从装备需求看鱼雷动力电池发展

高新龙，王宇轩，李学海

（天津电源研究所，天津，300384）

从装备需求看鱼雷动力电池发展

高新龙，王宇轩，李学海

（天津电源研究所，天津，300384）

随着鱼雷武器向大航程、高航速和信息化方向发展，鱼雷动力电池的研发也面临着新的挑战。从分析鱼雷装备发展特点出发，介绍了锂氧化银电池、锂氟化碳电池、氢氧燃料电池、热电池等几种高能电池的发展情况，并对其作为鱼雷动力电池的应用进行了分析，展望了鱼雷动力电池以下三方面的发展方向: 深度挖掘铝氧化银电池的性能潜力；开展新体系高能电池技术研究；积极开发组合电源技术。

鱼雷；动力电池；铝氧化银电池；组合电源技术

1 概述

电动力鱼雷以其噪声低、无航迹、不受背压影响、训练成本低等特点，得到各国海军的大力发展。近年，随着舰艇装备的更新和水下防御技术水平的提高，鱼雷武器的性能也向大航程、高航速等方向发展［1］，并涌现出远程巡航鱼雷、网络鱼雷等新概念鱼雷。不断改善的鱼雷性能同时也对鱼雷动力电池性能的提高提出了新挑战。

目前，国际上较为先进的电动力鱼雷的航程和航速已经达到了50 km、50 kn的“双50”水平，如黑鲨、MU90等，都具备了良好的大航程、高速度的打击能力［1-2］。但是，随着声呐技术的发展和反潜巡逻机的大量应用，舰艇编队的水下搜索半径可以达到60 km以上，其反潜打击范围更是可以达到上百公里。显然，在保证自身安全的前提下，鱼雷50 km的攻击距离是远远不够的。此外，各国海军大型舰艇的航速为30 kn左右，部分新型舰艇的航速可以达到40 kn。例如俄罗斯的阿尔法级核潜艇水下航速高达42 kn，美国的海狼级攻击型核潜艇最大航速也达到了35～40 kn。作为反潜的有效武器，鱼雷的航速应该是敌目标速度的1.5倍，也就是要求未来鱼雷的航速达到60 kn以上才能满足实战要求［3］。

在鱼雷航速和航程提高的同时，鱼雷的机动性和信息化控制也受到更高的重视。双速制或多速制鱼雷可以在电池容量一定的情况下，实现航程和航速间的取舍调节，增强了鱼雷的适用性。意大利开发的轻型鱼雷 A244/s在后期的改进型号A244/s mod3中就将单一速制改为双速制。法国和意大利开发的 MU90轻型鱼雷和意大利的“黑鲨”重型鱼雷更是实现了无级变速［4-5］。在信息化作战的大背景下，鱼雷作为水下战场的主要攻击武器之一，将依托水下信息作战网络进行作战［6］，从而提高鱼雷武器系统作战效能。基于该种作战理念的网络鱼雷［7］已成为新的发展亮点。该种鱼雷不但具备低速巡航、中速跟踪和高速攻击的机动性能，还装备有信标机、锚泊悬浮线舱等通信装置，用于实现鱼雷间或鱼雷与空、天系统间的信息交换。

由电动力鱼雷大致经历的发展历程来看，从第1代鱼雷的铅酸电池，到第3代鱼雷的铝氧化银电池，动力电池比能量、比功率的提高都推动了鱼雷性能的跨越式发展。法、意、韩等国曾先后开展了铝氧化银电池的研制，使其鱼雷性能达到了国际领先的 “双50” 水平。早在2003年至2005年间，蔡年生、姜忆初［1-2］等人就曾指出铝氧化银电池将是鱼雷动力电池的发展方向。如今，面对更大航程和更高航速的装备需求，高比能、高比功率电池势必成为鱼雷动力电池的发展方向。同时，动力电池比能量、比功率的大幅提高也是摆脱鱼雷航行性能发展瓶颈期的重要途径。此外，鱼雷良好的机动性能要求和信息化发展使得动力电池不但具备良好的倍率放电特性，还要满足更加多样化的用电需求。这些也对鱼雷动力电池性能提出了更多的挑战。

