0 引　言

水下装备类型多样，包括无人潜水器、鱼雷、潜艇、载人潜水器等，在工作时动力来源多样，具体供电方式包括电池、脐带缆、柴电机组、核能、环境能以及多种形式混合供电等，其中电池为水下装备最常见的供电方式。从20世纪80年代开始，锂二次电池发展迅速，日本索尼公司将锂离子电池实现商品化之后，锂离子电池逐渐在无人潜水器等装备上进行应用^[1]，并先后扩展到各类型水下装备。

如表1所示，锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、自放电小、工作电压高、环保的优点^[2−3]，锌银电池体积小、重量轻、电压稳，但价格高且使用寿命短，燃料电池重量轻但体积大、价格高，铅酸电池价格低但比能量低、污染环境。综合来看，对于水下装备，无论是军用还是民用，采用的电池类型主要发展趋势为锂离子电池^[4]。

锂离子电池按使用的正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂等，按电池外形可分为圆柱形、方形、扣式等，按电池外包材料可分为钢壳、软包、铝壳等，按所用电解质材料可分为液态、聚合物和全固态等^[5]，各类型锂离子电池在水下装备中均有应用。

1 锂离子电池在水下无人装备的应用 1.1 无人潜水器

使用电池作为能源的无人潜水器主要包括自主潜水器（AUV）、自主/遥控潜水器（ARV）和水下滑翔机等，其典型代表是国内外均大力发展的AUV。能源技术一直是限制AUV发展的技术难点之一，AUV的水下工作时间与航行距离、航速与负载能力都受到能源技术的直接影响^[6]。由于AUV在民用和军用领域均存在大量应用场景，得益于锂离子电池的快速发展，其在AUV上进行了大量应用。

美国康斯伯格下属 Hydroid 公司的REMUS系列AUV均采用锂离子电池作为能源^[7]。REMUS 100是一种便携式AUV，可由2人完成布放，由伍兹霍尔海洋研究所于1999年研制，早期用于近海岸测量，后经过改进用于搜索和清除水雷。该潜水器电池组由Saft公司开发，可以保证3 kn航速下20 h续航力，电池组容量为1 kWh。后续研制的6000 m级REMUS 6000的能源系统是一个带耐压外壳的12 kWh高度模块化锂离子电池组，可选配加装第二组 12 kWh电池组，具有较好的扩展性。

同样使用锂离子电池的AUV还包括加拿大的ARCTIC EXPLORER、法国的Alistar 3000和日本的Urashima等。

美国的Nereus ARV，电源系统为18 kWh的锂离子电池组，该电池组由2352个容量为2.2 Ah的钴阴极柱状18650型锂离子电池构成，每个单体储存的能量为7.92 Wh，采用168并14串结构组成锂离子电池组，由7个2.6 kWh的模组构成^[8]，如图1所示。

美国的Blufin Robotics公司开发了一批小型、中型和大型自主水下航行器以满足用户对AUV有效载荷、续航能力、稳定性、潜水深度及导航性能的不同需求^[9]。该公司研发出1.5 kWh的耐压锂聚合物电池，具备保护、监视、功率控制和电池调节功能，已通过包括美国海军认证在内的多种水下应用验证，应用于2018年10月更新设计的Bluefin-9。电池不需要耐压外壳，可快速更换，使用全自动充电系统，再充电不超过6 h。电池电压30 V，尺寸为38.4 cm×13.3 cm×21 cm，重14.3 kg。Bluefin-21采用9个1.5kWh的锂聚合物电池模块，提高了潜水器的续航力。Bluefin系列快速可变更换锂电池组如图2所示。

同样使用锂聚合物电池的AUV还包括德国的SeaOtter II、挪威的HUGIN-1000、英国的AUTOSUB 6000等。

除以上由电池作为唯一动力来源的无人潜水器外，还有部分无人潜水器采用混合动力的方式。美国波音公司“回音旅行者”（Echo Voyager）采用 18 kWh锂离子电池+柴油发电机的混合动力系统，2017 年完成海试。通气管状态下，柴油发电机可对电池进行充电。日本的新一代Urashim AUV 采用燃料电池和锂离子电池混合动力电源，其中锂电池容量为 30 Ah，当负载所需功率较大燃料电池无法满足需求时就由锂电池供电^[10]。

