鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：585次 | 2023年06月14日
電動(dòng)無(wú)人船對(duì)電池電壓有要求嗎？
無(wú)人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）是“軍民融合兩用”技術(shù)典型，其研究熱點(diǎn)集中在環(huán)境感知、目標(biāo)識(shí)別、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、集群協(xié)同等方面。為適應(yīng)現(xiàn)階段無(wú)人船航線固定、航速多變等特點(diǎn)。對(duì)于無(wú)人船而言，船載動(dòng)力及控制系統(tǒng)所采用的不同類型的電池進(jìn)行供電方式是十分重要的。采用不同的電池進(jìn)行供電方式會(huì)影響無(wú)人船的工作時(shí)間以及是否會(huì)造成水面的二次污染。因此，本文將重點(diǎn)介紹無(wú)人船選擇的電池。
1、無(wú)人船推進(jìn)方式類型
從USV推進(jìn)方式來(lái)看，主要采用電力推進(jìn)、汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)以及波浪能推進(jìn)等方式。其中電力推進(jìn)主要由鉛酸電池、鋰電池等提供電能，也有利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)。比較典型的USV如麻省理工學(xué)院(MIT)研制的“AutoCat”如下圖所示。其采用鋰電池組為整船提供電能，與柴油機(jī)推進(jìn)方式相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。
為了更好的反應(yīng)USV發(fā)展現(xiàn)狀，下面選取了一些代表性USV進(jìn)行比對(duì)。
典型USV以及電池配備信息表
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從表格中可知，國(guó)外的電力推進(jìn)USV多采用蓄電池為整船提供能源，美國(guó)的Seagle3.0采用的能量源為鋰電池，相較于傳統(tǒng)的蓄電池供電的USV，采用鋰電池供電的USV具有所需電池體積、重量大大減小的優(yōu)勢(shì)。除此之外，鋰電池相對(duì)于鉛酸電池、鎳鎘電池等還具自放電率小、能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因而鋰電池是未來(lái)電力推進(jìn)式USV較為理想的能量源。
磷酸鐵鋰電池作為鋰電池的一種，相對(duì)于其他類型的鋰電池其具有成本低、綠色環(huán)保、安全性能較高等優(yōu)點(diǎn)。因而，磷酸鐵鋰電池有較好的發(fā)展空間并開(kāi)始在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中得到應(yīng)用，也成為新型無(wú)人船(USV)理想的能量源。
2、磷酸鐵鋰電池的特性
鋰電池性能主要由組成其正電極和負(fù)電極材料決定的。目前，常見(jiàn)的正極材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4以及LiFePO4。這四種鋰電池正極材料由于LiFePO4成本較低、無(wú)污染、熱穩(wěn)定性好目具有較高的能量密度等優(yōu)點(diǎn)而作為正電極材料受到廣泛應(yīng)用，因而磷酸鐵鋰電池倍受青睞。
USV的能量電池需要滿足：容量高、輸出電壓高且穩(wěn)定、具有較好的充放電性能、工作溫度寬且無(wú)環(huán)境污染，同時(shí)能夠有較高的安全性能，不會(huì)因過(guò)充過(guò)放及短路等而引起燃燒或者爆炸等要求。而磷酸鐵鋰電池基本符合這些要求，具體優(yōu)點(diǎn)敘述如下：
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
(1)自身的安全性高 由于磷酸根化學(xué)鍵與傳統(tǒng)的過(guò)渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵相比，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，且不易釋放氧氣，因而使得在處于穩(wěn)定的前提下，磷酸鐵鋰電池溫度能達(dá)到500℃，這對(duì)于保證電池的高安全性來(lái)說(shuō)很重要，很大程度上保證了電池不會(huì)因?yàn)檫^(guò)充、溫度過(guò)高、短路等情況而發(fā)生燃燒或爆炸。
(2)使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)多 傳統(tǒng)電池如鉛酸電池最多可循環(huán)使用五百次而在室溫下對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充放電循環(huán)，具體以1C的充放電倍率，二千次之后，磷酸鐵鋰電池的容量仍大于百分之八十。因此與傳統(tǒng)電池相比，磷酸鐵鋰電池的使用壽命是酸電池的5倍，鎳氫電池的5倍;而與同類鋰電池相比，是LiMn2o4,電池的4至5倍，LiCoO2電池的4倍。
