潛艇鋰離子電池的發(fā)展與集成

雷 津 , 鄧 磊

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潛艇鋰離子電池的發(fā)展與集成

雷 津1, 鄧 磊2

（1.海軍駐719所軍事代表室，武漢 430205；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205）

鉛酸電池作為儲能電池在過去一百多年里廣泛應(yīng)用于艦艇上，鉛酸電池的可靠性在應(yīng)用中得到了充分的證實，但其能量和功率密度低、析氫等固有缺陷致使儲能電池的發(fā)展受到局限。近年，鋰離子電池的發(fā)展使儲能電池性能得到顯著提升，但其集成和應(yīng)用存在著安全性的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司研制出適用于潛艇的大容量鋰離子電池系統(tǒng)集成設(shè)計理念和解決方案，克服了安全性問題，使艇用電池性能提高，能滿足更強作戰(zhàn)力的潛艇需求。相比傳統(tǒng)鉛酸電池，鋰離子電池容量提升30%，放電倍率提升2倍，另外，鋰離子電池可免維護，提高了運行靈活性。本文采用實例對鋰離子電池技術(shù)在潛艇上的發(fā)展與集成進行介紹，總結(jié)了艇用鋰電池的必要性和應(yīng)用難點。

鋰離子電池 潛艇

0 引言

潛艇性能可通過增大其水下潛航時間、降低暴露率和提高操作靈活性而得到持續(xù)提升。長期以來，鉛酸電池技術(shù)作為潛艇的主要電化學(xué)儲能系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用。然而，鉛酸電池具有能量密度低和運行特性強烈依賴于工作負(fù)荷的缺陷。采用鋰離子電池技術(shù)后，電池能量密度顯著提高：當(dāng)功率密度達到100 W/kg，可使?jié)撏У闹亓抗β拭芏忍岣?倍。正是因為具有更高的功率密度，才使鋰電池技術(shù)更符合潛艇的特殊性。

1 ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司的鋰離子電池研發(fā)歷史

為了將鋰離子電池技術(shù)應(yīng)用于潛艇，ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司著手開發(fā)艇用鋰離子電池系統(tǒng)。首先，通過與德國電池制造商GAIA合作，共同開發(fā)出額定容量為485Ah的大尺寸鋰離子電池單元?；诖穗姵貑卧?，進一步設(shè)計和制造出應(yīng)用于潛艇的專用集成電池模塊。

為了確保電池系統(tǒng)的安全可靠運行，ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司與不同伙伴合作，分別開發(fā)出專門的電池管理系統(tǒng)[1]（BMS）和電流限制器（ECL）。通過將電力系統(tǒng)與潛艇推進系統(tǒng)集成以及將電力系統(tǒng)融合進潛艇各方面，建立起具有充分集成理念的艇用電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)注重電池系統(tǒng)的整體安全，以確保在任何情形下電池系統(tǒng)的安全工作。此外，相關(guān)電池研發(fā)計劃與試驗驗證程序也處于同時進行之中。

然而，為了提高電池系統(tǒng)的長期可用性，也為了角逐受汽車市場所推動的最新動力發(fā)展技術(shù)，ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司于2011年決定為電動汽車和混合動力汽車開發(fā)一種基于標(biāo)準(zhǔn)電池單元的電池系統(tǒng)。為此，ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司與德國Robert Bosch GmbH公司合作，共同研發(fā)出一種針對汽車市場、具有額外功能特性的先進電池系統(tǒng)。

2 模塊化鋰離子電池系統(tǒng)組成

鋰離子電池系統(tǒng)（如圖2所示）采用具有分級結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計方案，使其能靈活適應(yīng)在各型潛艇和海軍其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖2 鋰離子電池系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

從底層向上，鋰離子電池系統(tǒng)的最小組成要素是電池單元。為了確保電池在長期內(nèi)均具有良好的可用性，同時得益于在研發(fā)汽車電池方面取得的最新研究成果，電池單元機架根據(jù)VDA采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計（VDA為德國在汽車領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)）。此外，電池單元采用菱形設(shè)計，具有更高的裝載密度、有效的冷卻通道和高的長期可靠性。

電池陰極材料主要為錳合物，其他元素包括鎳和鈷，因此這種材料稱為NMC材料[2]。它具有高的能量密度和良好的熱穩(wěn)定性，是目前潛艇應(yīng)用的最佳選擇。

