國外艇載鋰離子電池動力發(fā)展和應(yīng)用

孫桂才，王 敏，劉 洋

(1. 海軍研究院，北京 100161；2. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

20世紀90年代初，鋰離子電池產(chǎn)品開始在民用市場大規(guī)模應(yīng)用，其高能量、易維護等優(yōu)點很快引起海軍技術(shù)強國的關(guān)注，并紛紛開展鋰離子電池上艇應(yīng)用研究工作。目前德國、法國、日本、俄羅斯、韓國、澳大利亞等國已明確將在本國新型潛艇或后續(xù)建造的潛艇上應(yīng)用鋰離子電池動力系統(tǒng)。其中德國、法國、日本、俄羅斯已基本完成鋰離子電池系統(tǒng)研究工作，韓國、澳大利亞正開展相關(guān)工作。

1 鋰離子電池動力系統(tǒng)上艇應(yīng)用情況

1.1 德國

1.1.1 發(fā)展情況

德國是常規(guī)潛艇技術(shù)強國，早在20世紀90年代初，德國就開展了潛艇鋰離子電池動力系統(tǒng)研制工作。1995年8月，德國德森克虜伯公司就與德國GAIA鋰離子電池技術(shù)公司簽訂了研發(fā)用于有人駕駛船舶的大型鋰離子電池技術(shù)合同。該合同分2個階段實施。第1階段工作主要由GAIA公司實施，研制電池模塊樣品。第2階段工作由蒂森克虜伯公司與GAIA公司共同實施，基于第1階段成果研制艇載鋰離子電池動力系統(tǒng)及測試。

2010年9月～2012年5月，蒂森克虜伯公司在雙體船“行星太陽”號上測試大型鋰離子電池動力系統(tǒng)，“行星太陽”號通過該動力系統(tǒng)成功完成了環(huán)球航行，此次試驗是世界首次在有人駕駛船舶上采用鋰離子電池動力系統(tǒng)驅(qū)動航行，證明了蒂森克虜伯公司鋰離子電池動力系統(tǒng)長航時使用具有較好的安全性和可靠性，具備了上艇使用條件。

性能上，德國研制的鋰離子電池動力系統(tǒng)外形類似傳統(tǒng)鉛酸電池模塊，鋰離子電池標(biāo)準模塊由23塊電池串接而成，每塊電池標(biāo)準電壓3.6 V，總電壓達83 V，總電能485 Ah。充電效率接近98%，在充電率達0.5C時可進行快速充電，電池每月自放電率低于2%。該電池模塊已通過德國設(shè)計評審，并按照常規(guī)潛艇的抗沖擊、磁特征信號、操作使用、安全性等專項試驗標(biāo)準進行驗證試驗。

圖 1 蒂森克虜伯公司研制的 485 Ah 鋰離子電池模塊Fig. 1 485 Ah lithium ion battery module

1.1.2 應(yīng)用計劃

德國為了應(yīng)對本國潛艇需求較少，著力通過潛艇出口保持潛艇設(shè)計、建造能力，從而維持相關(guān)的科研機構(gòu)、隊伍穩(wěn)定。2009年，正值澳大利亞公布SEA 1000潛艇項目，總價值400億澳幣，為與法國“短鰭梭魚”級常規(guī)動力潛艇、日本“蒼龍”級常規(guī)動力潛艇競爭，德國以214型常規(guī)動力潛艇為基礎(chǔ)，提交了216型常規(guī)動力潛艇方案參與競爭。2011年9月在德國基爾市舉辦的國際潛艇學(xué)術(shù)會議上，蒂森克虜伯公司在介紹216型潛艇推進系統(tǒng)設(shè)計方案中，明確提出將采用鋰離子電池取代鉛酸電池。

雖然德國216型常規(guī)動力潛艇于2016年4月競標(biāo)澳大利亞潛艇失利（法國“短鰭梭魚”級常規(guī)動力潛艇贏得合同），但德國仍將于2018年開始建造216型常規(guī)動力潛艇，并預(yù)計2021年交付德國海軍。

