崔為耀

（中國艦船研究設(shè)計中心，Wuhan 430064）

0 引言

隱蔽性是所有常規(guī)潛艇（包括非核動力 AIP潛艇）最重要的特征之一，尤其對于執(zhí)行瀕海作戰(zhàn)任務(wù)的潛艇。衡量潛艇隱蔽性好壞有一個技術(shù)指標(biāo)是暴露率。兩者之間成反比例關(guān)系，即暴露率越高，隱蔽性越差，反之亦然。所謂暴露率就是潛艇處于通氣管航態(tài)為蓄電池充電所花費(fèi)的時間與水下航態(tài)用蓄電池或AIP系統(tǒng)作為推進(jìn)動力和生活負(fù)載功率巡航所花費(fèi)的時間之比。它是一個可利用公式[1]計算的變量，與蓄電池充電時間以及兩次充電間隔的時間相關(guān)。

世界上暴露率最低的潛艇是德國216級“混合動力”潛艇，其暴露率約為 2%[2]。即該艇在水下巡航98 h，只需要上浮到潛望深度（通氣管航態(tài)）為蓄電池重新充電 2 h。該艇的設(shè)計方案表明，“混合動力”的輔助動力是燃料電池AIP系統(tǒng)（FC-AIP）或者閉式循環(huán)柴油機(jī) AIP系統(tǒng)（CCD-AIP）；其常規(guī)動力系統(tǒng)的重要組件仍然是蓄電池組。只不過此蓄電池并非彼蓄電池，而是由新型鋰離子電池組取代了傳統(tǒng)的鉛酸電池組。這是該設(shè)計方案的最大亮點(diǎn)之一，亦是該艇暴露率低的主要原因之一。

1 常規(guī)潛艇傳統(tǒng)蓄電池的種類及主要特點(diǎn)

常規(guī)潛艇俗稱柴-電潛艇，它與新型的不依賴空氣的推進(jìn)系統(tǒng)（簡稱 AIP）潛艇，通稱為非核動力潛艇。蓄電池是柴-電潛艇大潛深航行的主要動力源之一，因此蓄電池是非核動力潛艇的關(guān)鍵組件之一，如果沒有它們，處于水下航態(tài)的潛艇則無法航行。

蓄電池俗稱“電瓶”，常見的汽車上的電瓶的主要作用是啟動發(fā)動機(jī)。潛艇所用的電瓶的規(guī)格與質(zhì)量比汽車上大得多。一塊電池英文為“cell”，多塊電池構(gòu)成的電池組為“battery”。目前世界上潛艇常用的蓄電池主要有鉛酸電池、銀鋅電池、鋰鐵/鋁/鈦電池，Voltar電池（75～85型）等[3]，主要構(gòu)型如表1所示。

銀鋅電池與鋰鐵/鋁/鈦電池具有能量密度高，結(jié)構(gòu)堅固耐用，使用壽命長，充放電效率高，無毒性氣體析出及可靠性高等特點(diǎn)。但二者均因成本昂貴未能得到廣泛使用，只有英美兩國海軍的潛艇或深潛器上使用過。Voltar 75～85型電池是德國制造的迄今仍在使用的最古老的蓄電池之一，亦稱為平板式蓄電池。85型電池采用“雙層”設(shè)計，主要改進(jìn)了銅負(fù)極，充電電流大，放電電能高，放電期間熱量明顯降低。

近幾十年來，該型電池在其規(guī)格、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)材料選擇及其密度等方面均有很大改進(jìn)。例如20世紀(jì)70年代改進(jìn)的閥控式密封鉛酸電池，因無酸霧逸出而不需要維護(hù)，且可以任意方向布置，從而迅速得到推廣。鉛酸電池的性能特征直接決定非核動力潛艇的使命范圍與戰(zhàn)技性能。

圖1 英國‘霍蘭德’1號潛艇使用的鉛酸電池

典型潛艇鉛酸蓄電池性能見表2。從表2中可以看出，主要發(fā)達(dá)國家海軍潛艇蓄電池均為鉛酸電池，結(jié)構(gòu)型式主要以管狀與板狀為主，還有雙層結(jié)構(gòu)型式（如德國出口型209級潛艇的Voltar 75型）電池。每組電池至少120塊，還有分別以148塊、160塊及 240塊為一組的，艇上最少 2組鉛酸電池（240塊），最多8組（960塊），放電電能為5000～6700 Ah（1 h時率）。

2 鋰離子電池的技術(shù)特性與優(yōu)勢

2.1 鋰離子電池的技術(shù)特點(diǎn)

1）電解質(zhì)以固態(tài)或膠質(zhì)體形式存在，沒有自由液體，可加工性強(qiáng)，可靠性大幅提高；

2）不需要金屬外殼，可制成全塑包裝，可大幅降低重量；

3）電解質(zhì)可與塑料電極疊合，使高能量與長壽命結(jié)合起來，形狀與大小可塑性很強(qiáng)，適用范圍與銷路大幅拓寬；

4）因為電解質(zhì)被聚合物中的網(wǎng)絡(luò)所捕捉，均勻地分散在分子結(jié)構(gòu)中，所以聚合物鋰離子電池的安全性大幅提高。

2.2 鋰離子電池的優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)鉛酸電池而言，新型鋰離子電池具有如下優(yōu)勢：

