潜艇动力电池技术发展综述

范昕



潜艇动力电池技术发展综述

范昕

（海装武汉局，武汉 430064）

对潜艇动力电池进行探讨，介绍了当前潜艇用动力电池特点。根据潜艇对动力电源的要求，探讨了最具潜力的动力电池的性能特点、当前状况及在潜艇中的应用前景。

动力电池铅酸电池锂离子电池

0 引言

常规潜艇在水下航行时由蓄电池提供。作为潜艇用水下动力的蓄电池，均需具备以下性能：容量大，能量密度和功率密度高；寿命长；可靠性高；充电时间短；允许在高温高湿条件下工作。

1 潜艇动力电池现状分析

由于新型高能电池安全可靠性等技术方面的发展限制，各国潜艇用动力电池均为铅酸蓄电池。

潜艇用铅酸蓄电池是动力电池中规模最大、技术最成熟的实用电源。1901年，英国CHLORIDE公司首先将铅酸蓄电池用于HOLLANⅠ型潜艇，此后历经百年不衰，至今铅酸蓄电池仍然是常规潜艇水下的主动力源，也是核潜艇的应急备用电源。

主要潜艇用动力蓄电池生产国家有德、英、法、瑞典、俄、中等国，其中以德国、俄国技术水平最高，中国技术水平也不逊色。最先进的潜艇动力蓄电池有德国85型蓄电池和俄罗斯476型蓄电池，比能高，寿命长达5年以上，实现了高比能和长寿命的统一，而且析氢量也大幅度降低。这些蓄电池均采用了先进极板技术、新型合金材料、铜板栅、玻璃钢蓄电池槽、极柱水冷、新型电液循环技术及防短路措施等新技术，达到了长寿命、高比能、低析氢量的目标。

虽然铅酸蓄电池在今后很长一段时间内将仍然是常规潜艇的水下主动力源和核潜艇的应急电源，但是新一代高性能潜艇和战略核潜艇对动力电池的能量密度、免维护性能提出了更高的要求。目前能够投入实用的铅酸蓄电池已经远远不能满足这些新的要求，必须改进、提高现有铅酸蓄电池性能，研制长寿命、高比能、少维护或免维护潜艇用铅酸蓄电池，同时探索新型高能电池技术及其艇用化技术，这些都是形式发展所需要的。

2 新型动力电池技术展望

从目前技术发展水平和应用情况分析，超级铅酸电池、锂离子动力电池、燃料电池最有潜力成为未来的潜艇动力电池。

2.1 超级铅酸电池

超级铅酸电池是一种新型储能电源（见图1）：正极为铅酸电池的正极板，负极为超级电容器的炭电极和铅酸电池的铅电极组合而成的复合电极，兼具电容和电池双功能储能的特点。超级铅酸电池在保持动力电池能量密度，且不增加复杂电路的情况下，同时兼有超级电容器的高功率密度、大电流充放电、超长循环寿命等特性。

图1 超级铅酸电池原理示意图

国外一些研究机构对超级铅酸电池的综合性能进行了广泛的研究和测试，大量应用实例证实，超级铅酸电池在很多领域可代替传统的铅酸电池，在电动汽车、电力、铁路、通信、洁净能源等领域有着巨大的市场影响力和应用前景。古河蓄电池公司将生产的 12 V超级铅酸电池组成 144 V电池模块，替代原来的Ni-MH电池模块，安装在 Honda Isight 混合动力汽车（HEV）上。安装了超级铅酸电池的日本 Honda Isight HEV在英国伦敦附近的 Millbrook 试验场进行实车测试，完成了170 000 km的行驶距离，而且电池组性能仍然良好。2009 年 8 月，美国总统奥巴马宣布，拨款24亿美元支持48 个项目发展下一代电池和电动车生产，美国 East Pann公司获得了美国政府3250万美元的资助，生产超级铅酸电池用于 HEV，East Pann 电池公司将超级铅酸电池组安装到中等混合电动车 Honda Civic，经过测试，超级铅酸电池能满足在HEV中的应用。英国政府也大力发展动力汽车（EV），由英国政府资助，安装超级铅酸电池组的插电式混合电动面包车正在 Mill-brook 赛道上进行实地测试。美国 Axion 公司生产的超级铅酸电池不仅在HEV中有应用，而且美国海军陆战队在一些战车上也测试了特别版本的 Axion 电池，可见超级铅酸电池在军工方面也具有应用潜力。此外，美国AEP成功研发出50 kWh 三相流480 V，直流48 V的超级铅酸电池储能系统，并将其应用于办公大楼和公共场所储能；Axion Power公司基于超级铅酸电池技术制造出的先进储能系统被称为PowerCube™电池储能系，被应用于美国电网运营商PJM公司的调频市场领域。

