國外潛艇鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用情況及技術(shù)分析

馬永龍，聶 冬，劉 飛

國外潛艇鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用情況及技術(shù)分析

馬永龍1，聶 冬2，劉 飛3

（1、2. 海軍裝備部，武漢 430064；3. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

2018年10月4日，日本“蒼龍”級潛艇11號艇“凰龍”號在三菱重工舉行了下水儀式，為全球首艘裝備鋰離子動(dòng)力電池的潛艇，隨后法、德、韓等國也相繼宣布其潛艇鋰離子動(dòng)力電池已具備裝艇條件，標(biāo)志著潛艇動(dòng)力電池開始進(jìn)入鋰電時(shí)代。本文根據(jù)國外相關(guān)報(bào)道及文獻(xiàn)資料，對國外潛艇所用的鋰離子動(dòng)力電池從技術(shù)角度進(jìn)行了分析，并與鉛酸蓄電池進(jìn)行了對比。

潛艇鋰離子動(dòng)力電池 鉛酸蓄電池 技術(shù)角度分析

0 引言

目前，常規(guī)潛艇主要仍以鉛酸蓄電池作為水下主動(dòng)力電源，對一般常規(guī)潛艇來說，潛艇高速和低速航行都需要潛艇動(dòng)力電池提供動(dòng)力，電池的容量和比能量直接影響潛艇隱蔽性和續(xù)航力，對AIP（不依賴空氣推進(jìn)裝置）潛艇來說，低速航行主要由AIP系統(tǒng)提供動(dòng)力，高速航行仍然由動(dòng)力電池提供動(dòng)力，由于AIP系統(tǒng)占用了潛艇大量的重量和空間，留給潛艇電池艙的重量和空間十分有限。另外，潛艇在發(fā)射魚雷等武器后，以及為規(guī)避敵方武器攻擊，都需要進(jìn)行高速戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，需要潛艇動(dòng)力電池提供高速航行動(dòng)力，因此，對高能量密度和大電流放電能力的動(dòng)力電池有迫切的需求。

歷經(jīng)百余年的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于其電化學(xué)體系限制，技術(shù)水平已經(jīng)接近理論極限，難以進(jìn)一步取得突破。鉛酸蓄電池目前存在的不足分析如下：1）能量密度相對較低。鉛酸蓄電池的能量密度與目前其他主流二次電池（如鋰離子電池、鎳氫電池等）相比較低，占用大量總體資源；2）大電流放電特性差。大電流放電條件下，鉛酸蓄電池的放電能力不足小電流放電時(shí)的一半，嚴(yán)重制約了潛艇高速機(jī)動(dòng)能力的提升；3）充電效率低，析氫量大。潛艇鉛酸蓄電池一般采用多級充電制，充電后期效率較低并且發(fā)熱及析氫現(xiàn)象嚴(yán)重；4）使用壽命較短。在潛艇服役期內(nèi)鉛酸蓄電池組需進(jìn)行數(shù)次更換，影響了潛艇的在航率；5）使用維護(hù)工作量大。由于鉛酸蓄電池存在記憶性，需每隔一段時(shí)間進(jìn)行周期治療，不僅增加了潛艇碼頭維護(hù)的工作量，且耗時(shí)較長，是影響潛艇在航率的重要因素；6）污染艙室環(huán)境。由于鉛酸蓄電池存在析酸、析氫現(xiàn)象，嚴(yán)重污染艙室環(huán)境。

