钜大LARGE | 点击量：568次 | 2023年06月14日
电动无人船对电池电压有要求吗？
无人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）是“军民融合两用”技术典型，其研究热点集中在环境感知、目标识别、路径规划、运动控制、集群协同等方面。为适应现阶段无人船航线固定、航速多变等特点。对于无人船而言，船载动力及控制系统所采用的不同类型的电池进行供电方式是十分重要的。采用不同的电池进行供电方式会影响无人船的工作时间以及是否会造成水面的二次污染。因此，本文将重点介绍无人船选择的电池。
1、无人船推进方式类型
从USV推进方式来看，主要采用电力推进、汽油或柴油发动机推进以及波浪能推进等方式。其中电力推进主要由铅酸电池、锂电池等提供电能，也有利用太阳能、风能等新能源实现船舶电力推进。比较典型的USV如麻省理工学院(MIT)研制的“AutoCat”如下图所示。其采用锂电池组为整船提供电能，与柴油机推进方式相比，其结构简单，可靠性高。
为了更好的反应USV发展现状，下面选取了一些代表性USV进行比对。
典型USV以及电池配备信息表
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
从表格中可知，国外的电力推进USV多采用蓄电池为整船提供能源，美国的Seagle3.0采用的能量源为锂电池，相较于传统的蓄电池供电的USV，采用锂电池供电的USV具有所需电池体积、重量大大减小的优势。除此之外，锂电池相对于铅酸电池、镍镉电池等还具自放电率小、能量密度高、循环使用寿命长等优点。因而锂电池是未来电力推进式USV较为理想的能量源。
磷酸铁锂电池作为锂电池的一种，相对于其他类型的锂电池其具有成本低、绿色环保、安全性能较高等优点。因而，磷酸铁锂电池有较好的发展空间并开始在电动汽车领域中得到应用，也成为新型无人船(USV)理想的能量源。
2、磷酸铁锂电池的特性
锂电池性能主要由组成其正电极和负电极材料决定的。目前，常见的正极材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4以及LiFePO4。这四种锂电池正极材料由于LiFePO4成本较低、无污染、热稳定性好目具有较高的能量密度等优点而作为正电极材料受到广泛应用，因而磷酸铁锂电池倍受青睐。
USV的能量电池需要满足：容量高、输出电压高且稳定、具有较好的充放电性能、工作温度宽且无环境污染，同时能够有较高的安全性能，不会因过充过放及短路等而引起燃烧或者爆炸等要求。而磷酸铁锂电池基本符合这些要求，具体优点叙述如下：
(1)自身的安全性高 由于磷酸根化学键与传统的过渡金属氧化物结构的化学键相比，结构更加稳定，且不易释放氧气，因而使得在处于稳定的前提下，磷酸铁锂电池温度能达到500℃，这对于保证电池的高安全性来说很重要，很大程度上保证了电池不会因为过充、温度过高、短路等情况而发生燃烧或爆炸。
(2)使用寿命长，循环次数多 传统电池如铅酸电池最多可循环使用五百次而在室温下对磷酸铁锂电池进行充放电循环，具体以1C的充放电倍率，二千次之后，磷酸铁锂电池的容量仍大于百分之八十。因此与传统电池相比，磷酸铁锂电池的使用寿命是酸电池的5倍，镍氢电池的5倍;而与同类锂电池相比，是LiMn2o4,电池的4至5倍，LiCoO2电池的4倍。
(3)自放电少，无记忆效应，具有较高的充放电倍率 磷酸铁锂电池的充放电电流可以达到2C，此时假如在恒流情况下(忽略恒压充电的部分)也即30分钟即可以充满电。一般在专用的磷酸铁锂电池充电器作用下，也即在先恒流充电再恒压充电方式下，2C充电可在30分钟内使得电池容量达到95%。这些性能是铅酸电池所没有的。磷酸铁锂电池可进行高功率放电，此时其放电电流可达到10C，高于百分之九十六的充放电效率且具有百分之九十的容量保持率。
(4)磷酸铁锂电池体积小，重量轻且对环境无污染 磷酸铁锂单体电池的标称电压是3.3V，与铅酸电池相比较高，可串联较少的单体电池，提高了可靠性;同容量的电池，磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池达的2/3。相同的电池容量，磷酸铁锂电池的重量约为铅酸电池的三分之一，镍氢电池的三分之二。除了含Li†，磷酸铁锂电池无稀有金属以及重金属，因而无污染且成本相对较低。
磷酸铁锂电池与同类锂电池相比也有许多优点，如与LiCoO2，具有更高的热稳定性。以下图表是磷酸铁锂电池与同类锂电池性能比较表。由该图表可知，磷酸铁锂电池与同类锂电池相比，除了克容量、振实密度略微不足，其他各项性能均有较大优势，也进一步说明磷酸铁锂电池作为能量源具有较大优势。
锂电池不同电极材料对应电池的性能比较表
3、磷酸铁锂电池性能影响因素分析
磷酸铁锂电池的性能受到很多因素的影响，包括电池内部各种性能相互之间的影响，也包括电池的外部因素的影响。从磷酸铁锂电池的使用特性上分析，性能影响因素主要包括温度、电压和电流。
（1）电压因素
磷酸铁锂电池在充放电过程中，其工作电压不能长时间高于上限电压，也不能长时间低于下限电压。电压过高，则正电极的锂离子过量脱出，晶体结构被破坏，而负极则出现过量的锂离子而沉积在负极周围，影响使用寿命也增加了安全隐患。电压过低，就会出现深度放电的情况，电池负极材料会出现分解，严重时会造成内部短路或漏液。因此，应严格控制磷酸铁锂电池的充放电电压。
（2）温度因素
当锂电池的温度低时，其组成的化学物质活性减小，充放电效率下降，可输出的电量必然会减小。此时，锂离子脱嵌能力下降，尤其嵌入能力下降较多。如果此时不对充放电电流进行控制，那么会造成锂离子的沉积而构成安全隐患。有实验表明，温度较低的时候，磷酸铁锂电池的内阻会剧烈增加。当锂电池的温度较高时，电池内部化学物质的活性增大，充放电效率升高。但如果长时间处于高温环境或者温度过高，则正极晶体结构的稳定性变差，甚至造成电解质气化，影响使用寿命并构成安全隐患。
（3）电流因素
磷酸铁锂电池的工作电流不宜长时间过高，当电流过大时，电池温度持续升高，这时不仅要进行热管理，控制电池的温度，还应该及时将电流控制在合理范围内。由于锂离子的在电极脱离和嵌入能力有限，因此过高电流会超出其范围，使得极化电压升高，电池达到下限电压。如果长时间如此，则影响电池使用寿命并带来锂离子沉积而造成安全隐患。
4、总结
本文对于无人船在电池方面的选择进行了简单的梳理，融合磷酸铁锂的数据，希望可以通过无人船平台进一步推动水域环保。
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