2　高比能和高比功率电池的发展

2.1铝氧化银电池

铝氧化银电池是当今装备鱼雷的最先进动力电池之一。法国SAFT公司研制的铝氧化银电池先后应用于MU90、Black shark和F21鱼雷，其性能可以达到普通锌银电池的2倍，比能量可达到160 Wh/kg以上［4-8］。韩国自主研发的k-745“蓝鲨”324型反潜鱼雷也采用铝氧化银电池驱动，其航速可达45 kn，航程12 km。自1985年，最早装备“海鳝”鱼雷以来，铝氧化银电池作为鱼雷动力电池已经有30年的装备历史。从装备鱼雷的性能来看，航速和航程始终维持在50 kn、50 km的水平，并没有出现显著提升。这表明铝氧化银电池技术发展已经进入了成熟期，跨越式的性能提升已经不现实。因此，提升铝氧化银电池技术成熟度，深度发掘其比能量和比功率潜力，将是一段时间内的发展方向。曾有报道称美国西屋公司开发了可将鱼雷航速提高至60 kn的500 kW级铝氧化银电池［3］。M.P.LANNOT等研制的500 kW铝氧化银电池比能量可达到182 Wh/kg［9］。

为满足鱼雷航速达到60 kn，开发500 kW级大功率铝氧化银电池将是挖掘其技术潜力的发展方向之一。同时，铝氧化银电池也应借助新型材料的发展全面提升自身性能。如以更轻质的高性能阻尼镁合金代替铝合金制作鱼雷电池壳体［10］，以进一步提高电池比能量。此外，完善铝氧化银电池电液循环控制技术，拓展其适用领域，将对开发锂氧化银等其他高能电池具有重要意义。

2.2锂氧化银电池

在锂电池和铝氧化银电池技术发展的基础上，出现一种以氧化银为正极活性材料，锂单质为负极活性材料，高浓度的氢氧化锂溶液为电解液的锂氧化银电池。锂氧化银电池是一种水激活电池，储存时电池为干态，因此贮备期间具有较好的安全性和储存寿命。该电池系统同铝氧化银电池一样，需要完整的辅助系统来保证电池本体放电的稳定进行。锂氧化银电池开路电压为 3.2 V，工作电压为 2.1～2.4 V，比能量可达160～200 Wh/kg。与铝氧化银电池相比，在具备相当且稍好的比能量同时，具有更高的工作电压。同时，该电池还具有和铝氧化银电池相当的大电流放电特性，比功率可达2 000 W/kg［11］。工作电压高、比能量高、高速放电性能好等特点，使锂氧化银电池成为一种非常有潜力的鱼雷动力电池。

锂氧化银电池具有与铝氧化银电池相同的系统构成，在研发过程中可充分借鉴后者的成熟技术，使产品实现快速应用。锂合金在水性电解质中腐蚀而引起的安全性问题使得锂氧化银电池一直处于研发阶段。

近年，锂合金阳极和多组分复合缓蚀剂［12］方面的技术研究，为锂氧化银电池的发展奠定了基础。H.Q.Li等提出了一种采用2种电解液的新型锂氧化银电池结构［13］，该电池正极采用碱金属溶液作为电解质，负极则为有机电解质，2种电解液之间采用LISICON隔膜分开，以解决锂负极钝化和腐蚀问题。随着技术研究的进步，锂氧化银电池在高速鱼雷动力电池领域必将得到很好的应用。

2.3锂离子电池

锂离子电池以其优良的充放电循环寿命，成为鱼雷操雷电池的首选。法国SAFT公司就与DCNS公司达成合作协议，前者负责为鱼雷、UUV等研发锂离子电池技术［14］。美国Yardney公司也开展了全电动鱼雷高功率锂离子电池系统的研制，该系统由100 块单体容量25 Ah 的锂动力电池组成电池组，最大功率密度650 W/kg［15］。Yardney公司与SAFT公司展开技术合作，研制的高倍率放电锂离子电池功率300 kW，质量比能量可达94 Wh/kg，功率和操练时间相对较好地满足训练要求［16］。

