國外潛艇鋰離子動力電池應用情況及技術分析

馬永龍，聶 冬，劉 飛

國外潛艇鋰離子動力電池應用情況及技術分析

馬永龍1，聶 冬2，劉 飛3

（1、2. 海軍裝備部，武漢 430064；3. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

2018年10月4日，日本“蒼龍”級潛艇11號艇“凰龍”號在三菱重工舉行了下水儀式，為全球首艘裝備鋰離子動力電池的潛艇，隨后法、德、韓等國也相繼宣布其潛艇鋰離子動力電池已具備裝艇條件，標志著潛艇動力電池開始進入鋰電時代。本文根據國外相關報道及文獻資料，對國外潛艇所用的鋰離子動力電池從技術角度進行了分析，并與鉛酸蓄電池進行了對比。

潛艇鋰離子動力電池 鉛酸蓄電池 技術角度分析

0 引言

目前，常規潛艇主要仍以鉛酸蓄電池作為水下主動力電源，對一般常規潛艇來說，潛艇高速和低速航行都需要潛艇動力電池提供動力，電池的容量和比能量直接影響潛艇隱蔽性和續航力，對AIP（不依賴空氣推進裝置）潛艇來說，低速航行主要由AIP系統提供動力，高速航行仍然由動力電池提供動力，由于AIP系統占用了潛艇大量的重量和空間，留給潛艇電池艙的重量和空間十分有限。另外，潛艇在發射魚雷等武器后，以及為規避敵方武器攻擊，都需要進行高速戰術機動，需要潛艇動力電池提供高速航行動力，因此，對高能量密度和大電流放電能力的動力電池有迫切的需求。

歷經百余年的發展，鉛酸蓄電池由于其電化學體系限制，技術水平已經接近理論極限，難以進一步取得突破。鉛酸蓄電池目前存在的不足分析如下：1）能量密度相對較低。鉛酸蓄電池的能量密度與目前其他主流二次電池（如鋰離子電池、鎳氫電池等）相比較低，占用大量總體資源；2）大電流放電特性差。大電流放電條件下，鉛酸蓄電池的放電能力不足小電流放電時的一半，嚴重制約了潛艇高速機動能力的提升；3）充電效率低，析氫量大。潛艇鉛酸蓄電池一般采用多級充電制，充電后期效率較低并且發熱及析氫現象嚴重；4）使用壽命較短。在潛艇服役期內鉛酸蓄電池組需進行數次更換，影響了潛艇的在航率；5）使用維護工作量大。由于鉛酸蓄電池存在記憶性，需每隔一段時間進行周期治療，不僅增加了潛艇碼頭維護的工作量，且耗時較長，是影響潛艇在航率的重要因素；6）污染艙室環境。由于鉛酸蓄電池存在析酸、析氫現象，嚴重污染艙室環境。

相比于現有的鉛酸蓄電池，鋰離子動力電池具有比能量高、充放電特性好、正常使用無析氫析酸、循環壽命長、使用維護簡便等優勢，能較好的克服鉛酸蓄電池存在的不足，并已在電動汽車、電網儲能、無人系統移動平臺等領域廣泛應用。因此，從動力電池技術發展層面上看，鋰離子電池是潛艇動力電池的技術發展方向，日、德、法、韓等國均在進行潛艇用鋰離子動力電池的開發工作，2018年10月，日本“蒼龍”級潛艇11號艇“凰龍”號正式下水，成為全球首艘裝備鋰離子動力電池的潛艇。隨后法、德、韓等國也相繼宣布其潛艇鋰離子動力電池已具備裝艇條件。截至2021年3月，全球已有共三型四艘潛艇裝備應用鋰離子動力電池，其中日本“蒼龍”級潛艇“凰龍”號與“登龍”號已交付軍方使用，日本下一代潛艇“大鯨”級計劃全部裝備鋰離子動力電池，并以每年一艘的速度進行建造，韓國自主建造的裝備鋰離子動力電池的KSS-III潛艇也于2020年11月下水，以上趨勢表明潛艇動力電池已開始全面進入鋰電時代。

