鉅大LARGE | 點擊量：595次 | 2023年06月14日
電動無人船對電池電壓有要求嗎？
無人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）是“軍民融合兩用”技術典型，其研究熱點集中在環境感知、目標識別、路徑規劃、運動控制、集群協同等方面。為適應現階段無人船航線固定、航速多變等特點。對于無人船而言，船載動力及控制系統所采用的不同類型的電池進行供電方式是十分重要的。采用不同的電池進行供電方式會影響無人船的工作時間以及是否會造成水面的二次污染。因此，本文將重點介紹無人船選擇的電池。
1、無人船推進方式類型
從USV推進方式來看，主要采用電力推進、汽油或柴油發動機推進以及波浪能推進等方式。其中電力推進主要由鉛酸電池、鋰電池等提供電能，也有利用太陽能、風能等新能源實現船舶電力推進。比較典型的USV如麻省理工學院(MIT)研制的“AutoCat”如下圖所示。其采用鋰電池組為整船提供電能，與柴油機推進方式相比，其結構簡單，可靠性高。
為了更好的反應USV發展現狀，下面選取了一些代表性USV進行比對。
典型USV以及電池配備信息表
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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，國外的電力推進USV多采用蓄電池為整船提供能源，美國的Seagle3.0采用的能量源為鋰電池，相較于傳統的蓄電池供電的USV，采用鋰電池供電的USV具有所需電池體積、重量大大減小的優勢。除此之外，鋰電池相對于鉛酸電池、鎳鎘電池等還具自放電率小、能量密度高、循環使用壽命長等優點。因而鋰電池是未來電力推進式USV較為理想的能量源。
磷酸鐵鋰電池作為鋰電池的一種，相對于其他類型的鋰電池其具有成本低、綠色環保、安全性能較高等優點。因而，磷酸鐵鋰電池有較好的發展空間并開始在電動汽車領域中得到應用，也成為新型無人船(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電極材料決定的。目前，常見的正極材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4以及LiFePO4。這四種鋰電池正極材料由于LiFePO4成本較低、無污染、熱穩定性好目具有較高的能量密度等優點而作為正電極材料受到廣泛應用，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、輸出電壓高且穩定、具有較好的充放電性能、工作溫度寬且無環境污染，同時能夠有較高的安全性能，不會因過充過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，具體優點敘述如下：
(1)自身的安全性高 由于磷酸根化學鍵與傳統的過渡金屬氧化物結構的化學鍵相比，結構更加穩定，且不易釋放氧氣，因而使得在處于穩定的前提下，磷酸鐵鋰電池溫度能達到500℃，這對于保證電池的高安全性來說很重要，很大程度上保證了電池不會因為過充、溫度過高、短路等情況而發生燃燒或爆炸。
(2)使用壽命長，循環次數多 傳統電池如鉛酸電池最多可循環使用五百次而在室溫下對磷酸鐵鋰電池進行充放電循環，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，無記憶效應，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到2C，此時假如在恒流情況下(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分鐘內使得電池容量達到95%。這些性能是鉛酸電池所沒有的。磷酸鐵鋰電池可進行高功率放電，此時其放電電流可達到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，重量輕且對環境無污染 磷酸鐵鋰單體電池的標稱電壓是3.3V，與鉛酸電池相比較高，可串聯較少的單體電池，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?，磷酸鐵鋰電池無稀有金屬以及重金屬，因而無污染且成本相對較低。
磷酸鐵鋰電池與同類鋰電池相比也有許多優點，如與LiCoO2，具有更高的熱穩定性。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、振實密度略微不足，其他各項性能均有較大優勢，也進一步說明磷酸鐵鋰電池作為能量源具有較大優勢。
鋰電池不同電極材料對應電池的性能比較表
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程中，其工作電壓不能長時間高于上限電壓，也不能長時間低于下限電壓。電壓過高，則正電極的鋰離子過量脫出，晶體結構被破壞，而負極則出現過量的鋰離子而沉積在負極周圍，影響使用壽命也增加了安全隱患。電壓過低，就會出現深度放電的情況，電池負極材料會出現分解，嚴重時會造成內部短路或漏液。因此，應嚴格控制磷酸鐵鋰電池的充放電電壓。
（2）溫度因素
當鋰電池的溫度低時，其組成的化學物質活性減小，充放電效率下降，可輸出的電量必然會減小。此時，鋰離子脫嵌能力下降，尤其嵌入能力下降較多。如果此時不對充放電電流進行控制，那么會造成鋰離子的沉積而構成安全隱患。有實驗表明，溫度較低的時候，磷酸鐵鋰電池的內阻會劇烈增加。當鋰電池的溫度較高時，電池內部化學物質的活性增大，充放電效率升高。但如果長時間處于高溫環境或者溫度過高，則正極晶體結構的穩定性變差，甚至造成電解質氣化，影響使用壽命并構成安全隱患。
（3）電流因素
磷酸鐵鋰電池的工作電流不宜長時間過高，當電流過大時，電池溫度持續升高，這時不僅要進行熱管理，控制電池的溫度，還應該及時將電流控制在合理范圍內。由于鋰離子的在電極脫離和嵌入能力有限，因此過高電流會超出其范圍，使得極化電壓升高，電池達到下限電壓。如果長時間如此，則影響電池使用壽命并帶來鋰離子沉積而造成安全隱患。
4、總結
本文對于無人船在電池方面的選擇進行了簡單的梳理，融合磷酸鐵鋰的數據，希望可以通過無人船平臺進一步推動水域環保。
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