国内锂离子动力电池技术逐渐成熟，产品逐渐走入市场。大容量锂离子动力电池在水下装备应用中进入试验阶段，目前我国某水下装置采用200 Ah锂离子动力电池；某水下航行器采用100 Ah锂离子动力电池；某训练装备采用聚合物锂离子动力电池，比能量达140 Wh/kg，循环次数达到15次以上。除此之外，还有远程巡航潜艇诱饵、教练鱼雷电源、深潜器、反鱼雷武器等多个型号水下装备正准备采用锂离子电池作为动力电源［14］。

锂离子电池的工业化使得技术不断成熟，比能量和比功率等特性均达到了满足鱼雷二次动力电池应用的水平。优异的循环寿命，低廉的训练成本都使得锂离子电池将在今后一段时间内成为鱼雷二次动力电池的首选。

2.4燃料电池

燃料电池是一种无污染、无噪声的高能发电装置，尤其适合作为水下推进动力电源。早在上个世纪，西方各国就开展了将燃料电池应用于潜艇动力推进系统的探索工作。德国西门子公司于1995年完成了35～70 kW质子交换膜氢氧燃料电池（PEMFC）单元，装备9个该单元的212级潜艇可以实现航速8 kn，航程900 km。近年，燃料电池技术不断进步，小型化趋势明显，涌现了很多装备于无人水下航行器（UUV）的燃料电池。美国Sierra Lobo公司更是开发了应用于直径533 mm UUV的液氢液氧PEM 燃料电池，将比能量从100 Wh/kg提高至350～760 Wh/kg［17］。近年，我国在燃料电池开发方面进步显著，清华大学、同济大学和中科院大连化物所等高校和科研院所都开展了燃料电池在汽车动力等领域的应用研究。李阳等人就燃料电池在鱼雷动力电源方面的应用展开了分析，并指出使用燃料电池作为鱼雷动力装置是符合目前鱼雷发展趋势的［18］。

燃料电池比功率低的缺点限制了其在高速鱼雷上的应用，但高比能量和较大的比能量提升空间，使其作为长航程、低速巡航鱼雷的动力电池具有很大的优势。通过整合燃料电池在UUV和汽车动力领域中的成熟技术，深度挖掘燃料电池的比能量优势，将会使以液态贮氢的氢氧燃料电池、铝过氧化氢半燃料电池等都有望成为鱼雷动力电池发展的可能。

2.5锂氟化碳电池

以锂氟化碳为代表的一次电池具有更高的理论比能量，具备成为下一代鱼雷动力电池的可能。其中锂氟化碳电池的理论比能量是一次电池中最高的（约为2 180 Wh/kg）［19］。松下和QinetiQ公司生产用于民用的锂氟化碳电池比能量达到了320～680 Wh/kg。Saft、Ultralife和EP等公司采用在正极氟化碳材料中混合二氧化锰的工艺方法，生产出了比能量达到784 Wh/kg的卷绕式单体电池［20］。中电十八所等单位也对锂氟化碳电池展开了研究，并在氟化碳与二氧化锰混合电极性能和制备工艺方面取得了较大的进展［21-22］，以期在鱼雷动力电池领域得到应用。

高比能量使得锂氟化碳电池在鱼雷一次动力电池领域具有很好的应用前景，良好的高低温性能（-30℃～80℃）和10年以上的存储寿命更是契合了鱼雷电池的性能需求，使得该电池受到人们的关注。与燃料电池一样，实际应用的锂氟化碳电池同样存在比功率低的缺陷，还不能满足鱼雷高航速的使用需求。但该体系电池负极金属锂的理论比功率为13 kW/kg，可达到金属锌的10倍。这一点给锂氟化碳电池在鱼雷动力电池领域的应用带来了希望，同时也为该体系电池的发展指明了方向。

2.6热电池

热电池以激活快、低温性能好、贮存寿命长等优点被广泛应用于导弹、航天等武器装备领域。上世纪80年代，法国SAFT公司就曾开发过用于鱼雷推进的LiAl/FeS2热电池，该热电池由4个矩形电池组并联而成，可以电压90 V电流180A放电工作16 min，比能量为80 Wh/kg，达到了与锌氧化银电池相当的水平。