動力系統(tǒng)上，216型常規(guī)動力潛艇裝備質(zhì)子交換膜燃料電池AIP系統(tǒng)，并采用鋰離子電池取代了傳統(tǒng)的鉛酸電池，大幅提高了水下續(xù)航及加速能力，可持續(xù)28 d隱蔽航行，提高了潛艇生存能力。其中艇上裝載的鋰離子電池改善了充電參數(shù)，擴大了儲能容量，使用壽命長達10年，有效降低了潛艇動力系統(tǒng)維護成本和工作量。

1.2 法國

1.2.1 發(fā)展情況

圖 2 德國 216 型潛艇模型Fig. 2 Germany type 216 submarine model

法國在潛艇鋰離子電池動力系統(tǒng)上開展了近20年的研究工作，在1999年法國著名鋰離子電池供應(yīng)商SAFT公司開始研制潛艇用鋰離子電池，2003年完成鋰離子電池上艇可行性研究，2004年完成樣機研制并進行了電池海上使用試驗。2008年SAFT公司和法國海軍集團公司（原DCNS集團）簽署協(xié)議，法國海軍正式開展?jié)撏т囯x子動力系統(tǒng)研制工作。

與德國相比，法國在鋰離子電池上艇應(yīng)用工作較為滯后，但研制進展很快。SAFT公司基于VL45E鋰電池技術(shù)研制潛艇鋰離子電池動力系統(tǒng)，并于2008年后相繼完成了電池模型構(gòu)建與定性、安全性試驗、專用物理模型、電池模型與組件之間耦合試驗等研究工作。

性能上，VL45E電池陽極為石墨制，陰極為一氧化鎳制，使用的電解池為碳酸溶液與鋰六氟磷酸鹽的混合物。VL45E高容量電池可反復(fù)充電超過4 000次，電池單元高 222 mm，寬 54 mm，重約 1.1 kg，比能量為160 Wh/kg。基于VL45E電池單元，法國設(shè)計出M0，M1兩型艇載鋰離子電池模塊，其中M0電池模塊由40個電池組成，提供141 Wh/kg的能量。M1模塊也由40個電池組成，提供180 Wh/kg的能量。

法國海軍集團評估，SAFT公司研制的鋰離子電池動力系統(tǒng)在潛艇作戰(zhàn)中能承受約320 g的水雷爆炸沖擊力，在實測中該電池組已成功承受了30～150 g水雷爆炸沖擊，且沒有受損。在應(yīng)用于潛艇時，電池模塊將被平行連接形成108組電池組以滿足潛艇所需的電壓水平。

1.2.2 應(yīng)用計劃

在2014年的歐洲海軍展中，法國海軍首度公開了“短鰭梭魚”級常規(guī)潛艇，該艇以法國新一代攻擊型核潛艇“梭魚”級為基礎(chǔ)，將核動力推進系統(tǒng)替換成柴-電推進系統(tǒng)。依照2014年歐洲海軍展展出的資料，法國潛艇鋰離子電池動力系統(tǒng)已完成研發(fā)，并可應(yīng)用于“短鰭梭魚”級潛艇。

1.3 日本

1.3.1 發(fā)展情況

圖 3 法國SAFT公司研制的潛艇鋰離子電池模塊Fig. 3 Submarine lithium ion battery module developed by France SAFT

日本在鋰離子電池領(lǐng)域有著雄厚的技術(shù)儲備，世界上首款商品用鋰離子電池是由索尼公司于1990年推向市場的。在潛艇鋰離子電池動力系統(tǒng)研制上，日本湯潛公司（YAUSA）和英耐時（ENAX）公司早在20世紀90年代開展了相關(guān)研制工作，其中湯潛公司生產(chǎn)的錳酸鋰動力電池已裝備無人潛航器，并于1999年10月完成了水下試驗。