相比于現(xiàn)有的鉛酸蓄電池，鋰離子動(dòng)力電池具有比能量高、充放電特性好、正常使用無析氫析酸、循環(huán)壽命長、使用維護(hù)簡便等優(yōu)勢，能較好的克服鉛酸蓄電池存在的不足，并已在電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能、無人系統(tǒng)移動(dòng)平臺等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因此，從動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展層面上看，鋰離子電池是潛艇動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展方向，日、德、法、韓等國均在進(jìn)行潛艇用鋰離子動(dòng)力電池的開發(fā)工作，2018年10月，日本“蒼龍”級潛艇11號艇“凰龍”號正式下水，成為全球首艘裝備鋰離子動(dòng)力電池的潛艇。隨后法、德、韓等國也相繼宣布其潛艇鋰離子動(dòng)力電池已具備裝艇條件。截至2021年3月，全球已有共三型四艘潛艇裝備應(yīng)用鋰離子動(dòng)力電池，其中日本“蒼龍”級潛艇“凰龍”號與“登龍”號已交付軍方使用，日本下一代潛艇“大鯨”級計(jì)劃全部裝備鋰離子動(dòng)力電池，并以每年一艘的速度進(jìn)行建造，韓國自主建造的裝備鋰離子動(dòng)力電池的KSS-III潛艇也于2020年11月下水，以上趨勢表明潛艇動(dòng)力電池已開始全面進(jìn)入鋰電時(shí)代。

1 日本“蒼龍”級潛艇鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)分析

圖1 日本“蒼龍”級潛艇凰龍?zhí)?/p>

日本“蒼龍”級潛艇也被成為“平成16年度潛艇計(jì)劃”，是日本海上自衛(wèi)隊(duì)現(xiàn)役最新銳的潛艇類型，計(jì)劃建造12艘，全長84米，舷寬9.1米，標(biāo)準(zhǔn)排水量2950噸，潛航排水量4200噸。該潛艇是目前世界上排水量最大的常規(guī)潛艇。該潛艇在設(shè)計(jì)之初，便提出“鋰離子電池推進(jìn)”的概念，2007年，日本在“蒼龍”級潛艇上開展了鋰離子電池裝艇計(jì)劃，2014年提出“具備提前裝備條件”，但前10艘蒼龍級潛艇仍采用的是常規(guī)斯特林AIP與鉛酸蓄電池作為推進(jìn)動(dòng)力。首艘裝備鋰離子動(dòng)力電池的“蒼龍”級11號潛艇“凰龍”號（SS-511，MK.II）于2018年10月在三菱重工神戶造船廠舉行下水儀式。與前10艘蒼龍級常規(guī)動(dòng)力潛艇（MK.I）相比，“凰龍”最大的區(qū)別在于采用日本湯淺公司的鋰離子電池取代了傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池以及AIP系統(tǒng)，由此成為日本首艘，同時(shí)也是世界上首艘采用鋰電池作為主動(dòng)力的潛艇，后續(xù)建造的“蒼龍”級12號潛艇“登龍”號及最新一級潛艇“大鯨”級采用了相同的鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)，“大鯨”級改進(jìn)了通氣管及柴油發(fā)電機(jī)裝置，以更好的適應(yīng)鋰離子電池快速充電特性。

據(jù)報(bào)道，日本“凰龍”號潛艇去除了原有的AIP裝置及480塊鉛酸蓄電池，取而代之的是672塊鋰電池，實(shí)現(xiàn)了電池供電續(xù)航里程翻倍，并且電池充電時(shí)間減半。日本蒼龍潛艇使用的是湯淺公司開發(fā)的鋰離子電池，采用與現(xiàn)役鉛酸電池相同尺寸的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，電池內(nèi)部采用先由電芯組成電池單元包（單電池），再由單元包通過串/聯(lián)構(gòu)成電池模塊，電池模塊通過管理裝置串并聯(lián)組成電池組與電池系統(tǒng)。在鋰電池電芯技術(shù)路線的選擇上，與松下、日立等日本其他專注發(fā)展高能量密度電芯的電池廠家不同，湯淺公司更關(guān)注鋰電池的安全性與可靠性，在潛艇鋰離子電池上選擇的是錳酸鋰電池體系，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)成熟，在新能源車、儲(chǔ)能電站、水下潛器、重型設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