(3)自放電少，無(wú)記憶效應(yīng)，具有較高的充放電倍率 磷酸鐵鋰電池的充放電電流可以達(dá)到2C，此時(shí)假如在恒流情況下(忽略恒壓充電的部分)也即30分鐘即可以充滿電。一般在專用的磷酸鐵鋰電池充電器作用下，也即在先恒流充電再恒壓充電方式下，2C充電可在30分鐘內(nèi)使得電池容量達(dá)到95%。這些性能是鉛酸電池所沒(méi)有的。磷酸鐵鋰電池可進(jìn)行高功率放電，此時(shí)其放電電流可達(dá)到10C，高于百分之九十六的充放電效率且具有百分之九十的容量保持率。
(4)磷酸鐵鋰電池體積小，重量輕且對(duì)環(huán)境無(wú)污染 磷酸鐵鋰單體電池的標(biāo)稱電壓是3.3V，與鉛酸電池相比較高，可串聯(lián)較少的單體電池，提高了可靠性;同容量的電池，磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池達(dá)的2/3。相同的電池容量，磷酸鐵鋰電池的重量約為鉛酸電池的三分之一，鎳氫電池的三分之二。除了含Li?，磷酸鐵鋰電池?zé)o稀有金屬以及重金屬，因而無(wú)污染且成本相對(duì)較低。
磷酸鐵鋰電池與同類鋰電池相比也有許多優(yōu)點(diǎn)，如與LiCoO2，具有更高的熱穩(wěn)定性。以下圖表是磷酸鐵鋰電池與同類鋰電池性能比較表。由該圖表可知，磷酸鐵鋰電池與同類鋰電池相比，除了克容量、振實(shí)密度略微不足，其他各項(xiàng)性能均有較大優(yōu)勢(shì)，也進(jìn)一步說(shuō)明磷酸鐵鋰電池作為能量源具有較大優(yōu)勢(shì)。
鋰電池不同電極材料對(duì)應(yīng)電池的性能比較表
3、磷酸鐵鋰電池性能影響因素分析
磷酸鐵鋰電池的性能受到很多因素的影響，包括電池內(nèi)部各種性能相互之間的影響，也包括電池的外部因素的影響。從磷酸鐵鋰電池的使用特性上分析，性能影響因素主要包括溫度、電壓和電流。
（1）電壓因素
磷酸鐵鋰電池在充放電過(guò)程中，其工作電壓不能長(zhǎng)時(shí)間高于上限電壓，也不能長(zhǎng)時(shí)間低于下限電壓。電壓過(guò)高，則正電極的鋰離子過(guò)量脫出，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，而負(fù)極則出現(xiàn)過(guò)量的鋰離子而沉積在負(fù)極周圍，影響使用壽命也增加了安全隱患。電壓過(guò)低，就會(huì)出現(xiàn)深度放電的情況，電池負(fù)極材料會(huì)出現(xiàn)分解，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成內(nèi)部短路或漏液。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制磷酸鐵鋰電池的充放電電壓。
（2）溫度因素
當(dāng)鋰電池的溫度低時(shí)，其組成的化學(xué)物質(zhì)活性減小，充放電效率下降，可輸出的電量必然會(huì)減小。此時(shí)，鋰離子脫嵌能力下降，尤其嵌入能力下降較多。如果此時(shí)不對(duì)充放電電流進(jìn)行控制，那么會(huì)造成鋰離子的沉積而構(gòu)成安全隱患。有實(shí)驗(yàn)表明，溫度較低的時(shí)候，磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻會(huì)劇烈增加。當(dāng)鋰電池的溫度較高時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的活性增大，充放電效率升高。但如果長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境或者溫度過(guò)高，則正極晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差，甚至造成電解質(zhì)氣化，影響使用壽命并構(gòu)成安全隱患。
（3）電流因素
磷酸鐵鋰電池的工作電流不宜長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，電池溫度持續(xù)升高，這時(shí)不僅要進(jìn)行熱管理，控制電池的溫度，還應(yīng)該及時(shí)將電流控制在合理范圍內(nèi)。由于鋰離子的在電極脫離和嵌入能力有限，因此過(guò)高電流會(huì)超出其范圍，使得極化電壓升高，電池達(dá)到下限電壓。如果長(zhǎng)時(shí)間如此，則影響電池使用壽命并帶來(lái)鋰離子沉積而造成安全隱患。
4、總結(jié)
本文對(duì)于無(wú)人船在電池方面的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)單的梳理，融合磷酸鐵鋰的數(shù)據(jù)，希望可以通過(guò)無(wú)人船平臺(tái)進(jìn)一步推動(dòng)水域環(huán)保。