隨后日本海上自衛(wèi)隊以湯淺蓄電池有限公司（gsyuasa）生產(chǎn)的機動車鋰離子電池為基礎(chǔ)，開展?jié)撏т囯x子二次電池（可重復(fù)充電）研究并試制樣品。測試表明鋰離子電池蓄電量為傳統(tǒng)鉛蓄電池的2倍，重復(fù)充電次數(shù)為傳統(tǒng)鉛蓄電池1.5倍以上，安全性與充電效率亦優(yōu)于鉛蓄電池。

圖 4 SMX-Ocean 型潛艇模型Fig. 4 SMX-Ocean submarine model

1.3.2 應(yīng)用計劃

2014年10月日本宣布將在“蒼龍”級潛艇11號艇、12號艇（SS-511和SS-512）上采用鋰離子電池取代鉛酸電池。2艘艇分別于2015年、2016年開工建造，并將于2020年左右服役。日本海上自衛(wèi)隊稱通過采用鋰離子電池，將使“蒼龍”級常規(guī)動力潛艇續(xù)航能力增加45%，并提高潛艇水下高速航行能力，此外同體積鋰離子電池的重量是鉛酸電池的1/5，加大了艇上空間的利用效率。

1.4 其他國家

1.4.1 俄羅斯

圖 5 日本研制的鋰離子蓄電池Fig. 5 Lithium ion battery developed by Japan

俄羅斯?jié)撏т囯x子動力系統(tǒng)由紅寶石設(shè)計局研制，2012年俄海軍宣布將在“拉達”級潛艇2號艇“喀瑯施塔得”號上采用鋰離子電池，并進行鋰離子電池動力系統(tǒng)使用測試工作。該艇于2005年建造，預(yù)計于2019年服役。此外2017年7月，俄羅斯完成第5代常規(guī)潛艇“卡琳娜”級初步設(shè)計工作，該艇動力系統(tǒng)也將采用鋰離子電池和俄羅斯新研發(fā)的重整制氫AIP系統(tǒng)。

1.4.2 韓國

通過與國外合作建造“張保皋”級（德國209型潛艇）和“孫元一”級（德國214型潛艇）潛艇，韓國逐漸掌握了潛艇建造、設(shè)計相關(guān)技術(shù)。2007年韓國正式開展本國自主設(shè)計的KSS-3型潛艇研制工作，并于2014年完成潛艇設(shè)計。隨后韓國計劃建造9艘KSS-3型潛艇，其中首艇已于2016年開工建造，并將于2020年服役。為提升潛艇動力性能，韓國還計劃從4號艇開始采用鋰離子電池動力系統(tǒng)，潛艇鋰離子電池動力系統(tǒng)研制工作由韓國三星集團負責(zé)。

1.4.3 澳大利亞

2016年4月，澳大利亞決定采購法國海軍集團“短鰭梭魚”級常規(guī)動力潛艇，在潛艇動力系統(tǒng)方案上，澳大利亞將采用本國研制的鋰離子電池動力系統(tǒng)，該動力系統(tǒng)由澳大利亞國防科技（DST）集團負責(zé)研制，2016年澳大利亞國防科技集團開展了鋰離子電池安全性測試工作，測試內(nèi)容主要包括鋰離子電池動力系統(tǒng)電、溫度和熱通量傳感器，紅外成像和實時測熱的綜合氣體分析系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)。目前技術(shù)團隊與美國海軍水面戰(zhàn)中心開展合作，重點對鋰離子電池安全技術(shù)進行攻關(guān)。

2 鋰離子電池動力系統(tǒng)上艇應(yīng)用技術(shù)特點

與傳統(tǒng)潛艇電池（鉛酸、鎳鎘、銀鋅等）系統(tǒng)相比，鋰離子電池具有單電池電壓高、電池容量大、自放電能力低、使用壽命長等突出優(yōu)點。通過裝備高能量鋰離子電池，可有效提升潛艇戰(zhàn)技性能，具體包括：

