范昕

?

潛艇動力電池技術(shù)發(fā)展綜述

范昕

（海裝武漢局，武漢 430064）

對潛艇動力電池進(jìn)行探討，介紹了當(dāng)前潛艇用動力電池特點。根據(jù)潛艇對動力電源的要求，探討了最具潛力的動力電池的性能特點、當(dāng)前狀況及在潛艇中的應(yīng)用前景。

動力電池鉛酸電池鋰離子電池

0 引言

常規(guī)潛艇在水下航行時由蓄電池提供。作為潛艇用水下動力的蓄電池，均需具備以下性能：容量大，能量密度和功率密度高；壽命長；可靠性高；充電時間短；允許在高溫高濕條件下工作。

1 潛艇動力電池現(xiàn)狀分析

由于新型高能電池安全可靠性等技術(shù)方面的發(fā)展限制，各國潛艇用動力電池均為鉛酸蓄電池。

潛艇用鉛酸蓄電池是動力電池中規(guī)模最大、技術(shù)最成熟的實用電源。1901年，英國CHLORIDE公司首先將鉛酸蓄電池用于HOLLANⅠ型潛艇，此后歷經(jīng)百年不衰，至今鉛酸蓄電池仍然是常規(guī)潛艇水下的主動力源，也是核潛艇的應(yīng)急備用電源。

主要潛艇用動力蓄電池生產(chǎn)國家有德、英、法、瑞典、俄、中等國，其中以德國、俄國技術(shù)水平最高，中國技術(shù)水平也不遜色。最先進(jìn)的潛艇動力蓄電池有德國85型蓄電池和俄羅斯476型蓄電池，比能高，壽命長達(dá)5年以上，實現(xiàn)了高比能和長壽命的統(tǒng)一，而且析氫量也大幅度降低。這些蓄電池均采用了先進(jìn)極板技術(shù)、新型合金材料、銅板柵、玻璃鋼蓄電池槽、極柱水冷、新型電液循環(huán)技術(shù)及防短路措施等新技術(shù)，達(dá)到了長壽命、高比能、低析氫量的目標(biāo)。

雖然鉛酸蓄電池在今后很長一段時間內(nèi)將仍然是常規(guī)潛艇的水下主動力源和核潛艇的應(yīng)急電源，但是新一代高性能潛艇和戰(zhàn)略核潛艇對動力電池的能量密度、免維護(hù)性能提出了更高的要求。目前能夠投入實用的鉛酸蓄電池已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些新的要求，必須改進(jìn)、提高現(xiàn)有鉛酸蓄電池性能，研制長壽命、高比能、少維護(hù)或免維護(hù)潛艇用鉛酸蓄電池，同時探索新型高能電池技術(shù)及其艇用化技術(shù)，這些都是形式發(fā)展所需要的。

2 新型動力電池技術(shù)展望

從目前技術(shù)發(fā)展水平和應(yīng)用情況分析，超級鉛酸電池、鋰離子動力電池、燃料電池最有潛力成為未來的潛艇動力電池。

2.1 超級鉛酸電池

超級鉛酸電池是一種新型儲能電源（見圖1）：正極為鉛酸電池的正極板，負(fù)極為超級電容器的炭電極和鉛酸電池的鉛電極組合而成的復(fù)合電極，兼具電容和電池雙功能儲能的特點。超級鉛酸電池在保持動力電池能量密度，且不增加復(fù)雜電路的情況下，同時兼有超級電容器的高功率密度、大電流充放電、超長循環(huán)壽命等特性。

圖1 超級鉛酸電池原理示意圖

國外一些研究機(jī)構(gòu)對超級鉛酸電池的綜合性能進(jìn)行了廣泛的研究和測試，大量應(yīng)用實例證實，超級鉛酸電池在很多領(lǐng)域可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸電池，在電動汽車、電力、鐵路、通信、潔凈能源等領(lǐng)域有著巨大的市場影響力和應(yīng)用前景。古河蓄電池公司將生產(chǎn)的 12 V超級鉛酸電池組成 144 V電池模塊，替代原來的Ni-MH電池模塊，安裝在 Honda Isight 混合動力汽車（HEV）上。安裝了超級鉛酸電池的日本 Honda Isight HEV在英國倫敦附近的 Millbrook 試驗場進(jìn)行實車測試，完成了170 000 km的行駛距離，而且電池組性能仍然良好。2009 年 8 月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布，撥款24億美元支持48 個項目發(fā)展下一代電池和電動車生產(chǎn)，美國 East Pann公司獲得了美國政府3250萬美元的資助，生產(chǎn)超級鉛酸電池用于 HEV，East Pann 電池公司將超級鉛酸電池組安裝到中等混合電動車 Honda Civic，經(jīng)過測試，超級鉛酸電池能滿足在HEV中的應(yīng)用。英國政府也大力發(fā)展動力汽車（EV），由英國政府資助，安裝超級鉛酸電池組的插電式混合電動面包車正在 Mill-brook 賽道上進(jìn)行實地測試。美國 Axion 公司生產(chǎn)的超級鉛酸電池不僅在HEV中有應(yīng)用，而且美國海軍陸戰(zhàn)隊在一些戰(zhàn)車上也測試了特別版本的 Axion 電池，可見超級鉛酸電池在軍工方面也具有應(yīng)用潛力。此外，美國AEP成功研發(fā)出50 kWh 三相流480 V，直流48 V的超級鉛酸電池儲能系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于辦公大樓和公共場所儲能；Axion Power公司基于超級鉛酸電池技術(shù)制造出的先進(jìn)儲能系統(tǒng)被稱為PowerCube?電池儲能系，被應(yīng)用于美國電網(wǎng)運營商PJM公司的調(diào)頻市場領(lǐng)域。