1 日本“蒼龍”級潛艇鋰離子動力電池技術分析

圖1 日本“蒼龍”級潛艇凰龍號

日本“蒼龍”級潛艇也被成為“平成16年度潛艇計劃”，是日本海上自衛隊現役最新銳的潛艇類型，計劃建造12艘，全長84米，舷寬9.1米，標準排水量2950噸，潛航排水量4200噸。該潛艇是目前世界上排水量最大的常規潛艇。該潛艇在設計之初，便提出“鋰離子電池推進”的概念，2007年，日本在“蒼龍”級潛艇上開展了鋰離子電池裝艇計劃，2014年提出“具備提前裝備條件”，但前10艘蒼龍級潛艇仍采用的是常規斯特林AIP與鉛酸蓄電池作為推進動力。首艘裝備鋰離子動力電池的“蒼龍”級11號潛艇“凰龍”號（SS-511，MK.II）于2018年10月在三菱重工神戶造船廠舉行下水儀式。與前10艘蒼龍級常規動力潛艇（MK.I）相比，“凰龍”最大的區別在于采用日本湯淺公司的鋰離子電池取代了傳統的鉛酸蓄電池以及AIP系統，由此成為日本首艘，同時也是世界上首艘采用鋰電池作為主動力的潛艇，后續建造的“蒼龍”級12號潛艇“登龍”號及最新一級潛艇“大鯨”級采用了相同的鋰離子動力電池技術，“大鯨”級改進了通氣管及柴油發電機裝置，以更好的適應鋰離子電池快速充電特性。

據報道，日本“凰龍”號潛艇去除了原有的AIP裝置及480塊鉛酸蓄電池，取而代之的是672塊鋰電池，實現了電池供電續航里程翻倍，并且電池充電時間減半。日本蒼龍潛艇使用的是湯淺公司開發的鋰離子電池，采用與現役鉛酸電池相同尺寸的方式進行設計，如圖2所示，電池內部采用先由電芯組成電池單元包（單電池），再由單元包通過串/聯構成電池模塊，電池模塊通過管理裝置串并聯組成電池組與電池系統。在鋰電池電芯技術路線的選擇上，與松下、日立等日本其他專注發展高能量密度電芯的電池廠家不同，湯淺公司更關注鋰電池的安全性與可靠性，在潛艇鋰離子電池上選擇的是錳酸鋰電池體系，相關產品技術成熟，在新能源車、儲能電站、水下潛器、重型設備等領域具有廣泛的應用。

圖2 日本湯淺公司潛艇用鋰離子電池

2 韓國KSS-III型潛艇鋰離子動力電池技術分析

圖3 韓國KSS-III型潛艇

韓國同中國、日本一樣為鋰離子電池生產大國，在鋰離子電池方面具有較高的技術水平，韓國國防采辦項目管理局（DAPA）2018年11月宣稱成功研發出潛艇鋰離子動力電池，2020年11月，裝備鋰離子動力電池的韓國自主建造潛艇KSS-III型下水應用，該潛艇由大宇造船和韓國海洋工程公司建造，韓華公司負責鋰電池模塊的研制和艇用化集成，三星SDI公司提供鋰離子電池電芯。

圖4 韓國韓華公司潛艇用鋰離子動力電池

根據韓華公司資料，與鉛酸蓄電池相比，裝備鋰離子動力電池可使潛艇高速機動續航里程提升到300%，經航續航里程提升到160%，電池壽命翻倍并可大幅降低維護保養工作量。由于韓國本土企業以生產三元體系鋰電池為主，韓國潛艇用鋰離子動力電池材料體系也是選擇了其技術最為成熟的三元方案，但三元電池本身安全性較低，因此為滿足潛艇應用要求其在安全性上做了大量的防護措施。韓國國防采辦項目管理局聲稱其潛艇鋰離子動力電池開發以安全性為第一考慮要素，三星SDI公司提供的120Ah電芯的能量密度約550Wh/L，集成為模塊之后的能量密度為166Wh/L，模塊中有70%左右的體積為結構件、檢測管理組件及電池安全防護組件，另外電池模塊為高壓方案，內部電芯全串聯，從而實現對每個電芯的監控。通過以上技術手段，可使鋰電池模塊通過嚴格的火燒、沖擊振動、海水浸泡、高溫、短路及電磁兼容等測試，滿足裝艇安全性要求。

3 德國潛艇鋰離子動力電池技術分析

德國自1995年便開始進行潛艇鋰離子動力電池研制工作，但前期選擇了三元材料體系500Ah圓柱形電池單體方案，安全性難以保證，2016年起對技術路線進行了調整，蒂森克虜伯公司于Saft公司合作開發基于磷酸鐵鋰電池的新型潛艇用鋰離子動力電池系統，并于2018年在巴黎海軍防務展上展出。蒂森克虜伯公司針對214型潛艇完成了鋰離子動力電池系統裝艇方案設計并在出口型潛艇上大力推廣。