超级铅酸电池除了在EV、HEV和储能领域有应用外，在移动通信、信息技术、消费电子、固定型电池、UPS 航空航天和国防科技等领域也具有重要和广阔的应用前景，目前，在世界范围内引起了极大的关注。

超级铅酸电池已被公认为是“下一代先进电池”的杰出代表，也是潜艇用铅酸蓄电池技术新的发展方向，其装备发展需求主要体现在以下几个方面：一是超级铅酸电池易于实现快速充电，可缩短充电时间，满足常规潜艇提高隐蔽性的需求；二是大电流放电特性好，可显著延长常规潜艇高速航行时间，满足常规潜艇提升机动能力的需求。三是能量密度高，可满足常规潜艇提高续航力、增加有效载荷的需求。

综上，超级铅酸电池综合性能优良，对潜艇动力系统的发展和总体作战能力的提升具有重要意义，是潜艇动力电池新的发展方向。

2.2 锂离子动力电池

锂离子电池的概念是Armand在1980年提出的，电池的正负极材料是可以嵌入锂离子的嵌合物，被人们形象地称为“摇椅式电池”（原理如图2）。第一个商品化锂离子电池在10多年前由Sony公司投放市场，该电池体系的正负极材料分别为嵌锂化合物LiCoO2和焦碳。

锂离子电池作为小型电源已经取得了很大的成功，作为大型动力电池，其大规模组合应用的安全性问题尚未彻底解决，但是由于其比能高、单体电压高、寿命长等特点，应用前景仍然是最看好的。

德国HDW船厂和TKMS公司分部自1990年代末期已经对潜艇用锂离子电池技术进行研究。德国HDW船厂与德国GAIA锂技术公司合作研制的锂离子电池单体容量达485Ah，具备0.5C的快速充电能力；此外，已开发出潜艇用锂离子电池模块，电压等级达到83V，并配备电池管理系统（BMS）。法国萨弗特（SAFT）公司是无人潜器锂离子动力电池的主要供应商，还为运送蛙人的载人潜艇提供锂离子动力电池。从2003年开始，法国舰艇建造局（DCN）与萨弗特公司合作，共同研发潜艇用锂离子动力电池模块。资料表明，萨弗特公司锂离子动力电池已完成样机制造，并计划在法国“鲉鱼”级潜艇上进行海上试验。日本汤潜公司（YAUSA）生产的锰酸锂动力电池已装备于小型无人潜艇，并于1999年10月完成了水下试验。另外，日本英耐时（ENAX）公司也很早就已经开展了常规潜艇锂离子动力电池的相关研发工作。此外，日本海上自卫队近期宣布，2015年开工的苍龙级潜艇将装配锂离子动力电池作为动力电源。荷兰HUGIN1000型自动水下航行器的电池系统由聚合物锂离子动力电池和燃料电池组成。此外，俄罗斯等其它国家也在进行潜艇用锂离子动力电池研究。

图2 锂离子电池充放电机理

从国外的技术发展来看，锂离子动力电池在海军水下武器装备的应用，正从小型水下航行器、电动鱼雷发展到更大的小型潜艇、甚至水面双体船；装备对象也在从无人操作过渡到载人航行。不仅如此，从技术发展水平来看，众多国家早已开展潜艇用大功率锂离子动力电池单体、模块和系统技术的研究工作；某些发达国家潜艇用锂离子动力电池已处在陆上联调及海上试验阶段；个别国家已经开始着手于锂离子动力电池装备于潜艇的适装性设计、甚至装艇的工程化工作。

