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[摘 要]UUV续航能力的大小、传感器携带的多少都取决于动力电源的性能，动力电源是UUV整体设计和性能的关键。本文对目前UUV能源的发展现状进行了说明，并对未来UUV能源的发展趋势进行了分析。
[关键词]UUV能源 燃料电池 斯特林热机 不依赖空气推进系统 混合动力
中图分类号：U468.3 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）25―0553―02
UUV执行的任务越来越复杂，需要更大的续航能力，其技术发展将主要集中在能显著提高续航能力的动力电源系统、高度智能化系统、精确导航系统、完善的信号处理系统等方面[1-3]。其中动力电源是UUV整体设计和性能优劣的关键。UUV的续航能力及所能携带传感器都取决于动力电源的性能。然而，传统UUV电源严重限制了UUV的性能，远远不能满足新形势下UUV大航程、多任务的要求[4]，因此急需开发大容量、长续航时间的动力电源。本文分别介绍了传统UUV能源、锂系列电池、燃料电池、半燃料电池、混合能源等，分析了UUV能源的现状和发展趋势。
1、传统UUV能源
传统的UUV能源主要有铅酸电池、镉镍电池和银锌电池。铅酸电池在工艺和成本方面具有一定的优势，但比能量低、循环寿命短等缺点突出，在美国现役UUV中已经被淘汰，目前主要用于UUV训练。相对铅酸电池，镍镉/镍氢电池比能量提高并不明显，使用大电流放电，寿命稍优于铅酸电池，能维持UUV航行4～12h，但性价比不高。银锌电池充电时间长，使用寿命短，低温性能差、成本维护费用较高，比能量是铅酸电池的2～3倍，主要用于轻、中型UUV。传统能源应用于UUV的实例有加拿大的The-seus、英国的AUTOSUB、美国的ODYSEYY AUV等。
2、锂系列电池
锂电池主要有一次和二次锂电池。一次锂电池通常以金属锂作为负极，采用非水电解质溶液，在有机溶剂中加入无机盐使之导电。一次性锂电池的应用实例有美国的海底滑行者和远程水雷侦察系统等。二次锂电池在发展初期多采用金属锂及非水溶剂电解质，由于锂电极多次充电后表面积增大，引起自放电速度增大及安全问题，因此此类电池已很少继续发展。二次锂电池有多种类型，目前最受到重视的是二次锂离子电池和聚合物锂离子电池。
由于锂离子动力电池具有容量大、体积小、重量轻、储存寿命长等多项特点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，成为动力电池的主流。锂离子电池单体电压高、自放电率低、比能量高、循环寿命长，从理论上讲，它适合于各种型号UUV。锂离子电池的应用实例有加拿大的VEXPLORER 5000、美国的REMUS 100和REMUS 6000、挪威的“休金”MRS和法国的Alistar 3000等。
聚合物锂离子电池采用具有离子导电性并兼具隔膜作用的凝胶聚合物电解质代替目前锂离子电池中的液态电解质，电池的工作原理与锂离子电池基本一致。在电池的充放过程中，锂离子通过具有导电性的凝胶聚合物电解质在正负极之间嵌入和脱嵌，从而实现从化学能到电能的转变。聚合物锂离子电池具有更高的比能量、安全可靠、循环寿命长，容量损失少、体积利用率高等许多优点。其应用实例有英国的AUTOSUB 6000、美国的Bluefin-12D和Bluefin-21、德国的“海獭”MKII等。
3、燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能持续转化为电能的电化学装置。主要优点有效率高、噪声低、污染低等。燃料电池中，燃料和氧化剂等活性物质都是从燃料电池外部供给，原则上只要这些活性物质不断输入，产物不断被排除，燃料电池就能连续地发电。目前已经开发出多种类型的燃料电池。其分类方法也有多种，有以电池工作温度分类、有以燃料的种类分类、也有以电池的工作方式分类的。目前普遍采用的是按电解质进行分类，可分为碱性燃料电池、质子交换膜、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐、固体氧化物燃料电池。但也有人为了突出所使用燃料不同，将其分为氢燃料电池、醇类燃料电池、金属半燃料电池等。按照氧化剂的不同，又可分为氧基燃料电池、过氧化氢基燃料电池等。