国外主要应用锂离子电池的无人潜水器如表2所示。

国内锂离子电池在水下装备方面的研究和应用比美国、法国、日本等国家起步稍晚，但近些年发展很快，一批锂离子电池研发制造厂商均开展了大量深入的研究工作。成熟的21700圆柱三元锂离子电池也应用于AUV上，电池组能量密度可以达到200 Wh/kg^[11]。

1.2 鱼　雷

鱼雷作为水下高速航行的装备，要求电池有高比能、大电流放电能力^[12]。锂离子电池相比鱼雷上常用的锌银电池、铝/氧化银电池、锂亚硫酰氯电池，目前能量密度存在一定差距，主要是美国和法国等开展了相关研究。

美国Yardney公司开展了75 kW高功率鱼雷动力锂离子电池的研究，电池组额定电压300 V，持续工作电流250 A，由100只25 Ah方形电芯串联组成，电池组重量115 kg，比功率为650 W/kg^[13]。

法国Saft公司制造的300 kW锂离子电池组，可用于重型鱼雷，比能量达到94 Wh/kg。电池组由336只30 Ah单体电池组成，电池组重量352 kg^[14]。

国内在教练鱼雷电源等装备已采用锂离子电池作为动力电源^[15]。

2 锂离子电池在水下有人装备的应用 2.1 常规潜艇

动力电池是常规潜艇水下动力的来源，其性能的好坏直接影响潜艇的战斗力。目前世界上常规潜艇动力电池主要采用铅酸电池^[16]。随着锂离子电池技术的进步，目前已有部分国家进行了相应研究及应用。

首艘装备锂离子动力电池的日本“苍龙”级11号潜艇“凰龙”号于2018年10月举行下水仪式。与前10艘苍龙级常规动力潜艇相比，“凰龙”号最大的区别在于采用日本汤浅公司的锰酸锂锂离子电池取代了传统的铅酸蓄电池以及 AIP系统，由此成为世界上首艘采用锂电池作为主动力的潜艇，后续建造的12号潜艇“登龙”号及最新一级潜艇“大鲸”级采用了相同的锂离子动力电池技术，“大鲸”级改进了通气管及柴油发电机装置，以更好的适应锂离子电池快速充电特性^[17]。该电池组一共采用672 块锂电池，实现了电池供电续航里程翻倍，并且电池充电时间减半，“凰龙”号潜艇使用的锂离子电池如图3所示。

2020年11月，装备锂离子动力电池的韩国自主建造潜艇 KSS-III 型下水应用，韩华公司负责锂电池模块的研制和艇用化集成，三星SDI公司提供锂离子电池电芯^[18]。电池材料体系也是选择了其技术最为成熟的三元方案，但三元电池本身安全性较低，因此为满足潜艇应用要求其在安全性上做了大量的防护措施。

蒂森克虏伯公司与Saft公司合作开发基于磷酸铁锂电池的新型潜艇用锂离子动力电池系统，德国214型潜艇锂离子动力电池采用该型号45 Ah磷酸铁锂电芯，全艇共64组电池共储能14.5 MWh，与使用铅酸蓄电池的潜艇相比，装备锂离子动力电池的潜艇在经航条件下续航里程可提升20%，高速机动续航里程可提升近200%，且可在保持柴油发电机功率不变的情况下使电池充电时间缩短28%。

法国潜艇锂离子动力电池系统由海军集团、Saft公司等联合研制，法国海军集团负责电池系统集成，Saft公司负责电池的设计和生产。Saft公司为潜艇应用提供的是45 Ah 磷酸铁锂圆柱电芯，电芯能量密度149 Wh/kg、313 Wh/L。与德、日、韩等国采用的类似铅酸蓄电池的模块外形不同，法国采用的是电池柜式布置方式，此方案在电动船舶及储能电站中应用成熟，电池模块内部每个电芯均采用套筒方式进行固定及防护，以抑制电芯间的热失控传播，提高电池模块安全性。

2.2 载人潜水器

载人潜水器可以携带人员进入海洋深处，在海底现场直接观察、分析和评估，还可操作机械手实现高效作业^[19]。与其他水下装备一样，锂离子电池目前已应用到多台深海载人潜水器上，逐渐替代早期的锌银电池等。