圖2 日本湯淺公司潛艇用鋰離子電池

2 韓國KSS-III型潛艇鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)分析

圖3 韓國KSS-III型潛艇

韓國同中國、日本一樣為鋰離子電池生產(chǎn)大國，在鋰離子電池方面具有較高的技術(shù)水平，韓國國防采辦項(xiàng)目管理局（DAPA）2018年11月宣稱成功研發(fā)出潛艇鋰離子動(dòng)力電池，2020年11月，裝備鋰離子動(dòng)力電池的韓國自主建造潛艇KSS-III型下水應(yīng)用，該潛艇由大宇造船和韓國海洋工程公司建造，韓華公司負(fù)責(zé)鋰電池模塊的研制和艇用化集成，三星SDI公司提供鋰離子電池電芯。

圖4 韓國韓華公司潛艇用鋰離子動(dòng)力電池

根據(jù)韓華公司資料，與鉛酸蓄電池相比，裝備鋰離子動(dòng)力電池可使?jié)撏Ц咚贆C(jī)動(dòng)續(xù)航里程提升到300%，經(jīng)航續(xù)航里程提升到160%，電池壽命翻倍并可大幅降低維護(hù)保養(yǎng)工作量。由于韓國本土企業(yè)以生產(chǎn)三元體系鋰電池為主，韓國潛艇用鋰離子動(dòng)力電池材料體系也是選擇了其技術(shù)最為成熟的三元方案，但三元電池本身安全性較低，因此為滿足潛艇應(yīng)用要求其在安全性上做了大量的防護(hù)措施。韓國國防采辦項(xiàng)目管理局聲稱其潛艇鋰離子動(dòng)力電池開發(fā)以安全性為第一考慮要素，三星SDI公司提供的120Ah電芯的能量密度約550Wh/L，集成為模塊之后的能量密度為166Wh/L，模塊中有70%左右的體積為結(jié)構(gòu)件、檢測管理組件及電池安全防護(hù)組件，另外電池模塊為高壓方案，內(nèi)部電芯全串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對每個(gè)電芯的監(jiān)控。通過以上技術(shù)手段，可使鋰電池模塊通過嚴(yán)格的火燒、沖擊振動(dòng)、海水浸泡、高溫、短路及電磁兼容等測試，滿足裝艇安全性要求。

3 德國潛艇鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)分析

德國自1995年便開始進(jìn)行潛艇鋰離子動(dòng)力電池研制工作，但前期選擇了三元材料體系500Ah圓柱形電池單體方案，安全性難以保證，2016年起對技術(shù)路線進(jìn)行了調(diào)整，蒂森克虜伯公司于Saft公司合作開發(fā)基于磷酸鐵鋰電池的新型潛艇用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)，并于2018年在巴黎海軍防務(wù)展上展出。蒂森克虜伯公司針對214型潛艇完成了鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)裝艇方案設(shè)計(jì)并在出口型潛艇上大力推廣。

圖5 德國214潛艇用鋰離子動(dòng)力電池方案

德國214型潛艇鋰離子動(dòng)力電池采用45Ah磷酸鐵鋰電芯，全艇共64組電池共儲(chǔ)能14.5MWh，與使用鉛酸蓄電池的潛艇相比，裝備鋰離子動(dòng)力電池的潛艇在經(jīng)航條件下續(xù)航里程可提升20%，高速機(jī)動(dòng)續(xù)航里程可提升近200%，且可在保持柴油發(fā)電機(jī)功率不變的情況下使電池充電時(shí)間縮短28%。

