美海軍艦艇能量倉發(fā)展情況

● 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所 馬曉晨 白旭堯

艦艇能量倉的概念最早在2013年版《海軍電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》（以下簡稱“《路線圖》”）中提出，是一種用于未來高能耗負(fù)載的通用化、模塊化的電力系統(tǒng)；2015年版《路線圖》明確了能量倉概念將結(jié)合分布式儲能與能源先進(jìn)控制技術(shù)；2019年版《路線圖》進(jìn)一步細(xì)化了能量倉的發(fā)展目標(biāo)，構(gòu)想了能量庫和“綜合電力與能源系統(tǒng)”的集成方案。2020年，美國海軍海上系統(tǒng)司令部電力艦船辦公室在第32屆水面艦艇聯(lián)盟年會上披露了美國海軍未來能量倉的技術(shù)指標(biāo)。

一、發(fā)展背景

美國海軍現(xiàn)有艦艇電力系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)響應(yīng)負(fù)載，為確保發(fā)電機(jī)保持較高的工作效率，一般將其設(shè)定為恒定功率，故發(fā)電機(jī)不能快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載的用電需求。然而，激光武器、電磁導(dǎo)軌炮、水面電子戰(zhàn)系統(tǒng)、大功率微波武器、S波段和X波段防空反導(dǎo)雷達(dá)等裝備的功率一般為兆瓦級，啟動(dòng)后會在極短時(shí)間內(nèi)消耗大量電能，嚴(yán)重影響現(xiàn)有艦艇電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，美國海軍提出發(fā)展艦艇能量倉，在高能耗裝備工作時(shí)，由能量倉提供脈沖供電，并利用發(fā)電機(jī)為其自身充電。

艦艇能量倉的用途主要有兩種：一是為激光武器（150kW的“固體激光器技術(shù)成熟化”SSL-TM項(xiàng)目、60kW的“高能激光與一體化光學(xué)致盲和監(jiān)視系統(tǒng)”HELIOS），電子戰(zhàn)系統(tǒng)（水面電子戰(zhàn)改進(jìn)計(jì)劃Block 3），雷達(dá)（防空反導(dǎo)雷達(dá)AMDR）等脈沖負(fù)載供電；二是用作艦艇后備電源，以支持單發(fā)電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰、平緩艦艇電網(wǎng)用電需求、減少電能消耗等作用。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

艦艇能量倉由儲能和電力轉(zhuǎn)換兩部分構(gòu)成，可根據(jù)不同的負(fù)載類型和電力要求來選用不同的儲能設(shè)備。例如，燃料電池可連續(xù)供電約10h、蓄電池約數(shù)十分鐘、飛輪約不足1min、超級電容器約10s、普通電容器約不足1s。美國海軍計(jì)劃未來發(fā)展的艦艇能量倉將采用蓄電池、電容器/超級電容器或飛輪儲能等方案，圖1為各項(xiàng)儲能方案的對比示意圖。

艦艇能量倉可在現(xiàn)役艦艇改造時(shí)進(jìn)行加裝或在新建艦艇中進(jìn)行安裝。在現(xiàn)役艦艇改造時(shí)，脈沖負(fù)載依次通過新型低壓/中壓直流MIL-STD 1399電氣接口、能量倉及現(xiàn)有440V交流MIL-STD 1399電氣接口連接艦艇發(fā)配電系統(tǒng)；在新建艦艇中安裝時(shí)，脈沖負(fù)載則直接通過新型低壓/中壓直流MIL-STD 1399電氣接口和能量倉連接艦艇發(fā)配電系統(tǒng)，如圖2所示。

三、美國海軍的研發(fā)項(xiàng)目

美國海軍在艦艇能量倉方面開展了多項(xiàng)研究，驗(yàn)證了單蓄電池、電池電容混合、飛輪儲能方案，具體包括單蓄電池供電的“固體激光器技術(shù)成熟化”項(xiàng)目（SSL-TM）儲能模塊、美國萊昂納多DRS公司激光武器能量倉、電池-電容混合供電的多功能儲能模塊，以及英國吉?jiǎng)P恩集團(tuán)的飛輪儲能系統(tǒng)。

圖1 儲能方案對比

圖2 在現(xiàn)役艦艇改造時(shí)增加能量倉（a）及在新建艦艇中安裝能量倉（b）

（一）“固體激光器技術(shù)成熟化”項(xiàng)目（SSL-TM）儲能模塊

“固體激光器技術(shù)成熟化”項(xiàng)目儲能模塊由美國RCT公司在美國海軍研究署的“沼澤工廠”（Swamp Works）計(jì)劃資助下研發(fā)。儲能模塊采用鉛酸電池儲能，儲能量為100kW·h（即360MJ），電池裝在長約8.5m的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)。美國海軍于2011年完成儲能模塊陸上樣機(jī)試驗(yàn)，2019年研發(fā)出艦用樣機(jī)（ESM-S），用于LPD-27“波蘭特”號兩棲攻擊艦上的SSL-TM固體激光器。