1）增強常規(guī)潛艇水下續(xù)航力和機動能力，有效提高隱蔽性能

圖 6 俄羅斯“卡琳娜”級潛艇模型Fig. 6 Russian Karina class submarine model

圖 7 韓國 KSS-3 型潛艇模型Fig. 7 Korean KSS-3type submarine model

由于鋰電池具備高能量密度和高效能，裝備鋰離子電池動力系統(tǒng)可顯著增強潛艇水下續(xù)航力和機動能力。鋰離子電池重量比能為鉛酸電池的3倍，體積比能在2倍以上。在使用效能上，法國研制的鋰離子電池使用效能高達95%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸電池（一般不超過60%）。法國海軍集團公司評估在采用鋰離子電池系統(tǒng)的情況下，相較采用鉛酸電池，“鲉魚”級潛艇水下續(xù)航力在低速時提高75%，高速時可提高約200%；德國蒂森克虜伯公司更是宣傳若采用鋰離子電池，214型潛艇水下續(xù)航力在低速時提高150%，高速時可提高約400%。

此外在同等航程情況下，采用高能量鋰離子電池的潛艇上浮充電次數(shù)要少于傳統(tǒng)鉛蓄電池潛艇，法國海軍集團評估，根據(jù)潛艇水下航速潛艇采用鋰離子電池可減少約10%～25%的上浮充電次數(shù)。同時由于鋰離子電池壓降較小，可用較高的電流保持長時間充電，上浮充電時間亦少于鉛酸電池，進一步提高了常規(guī)潛艇隱蔽性能。

2）適合與AIP系統(tǒng)搭配使用，提升潛艇水下機動機動能力

對常規(guī)潛艇而言，采用鋰離子電池的新型電池模塊不僅可以增加電池容量，而且與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，放電速度更快，重量更輕，非常適合與液態(tài)金屬氫化物存儲罐燃料電池一起使用，這樣可以在不需要對潛艇設(shè)計做出很大改變的情況下來增加潛艇AIP系統(tǒng)的能量。

圖 8 鋰離子和鉛酸電池性能比較Fig. 8 Performance comparison between lithium ion battery and lead acid battery

圖 9 同等航程情況下，鋰離子電池潛艇上浮充電次數(shù)與鉛蓄電池潛艇相比較Fig. 9 Comparison of the number of floating charges of submarines using lithium ion batteries under the same range conditions compared with submarines using lead batteries

根據(jù)德國蒂森克虜伯公司的資料，在潛艇高功率航行狀態(tài)下，鋰離子電池電容量是同體積鉛蓄電池的2倍，在經(jīng)濟航速下是鉛蓄電池的1.3倍，因此鋰離子電池可與AIP系統(tǒng)形成有效互補，在常規(guī)潛艇低功率航行時采用AIP系統(tǒng)，高功率航行時采用鋰離子電池系統(tǒng)。目前德、日、俄等常規(guī)潛艇技術(shù)強國紛紛對AIP系統(tǒng)與鋰離子電池配合使用開展研究，該項技術(shù)是常規(guī)潛艇動力重要發(fā)展方向。

3）維護保養(yǎng)便利，使用成本低

雖然鋰離子電池成本較高（德國艇載鋰離子電池成本約為鉛蓄電池的3倍），但由于鋰電池系統(tǒng)沒有記憶效應(yīng)（電池記憶效應(yīng)是指電池長期不徹底充電、放電將導(dǎo)致電池容量降低的現(xiàn)象），可隨意充電、放電，在作戰(zhàn)使用中幾乎不用進行深度放電、周期治療等維護保養(yǎng)活動；鋰離子電池使用壽命更長達10～15年，是傳統(tǒng)鉛酸電池系統(tǒng)的2倍（鉛酸電池使用壽命約7～8年）。法國海軍集團評估鋰離子電池在15年使用期后仍能保持80%的滿額充電量，總體而言鋰離子電池使用成本要少于鉛酸電池。

