潛艇鋰離子電池的發展與集成

雷 津 , 鄧 磊

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潛艇鋰離子電池的發展與集成

雷 津1, 鄧 磊2

（1.海軍駐719所軍事代表室，武漢 430205；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

鉛酸電池作為儲能電池在過去一百多年里廣泛應用于艦艇上，鉛酸電池的可靠性在應用中得到了充分的證實，但其能量和功率密度低、析氫等固有缺陷致使儲能電池的發展受到局限。近年，鋰離子電池的發展使儲能電池性能得到顯著提升，但其集成和應用存在著安全性的嚴重挑戰。ThyssenKrupp船舶系統公司研制出適用于潛艇的大容量鋰離子電池系統集成設計理念和解決方案，克服了安全性問題，使艇用電池性能提高，能滿足更強作戰力的潛艇需求。相比傳統鉛酸電池，鋰離子電池容量提升30%，放電倍率提升2倍，另外，鋰離子電池可免維護，提高了運行靈活性。本文采用實例對鋰離子電池技術在潛艇上的發展與集成進行介紹，總結了艇用鋰電池的必要性和應用難點。

鋰離子電池 潛艇

0 引言

潛艇性能可通過增大其水下潛航時間、降低暴露率和提高操作靈活性而得到持續提升。長期以來，鉛酸電池技術作為潛艇的主要電化學儲能系統獲得廣泛應用。然而，鉛酸電池具有能量密度低和運行特性強烈依賴于工作負荷的缺陷。采用鋰離子電池技術后，電池能量密度顯著提高：當功率密度達到100 W/kg，可使潛艇的重量功率密度提高7倍。正是因為具有更高的功率密度，才使鋰電池技術更符合潛艇的特殊性。

1 ThyssenKrupp船舶系統公司的鋰離子電池研發歷史

為了將鋰離子電池技術應用于潛艇，ThyssenKrupp船舶系統公司著手開發艇用鋰離子電池系統。首先，通過與德國電池制造商GAIA合作，共同開發出額定容量為485Ah的大尺寸鋰離子電池單元。基于此電池單元，進一步設計和制造出應用于潛艇的專用集成電池模塊。

為了確保電池系統的安全可靠運行，ThyssenKrupp船舶系統公司與不同伙伴合作，分別開發出專門的電池管理系統[1]（BMS）和電流限制器（ECL）。通過將電力系統與潛艇推進系統集成以及將電力系統融合進潛艇各方面，建立起具有充分集成理念的艇用電池系統。該系統注重電池系統的整體安全，以確保在任何情形下電池系統的安全工作。此外，相關電池研發計劃與試驗驗證程序也處于同時進行之中。

然而，為了提高電池系統的長期可用性，也為了角逐受汽車市場所推動的最新動力發展技術，ThyssenKrupp船舶系統公司于2011年決定為電動汽車和混合動力汽車開發一種基于標準電池單元的電池系統。為此，ThyssenKrupp船舶系統公司與德國Robert Bosch GmbH公司合作，共同研發出一種針對汽車市場、具有額外功能特性的先進電池系統。

2 模塊化鋰離子電池系統組成

鋰離子電池系統（如圖2所示）采用具有分級結構的模塊化設計方案，使其能靈活適應在各型潛艇和海軍其他領域的應用。

圖2 鋰離子電池系統組成結構

從底層向上，鋰離子電池系統的最小組成要素是電池單元。為了確保電池在長期內均具有良好的可用性，同時得益于在研發汽車電池方面取得的最新研究成果，電池單元機架根據VDA采用標準化設計（VDA為德國在汽車領域的標準）。此外，電池單元采用菱形設計，具有更高的裝載密度、有效的冷卻通道和高的長期可靠性。

電池陰極材料主要為錳合物，其他元素包括鎳和鈷，因此這種材料稱為NMC材料[2]。它具有高的能量密度和良好的熱穩定性，是目前潛艇應用的最佳選擇。

大量電池單元通過電路有序連接，形成子模塊，它是電池系統的最小功能單元。

大量子模塊通過電路有序連接，組成數個電池模塊，進而形成電池列。電池列中的一個模塊除包含多個子模塊外，還集成了一些其他電子部件。

以214型潛艇為例，其電池系統組成為：19個電池子模塊形成兩個電池模塊，進而組成一個電池列。其中，一個電池模塊包含10個子模塊，另一個電池模塊包含9個子模塊。電池列的控制裝置和開關裝置都設置有扼流圈。

