深潜救生艇用电池应用现状与发展趋势

何巍巍 ,张 伟 ,谢 飞 ,马 岭 ,程 斐

(1.中国船舶科学研究中心,江苏 无锡,214082;2.深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡,214082;3.深海技术科学太湖实验室,江苏 无锡,214082)

0 引言

潜艇具备隐蔽性好、续航力强和突袭威力大等特点,可执行反舰、布雷、侦查和特种作战等任务,是各国海军重点发展的作战装备[1]。随着潜艇数量的不断增加以及作战海域的扩大,加之潜艇本身的技术风险较大,潜艇失事的危险也在不断增加。2000 年8 月,俄罗斯海军“库尔斯克”号核潜艇在演习中失事沉没[2],更是引起了各国对援潜救生技术的高度关注。如潜艇发生事故下沉,但未下沉到会导致壳体破损的深度,即可采用援潜救生技术对艇员进行救援,避免艇员的伤亡[3]。失事潜艇幸存艇员的脱险方式主要分为自救逃生和外界救援2 种[4],自救逃生是指依靠潜艇自身携带的脱险装备组织艇员离艇脱险,此种方式只能在浅深度实施,具有一定的局限性;外界救援是指依靠深潜救生艇(deep submergence rescue vehicles,DSRV)、救生钟等外界援潜救生装备实施的救援,可在较大深度开展艇员救援,是各国海军重点发展的救援手段。其中,DSRV 是一种以电池为动力的载人潜水器,可在大深度与失事潜艇对接并转移艇员,相较于救生钟等带缆救援装备,DSRV不依赖母船进行供能,具有机动灵活、航程大且救援人数多等特点。也正因为电池是DSRV 在水下的唯一能量来源,其性能决定了DSRV 的航程、航速和水下救援时间等关键指标,是DSRV 安全性和可靠性的重要影响因素。各国海军开始研制DSRV 的时间不一,技术路线多样,因此,使用的电池技术与方案也各不相同。目前,还未有相关文献对全球各型DSRV 用电池技术进行专项研究。

1 全球DSRV 用电池概况

自20 世纪60 年代开始研发DSRV 以来,全球拥有DSRV 的国家日益增多[5],随着电池技术的发展,DSRV 用电池技术也在不断进步。全球DSRV服役时间线与电池类型如图1 所示。

图1 全球DSRV 服役时间线与电池类型Fig.1 Service timeline and battery type of global DSRV

全球DSRV 型号、救援深度、电池类型、电量及续航力概况如表1 所示。

表1 全球DSRV 用电池概况Table 1 Overview of battery for global DSRV

1.1 美国

1970 年6 月,洛克希德公司为美国海军建造的第1 艘“神秘”号(Mystic)DSRV 下水,第2 艘“阿维隆”号(Avalon)于1971 年5 月下水[6]。该型DSRV 由3 个串联的球形耐压舱组成,3 舱之间互相连通,艏部舱为驾驶舱,可容纳2 名驾驶员;舯部舱为救生舱,下方连接有对接裙;艉部舱为设备舱。该型DSRV 最大下潜深度达到1 000 m,一次最多可救援24 名失事艇员。美国DSRV 外形如图2 所示。

图2 美国DSRV Fig.2 US DSRV

美国DSRV 使用2 组锌银电池组作为动力源,采用充油补偿模式,安装在3 个串联耐压舱的上方。该锌银电池组所选用的单体电池规格为1.5 V 700 Ah,每组电池组的成组方式为76 串1 并,单组锌银电池组的总电量为79 kWh,全艇总电量达到了158 kWh[7]。充油补偿锌银电池方案在一些大深度水下航行器中得到应用,我国的7 000 m 级“蛟龙”号水下航行器和日本的“深海6500”号水下航行器就采用了该类型的电池[8]。锌银电池具有安全性高、放电能力强且能量密度高等优点,但其成本高、寿命短等劣势限制了其应用前景,随着锂离子电池技术的快速发展,使用锌银电池作为能源的一些早期水下航行器也逐渐开始使用锂离子电池进行换装升级。