近年，热电池电极材料不断发展进步。锂硼（LiB）合金以其近乎完美的特性（高电位、高容量）正逐步取代LiAl和LiSi，成为新的负极材料。以LiB合金做负极的热电池单体比功率和比能量达1 200 W/kg和120 Wh/kg，组合电池比能量可达60～80 Wh/kg［23］。在热电池正极材料方面，CoS2以极低的电阻率、更高的热稳定性和多孔状结构，正在逐步替代FeS2成为热电池新型正极材料，采用CoS2材料制作的热电池内阻较FeS2降低40%左右，大电流放电，开路搁置等性能明显优于FeS2体系，且容量与FeS2基本相当［24］。氯化镍以明显高于二硫化物的电压性能，可以达到更高的实际比能量。以NiCl为正极，LiB合金为负极，电解质选用全锂三元电解质制备电池进行放电试验，研究表明，电池激活时间1.6 s，样品电池的比能量达到84 Wh/kg是热电池中较高的水平［25］。并且通过对氯化镍进行高温处理［26］或添加羟基镍粉［27］，还可改善激活性能，并进一步提高比能量。

热电池的高比功率特性一直受到高速鱼雷动力电池研究人员的青睐，电池材料的技术进步必将带来比能量的进一步提高，从而推动热电池向鱼雷动力电池方向发展。

3　完善组合电源技术以提升电动鱼雷性能

纵观上述几种典型高能电池的技术发展，在目前阶段同时具备高比能和高比功率特性，能够满足鱼雷大航程、高航速需求的电池体系尚不完善。因此，能够利用2种不同体系电池实现优势互补的组合电源技术日益受到人们的重视。美国海军水下作战中心就曾开发一种适用于轻型鱼雷的组合电源，该电源包括用于低速航行的可充电锂离子电池和用于高速攻击的铝氧化银电池2个部分。先进的电池电子装置可以优化电池的负荷性能，并保证电池安全［28］。该组合电源利用锂离子电池比能量高的特点，提高鱼雷航程，同时利用铝氧化银电池比功率高的特点，提高鱼雷航速。高比能电池（如锂氟化碳电池、锂离子电池等）与高比功率电池（如铝氧化银电池、大功率热电池）构成组合电源，可以同时满足鱼雷航程和航速的需求，将是鱼雷动力电池的发展方向之一。组合电源不仅是2种体系电池的简单组合，还需要在以下几个方面开展深入的技术研究:

1） 合理选型，优化电池参数匹配，以期兼顾2种体系电池的优点，使组合电源性能达到最佳；

2） 优化电池结构设计，强化2种体系电池的集成，为提高电池质量比能量和体积比能量创造条件；

3） 发展电池监测控制技术，实现对电池工作模式的控制切换，优化电池负载特性，同时保证电池安全。

近年，锂离子电池、燃料电池、铝氧化银电池等在UUV和鱼雷领域的成功应用为组合电源技术研究奠定了基础。高能电池技术的发展更是为开展组合电源研究创造了新的条件。适时开展组合电源技术研究，将会使我国鱼雷性能得到进一步的提升。

4　结束语

新形势下，鱼雷的发展需求为动力电池发展指明了方向。深入挖掘铝氧化银电池的性能，并积极探索锂氧化银、锂氟化碳电池、热电池等高能电池在鱼雷动力电池领域的应用将是今后的发展重点。在现有成熟的电池体系基础上，发展组合电源技术将是鱼雷动力电池研制的新方向。

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（责任编辑: 陈 曦）

Development Trend of Power Battery for Torpedo Based on Equipment Demand

GAO Xin-long，WANG Yu-xuan，LI Xue-hai
（Tianjin Institute of Power Sources，Tianjin 300384，China）

With the development of torpedo weapon towards long range，high speed and informatization，the research on torpedo power battery encounters new challenges.This paper describes the development features of torpedo weapon，reviews the development of the high energy batteries，e.g.lithium-silver oxide battery，lithium-carbon fluoride battery，hydrogen-oxygen fuel battery，and thermoelectric battery，and analyzes their applications to torpedo power source.Subsequently，three development trends of torpedo power battery are forecast as follows: 1） sufficiently increasing performance potential for the aluminum-silver oxide battery；2） designing new-type high power battery；and 3） developing integrated power source technology.

torpedo；power battery；aluminum-silver oxide battery；integrated power source technology

TJ631.2；TM911

A

1673-1948（2016）03-0206-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.009

2016-03-28；

2016-04-19.

高新龙（1982-），男，工程师，主要研究方向为水中兵器用电源系统.