3 啟示

1）國外新一代常規(guī)潛艇將普遍采用鋰離子電池，并將有效提升常規(guī)潛艇作戰(zhàn)性能

圖 10 潛艇采用不同動力系統(tǒng)航行能力比較Fig. 10 Comparison of submarine endurance using different power systems

目前德國、法國、日本、俄羅斯等國已明確將在本國新型潛艇或后續(xù)建造的潛艇上應(yīng)用鋰離子電池動力系統(tǒng)。相比鉛酸電池，鋰離子電池具有電池容量大、重量輕、體積小、大電流放電時間長、充電時間短等諸多優(yōu)勢，采用鋰離子電池將在以下4個方面提升潛艇戰(zhàn)技性能。

①提升潛艇隱蔽性。鋰離子電池具有較寬的充電功率范圍，可通過大電流充電在20 min～1 h內(nèi)完成快速充電，大大降低了潛艇主動暴露率。同時快速充電也縮短了柴油機工作時間，進一步減少了柴油機高噪聲輻射被敵方聲吶發(fā)現(xiàn)的概率，從而提升潛艇隱蔽性；

②提升潛艇水下續(xù)航力。目前潛艇鉛蓄電池組1次充滿電，一般可使?jié)撏б运?～4 kn速度行駛500～600 nmile。如果使用鋰離子電池，1次充滿電最大續(xù)航力可提高2～3倍，可有效提高常規(guī)潛艇水下待戰(zhàn)、伏擊、快速出擊等作戰(zhàn)能力；

③提高潛艇攻防戰(zhàn)術(shù)機動能力。鋰離子電池組大電流放電時間長，相比使用鉛蓄電池，潛艇可在高功率狀態(tài)（例如高速航行）下獲得2倍以上電量，利于常規(guī)潛艇追敵和規(guī)避敵方武器；

④優(yōu)化潛艇有效負載配置。由于同體積鋰離子電池僅為鉛酸電池重量的1/5，采用鋰離子電池可顯著減少電池艙所占空間。從而使?jié)撏Э沈v出更大空間優(yōu)化布置武器裝備或探測設(shè)備等，進一步提高潛艇綜合作戰(zhàn)能力。

2）安全是鋰離子電池上艇使用的前提，安全保障措施和技術(shù)是艇載鋰離子電池發(fā)展的重點

潛艇是海軍高價值戰(zhàn)斗艦艇，潛艇火災(zāi)和爆炸事故具有突然性和快速性，往往導(dǎo)致潛艇殼體結(jié)構(gòu)和設(shè)備嚴重損壞，給潛艇以致命打擊，造成了很大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。2017年11月15日阿根廷“圣胡安”號常規(guī)潛艇發(fā)生爆炸事故，造成潛艇沉沒、艇員全部死亡的嚴重后果，而事故原因是因為電池系統(tǒng)故障引發(fā)爆炸。

圖 11 2008 年“圣胡安”號潛艇更換的電池組Fig. 11 Battery pack used by the San Juan submarine in Argentina in 2008

因此在鋰離子電池上艇應(yīng)用問題上，安全是重中之重。德國、法國在研制艇載鋰離子電池系統(tǒng)中不惜犧牲電池部分重量比來提升電池安全性，并采取研制電池安全管理系統(tǒng)、采用冗余設(shè)計、研發(fā)新型電池材料等措施不斷消除鋰離子電池事故隱患，確保電池上艇使用安全。

3）鋰離子電池在水下戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，國外將研制先進鋰離子電池滿足水下戰(zhàn)裝備需求

目前鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于水中兵器和無人潛航器，未來鋰離子電池還將應(yīng)用于潛艇，可見隨著水下裝備的不斷發(fā)展，將會對鋰離子電池性能提出更高的要求。目前德、法、俄、日等國都在投入大量人力物力，研制先進鋰離子電池。并加強在電池材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、電源管理系統(tǒng)等方面的研究工作，使水下戰(zhàn)裝備通過采用性能更好、安全性更高的鋰離子電池提升整體戰(zhàn)技性能。