1.2 英国

英国从20 世纪70 年代开始研制深潜救生艇,是全球较早开发深潜救生艇技术的国家之一,具有较强的研制能力,研制了多型DSRV,并取得了较好的出口成绩,多国海军装备有英国研制的多型DSRV。目前,英国DSRV 的主要研制公司是Perry Slingsby Systems 公司和詹姆斯·费舍尔防务公司（JFD)。

1.2.1 NSRS 深潜救生艇

北约潜艇救援系统(NATO submarine rescue system,NSRS)由英国Perry Slingsby Systems 公司作为主承包商,英国、挪威、法国联合研制,包含一套水下遥控航行器(remotely operated vehicle,ROV)、1 艘DSRV 和布放回收系统,NSRS DSRV 外形如图3 所示。NSRS DSRV 采用了ZEBRA(zero emission batteries research activities)电池,该电池由南非斑马Power System 公司于1978 年发明,NSRS DSRV 使用的ZEBRA 电池,其单体电池由瑞士MES-DEA S.A.公司生产,并由英国Rolls-Royce 公司进行系统集成。ZEBRA 电池为钠-氯化镍电池,是一种热电池,其反应温度在260～360 ℃之间。ZEBRA 电池反应原理为下: 充电过程中,氯化钠和镍反应生成钠和氯化钠;放电过程中,钠和氯化镍反应生成氯化钠和镍,其比能量可达120 Wh/kg,约为铅酸电池的3 倍以上,大大提升了DSRV 的性能[9-10]。

NSRS DSRV 的ZEBRA 电池系统分为左右舷2个电池舱对称布置,每个电池舱配备有4 个ZEBRA电池模块,每个电池模块标称电压为258 VDC,电量为17 kWh。全艇共8 个ZEBRA 电池模块,其中,6 个电池模块用于动力电供电,总动力电池电量为102 kWh;每舷电池舱中各有1 个电池模块用于仪表电池供电,仪表电池总电量为34 kWh。由于仪表电池电压为24 VDC,因此,还需要使用DC-DC将电池模块的258 VDC 转换为24 VDC[11]。动力电池和仪表电池使用相同规格的ZEBRA 电池模块,其优势在于减少研发工作量和提高备件通用性。

ZEBRA 电池性能相较于铅酸电池有较大提升,但其化学反应原理决定了其在使用维护过程中的不足：由于ZEBRA 电池需要运行在300 ℃左右,在开始工作前需要使用加热器持续加热以使电解质达到理想的电导率,下潜准备时间过长,不利于突发情况的快速部署;其次,在下潜救援过程中,仍需靠自身的电量进行加热以维持反应温度,导致可用电量不足,影响救援效率。

1.2.2 LR 系列DSRV

LR 系列DSRV 由英国Perry Slingsby Systems公司设计建造,是各型DSRV 中较为经典的一个系列,先后出口至韩国、中国、澳大利亚和越南等国。LR 系列载人水下航行器以船舶建造大师Leonard Redshaw 名字的首字母命名,其研制之初的用途是对海上天然气和石油工程进行巡检和维护作业,因需要携带潜水员完成作业任务,该载人水下航行器带有饱和潜水加压舱,潜水员通过加压舱进出,操纵人员位于常压指挥舱内。英国海军基于LR5 载人水下航行器这一成熟的平台,将其改装升级为专用的DSRV[12],采用铅酸蓄电池作为能源,可以2 kn 航速航行8 h[13]。经过不断改进升级,目前已发展至最新型号LR11,该艇于2022年6 月完成海试并交付越南海军。LR11 型DSRV使用锂离子电池作为能源,分别安装在左右电池耐压舱内,其容量可供该艇以1.5 kn 速度巡航8 h[14]。各国LR 系列DSRV 如图4 所示。