目前，燃料电池的技术还不够成熟，平台安全性仍有待加强，因此，燃料电池仅在有限的大型UUV上应用，如挪威的3000和“休金”II，美国的“曼塔”和“海马”、德国的“深海”C等。
4、斯特林热机AIP技术
不依赖空气推进（AIP）系统就是在常规水下航行器的蓄电池组和柴油发电机组的基础上再添加一个不依赖空气的推进系统作辅助动力提供给水下航行器。
目前较成熟的AIP系统主要有 “斯特林”发动机（SE-AIP）、闭式循环柴油机（CCD-AIP）、燃料电池（FC-AIP）三种均作为航行器的辅助动力。其中瑞典研制的“斯特林”发动机的新型动力装置最先达到实用阶段，技术也最为成熟，相对于其他AIP系统处于领先地位。
斯特林发动机是一种外部能源加热的活塞式往复发动机。由于可采用各种形式的热源工作，且振动小、噪音低，在常规潜艇、小型潜艇和UUV上具有广泛的发展和应用前景。小型热气机动力系统在能量密度、功率、工作深度和能源供给等方面完全能满足未来UUV动力系统要求。
5、混合动力
虽然燃料电池作为航行器的供电系统具有很多优点，但其动态响应具有一定的时滞。当航行器所需功率波动时，燃料电池的输出功率需经过一段时间的调整才能适应负载的变化；当航行器中的电机回馈制动时，必须吸收电机回馈的电能，而燃料电池不支持能量的双向流动，不能吸收电机制动过程中产生的电能。因此，供电系统中需要一个辅助能源装置与燃料电池互补，共同为负载供电。燃料电池发挥供电时间长、效率高等优势；辅助供电装置发挥其响应快、能量回馈容易等特点。辅助能源的主要作用是提供瞬时加速状态下的辅助动能以及完成制动状态下的能量吸收，故辅助能源对功率密度以及充放电能力要求较高。蓄电池（如铅酸电池、镍氢电池及锂离子电池等）或者超级电容器均为动力性能源，且超级电容器充放电能力更强，但其容量相对不足，综合功率密度、能量密度及成本、安全性等因素，选择镍氢电池作为混合动力系统中的辅助能源。 航行器一般具有多个自由度，亦即一般具有多个电机，各个电机通常在不同的时刻启动、加载、匀速运动、减速制动，导致动力系统功率的波动非常频繁。而在不同工作模式下两种能源的合理分配是整个动力系统能量管理的关键和核心。每个工作模式下动力系统能量流的控制目标侧重点不同，故每个工作模式下采取的控制策略也有所不同。
日本“浦岛”（Urashima）AUV 是采用混合动力的典型。从1991年起，日本海洋科学技术中心就开始研究水下设备的燃料电池系统，开发了一个1.5kW的原型，在1998年开发4kW的系统，使“浦岛”将能以3kn的速度航行300km。1999年完成一个较大的电池（100Ah）单体的研制。开始，“浦岛”的主电池系统（130V 300Ah）采用3个 100Ah电池单体并联组成的。若只使用这些锂离子电池，该航行器将能航行100km。从2002年下半年开始，使用燃料电池系统作为主电源。该混合动力系统包括4kW燃料电池系统和30Ah锂离子电池。锂离子电池（锂离子电池），高效节能电源，是高能量密度的可充电电池；固体聚合物电解质燃料电池（PEFC）将是未来航行器巡航范围超过1000km的有效动力源。
6、结论
除上述介绍的几种能源系统外，UUV可利用的能源还有太阳能、基于铝-海水燃烧的下一代AUV能源系统、以碳氢化合物为燃料的UUV动力源、用来为AUV电源充电的波浪能系统等。现在大部分AUV都是由可充电电池进行供电的（锂离子电池、聚合物锂离子电池、镍氢电池），并配有一定的电池管理系统。有的UUV使用一次锂电池，续航力大；一些较大型的UUV使用铝氧半燃料电池，但维护成本高。目前中小型UUV应用最多的是可充电锂离子电池和聚合物锂离子电池，而燃料电池由于其技术不够成熟、平台安全性有待加强等问题而仅在有限的大型UUV上应用。将不同的电池动力系统与超级电容相结合将成为趋势。
参考文献
[1] Unmanned Underwater Vehicle Fuel Cell Energy/ Power System Technology Assessment[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2007，32（2）
[2] Lithium Polymer Underwater Battery. Tritech International Ltd.
[3] Li-Poly Pressure-tolerant Batteries Dive Deep. Bluefin Robotics Corp.