超級鉛酸電池除了在EV、HEV和儲能領(lǐng)域有應(yīng)用外，在移動通信、信息技術(shù)、消費電子、固定型電池、UPS 航空航天和國防科技等領(lǐng)域也具有重要和廣闊的應(yīng)用前景，目前，在世界范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注。

超級鉛酸電池已被公認(rèn)為是“下一代先進(jìn)電池”的杰出代表，也是潛艇用鉛酸蓄電池技術(shù)新的發(fā)展方向，其裝備發(fā)展需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是超級鉛酸電池易于實現(xiàn)快速充電，可縮短充電時間，滿足常規(guī)潛艇提高隱蔽性的需求；二是大電流放電特性好，可顯著延長常規(guī)潛艇高速航行時間，滿足常規(guī)潛艇提升機(jī)動能力的需求。三是能量密度高，可滿足常規(guī)潛艇提高續(xù)航力、增加有效載荷的需求。

綜上，超級鉛酸電池綜合性能優(yōu)良，對潛艇動力系統(tǒng)的發(fā)展和總體作戰(zhàn)能力的提升具有重要意義，是潛艇動力電池新的發(fā)展方向。

2.2 鋰離子動力電池

鋰離子電池的概念是Armand在1980年提出的，電池的正負(fù)極材料是可以嵌入鋰離子的嵌合物，被人們形象地稱為“搖椅式電池”（原理如圖2）。第一個商品化鋰離子電池在10多年前由Sony公司投放市場，該電池體系的正負(fù)極材料分別為嵌鋰化合物L(fēng)iCoO2和焦碳。

鋰離子電池作為小型電源已經(jīng)取得了很大的成功，作為大型動力電池，其大規(guī)模組合應(yīng)用的安全性問題尚未徹底解決，但是由于其比能高、單體電壓高、壽命長等特點，應(yīng)用前景仍然是最看好的。

德國HDW船廠和TKMS公司分部自1990年代末期已經(jīng)對潛艇用鋰離子電池技術(shù)進(jìn)行研究。德國HDW船廠與德國GAIA鋰技術(shù)公司合作研制的鋰離子電池單體容量達(dá)485Ah，具備0.5C的快速充電能力；此外，已開發(fā)出潛艇用鋰離子電池模塊，電壓等級達(dá)到83V，并配備電池管理系統(tǒng)（BMS）。法國薩弗特（SAFT）公司是無人潛器鋰離子動力電池的主要供應(yīng)商，還為運送蛙人的載人潛艇提供鋰離子動力電池。從2003年開始，法國艦艇建造局（DCN）與薩弗特公司合作，共同研發(fā)潛艇用鋰離子動力電池模塊。資料表明，薩弗特公司鋰離子動力電池已完成樣機(jī)制造，并計劃在法國“鲉魚”級潛艇上進(jìn)行海上試驗。日本湯潛公司（YAUSA）生產(chǎn)的錳酸鋰動力電池已裝備于小型無人潛艇，并于1999年10月完成了水下試驗。另外，日本英耐時（ENAX）公司也很早就已經(jīng)開展了常規(guī)潛艇鋰離子動力電池的相關(guān)研發(fā)工作。此外，日本海上自衛(wèi)隊近期宣布，2015年開工的蒼龍級潛艇將裝配鋰離子動力電池作為動力電源。荷蘭HUGIN1000型自動水下航行器的電池系統(tǒng)由聚合物鋰離子動力電池和燃料電池組成。此外，俄羅斯等其它國家也在進(jìn)行潛艇用鋰離子動力電池研究。

圖2 鋰離子電池充放電機(jī)理

從國外的技術(shù)發(fā)展來看，鋰離子動力電池在海軍水下武器裝備的應(yīng)用，正從小型水下航行器、電動魚雷發(fā)展到更大的小型潛艇、甚至水面雙體船；裝備對象也在從無人操作過渡到載人航行。不僅如此，從技術(shù)發(fā)展水平來看，眾多國家早已開展?jié)撏в么蠊β输囯x子動力電池單體、模塊和系統(tǒng)技術(shù)的研究工作；某些發(fā)達(dá)國家潛艇用鋰離子動力電池已處在陸上聯(lián)調(diào)及海上試驗階段；個別國家已經(jīng)開始著手于鋰離子動力電池裝備于潛艇的適裝性設(shè)計、甚至裝艇的工程化工作。