大量電池單元通過電路有序連接，形成子模塊，它是電池系統(tǒng)的最小功能單元。

大量子模塊通過電路有序連接，組成數(shù)個電池模塊，進而形成電池列。電池列中的一個模塊除包含多個子模塊外，還集成了一些其他電子部件。

以214型潛艇為例，其電池系統(tǒng)組成為：19個電池子模塊形成兩個電池模塊，進而組成一個電池列。其中，一個電池模塊包含10個子模塊，另一個電池模塊包含9個子模塊。電池列的控制裝置和開關(guān)裝置都設(shè)置有扼流圈。

圖3具有12個電池單元的電池子模塊及子模塊控制器

電池列的電壓水平?jīng)Q定電池電壓水平。為了獲得所需要的電容量，所有電池列均采用并聯(lián)連接。電池列還包含開關(guān)裝置和電流控制單元，其功能是當(dāng)發(fā)生外部短路故障及需要對電池列內(nèi)某些電池進行解列時進行操作。此設(shè)計的一個重要特征是，可根據(jù)需要調(diào)整電池列的輸出電壓：通過調(diào)節(jié)電池列內(nèi)工作子模塊的數(shù)量，可實現(xiàn)在0V和最大輸出電壓之間電池系統(tǒng)輸出電壓的調(diào)節(jié)，從而可實現(xiàn)依據(jù)外部負(fù)載和電池系統(tǒng)容量之間的平衡關(guān)系，調(diào)整電池系統(tǒng)的運行狀態(tài)，這對于保護電池系統(tǒng)的健康運行和提高總運行壽命很重要。

電池管理系統(tǒng)（BMS）采用類似的分級方案[3]。子模塊控制器（SMC）是電池子模塊的控制單元，它監(jiān)測每個電池單元的容量并在子模塊層面實現(xiàn)被動的控制平衡。在電池列控制層面，列控制單元（SCU）收集SMC的相關(guān)信息，同時作為電池控制單元（BCU）的界面，后者是局部電池層面上的指控單元。BCU的主要任務(wù)是根據(jù)運行需求，對電池能量、狀態(tài)及性能需求進行綜合管理。BCU還向潛艇自動控制系統(tǒng)，即工程監(jiān)測和控制系統(tǒng)（EMCS）提供界面，EMCS在正常運行時為BCU提供人機操作界面。另外，在BCU硬件上也提供了局部操作面板。

3 潛艇集成化理念

潛艇推進系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，包含兩臺發(fā)電機、兩套推進電機以及兩套電池系統(tǒng)。通常，兩套電池系統(tǒng)分別布置在不同的電池艙，此設(shè)計的確定是基于冗余設(shè)計思想和危險降級理念，包括選用其他更適宜的、不依賴空氣的能量源。

短路電流對潛艇推進系統(tǒng)設(shè)計造成重大挑戰(zhàn)。由于電池系統(tǒng)內(nèi)部電阻非常小，可能導(dǎo)致主要線路發(fā)生故障時的短路電流比正常電流高出10倍以上，這對于現(xiàn)有開關(guān)裝置來說太大。為解決這一難題，電池列控制單元（SCU）中設(shè)計有一個電控制單元，確保在任何情況下均使電池列的電流限制在所推薦的電流范圍內(nèi)。

圖4 推進系統(tǒng)示意圖

正常運行條件下，推進系統(tǒng)的兩套電池單元是獨立運行的。而電池系統(tǒng)也有兩種配電方式，一種方式是與發(fā)電機設(shè)備集成，另一種方式是電池與負(fù)荷連接。上述兩種方式均采用二極管解耦，因此在發(fā)生電路短路時，電流均不能從電池系統(tǒng)流向短路電路。當(dāng)僅有一組電池與推進系統(tǒng)連接時，處于兩個子系統(tǒng)間的耦合開關(guān)僅在故障狀態(tài)下閉合。其他條件下，此開關(guān)均處于開路狀態(tài)。

鋰離子電池模塊的外形尺寸被設(shè)計成與傳統(tǒng)鉛酸電池一致。電池模塊通過一個在船體底板上事先設(shè)計好的導(dǎo)軌固定系統(tǒng)與船體結(jié)構(gòu)連接。動力連接器和BMS信號連接器布置在模塊上部，所有模塊高度均相同，與是否包含SCU無關(guān)。上述因素及電池模塊化結(jié)構(gòu)，允許對電池艙容積進行優(yōu)化利用而無需考慮電氣設(shè)備尺寸，從而實現(xiàn)機械上的集成簡化。

4 集成安全性

鋰離子電池一個非常受關(guān)注的方面是其技術(shù)安全性。使用鋰離子電池的手提電腦和移動電話所發(fā)生的電池事故強調(diào)了這一問題。然而，幾乎所有這些電池事故都可追溯到低制造質(zhì)量引起的低成本包裝和缺乏像BMS一樣可靠的安全檢測。艇用鋰離子電池關(guān)于加固電池設(shè)計、多道安全檢測的關(guān)系如圖5所示，對上述集成電池系統(tǒng)概念來說，可以消除可能出現(xiàn)的假想事故。

