1用一组3 kWh的镍镉电池），将容量提高到48 kWh。在第一轮任务中，仅用8个月就完成了原计划3年完成的墨西哥湾（Gulf of Mexico）测绘任务。

Cheramie说：“这个容量比任何人能提供给我们的都要大得多。它让我们可以不假思索地潜水48 h。”到2005年6月，C&C公司使用稍大一些的航行器获得了78 h kWh的容量。但这是有代价的。“过氧化氢和氢氧化钾的后勤保障是一个问题。它们很危险，这可能会增加物流问题。”大约在同一时间，锂离子电池开始商业化。但它们不能提供同样的能量密度——72 kWh半燃料电池的体积只相当于24 kWh锂电池的体积。但它们更容易使用，所以很快被广泛采用。多年来，其化学反应也有了改善。“我们已从每个电池包6 kWh增加到今天的8 kWh，再到12 kWh。所以我们现在可携载大约72 kWh（6×12 kWh）的电池组。锂电池已经赶上了我们在2005年所达到的指标，现在大多数（商用）AUVs都是基于锂电池的。”

 3. SeaPower电池

大多数锂电池实际上都产自少数制造商，不同的是它们的包装方式。一些制造商将电池装在防水容器中，另一些制造商则制造耐压电池。对于较小的浅水航行器，后者更有意义，反之亦然。

Kraken Robotics公司从约2017年开始就一直在做后者，当时该公司参与了为AUVs开发锂电池的工作。Kraken Sonar Systems公司业务开发总监Jeffrey Bartkowski表示，传统上用于水下航行器（以及笔记本电脑）的18650锂电池不能承压，因此需在水下使用耐压外壳。“它们是小型电池，需要很多连线来增加容量，因此可能有更多的地方出错。为了增加密度，它们被紧密封装在压力外壳中，一旦有一个炸裂，传播就很难停止。压力外壳需要一个安全阀，但如果安全阀不起作用，那么你就有了一个炸弹。”

Kraken公司的SeaPower电池采用更大的耐压软包电池，采用硅胶封装技术，不需要压力外壳或油补偿器，减小了尺寸、重量和成本。

“我们正在制造15 ~ 27 kWh的电池。其它的耐压外壳电池（pressure housing batteries）通常是3、4甚至10 kWh，你必须将它们堆叠起来以获得所需的容量。”这对深水AUVs来说是有意义的。Bartkowski说，耐压外壳电池适用于重量较轻的浅水AUVs，因为在1000 m以下，耐压外壳电池的能量密度可能更高。然而，在1000 ~ 3000 m之间，耐压电池（pressure tolerant batteries）变得更有效。

他说：“通常对于较大口径的UUVs，例如DIVE LD，我们会安装6块电池，这将提供高达1000 km的航程（确认）。我们在Anduril （Dive Technologies）、Teledyne Gavia Sea Raptor和其它我们不能透露的平台上开展工作。”

他补充道：“使用Kraken SeaPower电池后，我们已能在相同体积下提供80 kWh的电量，而制造商最初为6000 m级航行器提供的标准电量为~50 kWh。我们把他们的续航力从2天变成了4天，只是做了一些不同的事情，同时减少了连接的数量。在深水中，下潜到海底需要长达5 h，再浮上来也需要大约同样的时间，您当然宁愿每4天或更多天后回收一次航行器，给电池充电，而不是每两天回收一次。”

图5.安装在Ocean Infinity公司AUVs上的Kraken公司SeaPower电池

4.LiFT电池

通用原子电磁系统公司（General Atomics Electromagnetic Systems，GA-EMS）的产品是锂离子容错（Lithium-ion Fault Tolerant，LiFT）电池系统，产品容量从1~500 kWh以上。GA-EMS公司海洋项目副总裁Rolf Ziesing表示，这些设备已用于有人和无人水下应用。他们的目标是用于美国海军的潜布“蛇头”（Snakehead）LDUUV，旨在增加续航力和航程。Ziesing说，驱动LiFT的因素是海军的一些安全要求——在被批准使用在潜艇上之前，能源系统必须得到认可。

Cheramie说，这是因为锂离子电池在美国海军中并不受欢迎，因为美国的海豹运载器（seal delivery vehicle，译注：指SEAL蛙人运载器）发生了一起事故，这意味着直到今天，未经特别许可，锂离子电池不能在海军舰船上使用，在潜艇上则完全不能使用。

Ziesing说：“我们的方法是提供安全的LiIon电池，以满足与所搭载的其它航行器相关的最严格的安全要求。我们使用特性良好的小型商用电池，从物理设计上提供了一层防护，以防止连锁热失控故障，并采用监控电池的软件，从热角度来确保其始终工作在安全范围内。如果出现热漂移，已证明LiFT架构可以容忍任何单个单元失控事件，而不会导致连锁故障。此外，使用小型电池并将它们连接在一起，在尺寸和规格上提供了很大的灵活性，并且从空间使用、电压和电流（选项）方面具有一定的通用性。”