圖6 鋰離子動(dòng)力電池與鉛酸蓄電池性能對比

4 法國潛艇鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)分析

法國早在1999年便開始研發(fā)潛艇用鋰離子動(dòng)力電池，2003年完成可行性研究，2004年完成海上試驗(yàn)，2014年在鲉魚級潛艇上進(jìn)行了裝艇試驗(yàn)，2016年，法國短鰭梭魚級潛艇獲得澳大利亞海軍的12艘潛艇訂單，將在其動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用鋰離子電池加燃料電池方案。法國潛艇鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)由海軍集團(tuán)、Saft公司、CEA Tech公司和EDF R&D公司聯(lián)合研制，法國海軍集團(tuán)負(fù)責(zé)電池系統(tǒng)集成，Saft公司負(fù)責(zé)電池的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，CEA Tech公司提供在化學(xué)、結(jié)構(gòu)以及電力電子方面的技術(shù)支持，EDF R&D公司則針對潛艇應(yīng)用高安全性、可靠性的要求進(jìn)行大規(guī)模電池系統(tǒng)的嚴(yán)格測試。

圖7 Saft公司潛艇用鋰離子動(dòng)力電池

據(jù)相關(guān)資料分析，Saft公司為潛艇應(yīng)用提供的是45 Ah磷酸鐵鋰圓柱電芯，電芯能量密度149 Wh/kg、313 Wh/L。與德、日、韓等國采用的類似鉛酸蓄電池的模塊外形不同，法國采用的是電池柜式布置方式，此方案在電動(dòng)船舶及儲(chǔ)能電站中應(yīng)用成熟，電池模塊內(nèi)部每個(gè)電芯均采用套筒方式進(jìn)行固定及防護(hù)，以抑制電芯間的熱失控傳播，提高電池模塊安全性。

5 結(jié)論與展望

與鉛酸蓄電池相比，鋰離子動(dòng)力電池在提高常規(guī)潛艇續(xù)航力、高速機(jī)動(dòng)性以及隱蔽性方面優(yōu)勢明顯，國外主要軍事強(qiáng)國在潛艇用鋰離子動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，日韓裝備鋰離子動(dòng)力電池潛艇已下水應(yīng)用，潛艇動(dòng)力電池已經(jīng)進(jìn)入鋰電時(shí)代。

潛艇用鋰離子動(dòng)力電池由于其應(yīng)用的特殊性必須以安全性為首要考慮因素，需充分考慮正常使用及意外情況下電池的安全性問題，比如電池單體選擇高安全性材料體系，在模塊與系統(tǒng)層級進(jìn)行多層次的防護(hù)設(shè)計(jì)。另外，與鉛酸蓄電池一個(gè)電池艙內(nèi)全部串聯(lián)的成組方式不同，國外潛艇鋰離子電池均采用多電池組并聯(lián)的方案，從而提高管理系統(tǒng)對電池的管控能力及電池系統(tǒng)的可靠性。

[1] 陳新傳,宋強(qiáng),呂昊,王路. 鋰離子電池應(yīng)用于潛艇動(dòng)力可行性分析[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(6): 18-20

[2] Sebastien Roblin, Japan Just Launched a Deadly New Stealth Submarine Using Tech Straight Out of your iPhone, The National Interest, 2018.

[3] http://www.mod.go.jp/j/approach/hyouka/seisaku/results/18/jigo/sankou/jigo05_sankou.pdf

[4] マンガン系大容量リチウムイオン電池新製品開発のご案內(nèi), GS YUASA, 2000

[5] Naida Hakirevic, South Korea launches 2nd KSS-III submarine, Naval Today, 2020

[6] Aidan Depetro, The Design & Safety Challenges of a Lithium-ion Main Storage Battery for Conventional Submarines, BMT Design & Technology, 2017

[7] Andreas Grunickle, FICCI Conference, TKMS, 2016

[8] Naval Group presents LIBRT its new generation of Lithium ion batteries system for submarines, Naval-Group, 2018

Application and Analysis of Lithium-ion Batteries for Submarine in Foreign Countries

Ma Yonglong1, Nie Dong2, Liu Fei3

(1、2. Naval Equipment Department, Wuhan 4300064; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2021）08-0004-0004

2021-07-22

馬永龍（1974-），男，高級工程師。研究方向：光電技術(shù)信息系統(tǒng)。E-mail: bnqqnb@163.com