圖5 艇用鋰離子電池的安全理念

原則上，鋰離子電池可能由于過度充電、過流或外部碰撞受到損壞，這些因素均會導(dǎo)致電池元件過熱以及在高溫廢氣排放環(huán)境下的散熱失效。在電池正常工作過程中，應(yīng)避免上述不利因素。

為了確保電池系統(tǒng)的安全運行以及檢測其臨界條件，采用了本文所描述的帶有集成電流控制和開關(guān)功能的BMS。堅固的機械模塊設(shè)計確保電池在外部碰撞和沖擊載荷作用下的安全。電池系統(tǒng)的高可靠性由多個冗余電池組（以及子模塊）和少數(shù)輔助系統(tǒng)保證。

5 鋰離子電池技術(shù)的工作特性

5.1 運行優(yōu)勢

鋰離子電池技術(shù)的應(yīng)用為潛艇的有效部署提供了許多優(yōu)勢，其中一些優(yōu)勢是由于與鉛酸電池 相比，鋰離子電池僅需要較少的輔助系統(tǒng)。因為鋰離子電池系統(tǒng)不含酸性物質(zhì)，所以不需要酸液循環(huán)系統(tǒng)，從而電池艙也不需要沖洗系統(tǒng)。另外，鋰離子電池不對外釋放廢氣，并進行了嚴(yán)格密封，因此也不需要進行氫氣監(jiān)測和復(fù)合系統(tǒng)[4]。

鋰離子電池的一個主要優(yōu)勢是在運行期間不需要維修，無需對電池進行人工檢測。鋰離子電池沒有耗時的第二或第三充電階段，繁瑣的充電過程嚴(yán)重制約了潛艇執(zhí)行任務(wù)的靈活性。鋰離子電池全功率運行與其充電狀態(tài)（SoC）無關(guān)，因此在任何條件下潛艇都可以高速航行。電池的生命周期提高了2倍，因此潛艇的綜合可用性也隨之提高。

總結(jié)上述方面，我們可以提出，由于潛艇運行期間的靈活性和可用性顯著提高，使得維護成本降低，電池特性和局限性對潛艇執(zhí)行任務(wù)的影響得到降低。

5.2 工作特性的提升

基于上述運行優(yōu)勢，鋰離子電池的一些極為突出的優(yōu)點，如高效率、高功率密度和對輸出功率依賴性小等，使?jié)撏У墓ぷ魈匦缘玫斤@著提升。采用與傳統(tǒng)鉛酸電池具有相同體積的鋰離子電池，在高功率條件下鋰離子電池的容量提高200%；在經(jīng)濟巡航條件下，鋰離子電池的容量是鉛酸電池的130%[5]。因此，和燃料電池一樣，鋰離子電池是潛艇AIP系統(tǒng)的完美補充，能滿足潛艇對高功率的需求。

另外，鋰離子電池充電過程不存在記憶效應(yīng)[6]，可在任何階段充電而不會導(dǎo)致電池容量的下降。與鉛酸電池相比，鋰離子電池的充電全部在第一充電階段完成，充電過程可使柴油機一直處于最佳工作點附近運行。另外，鋰離子電池的內(nèi)電阻很低[7]，有效降低了充放電過程的損失，使電池效率得到提升，從而使?jié)撏Ш叫羞^程的暴露率從25%顯著地下降至10%.。結(jié)合大功率柴油機和充電機，鋰離子電池所具有的高功率特性能被充分挖掘出來，可進一步降低潛艇的暴露率。

6 總結(jié)

新型鋰離子電池技術(shù)所具有的高效率、高能量和低運行維護需求等特性，能顯著提升未來潛艇的性能。本文充分展示了采用鋰離子電池技術(shù)的新型推進系統(tǒng)的可行性和集成運用理念，該技術(shù)可以轉(zhuǎn)化應(yīng)用于新型潛艇設(shè)計以及ThyssenKrupp船舶系統(tǒng)公司正在開展的潛艇設(shè)計之中。采用鋰離子電池技術(shù)后，潛艇工作性能顯著提升，包括優(yōu)異的工作特性、高水下潛航時間和低暴露率，這些均使人印象深刻。

參考文獻：

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Development and Integration of Lithium-ion Batteries for Submarines

Lei Jin1, Deng Lei2

(1.Naval Representives Office in Institute of 719 ,Wuhan 430205, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

TM911

A

1003-4862（2016）09-0057-04

2016-04-15

雷津（1980-），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶電氣工程。