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常规潜艇的前沿技术锂离子电池动力系统的发展现状

发布日期:2022-05-13 20:00   来源:未知   阅读:

  常规潜艇在水下航行时,主要以铅酸蓄电池作为动力电源。在未装备AIP系统(不依赖空气推进系统)时,潜艇的高速和低速航行都需要潜艇动力电池提供动力;在装备了AIP系统时,潜艇的低速航行主要由AIP系统提供动力,高速航行仍然由动力电池提供动力。由于AIP系统占用了潜艇大量的空间,留给潜艇电池舱的空间变得十分有限。另外,潜艇在发射鱼雷等武器后,以及为规避敌方武器攻击时,都需要进行高速战术机动,需要潜艇动力电池提供高速航行动力。因此,对高能量密度和大电流放电能力的动力电池有着迫切的需求。

  然而铅酸蓄电池虽历经百余年的发展,但是由于其电化学体系限制,技术水平已经接近理论极限,难以进一步取得突破。此时,就迫切需要新型的电池技术。在上世纪的90年代初,锂离子电池产品开始在民用市场大规模应用,其高能量、易维护等优点很快引起海军技术强国的关注,并纷纷开展锂离子电池上艇应用研究工作。目前德国、法国、日本、俄罗斯、韩国、澳大利亚等国,都已明确将在本国新型潜艇或后续建造的潜艇上应用锂离子电池动力系统。其中德国、法国、日本甚至已基本完成锂离子电池系统的研究工作。

  德国是常规潜艇技术强国,早在20世纪90年代初,德国就开展了潜艇锂离子电池动力系统研制工作。1995年8月德国德森克虏伯公司就与德国GAIA锂离子电池技术公司签订了研发用于有人驾驶船舶的大型锂离子电池技术合同。2010年9月~2012年5月,蒂森克虏伯公司在“行星太阳”号上测试大型锂离子电池动力系统。“行星太阳”号利用该动力系统成功完成了环球航行,证明了蒂森克虏伯公司锂离子电池动力系统长航时使用具有较好的安全性和可靠性,具备了上艇使用条件。

  同期,2011年9月在德国基尔市举办的国际潜艇学术会议上,蒂森克虏伯公司在介绍216型潜艇推进系统设计方案时,明确提出将采用锂离子电池取代铅酸电池。该方案是:在动力系统上,216型常规动力潜艇装备质子交换膜燃料电池AIP系统,并采用锂离子电池取代了传统的铅酸电池,以达到大幅提高了水下续航及加速能力。据相关数据表明,该方案可提供高达28天的隐蔽航行能力,大大提高了潜艇生存能力。

  法国从1999年开启了潜艇锂离子电池动力系统的研究工作,并在2003年就完成锂离子电池上艇可行性研究,2004年完成样机研制并进行了海上使用试验。与德国相比,法国在锂离子电池上舰的研究相对滞后,但研制进展很快。到了2008年就相继完成了电池模型构建与定性、安全性试验、专用物理模型、电池模型与组件之间耦合试验等研究工作,为锂电上舰扫平了道路。同期,SAFT公司和法国海军集团公司(原DCNS集团)签署协议,法国海军正式开展潜艇锂离子动力系统研制工作。

  到了2014年的欧洲海军展上,法国海军首度公开了“短鳍梭鱼”级常规潜艇,该艇以法国新一代攻击型核潜艇“梭鱼”级为基础,将核动力推进系统替换成柴-电推进系统。根据2014年欧洲海军展展出的资料,法国潜艇锂离子电池动力系统已完成研发,并应用于“短鳍梭鱼”级潜艇,更是在2016年4月与德国216型常规动力潜艇竞标澳大利亚潜艇赢得合同。

  日本在锂离子电池领域有着雄厚的技术储备,世界上首款商品锂离子电池便是由索尼公司于1990年推向市场的。在潜艇锂离子电池动力系统研制上,日本汤浅公司(YAUSA)和英耐时(ENAX)公司早在20世纪90年代,便开展了相关研制工作,其中汤浅公司生产的锰酸锂动力电池已装备无人潜航器,并于1999年10月完成了水下试验。

  到了2014年10月,日本更是正式宣布将在“苍龙”级潜艇11号艇、12号艇(SS-511和SS-512)上采用锂离子电池取代铅酸电池。2艘艇分别于2015年、2016年开工建造,并将于2020年左右服役。日本海上自卫队称通过采用锂离子电池,将使“苍龙”级常规动力潜艇续航能力增加45%,并提高潜艇水下高速航行能力,此外,同体积锂离子电池的重量是铅酸电池的1/5,更加大了艇上空间的利用效率。

  相较于铅酸蓄电池,锂离子动力电池在提高常规潜艇续航力、机动性及隐蔽性方面优势明显,且国外主要军事强国在潜艇用锂离子动力系统领域已取得了突破性进展,尤其是像日本,更是装备锂离子动力电池的潜艇已下水应用。虽然前景一片大好,但是这并不意味着常规潜艇的锂离子电池时代即将到来,因为锂离子动力电池由于其特殊性,安全问题仍有待考证,常规潜艇是否要进入锂电时代,还有待时间的检验。

  参考文献:《锂离子蓄电池在非核动力潜艇上的应用研究》《锂离子电池舰船应用现状及前景》《潜艇锂离子电池的发展与集成》《国外潜艇锂离子动力电池应用情况及技术分析》

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