锂离子蓄电池在非核动力潜艇上的应用研究

崔为耀

（中国舰船研究设计中心，Wuhan 430064）

0 引言

隐蔽性是所有常规潜艇（包括非核动力 AIP潜艇）最重要的特征之一，尤其对于执行濒海作战任务的潜艇。衡量潜艇隐蔽性好坏有一个技术指标是暴露率。两者之间成反比例关系，即暴露率越高，隐蔽性越差，反之亦然。所谓暴露率就是潜艇处于通气管航态为蓄电池充电所花费的时间与水下航态用蓄电池或AIP系统作为推进动力和生活负载功率巡航所花费的时间之比。它是一个可利用公式[1]计算的变量，与蓄电池充电时间以及两次充电间隔的时间相关。

世界上暴露率最低的潜艇是德国216级“混合动力”潜艇，其暴露率约为 2%[2]。即该艇在水下巡航98 h，只需要上浮到潜望深度（通气管航态）为蓄电池重新充电 2 h。该艇的设计方案表明，“混合动力”的辅助动力是燃料电池AIP系统（FC-AIP）或者闭式循环柴油机 AIP系统（CCD-AIP）；其常规动力系统的重要组件仍然是蓄电池组。只不过此蓄电池并非彼蓄电池，而是由新型锂离子电池组取代了传统的铅酸电池组。这是该设计方案的最大亮点之一，亦是该艇暴露率低的主要原因之一。

1 常规潜艇传统蓄电池的种类及主要特点

常规潜艇俗称柴-电潜艇，它与新型的不依赖空气的推进系统（简称 AIP）潜艇，通称为非核动力潜艇。蓄电池是柴-电潜艇大潜深航行的主要动力源之一，因此蓄电池是非核动力潜艇的关键组件之一，如果没有它们，处于水下航态的潜艇则无法航行。

蓄电池俗称“电瓶”，常见的汽车上的电瓶的主要作用是启动发动机。潜艇所用的电瓶的规格与质量比汽车上大得多。一块电池英文为“cell”，多块电池构成的电池组为“battery”。目前世界上潜艇常用的蓄电池主要有铅酸电池、银锌电池、锂铁/铝/钛电池，Voltar电池（75～85型）等[3]，主要构型如表1所示。

银锌电池与锂铁/铝/钛电池具有能量密度高，结构坚固耐用，使用寿命长，充放电效率高，无毒性气体析出及可靠性高等特点。但二者均因成本昂贵未能得到广泛使用，只有英美两国海军的潜艇或深潜器上使用过。Voltar 75～85型电池是德国制造的迄今仍在使用的最古老的蓄电池之一，亦称为平板式蓄电池。85型电池采用“双层”设计，主要改进了铜负极，充电电流大，放电电能高，放电期间热量明显降低。

近几十年来，该型电池在其规格、内部结构、电解质材料选择及其密度等方面均有很大改进。例如20世纪70年代改进的阀控式密封铅酸电池，因无酸雾逸出而不需要维护，且可以任意方向布置，从而迅速得到推广。铅酸电池的性能特征直接决定非核动力潜艇的使命范围与战技性能。

图1 英国‘霍兰德’1号潜艇使用的铅酸电池

典型潜艇铅酸蓄电池性能见表2。从表2中可以看出，主要发达国家海军潜艇蓄电池均为铅酸电池，结构型式主要以管状与板状为主，还有双层结构型式（如德国出口型209级潜艇的Voltar 75型）电池。每组电池至少120块，还有分别以148块、160块及 240块为一组的，艇上最少 2组铅酸电池（240块），最多8组（960块），放电电能为5000～6700 Ah（1 h时率）。

2 锂离子电池的技术特性与优势

2.1 锂离子电池的技术特点

1）电解质以固态或胶质体形式存在，没有自由液体，可加工性强，可靠性大幅提高；

2）不需要金属外壳，可制成全塑包装，可大幅降低重量；

3）电解质可与塑料电极叠合，使高能量与长寿命结合起来，形状与大小可塑性很强，适用范围与销路大幅拓宽；

4）因为电解质被聚合物中的网络所捕捉，均匀地分散在分子结构中，所以聚合物锂离子电池的安全性大幅提高。

2.2 锂离子电池的优势

相对于传统铅酸电池而言，新型锂离子电池具有如下优势：

1）比容量高，这是锂离子电池的最大优势，比容量指的是单位重量或单位体积的能量。单位为 wh/kg或 wh/l；

2）单电池输出电压高。单电池输电压高达3.6～3.8 V，是镍镉电池或镍氢电池的3倍（有利于并入潜艇电网）；

3）自放电率低。自放电率指的是，当电池未与外界连接时，因电池内自发反应，而引起的化学能的损失小于10% /ml；

4）使用寿命长。该电池的循环次数最高达1200次。而湖南星莹新能源液态锂电池在正常使用的情况下，也可达到500次以上循环。

5）安全性能好。锂离子电池不含金属锂，在充、放电过程中，只需锂离子嵌入与脱出，使电池过热和内部短路的几率降到最低，从而大幅提高电池的安全性；

6）无记忆效应。记忆效应意味着在未放尽电能的情况下充电时，未放尽的电量会使极板“结晶”。传统的镍镉电池均存在记忆效应问题。而锂离子电池充电前，无需放电，因此不存在记忆效应问题；

7）无污染，零排放，有利于环境保护。锂离子电池不含任何镉、汞等重金属材料，生产流程中不产生任何废气和废液。产生的废品均可回收利用。对环境无污染，属于缘色环保产品。