圖3具有12個電池單元的電池子模塊及子模塊控制器

電池列的電壓水平決定電池電壓水平。為了獲得所需要的電容量，所有電池列均采用并聯連接。電池列還包含開關裝置和電流控制單元，其功能是當發生外部短路故障及需要對電池列內某些電池進行解列時進行操作。此設計的一個重要特征是，可根據需要調整電池列的輸出電壓：通過調節電池列內工作子模塊的數量，可實現在0V和最大輸出電壓之間電池系統輸出電壓的調節，從而可實現依據外部負載和電池系統容量之間的平衡關系，調整電池系統的運行狀態，這對于保護電池系統的健康運行和提高總運行壽命很重要。

電池管理系統（BMS）采用類似的分級方案[3]。子模塊控制器（SMC）是電池子模塊的控制單元，它監測每個電池單元的容量并在子模塊層面實現被動的控制平衡。在電池列控制層面，列控制單元（SCU）收集SMC的相關信息，同時作為電池控制單元（BCU）的界面，后者是局部電池層面上的指控單元。BCU的主要任務是根據運行需求，對電池能量、狀態及性能需求進行綜合管理。BCU還向潛艇自動控制系統，即工程監測和控制系統（EMCS）提供界面，EMCS在正常運行時為BCU提供人機操作界面。另外，在BCU硬件上也提供了局部操作面板。

3 潛艇集成化理念

潛艇推進系統采用冗余設計，包含兩臺發電機、兩套推進電機以及兩套電池系統。通常，兩套電池系統分別布置在不同的電池艙，此設計的確定是基于冗余設計思想和危險降級理念，包括選用其他更適宜的、不依賴空氣的能量源。

短路電流對潛艇推進系統設計造成重大挑戰。由于電池系統內部電阻非常小，可能導致主要線路發生故障時的短路電流比正常電流高出10倍以上，這對于現有開關裝置來說太大。為解決這一難題，電池列控制單元（SCU）中設計有一個電控制單元，確保在任何情況下均使電池列的電流限制在所推薦的電流范圍內。

圖4 推進系統示意圖

正常運行條件下，推進系統的兩套電池單元是獨立運行的。而電池系統也有兩種配電方式，一種方式是與發電機設備集成，另一種方式是電池與負荷連接。上述兩種方式均采用二極管解耦，因此在發生電路短路時，電流均不能從電池系統流向短路電路。當僅有一組電池與推進系統連接時，處于兩個子系統間的耦合開關僅在故障狀態下閉合。其他條件下，此開關均處于開路狀態。

鋰離子電池模塊的外形尺寸被設計成與傳統鉛酸電池一致。電池模塊通過一個在船體底板上事先設計好的導軌固定系統與船體結構連接。動力連接器和BMS信號連接器布置在模塊上部，所有模塊高度均相同，與是否包含SCU無關。上述因素及電池模塊化結構，允許對電池艙容積進行優化利用而無需考慮電氣設備尺寸，從而實現機械上的集成簡化。

4 集成安全性

鋰離子電池一個非常受關注的方面是其技術安全性。使用鋰離子電池的手提電腦和移動電話所發生的電池事故強調了這一問題。然而，幾乎所有這些電池事故都可追溯到低制造質量引起的低成本包裝和缺乏像BMS一樣可靠的安全檢測。艇用鋰離子電池關于加固電池設計、多道安全檢測的關系如圖5所示，對上述集成電池系統概念來說，可以消除可能出現的假想事故。

圖5 艇用鋰離子電池的安全理念

原則上，鋰離子電池可能由于過度充電、過流或外部碰撞受到損壞，這些因素均會導致電池元件過熱以及在高溫廢氣排放環境下的散熱失效。在電池正常工作過程中，應避免上述不利因素。

為了確保電池系統的安全運行以及檢測其臨界條件，采用了本文所描述的帶有集成電流控制和開關功能的BMS。堅固的機械模塊設計確保電池在外部碰撞和沖擊載荷作用下的安全。電池系統的高可靠性由多個冗余電池組（以及子模塊）和少數輔助系統保證。