（二）萊昂納多DRS公司激光武器能量倉

在美國海軍電力艦船辦公室的資助下，萊昂納多DRS公司研發(fā)出激光武器能量倉，并于2017—2018年在美國佛羅里達(dá)大學(xué)先進(jìn)電力系統(tǒng)中心進(jìn)行了硬件在環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了激光武器能量倉在全功率放電、單脈沖負(fù)載（不同周期及大小和占空比）、帶有高頻分量的隨機(jī)負(fù)載、多級脈沖負(fù)載下的良好表現(xiàn)，證明能量倉能夠滿足這些負(fù)載的電能需求。目前，美國海軍正在研發(fā)電力轉(zhuǎn)換與蓄電池間的中間接口，預(yù)計(jì)于2021年研制完成，有望為艦艇裝載設(shè)備提供更快速的充電方式。

目前，萊昂納多DRS公司的激光武器能量倉已發(fā)展至第二代，整體設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)，包括5種模塊：輸入控制模塊（模塊1）、650V DC隔離輸出模塊（模塊2）、300～650V DC非隔離輸出模塊（模塊3）、60Hz 450/690V AC（模塊4）有源前端雙向輸出模塊及1000V DC蓄電池中間輸出模塊（模塊5）。該公司利用這些模塊給出了3種能量倉方案，包括僅用于激光武器的脈沖能量倉、連續(xù)供電的脈沖能量倉、后備電源能量倉，見表1。其中，連續(xù)供電的脈沖能量倉（見圖3）支持蓄電池、電容器、超級電容器的混合儲能方案，電池采用美國意高·皮徹爾（Eagle Picher）公司的26650磷酸鐵鋰電池，電池組電壓為78.8V，每個(gè)電池組的儲能量為3.8kW·h（即13.8MJ）。

表1 萊昂納多DRS公司研發(fā)的3種能量倉

（三）多功能儲能模塊

多功能儲能模塊（見圖4）采用電池-電容混合儲能方式，在美國海軍研究署的“未來海軍能力”計(jì)劃下研發(fā)；2015年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室與美國得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證；2019年，研制出了多功能儲能模塊樣機(jī)。其中，電池連接至由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）組成的H橋轉(zhuǎn)換器，控制器通過脈沖寬度調(diào)制控制橋的切換。電池組電壓為51.2V，橋轉(zhuǎn)換器輸出至升壓變壓器，并帶有電容器諧振回路。變壓器的動(dòng)態(tài)輸出被整流為直流電，并對電容器進(jìn)行充電，系統(tǒng)充電過程如圖5所示。

（四）英國吉?jiǎng)P恩集團(tuán)的飛輪儲能系統(tǒng)

圖4 美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的多功能儲能模塊

圖5 電池-電容混合儲能系統(tǒng)

英國吉?jiǎng)P恩集團(tuán)（GKN）研發(fā)出了用于艦艇的飛輪儲能系統(tǒng)（FESS），如圖6所示。系統(tǒng)早期由美國海軍海上系統(tǒng)司令部電力艦船辦公室在佛羅里達(dá)州立大學(xué)先進(jìn)電力系統(tǒng)中心開展硬件在環(huán)試驗(yàn)，又于2019年在英國國防部與電力網(wǎng)絡(luò)示范中心（PNDC）的組織下進(jìn)行了第二次試驗(yàn)。該系統(tǒng)有望用于英國“龍火”艦載高能激光武器。

電力網(wǎng)絡(luò)示范中心試驗(yàn)使用的飛輪儲能系統(tǒng)儲能量為3.5MJ、功率為360kW，英國吉?jiǎng)P恩集團(tuán)的3組Mk4飛輪（見圖7）所組成。系統(tǒng)內(nèi)的每組飛輪彼此獨(dú)立，控制、冷卻、電源轉(zhuǎn)換器接口等互不干擾，在一個(gè)飛輪故障或停機(jī)維護(hù)時(shí)，其他飛輪仍可正常工作。研究認(rèn)為，單一的飛輪儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，控制輸入與響應(yīng)之間存在延遲，充放電期間均不能穩(wěn)定響應(yīng)負(fù)載，因此不能滿足脈沖負(fù)載用電（隔離運(yùn)行）需求。為此，可將電池與飛輪聯(lián)合應(yīng)用，補(bǔ)償飛輪電力的響應(yīng)。

圖6 GKN艦艇飛輪儲能系統(tǒng)

圖7 GKN的Mk4飛輪

四、美國海軍未來艦艇能量倉

在這些研究的基礎(chǔ)上，美海軍正在加大投資和促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化，計(jì)劃于2023年研制出可用的多功能能量倉，由電力電子、控制界面和儲能設(shè)施構(gòu)成，采用模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，具有多重輸入和輸出模式，支持激光武器、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、防空反導(dǎo)雷達(dá)及艦艇其他負(fù)載，具體參數(shù)見表2。

表2 美海軍未來艦艇能量倉系統(tǒng)參數(shù)

五、結(jié)束語

艦艇能量倉是美國海軍未來艦艇綜合電力與能源系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，是影響高能武器、大功率雷達(dá)和先進(jìn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)使用效能的核心因素。美國海軍正在研發(fā)結(jié)合多種儲能技術(shù)的共享式能量倉，旨在能集成至總線路，并同時(shí)為多個(gè)負(fù)載供電。能量倉的研發(fā)與應(yīng)用將影響美國海軍未來20年的艦艇設(shè)計(jì)，有關(guān)研究值得我國學(xué)習(xí)借鑒。