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2.3 应用研究现状与发展趋势

在过去15年中，锂离子电池已成为市场上的大众消费品。在航天、航空及海洋工程领域已有众多应用。尤其在汽车工业上，已开发成功大容量的锂离子电池。目前德国与法国海军正在开展常规潜艇上利用锂离子电池取代铅酸电池的开发应用工作。

2011年9 月在德国基尔市举办的国际潜艇学术会议上，HOW 船厂在介绍该国海军 216级潜艇推进系统设计方案中，明确提出用锂离子电池取代铅酸电池。自 20世纪 90年代初，德国TKMS公司与HOW船厂开始研发潜艇用锂离子电池技术。

1995年8 月，德国HDW船厂与GAIA锂电池技术公司签订了开发大型锂离子电池技术的合同。该合同分两个阶段实施。第1阶段工作主要GAIA公司实施，他们发挥自身的技术优势，展开大型锂离子电池的研制工作，并已研制出电池模块样品。经过测量比较，各方面性能均优于铅酸电池。第2阶段工作由TKMS与GAIA公司共同实施。基于第1阶段目标已达到，即锂离子电池演示验证已达到所要求的性能水平。接下来两家公司将若干电池模块组装到实尺度模型中，然后陆续开展陆基试验与海上试验。两家公司经过12个月的密切合作，已成功研制出外形类似传统铅酸电池的锂离子电池模块（见图2）。该标准模块由 23块电池串接而成，每块电池标准电压3.6 V，总电压达83 V，总电能485 Ah。充电效率接近98%，在充电达0.5 C率时，可进行快速充电。每月自放电率低于 2%。该电池模块已通过设计评审，并按照常规潜艇的抗冲击、磁特征信号与操作使用、安全性等专项试验标准进行验证试验。

该模块由23块电池串接而成。图中示明了蓄电池模块系统与延时熔断器装艇的锂离子电池模块的数量取决于艇上推进电力的电压级。电压级越高，串接电池模块越多。在电池模块顶部设有电源接线柱与电池管理系统（BMS），模块底部装有用于短路保护的延时熔断器。该电池管理系统由基准系统与从属系统构成。从属系统主要收集每块电池的电压与温度等数据，而基准系统则收集从属系统中串接电池组的全部数据，并测量其串联电流。基准系统模块监视每列电池组与收集该列电池组的有关数据，并将这些数据传送到能源管理系统。然后几列蓄电池组并联起来，以满足推进系统所需的电能。对每列电池使用紧凑式开关或串联开关进行去耦。利用电池管理系统和能源管理系统进行控制。这样可保证在一列电池组失效的情况下，整个锂离子电池系统仍具有高度可靠性。

图2 德国HDW船厂锂离子蓄电池模块

在非核动力潜艇国际市场上，法国海军造船公司（DCN）一直是德国HDW船厂的主要竞争对手。该公司于 2008年 11月与法国赛副特（Saft）蓄电池厂签订了为新型潜艇研制锂离子电池的合同。这种新研制的锂离子电池专用于DCN公司为法国海军设计的“由鱼”级柴-电潜艇。

Saft厂是法国一家知名的锂离子电池供应商。其产品不仅用于无人潜器（UUV）与运送蛙人的载人潜器（SDV）上，而且还用于特定通讯卫星上。相对于竞争对手而言，法国开发锂离子电池技术在潜艇上的应用工作略为滞后，但是进展却较快。目前的研究工作为：电池模型的构建与定性研究、安全性研究与试验研究、专用物理模型集成于潜艇蓄电池舱、锂离子电池模型集成于潜艇电气系统中、研制合适的仿真工具、电池模型与组件之间的耦合试验以及蓄电池与柴油发电机的耦合试验等。

DCN公司声称，该型锂离子电池样品已进行了陆基技术测试，该电池系统与不同电源（如柴油发电机等）及AIP系统也进行了陆基定性耦合试验，结果表明，到2014年之前，该锂离子电池模型将装到法国常规潜艇“由鱼”级上。

到了90年代未，锂离子电池研制取得突破性进展，比迪亚，邦凯和比克等多家公司均在大规模生产液态锂离子电池。产品的技术水平已达到或超过日本同类产品水平。厦门宝龙公司于1999年12月自行设计开发了日产1万只聚合物锂电池的生产线，也是世界上形成规模的第3条聚合物锂离子电池生产线。我国有关舰船总体研究设计单位以及专业蓄电池设备厂、所已将锂离子电池技术在常规潜艇的应用研究列入基金课题或预研课题，并已取得阶段性研究成果。预计到“十二·五”（2015～2020年）期间进行模型陆基定性试验与装艇海上试验。新一代非核动力潜艇将装备这种新型的锂离子电池组。

3 结论

锂离子蓄电池非常适用于非核动力潜艇，并完全满足这类潜艇推进系统的安全要求，对改善和提高未来常规潜艇的作战使用性能具有明显的作用。与传统铅酸电池相比，锂离子电池的能量密度一般高出2倍，按5 h放电率计算，相同电能的电池，其重量减轻一半，这样一增一减，对非核动力潜艇而言意义非同凡响。通过分析可以看出，锂离子蓄电池的优点正好可弥补铅酸电池的不足。所以潜艇设计师理所当然地选择锂离子电池作为潜艇大容量能源集中储存的工具或非核动力AIP潜艇的备用辅助电源。还可作为艇上电力驱动器的配置功率。结论是锂离子电池组一定能成为非核动力潜艇常规动力的新宠，在不远的未来，潜艇主动力源将普通推广应用这种新型电源。

[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] 崔为耀. 从212到216—浅谈德国燃料电池AIP潜艇的演化（J）. 现代舰船，2011,（10）：21-25.

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