圖5 德國214潛艇用鋰離子動力電池方案

德國214型潛艇鋰離子動力電池采用45Ah磷酸鐵鋰電芯，全艇共64組電池共儲能14.5MWh，與使用鉛酸蓄電池的潛艇相比，裝備鋰離子動力電池的潛艇在經航條件下續航里程可提升20%，高速機動續航里程可提升近200%，且可在保持柴油發電機功率不變的情況下使電池充電時間縮短28%。

圖6 鋰離子動力電池與鉛酸蓄電池性能對比

4 法國潛艇鋰離子動力電池技術分析

法國早在1999年便開始研發潛艇用鋰離子動力電池，2003年完成可行性研究，2004年完成海上試驗，2014年在鲉魚級潛艇上進行了裝艇試驗，2016年，法國短鰭梭魚級潛艇獲得澳大利亞海軍的12艘潛艇訂單，將在其動力系統中應用鋰離子電池加燃料電池方案。法國潛艇鋰離子動力電池系統由海軍集團、Saft公司、CEA Tech公司和EDF R&D公司聯合研制，法國海軍集團負責電池系統集成，Saft公司負責電池的設計和生產，CEA Tech公司提供在化學、結構以及電力電子方面的技術支持，EDF R&D公司則針對潛艇應用高安全性、可靠性的要求進行大規模電池系統的嚴格測試。

圖7 Saft公司潛艇用鋰離子動力電池

據相關資料分析，Saft公司為潛艇應用提供的是45 Ah磷酸鐵鋰圓柱電芯，電芯能量密度149 Wh/kg、313 Wh/L。與德、日、韓等國采用的類似鉛酸蓄電池的模塊外形不同，法國采用的是電池柜式布置方式，此方案在電動船舶及儲能電站中應用成熟，電池模塊內部每個電芯均采用套筒方式進行固定及防護，以抑制電芯間的熱失控傳播，提高電池模塊安全性。

5 結論與展望

與鉛酸蓄電池相比，鋰離子動力電池在提高常規潛艇續航力、高速機動性以及隱蔽性方面優勢明顯，國外主要軍事強國在潛艇用鋰離子動力鋰電池領域已經取得了突破性進展，日韓裝備鋰離子動力電池潛艇已下水應用，潛艇動力電池已經進入鋰電時代。

潛艇用鋰離子動力電池由于其應用的特殊性必須以安全性為首要考慮因素，需充分考慮正常使用及意外情況下電池的安全性問題，比如電池單體選擇高安全性材料體系，在模塊與系統層級進行多層次的防護設計。另外，與鉛酸蓄電池一個電池艙內全部串聯的成組方式不同，國外潛艇鋰離子電池均采用多電池組并聯的方案，從而提高管理系統對電池的管控能力及電池系統的可靠性。

[1] 陳新傳,宋強,呂昊,王路. 鋰離子電池應用于潛艇動力可行性分析[J]. 船電技術, 2011, 31(6): 18-20

[2] Sebastien Roblin, Japan Just Launched a Deadly New Stealth Submarine Using Tech Straight Out of your iPhone, The National Interest, 2018.

[3] http://www.mod.go.jp/j/approach/hyouka/seisaku/results/18/jigo/sankou/jigo05_sankou.pdf

[4] マンガン系大容量リチウムイオン電池新製品開発のご案內, GS YUASA, 2000

[5] Naida Hakirevic, South Korea launches 2nd KSS-III submarine, Naval Today, 2020

[6] Aidan Depetro, The Design & Safety Challenges of a Lithium-ion Main Storage Battery for Conventional Submarines, BMT Design & Technology, 2017

[7] Andreas Grunickle, FICCI Conference, TKMS, 2016

[8] Naval Group presents LIBRT its new generation of Lithium ion batteries system for submarines, Naval-Group, 2018

Application and Analysis of Lithium-ion Batteries for Submarine in Foreign Countries

Ma Yonglong1, Nie Dong2, Liu Fei3

(1、2. Naval Equipment Department, Wuhan 4300064; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2021）08-0004-0004

2021-07-22

馬永龍（1974-），男，高級工程師。研究方向：光電技術信息系統。E-mail: bnqqnb@163.com