综上所述，锂离子动力电池技术在海军武器领域的推广应用顺应了海军武器装备的发展需求，而且纵观各国的技术发展可以看出海军装备用锂离子动力电池的研究已成为各国热点，未来必将成为技术发展的主流。锂离子电池重量比能为铅酸电池的3倍，体积比能在2倍以上，且快速充电能力强、免维护，将锂离子动力电池应用于潜艇，必将大幅提升潜艇的经航续航能力和高速机动能力，对提高潜艇的隐蔽性等综合作战能力具有很大的促进作用。

2.4 燃料电池

燃料电池是一个相当于内燃机-发动机组功能的电化学发电器，它以氧气为氧化剂，氢气或碳氢化合物转换来的氢气为燃料，将化学能直接转换成电能供给电动机(原理见图3)。与常规电池不同，燃料电池不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，因此其主要优点为效率高（能量转化效率为40％～60％），零排放或少排放，噪音小等，被认为是未来的理想动力源，但是制造成本高，控制系统复杂。

图3 燃料电池工作原理

燃料电池是W.Grove在1839年发明的，已历时160多年，经历了多次起伏，二十世纪六十年代美国NASA将燃料电池成功应用于宇宙飞船，1968年通用汽车公司试生产了第一辆燃料电池汽车，K.V.Kordesch在70年代研制了一辆用碱性H2-O2燃料电池和铅酸蓄电池为动力的电动轿车，德国03年将世界上第一艘燃料电池潜艇投入试航。燃料电池的开发研究已受到世界各国政府和科学家的重视。

燃料电池作为潜艇AIP动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP 潜艇下水至今已经有6艘在役，还有一些FC/AIP潜艇在建造中。2009年10月意大利军方订购的2艘改进型FC/AIP潜艇开始建造，潜艇水面排水量为1450吨，总长为56 m，最大直径为7 m，额定船员24名，水下最大航速为20节，计划在2015~2016 年开始服役。FC/AIP潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2天，而FC/AIP潜艇一次潜航时间可达3周。这种潜艇用燃料电池是由西门子公司制造，采用镀金金属双极板。212型艇装载了额定功率为34 kW的燃料电池模块，214型艇装载了120 kW燃料电池模块，额定工况下效率接近60%。

如上所述，国外燃料电池目前已经成功应用于航天、潜艇等特殊领域，且技术已相对成熟。在民用的氢空质子交换膜燃料电池发动机上，我国基本与国外处于同等水平。但是在面向特殊领域使用的氢氧质子交换膜燃料电池上，目前国内还没有成功应用的实例。因此，在当前国内国际环境下，燃料电池在潜艇领域的应用及开发具有非常良好的前景。我国也应大力发展潜艇用燃料电池AIP系统，以满足新型常规潜艇对水下经航动力的需求，大幅度提高潜艇水下一次续航力，提高潜艇的作战能力。

3 结束语

随着各种现役潜艇作战性能的提高和新一代高性能潜艇以及各种潜水器的研制，对动力电池的能量密度、免维护等各种性能提出了更高的要求，而目前能够投入实用的铅酸蓄电池已经远远不能满足这些新的要求，提高现有的铅酸动力电池性能、探索新型动力电池意义重大。对潜艇动力电池研制加大投入力度，提高我国潜艇动力电池水平，将会大幅提升潜艇的作战性能，也将为各种新概念武器研制打下坚实的基础。

[1] 胡信国. 动力电池进展. 电池工业, 1997, (2): 113-118.

[2] 历海燕, 李全安, 文九巴等. 动力电池的研究应用及发展趋势. 河南科技大学学报（自然科学版）, 2005, (6): 35-39.

[3] 杨裕生. 动力电池发展中的若干个问题. 第四届动力锂离子电池技术及产业发展国际论坛, 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，高级工程师。研究方向：船舶电力系统及电磁兼容。