图6 UUV中的GA EMS公司的ALPS（Aluminium Power System）

如今，从锂离子中获得更多能量是一种权衡。航行器不得不更大，或者电池化学成分不得不更具有风险。Cheramie说，关键是你有多大胆。Bartkowski说，一些锂化学成分能提供比目前常用的更高的能量密度，但也需要权衡。“密度更高可能会更不稳定，或者减少充电循环次数，因此可能不是水下航行器的最佳选择。锂电池可能很危险，在水面舰船上近距离充电一直是一个问题。耐压电池无需耐压外壳，释放的高能气体非常少，因此具有更安全的故障模式。美国海军的锂电池上舰认证程序是世界上最严格的程序之一。”

锂电池的采购也面临挑战。Bartkowski说，与电动汽车制造商相比，AUV的消费者微不足道，因此交货时间可能是该行业的一个难题。同时，电池技术乃至AUV电池也从汽车和其它商业应用的研发中受益匪浅。他说：“如果不继续投入资金研发，我们就永远无法获得如此高容量的电池。”一次电池也可提供更多的容量，但缺点是它们不能充电。英国国家海洋学中心（NOC）最近在其Autosub Long Range 4的试验中使用了一次电池，证明了英国以外1700 km的远航能力，使用74 kWh的一次亚硫酰氯锂电池，在5天内航行了1000 km。

图7.GA-EMS公司的UUV动力能源概念

但Ziesing说，锂还有更多的潜力。“在如何提高锂电池的效率方面有了新的进展。GAEMS正在为电池中的阳极和阴极开发纳米技术，纳米尺寸的颗粒可以增加表面积，并在相同形状因子条件下提高效率和容量。”除此之外，非锂电池，如固态电池，也正在探索中，但仍处于开发阶段。

然而，Bartkowski认为在不久的将来没有任何材料可以取代锂。他说：“我还没有看到一种技术在未来10年内可以取代锂。”

Cellula Robotics公司的AUV产品经理Alex Johnson说：“我们的目标是在今年夏天完成24 h完全由燃料电池驱动的任务，然后在秋天完成1000 km的任务。”

5.燃料电池的回归

潜艇和XLUUV上也使用柴油发电机和电池的混合动力系统，比如15.5 m长的Echo Voyager，可航行6500海里。但对于不太大的AUVs和需要隐身的AUVs，这是不可行的，所以燃料电池，特别是氢燃料电池，再次变得有吸引力了。

美国海军研究办公室（ONR）自2011年以来一直在积极研究这一想法。西班牙的JALVASUB Engineering公司正在推广她的HYCOGEN系统，而德国的蒂森•克虏伯海洋系统公司（Thyssenkrupp Marine Systems）也在潜艇系统的基础上开发了一种燃料电池，用于其“可改装水下母艇”（Modifiable Underwater Mothership，MUM）项目。

图8.德国蒂森•克虏伯海洋系统公司的“可改装水下母艇”（MUM）模拟图

Johnson说，燃料电池之所以具有吸引力，是因为它们单位质量的能量密度更高。“一旦有了中型和大型AUVs，就在相同的空间里能塞进多少能量而言，氢燃料电池的效率要高得多。对于同样大小的航行器，使用氢燃料可比使用电池的航行器多航行30% ~ 50%。这是一个很大的优势，在改善这些数值方面还有很多工作要做。”

今天的燃料电池通常是基于质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）技术，该技术将氢气和氧气在电化学反应过程中释放的化学能转化为电能，而不是直接燃烧氢气和氧气产生热能。这些燃料电池的工作原理是将氢和氧注入聚合物膜电解质和铂基电极，产生电能，同时产生作为副产品的热和水。

它们的吸引力在于储氢介质的能量密度比电池高得多。但对燃料电池本身的要求通常限制了它们只能用于大型UUVs。在无法直接接触空气的太空或水下使用时，处理原料和副产品是一些主要挑战。总的来说，它们比电池更复杂。

Johnson说：“如果你想航行不到1000 km，使用氢燃料电池可能没有太大意义。当航程超过1000 km后，它的优势才能真正显现，使航行器更高效，比纯电池版更具成本效益和能力。有许多AUVs在1000 km以下用电池可以工作的很好。所以如果AUVs的长度是5~6 m或更短，它很可能就不是氢燃料航行器。对于长度超过5~6 m且直径90 cm的AUVs而言，燃料电池很有意义。”Johnson称，Cellula公司的氢动力Solus LR比Hugin Endurance小了30%，但两者的航程都是2000 km。Cellula与澳大利亚海军合作的“海狼”（SeaWolf）项目（也称Solus XR）甚至更大（12 m），携带更多的氧气和氢气，目标是5000 km。Johnson说：“就我们能否利用一项技术走得更远而言，这简直就是一场军备竞赛。”

Johnson称：今年早些时候，Cellula公司已对其燃料电池进行了续航力的水池试验，在3天多的时间里没有出现任何问题，“我们现在正在将它集成到AUV中，以进行更多的海试。我们的目标仍然是在今年完成完全由燃料电池驱动的24 h，1000 km任务。”