5 鋰離子電池技術的工作特性

5.1 運行優勢

鋰離子電池技術的應用為潛艇的有效部署提供了許多優勢，其中一些優勢是由于與鉛酸電池 相比，鋰離子電池僅需要較少的輔助系統。因為鋰離子電池系統不含酸性物質，所以不需要酸液循環系統，從而電池艙也不需要沖洗系統。另外，鋰離子電池不對外釋放廢氣，并進行了嚴格密封，因此也不需要進行氫氣監測和復合系統[4]。

鋰離子電池的一個主要優勢是在運行期間不需要維修，無需對電池進行人工檢測。鋰離子電池沒有耗時的第二或第三充電階段，繁瑣的充電過程嚴重制約了潛艇執行任務的靈活性。鋰離子電池全功率運行與其充電狀態（SoC）無關，因此在任何條件下潛艇都可以高速航行。電池的生命周期提高了2倍，因此潛艇的綜合可用性也隨之提高。

總結上述方面，我們可以提出，由于潛艇運行期間的靈活性和可用性顯著提高，使得維護成本降低，電池特性和局限性對潛艇執行任務的影響得到降低。

5.2 工作特性的提升

基于上述運行優勢，鋰離子電池的一些極為突出的優點，如高效率、高功率密度和對輸出功率依賴性小等，使潛艇的工作特性得到顯著提升。采用與傳統鉛酸電池具有相同體積的鋰離子電池，在高功率條件下鋰離子電池的容量提高200%；在經濟巡航條件下，鋰離子電池的容量是鉛酸電池的130%[5]。因此，和燃料電池一樣，鋰離子電池是潛艇AIP系統的完美補充，能滿足潛艇對高功率的需求。

另外，鋰離子電池充電過程不存在記憶效應[6]，可在任何階段充電而不會導致電池容量的下降。與鉛酸電池相比，鋰離子電池的充電全部在第一充電階段完成，充電過程可使柴油機一直處于最佳工作點附近運行。另外，鋰離子電池的內電阻很低[7]，有效降低了充放電過程的損失，使電池效率得到提升，從而使潛艇航行過程的暴露率從25%顯著地下降至10%.。結合大功率柴油機和充電機，鋰離子電池所具有的高功率特性能被充分挖掘出來，可進一步降低潛艇的暴露率。

6 總結

新型鋰離子電池技術所具有的高效率、高能量和低運行維護需求等特性，能顯著提升未來潛艇的性能。本文充分展示了采用鋰離子電池技術的新型推進系統的可行性和集成運用理念，該技術可以轉化應用于新型潛艇設計以及ThyssenKrupp船舶系統公司正在開展的潛艇設計之中。采用鋰離子電池技術后，潛艇工作性能顯著提升，包括優異的工作特性、高水下潛航時間和低暴露率，這些均使人印象深刻。

參考文獻：

[1] 楊帆. 鋰離子電池管理系統的設計與實現[D].浙江大學,2015.

[2] 王皓鶴. 鋰離子電池富鋰錳基固溶體類正極材料的制備與研究[D].蘇州大學,2014.

[3] 高波. 無人船鋰電池管理系統的研究與設計[D].哈爾濱工業大學,2013.

[4] 林成濤,張賓,陳全世,謝永才. 典型動力電池特性與性能的對比研究[J]. 電源技術,2008,11:735-738.

[5] 李哲,仝猛,盧蘭光,歐陽明高. 動力型鉛酸及LiFePO_4鋰離子電池的容量特性[J]. 電池,2009,01:26-28.

[6] 徐磊. 動力鋰電池充電技術研究[D].太原科技大學,2014.

[7] 朱順良,謝先宇,王侃,繆文泉. 不同工況環境下動力鋰電池內阻測試研究[J]. 上海汽車,2016,01:3-6.

Development and Integration of Lithium-ion Batteries for Submarines

Lei Jin1, Deng Lei2

(1.Naval Representives Office in Institute of 719 ,Wuhan 430205, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

TM911

A

1003-4862（2016）09-0057-04

2016-04-15

雷津（1980-），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶電氣工程。