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，鋰離子電池產品開始在民用市場大規(guī)模應用，其高能量、易維護等優(yōu)點很快引起海軍技術強國的關注，并紛紛開展鋰離子電池上艇應用研究工作。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)建造的潛艇上應用鋰離子電池動力系統。其中德國、法國、日本、俄羅斯已基本完成鋰離子電池系統研究工作，韓國、澳大利亞正開展相關工作。

1 鋰離子電池動力系統上艇應用情況

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，“行星太陽”號通過該動力系統成功完成了環(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驅動航行，證明了蒂森克虜伯公司鋰離子電池動力系統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外形類似傳統鉛酸電池模塊，鋰離子電池標準模塊由23塊電池串接而成，每塊電池標準電壓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 應用計劃

德國為了應對本國潛艇需求較少，著力通過潛艇出口保持潛艇設計、建造能力，從而維持相關的科研機構、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，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術會議上，蒂森克虜伯公司在介紹216型潛艇推進系統設計方案中，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，并預計2021年交付德國海軍。

動力系統上，216型常規(guī)動力潛艇裝備質子交換膜燃料電池AIP系統，并采用鋰離子電池取代了傳統的鉛酸電池，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，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）簽署協議，法國海軍正式開展?jié)撏т囯x子動力系統研制工作。

與德國相比，法國在鋰離子電池上艇應用工作較為滯后，但研制進展很快。SAFT公司基于VL45E鋰電池技術研制潛艇鋰離子電池動力系統，并于2008年后相繼完成了電池模型構建與定性、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?；赩L45E電池單元，法國設計出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，將核動力推進系統替換成柴-電推進系統。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已完成研發(fā)，并可應用于“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域有著雄厚的技術儲備，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年代開展了相關研制工作，其中湯潛公司生產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）生產的機動車鋰離子電池為基礎，開展?jié)撏т囯x子二次電池（可重復充電）研究并試制樣品。測試表明鋰離子電池蓄電量為傳統鉛蓄電池的2倍，重復充電次數為傳統鉛蓄電池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子動力系統由紅寶石設計局研制，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使用測試工作。該艇于2005年建造，預計于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”級初步設計工作，該艇動力系統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。

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、設計相關技術。2007年韓國正式開展本國自主設計的KSS-3型潛艇研制工作，并于2014年完成潛艇設計。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，潛艇鋰離子電池動力系統研制工作由韓國三星集團負責。

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，在潛艇動力系統方案上，澳大利亞將采用本國研制的鋰離子電池動力系統，該動力系統由澳大利亞國防科技（DST）集團負責研制，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，測試內容主要包括鋰離子電池動力系統電、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與排氣系統。目前技術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進行攻關。

2 鋰離子電池動力系統上艇應用技術特點

與傳統潛艇電池（鉛酸、鎳鎘、銀鋅等）系統相比，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要少于傳統鉛蓄電池潛艇，法國海軍集團評估，根據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。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計做出很大改變的情況下來增加潛艇AIP系統的能量。

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系統形成有效互補，在常規(guī)潛艇低功率航行時采用AIP系統，高功率航行時采用鋰離子電池系統。目前德、日、俄等常規(guī)潛艇技術強國紛紛對AIP系統與鋰離子電池配合使用開展研究，該項技術是常規(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），但由于鋰電池系統沒有記憶效應（電池記憶效應是指電池長期不徹底充電、放電將導致電池容量降低的現象），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，是傳統鉛酸電池系統的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)建造的潛艇上應用鋰離子電池動力系統。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，潛艇火災和爆炸事故具有突然性和快速性，往往導致潛艇殼體結構和設備嚴重損壞，給潛艇以致命打擊，造成了很大的經濟損失和人員傷亡。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、采用冗余設計、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)領域應用前景廣闊，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用于水中兵器和無人潛航器，未來鋰離子電池還將應用于潛艇，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、結構設計、制造工藝、電源管理系統等方面的研究工作，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。