1）比容量高，這是鋰離子電池的最大優(yōu)勢，比容量指的是單位重量或單位體積的能量。單位為 wh/kg或 wh/l；

2）單電池輸出電壓高。單電池輸電壓高達(dá)3.6～3.8 V，是鎳鎘電池或鎳氫電池的3倍（有利于并入潛艇電網(wǎng)）；

3）自放電率低。自放電率指的是，當(dāng)電池未與外界連接時，因電池內(nèi)自發(fā)反應(yīng)，而引起的化學(xué)能的損失小于10% /ml；

4）使用壽命長。該電池的循環(huán)次數(shù)最高達(dá)1200次。而湖南星瑩新能源液態(tài)鋰電池在正常使用的情況下，也可達(dá)到500次以上循環(huán)。

5）安全性能好。鋰離子電池不含金屬鋰，在充、放電過程中，只需鋰離子嵌入與脫出，使電池過熱和內(nèi)部短路的幾率降到最低，從而大幅提高電池的安全性；

6）無記憶效應(yīng)。記憶效應(yīng)意味著在未放盡電能的情況下充電時，未放盡的電量會使極板“結(jié)晶”。傳統(tǒng)的鎳鎘電池均存在記憶效應(yīng)問題。而鋰離子電池充電前，無需放電，因此不存在記憶效應(yīng)問題；

7）無污染，零排放，有利于環(huán)境保護(hù)。鋰離子電池不含任何鎘、汞等重金屬材料，生產(chǎn)流程中不產(chǎn)生任何廢氣和廢液。產(chǎn)生的廢品均可回收利用。對環(huán)境無污染，屬于緣色環(huán)保產(chǎn)品。

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2.3 應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

在過去15年中，鋰離子電池已成為市場上的大眾消費(fèi)品。在航天、航空及海洋工程領(lǐng)域已有眾多應(yīng)用。尤其在汽車工業(yè)上，已開發(fā)成功大容量的鋰離子電池。目前德國與法國海軍正在開展常規(guī)潛艇上利用鋰離子電池取代鉛酸電池的開發(fā)應(yīng)用工作。

2011年9 月在德國基爾市舉辦的國際潛艇學(xué)術(shù)會議上，HOW 船廠在介紹該國海軍 216級潛艇推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計方案中，明確提出用鋰離子電池取代鉛酸電池。自 20世紀(jì) 90年代初，德國TKMS公司與HOW船廠開始研發(fā)潛艇用鋰離子電池技術(shù)。

1995年8 月，德國HDW船廠與GAIA鋰電池技術(shù)公司簽訂了開發(fā)大型鋰離子電池技術(shù)的合同。該合同分兩個階段實(shí)施。第1階段工作主要GAIA公司實(shí)施，他們發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢，展開大型鋰離子電池的研制工作，并已研制出電池模塊樣品。經(jīng)過測量比較，各方面性能均優(yōu)于鉛酸電池。第2階段工作由TKMS與GAIA公司共同實(shí)施。基于第1階段目標(biāo)已達(dá)到，即鋰離子電池演示驗證已達(dá)到所要求的性能水平。接下來兩家公司將若干電池模塊組裝到實(shí)尺度模型中，然后陸續(xù)開展陸基試驗與海上試驗。兩家公司經(jīng)過12個月的密切合作，已成功研制出外形類似傳統(tǒng)鉛酸電池的鋰離子電池模塊（見圖2）。該標(biāo)準(zhǔn)模塊由 23塊電池串接而成，每塊電池標(biāo)準(zhǔn)電壓3.6 V，總電壓達(dá)83 V，總電能485 Ah。充電效率接近98%，在充電達(dá)0.5 C率時，可進(jìn)行快速充電。每月自放電率低于 2%。該電池模塊已通過設(shè)計評審，并按照常規(guī)潛艇的抗沖擊、磁特征信號與操作使用、安全性等專項試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗證試驗。

該模塊由23塊電池串接而成。圖中示明了蓄電池模塊系統(tǒng)與延時熔斷器裝艇的鋰離子電池模塊的數(shù)量取決于艇上推進(jìn)電力的電壓級。電壓級越高，串接電池模塊越多。在電池模塊頂部設(shè)有電源接線柱與電池管理系統(tǒng)（BMS），模塊底部裝有用于短路保護(hù)的延時熔斷器。該電池管理系統(tǒng)由基準(zhǔn)系統(tǒng)與從屬系統(tǒng)構(gòu)成。從屬系統(tǒng)主要收集每塊電池的電壓與溫度等數(shù)據(jù)，而基準(zhǔn)系統(tǒng)則收集從屬系統(tǒng)中串接電池組的全部數(shù)據(jù)，并測量其串聯(lián)電流。基準(zhǔn)系統(tǒng)模塊監(jiān)視每列電池組與收集該列電池組的有關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送到能源管理系統(tǒng)。然后幾列蓄電池組并聯(lián)起來，以滿足推進(jìn)系統(tǒng)所需的電能。對每列電池使用緊湊式開關(guān)或串聯(lián)開關(guān)進(jìn)行去耦。利用電池管理系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)進(jìn)行控制。這樣可保證在一列電池組失效的情況下，整個鋰離子電池系統(tǒng)仍具有高度可靠性。