图4 LR 系列DSRVFig.4 DSRVs in LR series

1.2.3 DSAR 系列DSRV

DSAR 系列DSRV 由英国詹姆斯·费舍尔防务公司设计建造,最大工作深度为500 m,单次救援人数为16 人,可完成60°对接救援,是目前国际上技术较为先进、装备数量较多的DSRV。2009 年,JFD 向韩国交付1 艘DSAR-5 型DSRV,如图5(a)所示;2010 年,JFD 向新加坡交付1 艘DSAR-6 型DSRV,如 图5(b)所 示;2018 年,JFD 向印度交付2 艘DSAR-650L 型DSRV,如图5(c)所示。2021年,JFD 又向韩国交付了1 艘DSAR-500L 型DSRV,部署在新型潜艇救援舰ASR-II 上,通过月池对DSRV 进行布放和回收。DSAR 系列采用了聚合物锂离子电池作为能源,其能源系统包括120 V 的动力电池系统、24 V 的仪表电池系统以及24 V 的应急电池,可支持DSAR 型DSRV 下潜作业12 h[15]。在JFD 与韩国的DSAR-5 型DSRV 项目合作中,韩国海军指定使用韩国Kokam 公司研制的锂离子电池系统作为DSRV 的能源。以此作为合作开端,在JFD 后续的各型DSAR 系列DSRV 中,广泛使用了Kokam 公司的锂离子电池。

图5 DSAR 系列DSRVFig.5 DSRVs in DSAR series

1.3 苏联/俄罗斯

苏联/俄罗斯海军装备有大量常规潜艇和核潜艇。不幸的是,苏联/俄罗斯海军在历史上发生了多起严重的潜艇失事事件,因此,苏联/俄罗斯海军非常重视DSRV的发展。从20 世纪60 年代开始,苏联海军便开始设计建造DSRV,俄罗斯海军在其基础上进行了继承和发展。1967 年,天青石设计局完成了1837 型DSRV 的技术设计;1970 年,1837型DSRV“AC-1”号顺利通过海试并交付海军。1837 型DSRV 可由专业援潜救生船或者救生潜艇搭载,最大下潜深度500 m,其外形如图6(a)所示。1837 型DSRV使用铅酸蓄电池作为能源,动力电池组电压220 V,电量127 kWh;仪表电池组电压为27 V,电量为21.5 kWh[16]。此后,天青石设计局又发展了1837K型、1855 型和18270 型等多种型号的DSRV。其中,18270 型DSRV 的能源系统与1837 型相同,但其蓄电池舱设置于舷外,便于拆卸,可在2～3 h 内完成更换,提高了可维修性。2017 年,18270 型的最新改进型——18271 型“AC-40”号DSRV 前来中国参加了中俄“海上联合-2017”演习,其外形如图6(b)所示。演习中,俄海军“AC-40”号DSRV 与我国海军装备的LR7 型DSRV先后与俄海军一艘模拟失事的潜艇进行了水下对接。

图6 苏联/俄罗斯DSRVFig.6 Soviet Union/Russia DSRVs

1.4 日本

日本分别于1985 年和2000 年由川崎重工神户工厂建成2 艘JMSDF 型DSRV,最大下潜深度700 m,其耐压壳体由艏部驾驶舱、舯部救生舱和艉部设备舱组成的3 个串联球舱组成,能源由安装在救生舱顶部的2 组锌银蓄电池提供[17],该艇的总体方案与美国DSRV 基本一致。2017 年,川崎重工向日本海上自卫队交付了第3 艘JMSDF 型DSRV,这是自2000 年交付第2 艘DSRV 以来,时隔18 年再次进行DSRV 的建造和交付,日本海上自卫队第3 艘DSRV 如图7 所示。第3 艘DSRV的能源系统采用了日本东芝公司的SCiBTM电池系统,东芝SCiBTM锂离子电池使用了钛酸锂(LTO)作为负极材料,具有安全性高、寿命长以及输入输出功率高等特点[18]。

图7 日本第3 艘JMSDF 型DSRVFig.7 The third JMSDF type DSRV of Japan

1.5 意大利

意大利海军装备了由DRASS 公司研制的SRV 300 型DSRV,最大工作深度为300 m,其外形如图8 所示。SRV 300 型DSRV 配备有动力电池、仪表电池和应急电池,动力电池电压为120 V,容量为1 180 Ah;仪表电池电压为24 V,容量为840 Ah;应急电池为24 V,容量为110 Ah。充电时间8～10 h,可支撑救援作业时间14 h 或搜索作业时间10 h[19]。