美国于1964年建造的“Alvin”号是世界上首艘可以载人的深潜器，也是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。“Alvin”号配有一套28 V的充油压力补偿式铅酸蓄电池系统和一套120 V的干式铅酸蓄电池系统^[20]，而升级改造后的新“Alvin”号已换装充油锂离子电池。

日本于1989年建成了下潜深度为6500 m的“Shinkai6500”号潜水器,“Shinkai6500”最初采用充油压力补偿式锌银电池作为电源，为了满足“Shinkai6500”的下潜需求，潜水器上安装了2个电池容量为400 Ah，总容量为800 Ah的锌银电池。1997年开始，“Shinkai6500”工作组、MHI和日本蓄电池组公司合作研发了容量为400 Ah的充油压力补偿式锂离子电池作为“Shinkal6500”的主电源^[21]。

我国自主研制的“深海勇士”号载人潜水器在国内首次研制成功大功率充油耐压锂电池组（见图4），通过一系列的容量循环、低温、振动、耐压试验，充分验证4500 m载人潜水器充油锂电池组的安全性和可靠性，证明其性能可以满足载人潜水器的使用需求^[22]。“奋斗者”号载人潜水器成功研制出可工作于全海深环境的充油锂电池组，并在多次下潜试验中得到技术验证。

2.3 水下特殊有人装备

深潜救生艇作为一种特殊的水下有人装备，可与沉没失事潜艇对接，援救出被困艇员的特殊载人潜水器，是执行潜艇救生的保障装备。

传统的深潜救生艇均采用铅酸电池作为能源，进入21世纪后，新设计的救生艇均采用锂离子电池，典型代表是英国Perry Slingsby Systems设计建造的LR系列和英国JFD公司设计建造的DSAR系列救生艇。最新的LR11救生艇拥有2个耐压电池舱，其容量可供该艇以1.5 kn速度航行8 h。DSAR-500L型救生艇采用了聚合物锂离子电池作为能源，可支持救生艇水下作业18 h^[23]。

2.4 发展趋势和电池安全性

随着电动汽车的快速发展，锂离子电池技术仍处于快速发展阶段，而水下装备目前也在向高航程、高可靠性、高安全性、协同化等方向发展。对于水下装备，锂离子电池需要在比能量、安全性、成本等方面进一步提升，以满足水下装备的需求。未来发展方向是安全的高比能新材料离子电池、大型电池系统的管理、混合动力系统开发和水下无线充电技术等。在保证安全性的前提下在水下无人装备上考虑采用固态电池等高比能锂离子电池，在水下有人装备上进一步提升大型电池系统的管理水平，进一步提高耐压聚合物锂离子电池在压力下的可靠性，将锂离子电池结合AIP、燃料电池、环境能等其他形式开发更高效的混合动力系统，提高无人潜水器水下无线充电的效率和实用化水平。

锂离子电池在水下使用首要关注的问题是安全性。首先，选用的单体电池要进行严格筛选，控制单体电池的一致性；其次，要注重电池组的热管理，在干舱内的锂离子电池，若舱外水环境不足以维持良好散热条件时，应考虑进行通风散热，而对于工作在极地或深海低温环境的电池组，则应考虑提供加热措施保证电池的放电能力；然后，要设计合适的电池管理系统，实时监控电池的电压、温度等参数，及时发现问题并隔离故障；最后，应有多级别的安全措施，从电芯、电池模块、电池组以及电池舱室级别保障电池组安全。

3 结　语

本文通过对不同类型水下装备动力来源进行分析，以锂离子电池在无人潜水器等装备上的应用为背景，总结锂离子作为未来发展趋势的电池类型，并对比不同类型锂离子电池的特点，详细列举国内外无人潜水器、鱼雷、常规潜艇、载人潜水器和水下特殊有人装备在锂离子电池组上的应用，提出安全的高比能新材料离子电池、大型电池系统的管理、混合动力系统开发和水下无线充电技术等未来发展方向，并对单体电池一致性、电池组热管理、低温环境电池组加热、电池组故障保护策略等多方面进行安全性设计指导。