圖2 德國HDW船廠鋰離子蓄電池模塊

在非核動力潛艇國際市場上，法國海軍造船公司（DCN）一直是德國HDW船廠的主要競爭對手。該公司于 2008年 11月與法國賽副特（Saft）蓄電池廠簽訂了為新型潛艇研制鋰離子電池的合同。這種新研制的鋰離子電池專用于DCN公司為法國海軍設(shè)計的“由魚”級柴-電潛艇。

Saft廠是法國一家知名的鋰離子電池供應(yīng)商。其產(chǎn)品不僅用于無人潛器（UUV）與運(yùn)送蛙人的載人潛器（SDV）上，而且還用于特定通訊衛(wèi)星上。相對于競爭對手而言，法國開發(fā)鋰離子電池技術(shù)在潛艇上的應(yīng)用工作略為滯后，但是進(jìn)展卻較快。目前的研究工作為：電池模型的構(gòu)建與定性研究、安全性研究與試驗研究、專用物理模型集成于潛艇蓄電池艙、鋰離子電池模型集成于潛艇電氣系統(tǒng)中、研制合適的仿真工具、電池模型與組件之間的耦合試驗以及蓄電池與柴油發(fā)電機(jī)的耦合試驗等。

DCN公司聲稱，該型鋰離子電池樣品已進(jìn)行了陸基技術(shù)測試，該電池系統(tǒng)與不同電源（如柴油發(fā)電機(jī)等）及AIP系統(tǒng)也進(jìn)行了陸基定性耦合試驗，結(jié)果表明，到2014年之前，該鋰離子電池模型將裝到法國常規(guī)潛艇“由魚”級上。

到了90年代未，鋰離子電池研制取得突破性進(jìn)展，比迪亞，邦凱和比克等多家公司均在大規(guī)模生產(chǎn)液態(tài)鋰離子電池。產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到或超過日本同類產(chǎn)品水平。廈門寶龍公司于1999年12月自行設(shè)計開發(fā)了日產(chǎn)1萬只聚合物鋰電池的生產(chǎn)線，也是世界上形成規(guī)模的第3條聚合物鋰離子電池生產(chǎn)線。我國有關(guān)艦船總體研究設(shè)計單位以及專業(yè)蓄電池設(shè)備廠、所已將鋰離子電池技術(shù)在常規(guī)潛艇的應(yīng)用研究列入基金課題或預(yù)研課題，并已取得階段性研究成果。預(yù)計到“十二·五”（2015～2020年）期間進(jìn)行模型陸基定性試驗與裝艇海上試驗。新一代非核動力潛艇將裝備這種新型的鋰離子電池組。

3 結(jié)論

鋰離子蓄電池非常適用于非核動力潛艇，并完全滿足這類潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的安全要求，對改善和提高未來常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)使用性能具有明顯的作用。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，鋰離子電池的能量密度一般高出2倍，按5 h放電率計算，相同電能的電池，其重量減輕一半，這樣一增一減，對非核動力潛艇而言意義非同凡響。通過分析可以看出，鋰離子蓄電池的優(yōu)點(diǎn)正好可彌補(bǔ)鉛酸電池的不足。所以潛艇設(shè)計師理所當(dāng)然地選擇鋰離子電池作為潛艇大容量能源集中儲存的工具或非核動力AIP潛艇的備用輔助電源。還可作為艇上電力驅(qū)動器的配置功率。結(jié)論是鋰離子電池組一定能成為非核動力潛艇常規(guī)動力的新寵，在不遠(yuǎn)的未來，潛艇主動力源將普通推廣應(yīng)用這種新型電源。

[1] Konstantinos Psalldas, Clifford A. Whitcomb, and John C. Hootman. Design of conventional subrnarine with advanced air independent propulsion systems and determination of corresponding theater-level impacts.Naval Engineers Journal, 2010, （1）:111-123.

[2] 崔為耀. 從212到216—淺談德國燃料電池AIP潛艇的演化（J）. 現(xiàn)代艦船，2011,（10）：21-25.

[3] 崔為耀. 潛艇蓄電池漫談[J]. 艦船知識，1995,（1）:20-21.

[4] SCOTT R. Power surge: the li-ion alternative to the lead-acid submarine legacy. Jane’s International Defence Review, 2012, （2）:36-39.