[4] Battery Technologies for Unmanned Underwater Vehicle（UUV）System. AUVSI Unmanned Systems Program Reviews，2007
注释
[1] UUV燃料电池能源/动力系统技术评估[J].。IEEE 海洋工程期刊，2007（2）
[2] 聚合物锂电池。Tritech国际有限公司
[3] 耐压聚合物锂电池应用于大深度水域。金枪鱼机器人公司。
[4] 无人水下航行器（UUV）系统的电池技术。AUVSI无人系统项目报告，2007
[关键词]UUV能源 燃料电池 斯特林热机 不依赖空气推进系统 混合动力
中图分类号：U468.3 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）25―0553―02
UUV执行的任务越来越复杂，需要更大的续航能力，其技术发展将主要集中在能显著提高续航能力的动力电源系统、高度智能化系统、精确导航系统、完善的信号处理系统等方面[1-3]。其中动力电源是UUV整体设计和性能优劣的关键。UUV的续航能力及所能携带传感器都取决于动力电源的性能。然而，传统UUV电源严重限制了UUV的性能，远远不能满足新形势下UUV大航程、多任务的要求[4]，因此急需开发大容量、长续航时间的动力电源。本文分别介绍了传统UUV能源、锂系列电池、燃料电池、半燃料电池、混合能源等，分析了UUV能源的现状和发展趋势。
1、传统UUV能源
传统的UUV能源主要有铅酸电池、镉镍电池和银锌电池。铅酸电池在工艺和成本方面具有一定的优势，但比能量低、循环寿命短等缺点突出，在美国现役UUV中已经被淘汰，目前主要用于UUV训练。相对铅酸电池，镍镉/镍氢电池比能量提高并不明显，使用大电流放电，寿命稍优于铅酸电池，能维持UUV航行4～12h，但性价比不高。银锌电池充电时间长，使用寿命短，低温性能差、成本维护费用较高，比能量是铅酸电池的2～3倍，主要用于轻、中型UUV。传统能源应用于UUV的实例有加拿大的The-seus、英国的AUTOSUB、美国的ODYSEYY AUV等。
2、锂系列电池
锂电池主要有一次和二次锂电池。一次锂电池通常以金属锂作为负极，采用非水电解质溶液，在有机溶剂中加入无机盐使之导电。一次性锂电池的应用实例有美国的海底滑行者和远程水雷侦察系统等。二次锂电池在发展初期多采用金属锂及非水溶剂电解质，由于锂电极多次充电后表面积增大，引起自放电速度增大及安全问题，因此此类电池已很少继续发展。二次锂电池有多种类型，目前最受到重视的是二次锂离子电池和聚合物锂离子电池。
由于锂离子动力电池具有容量大、体积小、重量轻、储存寿命长等多项特点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，成为动力电池的主流。锂离子电池单体电压高、自放电率低、比能量高、循环寿命长，从理论上讲，它适合于各种型号UUV。锂离子电池的应用实例有加拿大的VEXPLORER 5000、美国的REMUS 100和REMUS 6000、挪威的“休金”MRS和法国的Alistar 3000等。
聚合物锂离子电池采用具有离子导电性并兼具隔膜作用的凝胶聚合物电解质代替目前锂离子电池中的液态电解质，电池的工作原理与锂离子电池基本一致。在电池的充放过程中，锂离子通过具有导电性的凝胶聚合物电解质在正负极之间嵌入和脱嵌，从而实现从化学能到电能的转变。聚合物锂离子电池具有更高的比能量、安全可靠、循环寿命长，容量损失少、体积利用率高等许多优点。其应用实例有英国的AUTOSUB 6000、美国的Bluefin-12D和Bluefin-21、德国的“海獭”MKII等。
3、燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能持续转化为电能的电化学装置。主要优点有效率高、噪声低、污染低等。燃料电池中，燃料和氧化剂等活性物质都是从燃料电池外部供给，原则上只要这些活性物质不断输入，产物不断被排除，燃料电池就能连续地发电。目前已经开发出多种类型的燃料电池。其分类方法也有多种，有以电池工作温度分类、有以燃料的种类分类、也有以电池的工作方式分类的。目前普遍采用的是按电解质进行分类，可分为碱性燃料电池、质子交换膜、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐、固体氧化物燃料电池。但也有人为了突出所使用燃料不同，将其分为氢燃料电池、醇类燃料电池、金属半燃料电池等。按照氧化剂的不同，又可分为氧基燃料电池、过氧化氢基燃料电池等。
目前，燃料电池的技术还不够成熟，平台安全性仍有待加强，因此，燃料电池仅在有限的大型UUV上应用，如挪威的3000和“休金”II，美国的“曼塔”和“海马”、德国的“深海”C等。
4、斯特林热机AIP技术