图8 意大利SRV 300 型DSRVFig.8 Italy SRV 300 type DSRV

1.6 瑞典

瑞典URF 型DSRV 由法国COMEX 公司和瑞典Kockums 船厂合作,1977 年下水,1978 年交付。该DSRV 使用3 舱结构,最大下潜深度为460 m,使用了铅酸电池作为其能源,航速3 kn,航行40 h[20],瑞典URF 型DSRV 外形如图9 所示。

图9 瑞典URF 型DSRVFig.9 URF DSRV of Sweden

1.7 德国

德国MERMAID 系列DSRV 由Bruker Physik AG 公司设计建造,包括MERMAID-III 型和MER MAID-IV 型 DSRV。MERMAID-III 型 DSRV 于1975 年开始设计建造,耐压深度200 m,采用铅酸蓄电池作为能源,安装在左右舷2 个耐压电池舱内,总电量36 kWh[21],MERMAID-III 型DSRV 如图10(a)所示。1978 年,德国开始设计建造MER MAID-IV 型DSRV,其耐压壳体由3 个串联球舱和2 个圆柱型电池舱组成,前舱为指挥舱,中舱为救援舱,后舱为设备舱。MERMAID-IV 型DSRV继续采用铅酸蓄电池作为能源,由60 块420 Ah 的铅酸电池组成,可续航10～12 h[22],MERMAID-IV型DSRV 如图10(b)所示。

图10 德国MERMAID 系列DSRVFig.10 MERMAID series DSRV of Germany

1.8 中国

1.8.1 7103 型DSRV

7103 型DSRV 于1971 年开始研制,1976 年在武昌造船厂开工建造,1980 年完成总装[23],后续完成了多次海上试验的考核,于1986 年研制成功。7103 型DSRV 的成功研制,填补了我国深潜救生技术的空白,从而使我国在研制DSRV 的许多关键技术领域跨入了世界先进行列。7103 型DSRV的能源系统采用了充油补偿式的锌银电池[24],可支撑7103 型DSRV 以2 kn 航速航行20 h,7103型DSRV 如图11 所示。

图11 7103 型DSRVFig.11 7103 type DSRV

1.8.2 LR7 型DSRV

2008 年,我国从英国引进一艘由Perry Slingsby Systems 公司研制的LR7 型DSRV[25],该艇为LR5型DSRV 的升级改进型,在总体结构上基本一致,增加了救生舱体积,将单次救生人数由15 人增加至18 人,其外形如图12 所示。

图12 中国LR7 型DSRVFig.12 LR7 type DSRV of China

引进的LR7 型DSRV 也使用与NSRS SRV 相同的ZEBRA 电池,但在其基础上降低了电量。LR7 型DSRV 也采用两舷对称的电池舱布置,单个ZEBRA 电池模块的规格同样为258 VDC、17 kWh,与NSRS SRV 单舷电池舱内安装有4 个电池模块不同的是,LR7 型DSRV的单舷电池舱内只有3 个电池模块,全艇只有6 个ZEBRA 电池模块。其中,4 个电池模块用于动力电供电,总的动力电池电量为68 kWh;每舷电池舱中各有1 个电池模块用于仪表电池供电,总的仪表电池电量为34 kWh,与NSRS SRV 的仪表电池电量一致,同样,LR7 型DSRV 的仪表电池也需要进行DC-DC 电压转换。

在LR7 型DSRV 引进若干年后,由于ZEBRA电池使用维护困难、寿命到期以及售后不便等问题,该艇的电池系统更新迫在眉睫。与此同时,我国的锂离子电池技术进步显著。因此,LR7 型DSRV在近些年的大修升级中使用了国产锂离子电池进行换装,性能和使用便捷性大大提升,安全性也得到了充分验证。