6.空间等领域的电池

康涅狄格州（Connecticut）的英菲尼迪燃料电池和氢气公司（Infinity Fuel Cell and Hydrogen）自2012年以来一直致力于ONR资助的项目。包括一个与通用原子公司（General Atomics）合作的项目——推进ALPS（铝动力系统）。Infinity的创始人兼首席执行官比尔•史密斯（ Bill Smith ）自1980s年代以来一直从事燃料电池相关项目，包括各种美国宇航局（NASA）的项目。

他说：“我们的燃料电池设计不同于水面或空中的呼吸式设计，因为我们使用纯氢和纯氧，通过被动方式管理燃料电池技术的关键部分——除水，所以注水时没有噪音，也无需额外的系统来循环氧气。”

图9.Infinity Fuel Cell and Hydrogen公司的燃料电池

“阴极水的去除是一个关键问题。在传统的氢气-空气燃料电池中，当水产生时，空气吹过阴极，通过夹带雾沫将水带走。在其它氢-氧燃料电池中，氧气通过阴极循环，夹带雾沫除去水，然后用一个单独的装置将水从氧气中分离出来，这个装置可能是一个离心式分离器。这些系统更复杂，噪声更大。我们的系统通过保持氧气和水收集室之间隔膜两侧的压差来去除阴极产生的水，这种隔膜允许水通过，但阻止气体通过，由于材料内部的孔隙结构，在某些情况下压差高达30~50 psi。我们能够在NASA的帮助下开发这项技术，并将其从一个技术想法推进到原型，现在正努力向产品转化。”

“被动除水是核心技术，可以在很长一段时间内工作得很好，它可以在低功率下以及非常高的功率下工作。我们已能以高达2 A/cm2的电流密度运行一些系统。我们仍然依赖主动冷却系统，所以不是完全被动的，但我们没有旋转式气体循环和相分离设备。”

关于燃料电池有很多需要考虑的问题。FFI表示，一些挑战是围绕氢气和氧气的储存或生成、航行器的浮力和均衡、环境条件以及来自燃料电池在密封容器中运行等挑战。与其它任何航行器一样，下潜到更深的地方也有成本问题，那里没有可商用的油箱，这会增加工程成本。

Johnson说：“一些最大的挑战是建造为汽车提供燃料的基础设施，并确保你能获得氢气和氧气、泵和相关的整个基础设施。地面交通以及人们对氢的舒适度也存在挑战。这些都是我们面临的最大挑战，因为这是新的、不同的挑战，并存在明显的风险。”

最终，所有的选择都是需要权衡的。有些人比其他人更直截了当。Cheramie说：“燃料电池就像一场车祸，发生概率高，但你可能不会死。使用锂，一旦发生事故，就会像飞机失事一样，将是灾难性的。这就是权衡。”

所以，如果不用电池或燃料电池，还能用什么？有人建议使用核燃料，如氡、铍等，火星探测器上就有一个核反应堆。但如果你丢失了装有核材料的UUV怎么办？。

图10.通用原子公司（General Atomics）的LiFT电池模块

7.  混合动力系统

GA-EMS正在研究的另一项技术是铝动力系统（Aluminium Power System，ALPS）。Ziesing说：“我们不制造或设计燃料电池，我们设计和制造动力和能源系统，并为应用而寻找最佳燃料电池。铝储能高，但是惰性的。我们制造了一种特殊的铝合金，让铝与水接触就会溶解，这种相互作用就会产生氢。所以这是一个非常高效、丰富的氢源。这就是它在燃料电池能源系统概念中的作用。我们有不同的系统方法：一种方法是产生高压氢气，可以装瓶储存；另一种是根据燃料电池的需要，按需制造低压氢气。这是一种化学反应，所以它可以打开和关闭。”

“在大型UUV中，我们的方法是将ALPS置于前端，为燃料电池提供氢气，它是与LiFT电池一起工作的氢发电站。电池可以用于更大的电力负载，比如驱动推进电机，然后使用燃料电池为电池系统充电，所以它是一种不依赖空气的电力单元。我们已经演示验证了有意义的持续工作时间，模拟了一个概念性的大型UUV的工作情况，工作时间在数周的数量级上，且在此期间平台经历了不同的功率循环周期。”

GA在2019年对ALPS进行了试验，为Teledyne Energy Systems公司的一组燃料电池提供氢气和氧气，该燃料电池为一台ROV提供电力。

Ziesing说：“我们的目标是建立一个混合动力发电装置，将功率能源能力提高10倍。这是一个实质性的提高。与浮力发动机等其它技术结合使用，我们正在设计一种大型UUV，可在水下工作超过一个月，航程数千英里。我们的目标是使大型UUVs具备非常广泛的水下作业能力。”

“全锂电池无法提供混合动力系统所能提供的续航力。你可以直接使用燃料电池，但我们目前正关注的是混合动力系统。如果你观察一些较大的UUVs，它们的动力系统由电池和传统的柴油发电机组成，后者用于为电池充电。困难在于需要空气，而要得到空气，就要浮出水面，这就失去隐蔽性。”去年，行业赢得了美国海军LD UUV（Snakehead）项目的合同，包括电机和动力系统。Snakehead项目寻求从潜艇上发射LD UUVs，但该项目在与潜艇的接口上遇到了挫折。