不依赖空气推进（AIP）系统就是在常规水下航行器的蓄电池组和柴油发电机组的基础上再添加一个不依赖空气的推进系统作辅助动力提供给水下航行器。
目前较成熟的AIP系统主要有 “斯特林”发动机（SE-AIP）、闭式循环柴油机（CCD-AIP）、燃料电池（FC-AIP）三种均作为航行器的辅助动力。其中瑞典研制的“斯特林”发动机的新型动力装置最先达到实用阶段，技术也最为成熟，相对于其他AIP系统处于领先地位。
斯特林发动机是一种外部能源加热的活塞式往复发动机。由于可采用各种形式的热源工作，且振动小、噪音低，在常规潜艇、小型潜艇和UUV上具有广泛的发展和应用前景。小型热气机动力系统在能量密度、功率、工作深度和能源供给等方面完全能满足未来UUV动力系统要求。
5、混合动力
虽然燃料电池作为航行器的供电系统具有很多优点，但其动态响应具有一定的时滞。当航行器所需功率波动时，燃料电池的输出功率需经过一段时间的调整才能适应负载的变化；当航行器中的电机回馈制动时，必须吸收电机回馈的电能，而燃料电池不支持能量的双向流动，不能吸收电机制动过程中产生的电能。因此，供电系统中需要一个辅助能源装置与燃料电池互补，共同为负载供电。燃料电池发挥供电时间长、效率高等优势；辅助供电装置发挥其响应快、能量回馈容易等特点。辅助能源的主要作用是提供瞬时加速状态下的辅助动能以及完成制动状态下的能量吸收，故辅助能源对功率密度以及充放电能力要求较高。蓄电池（如铅酸电池、镍氢电池及锂离子电池等）或者超级电容器均为动力性能源，且超级电容器充放电能力更强，但其容量相对不足，综合功率密度、能量密度及成本、安全性等因素，选择镍氢电池作为混合动力系统中的辅助能源。 航行器一般具有多个自由度，亦即一般具有多个电机，各个电机通常在不同的时刻启动、加载、匀速运动、减速制动，导致动力系统功率的波动非常频繁。而在不同工作模式下两种能源的合理分配是整个动力系统能量管理的关键和核心。每个工作模式下动力系统能量流的控制目标侧重点不同，故每个工作模式下采取的控制策略也有所不同。
日本“浦岛”（Urashima）AUV 是采用混合动力的典型。从1991年起，日本海洋科学技术中心就开始研究水下设备的燃料电池系统，开发了一个1.5kW的原型，在1998年开发4kW的系统，使“浦岛”将能以3kn的速度航行300km。1999年完成一个较大的电池（100Ah）单体的研制。开始，“浦岛”的主电池系统（130V 300Ah）采用3个 100Ah电池单体并联组成的。若只使用这些锂离子电池，该航行器将能航行100km。从2002年下半年开始，使用燃料电池系统作为主电源。该混合动力系统包括4kW燃料电池系统和30Ah锂离子电池。锂离子电池（锂离子电池），高效节能电源，是高能量密度的可充电电池；固体聚合物电解质燃料电池（PEFC）将是未来航行器巡航范围超过1000km的有效动力源。
6、结论
除上述介绍的几种能源系统外，UUV可利用的能源还有太阳能、基于铝-海水燃烧的下一代AUV能源系统、以碳氢化合物为燃料的UUV动力源、用来为AUV电源充电的波浪能系统等。现在大部分AUV都是由可充电电池进行供电的（锂离子电池、聚合物锂离子电池、镍氢电池），并配有一定的电池管理系统。有的UUV使用一次锂电池，续航力大；一些较大型的UUV使用铝氧半燃料电池，但维护成本高。目前中小型UUV应用最多的是可充电锂离子电池和聚合物锂离子电池，而燃料电池由于其技术不够成熟、平台安全性有待加强等问题而仅在有限的大型UUV上应用。将不同的电池动力系统与超级电容相结合将成为趋势。
参考文献
[1] Unmanned Underwater Vehicle Fuel Cell Energy/ Power System Technology Assessment[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2007，32（2）
[2] Lithium Polymer Underwater Battery. Tritech International Ltd.
[3] Li-Poly Pressure-tolerant Batteries Dive Deep. Bluefin Robotics Corp.
[4] Battery Technologies for Unmanned Underwater Vehicle（UUV）System. AUVSI Unmanned Systems Program Reviews，2007
注释
[1] UUV燃料电池能源/动力系统技术评估[J].。IEEE 海洋工程期刊，2007（2）
[2] 聚合物锂电池。Tritech国际有限公司
[3] 耐压聚合物锂电池应用于大深度水域。金枪鱼机器人公司。
[4] 无人水下航行器（UUV）系统的电池技术。AUVSI无人系统项目报告，2007