2 应用现状及关键技术

DSRV 的使用工况决定了其电池需要具有高能量密度、高安全性和优异的充放电性能等特点。目前,各国海军DSRV 应用的电池类型主要有铅酸电池、锌银电池、ZEBRA 电池和锂离子电池等,其能量密度、安全性、循环寿命以及充放电性能等指标各有高低,具体如表2 所示。

表2 电池性能对比与分析Table 2 Comparison and analysis of battery performance

DSRV 的使命是救援失事潜艇中的幸存艇员,因此其续航力、机动性能、救援人数、再次出动效率以及快速空运部署能力等总体性能都将影响到DSRV 的救援效率。而电池作为其唯一的能量来源,其性能也极大影响着DSRV 的总体性能。目前,DSRV 用电池需要突破的主要关键技术包括高能量密度高安全性锂离子电池技术、快充及热管理技术、抗空运冲击的系统集成技术以及高可靠性智能化电池管理系统技术等。

当前,国外DSRV 的主要研发单位为英国詹姆斯·费舍尔防务公司和Perry Slingsby Systems 公司,最新型号的DSAR 系列和LR 系列都已使用锂离子电池,总体性能和使用便捷性都大大提高。在国内,中国船舶第702 所作为深海载人潜水器的研发单位,具有丰富的水下装备用电池研发能力,负责了LR7 型DSRV 换装国产锂离子电池的工作,解决了DSRV 用锂离子电池的安全性和可靠性等方面的关键技术。

而在后续的研究中,解决电池的高能量密度与高安全性这2 个矛盾点,始终是DSRV 电池技术发展的主要方向。同时,将快充、热管理等最新的新能源技术应用于DSRV 中,也将是今后的研究重点。

3 发展趋势

随着电池技术的飞速发展,目前各国海军DSRV所装备的电池逐渐从铅酸电池、锌银电池和钠-氯化镍电池等,转向能量密度更高、使用维护更为便捷的锂离子电池,以增加DSRV 的续航和救援时间,同时降低能源系统维护保障难度。在未来,DSRV 能源系统的发展趋势除了高安全性这一永恒不变的要求以外,仍然主要围绕提升能量密度和缩短补能时间这2 个方向,固态电池、氢燃料电池以及换电技术都有望在DSRV 上得到应用。

3.1 固态电池

固态电池是采用固态电解质取代液态有机电解质和隔膜的一种新型电池,是目前电池的前沿热点领域。固态电池具有安全性高、能量密度高、循环寿命长等优点,特别适合应用在DSRV 这类对安全性和能量密度要求较高的深海装备上。尽管目前固态电池技术还存在界面阻抗大等难题亟需攻克,但随着研究的不断深入和技术的不断进步,未来应用潜力巨大。

3.2 氢燃料电池

氢燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置,具有能量密度高、燃料补充速度快等优点。缺点是功率密度偏低、功率变化响应慢,现阶段还需要锂离子电池进行辅助供电。目前,已有多型大型UUV 和不依赖空气动力装置（air independent propulsion，AIP）潜艇应用燃料电池作为动力能源。在未来,进一步提升功率密度、加强小型化设计以及提高储氢装置安全性后,有望在DSRV中装备使用。

3.3 换电技术

换电技术是目前电池技术未有重大突破的情况下,解决续航力和充电速度短板的有效手段之一,可大大提升DSRV 救援效率,缩短下潜维护准备时间。在DSRV 上应用换电技术,需要突破高可靠性湿插拔水密连接器技术及大型电池舱快速换电机构设计技术等。

4 结束语

当前,在DSRV 上应用较多的电池类型是锂离子电池,其性能可满足现阶段DSRV 的总体指标要求。而随着潜艇巡航和作战海区范围的扩大以及潜深的增加,对担负潜艇救援使命的DSRV的续航力和作业能力提出了更高要求。随着新能源技术的不断发展,更多新型电池和相关技术将会逐步应用在DSRV 上。在未来,DSRV 的电池系统也将更安全、更持久、更可靠以助力援潜救生事业的不断进步。