綜上所述，鋰離子動力電池技術(shù)在海軍武器領(lǐng)域的推廣應(yīng)用順應(yīng)了海軍武器裝備的發(fā)展需求，而且縱觀各國的技術(shù)發(fā)展可以看出海軍裝備用鋰離子動力電池的研究已成為各國熱點，未來必將成為技術(shù)發(fā)展的主流。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，且快速充電能力強(qiáng)、免維護(hù)，將鋰離子動力電池應(yīng)用于潛艇，必將大幅提升潛艇的經(jīng)航續(xù)航能力和高速機(jī)動能力，對提高潛艇的隱蔽性等綜合作戰(zhàn)能力具有很大的促進(jìn)作用。

2.4 燃料電池

燃料電池是一個相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)-發(fā)動機(jī)組功能的電化學(xué)發(fā)電器，它以氧氣為氧化劑，氫氣或碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換來的氫氣為燃料，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能供給電動機(jī)(原理見圖3)。與常規(guī)電池不同，燃料電池不經(jīng)過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制，因此其主要優(yōu)點為效率高（能量轉(zhuǎn)化效率為40％～60％），零排放或少排放，噪音小等，被認(rèn)為是未來的理想動力源，但是制造成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜。

圖3 燃料電池工作原理

燃料電池是W.Grove在1839年發(fā)明的，已歷時160多年，經(jīng)歷了多次起伏，二十世紀(jì)六十年代美國NASA將燃料電池成功應(yīng)用于宇宙飛船，1968年通用汽車公司試生產(chǎn)了第一輛燃料電池汽車，K.V.Kordesch在70年代研制了一輛用堿性H2-O2燃料電池和鉛酸蓄電池為動力的電動轎車，德國03年將世界上第一艘燃料電池潛艇投入試航。燃料電池的開發(fā)研究已受到世界各國政府和科學(xué)家的重視。

燃料電池作為潛艇AIP動力源，從2002年第一艘燃料電池AIP 潛艇下水至今已經(jīng)有6艘在役，還有一些FC/AIP潛艇在建造中。2009年10月意大利軍方訂購的2艘改進(jìn)型FC/AIP潛艇開始建造，潛艇水面排水量為1450噸，總長為56 m，最大直徑為7 m，額定船員24名，水下最大航速為20節(jié)，計劃在2015~2016 年開始服役。FC/AIP潛艇具有續(xù)航時間長、安靜、隱蔽性好等優(yōu)點，通常柴油機(jī)驅(qū)動的潛艇水下一次潛航時間僅為2天，而FC/AIP潛艇一次潛航時間可達(dá)3周。這種潛艇用燃料電池是由西門子公司制造，采用鍍金金屬雙極板。212型艇裝載了額定功率為34 kW的燃料電池模塊，214型艇裝載了120 kW燃料電池模塊，額定工況下效率接近60%。

如上所述，國外燃料電池目前已經(jīng)成功應(yīng)用于航天、潛艇等特殊領(lǐng)域，且技術(shù)已相對成熟。在民用的氫空質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)上，我國基本與國外處于同等水平。但是在面向特殊領(lǐng)域使用的氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池上，目前國內(nèi)還沒有成功應(yīng)用的實例。因此，在當(dāng)前國內(nèi)國際環(huán)境下，燃料電池在潛艇領(lǐng)域的應(yīng)用及開發(fā)具有非常良好的前景。我國也應(yīng)大力發(fā)展?jié)撏в萌剂想姵谹IP系統(tǒng)，以滿足新型常規(guī)潛艇對水下經(jīng)航動力的需求，大幅度提高潛艇水下一次續(xù)航力，提高潛艇的作戰(zhàn)能力。

3 結(jié)束語

隨著各種現(xiàn)役潛艇作戰(zhàn)性能的提高和新一代高性能潛艇以及各種潛水器的研制，對動力電池的能量密度、免維護(hù)等各種性能提出了更高的要求，而目前能夠投入實用的鉛酸蓄電池已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些新的要求，提高現(xiàn)有的鉛酸動力電池性能、探索新型動力電池意義重大。對潛艇動力電池研制加大投入力度，提高我國潛艇動力電池水平，將會大幅提升潛艇的作戰(zhàn)性能，也將為各種新概念武器研制打下堅實的基礎(chǔ)。

[1] 胡信國. 動力電池進(jìn)展. 電池工業(yè), 1997, (2): 113-118.

[2] 歷海燕, 李全安, 文九巴等. 動力電池的研究應(yīng)用及發(fā)展趨勢. 河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2005, (6): 35-39.

[3] 楊裕生. 動力電池發(fā)展中的若干個問題. 第四屆動力鋰離子電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展國際論壇, 2009.

[4] Advanced vehicle technology analysis and evaluation activities. Annual progress report. 2007. U.S. Department.

[5] Ray Ridley. The future of the electric car. Report of Ridley Engineering Inc. 2006.

Reviews on High Power Battery Technology for A Submarine

Fan Xin

(Wuhan Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China)

TM912.1

A

1003-4862（2014）12-0070-04

2014-10-20

范昕（1965-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)及電磁兼容。