淺析日本“凰龍”號潛艇動力系統技術狀態

宋 強，趙 滿，毛柳偉

應用研究

淺析日本“凰龍”號潛艇動力系統技術狀態

宋 強，趙 滿，毛柳偉

（92578部隊，北京 100161）

本文簡述了日本“蒼龍”級11號潛艇“凰龍”號潛艇，其動力系統采用鋰離子電池取代傳統的鉛酸電池及AIP系統，成為世界首艘采用鋰電池為主動力的潛艇，其下一代潛艇“大鯨”級也采用此種動力系統形式。簡要分析“凰龍”號潛艇動力系統特性進行，得出了鋰離子動力電池是常規潛艇動力電池系統的發展方向，應加速鋰電池安全性研究和工程應用步伐的啟示。

“凰龍”號 鋰離子電池 動力系統

0 引言

2018年10月，裝備鋰離子動力電池的“蒼龍”級11號潛艇“凰龍”號（SS-511，MK.II）在三菱重工神戶造船廠下水。“凰龍”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。日本下一代潛艇“大鯨”級也采用鋰電池作為主動力[1-4]。

1 日本潛艇裝備發展特點

受戰后國際條約和《和平憲法》的限制，日本不能發展核潛艇，因此對常規潛艇的發展不遺余力。自1957年恢復潛艇研制能力至今，日本先后自主研制和建造了“早潮”、“夏潮”、“大潮”、“朝潮”、“渦潮”、“夕潮”、“春潮”、“親潮”、“蒼龍”等9個型號57艘常規動力潛艇。經過60多年的全力發展，日本已成為世界上潛艇研制和建造大國之一。

從發展歷程來看，日本潛艇裝備發展有如下突出特點：

一是潛艇裝備更新換代快。為了確保潛艇技術始終保持世界一流水平，日本海自潛艇部隊一直保持極快的更新換代率，70年代以來基本按照每年服役一艘、退役一艘的速度進行潛艇的更新換代，每型潛艇均有較多改進，緊跟當時世界潛艇新技術的發展，從而確保本國潛艇保持世界先進水平。

二是每型潛艇最后幾艘開展新技術試驗為下一型艇應用做好準備。自20世紀80年代至今，由“夕潮”、“春潮”、“親潮”、“蒼龍”級等潛艇發展可看出，日本每一級潛艇的后幾艘或最后一艘艇，一般通過加改裝或改進設計，試驗性地應用新技術或新設備，進而為新一級潛艇的發展奠定基礎?！跋Τ薄奔墲撏У暮?艘艇首次加裝了拖曳聲納，并應用了NS80型鋼，潛深提高到300米，這也是下一級“春潮”級潛艇采用的技術；“春潮”級潛艇的最后一艘艇“朝潮”號在2000年加裝了AIP艙段，驗證AIP技術，為日本AIP潛艇研制奠定基礎；“親潮”級潛艇的后續艇首次應用了雪茄型艇型、成熟商用化作戰系統技術等，這也是下一級“蒼龍”級潛艇的代表性技術；“蒼龍”級潛艇自第11艘“凰龍”號首次應用鋰離子電池技術，以充分提升水下續航能力，預計這一技術也將是其新一級潛艇的代表性技術。

三是堅持國產化自主研制道路。二戰后日本潛艇損失殆盡，在潛艇建造方面存在10年的空白期，但日本并沒有走購買別國潛艇的道路, 而是通過租借和研究美國潛艇，迅速恢復本國建造潛艇的能力，逐漸形成了強大的設計與建造現代化潛艇的科研和工業基礎，從而成為目前世界上少數能夠自行研制先進常規潛艇的國家之一。值得注意的是，從20世紀70年代開始，除；潛艇本國建造外，潛艇配備的設備和武器也開始了國產化，如“春潮”級和“親潮”級潛艇采用的主機是川崎公司生產的四沖程柴油機和發電機，推進電機由富士公司生產；艇上的魚雷由美制替換為日本國產的89式線導魚雷所取代；潛艇上的電子設備, 除個別的美制外，已基本實現全部國產品。隨著日本潛艇建造業的發展, 日本潛艇上配置的設備和武器的國產化程度日益達到完全自主化。

2 “凰龍”號潛艇動力分析

通過對《世界艦船》等刊登文章以及日本軍事發燒友利用日本防衛省信息公開制度所獲得標準、委托說明書、試制說明書、規范書等資料的收集、整理及相互印證，可初步解讀“凰龍”號動力系統。

“凰龍”號相對前10艘蒼龍級潛艇內部結構變化如圖1所示，去除了原有的AIP裝置及480塊鉛酸蓄電池（“蒼龍”級潛艇AIP裝置可支撐潛艇水下約1500海里續航力，鉛酸蓄電池組可支撐潛艇水下約300海里續航力），取而代之的是湯淺公司開發的672塊鋰離子電池，實現了電池供電續航里程翻倍，電池成本由每條艇的1300萬美元增加到了9700萬美元。

圖2 日本湯淺公司潛艇用鋰離子電池

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?！盎她垺碧枬撏е醒b備的鋰離子動力電池模塊尺寸與鉛酸蓄電池相當，因此布置方式應與鉛酸蓄電池相同，即在5艙和8艙分別布置240個電池模塊。原9艙和10艙為AIP艙，在去除AIP系統后，由于電池模塊較重，在潛艇中一般是設置在下層，因此僅采用第13艙中的空間放置增設的電池，其他空間留作他用，根據13艙的空間尺寸，增設電池的布置方式為12列×16排，共192個電池模塊。“蒼龍”級前10艘艇電力推進系統示意圖與“凰龍”號電力推進系統示意圖對比分別如圖3、圖4所示；“凰龍”號原AIP艙改裝鋰離子動力電池布置方式示意圖如圖5所示； “蒼龍”級前10艘艇電池組構成與“凰龍”號電池組構成對比見示意圖6、3-7；鋰電池組構成示意圖見圖8，電池模塊外觀示意圖如圖9所示。

圖3 “蒼龍”級前10艘艇電力推進系統示意圖

圖4 “凰龍”號電力推進系統示意圖

圖5 原AIP艙改裝鋰離子動力電池布置方式示意圖

圖6 “蒼龍”級前10艘艇電池組構成示意圖

圖7 “凰龍”號電池組構成示意圖

圖8 鋰電池組構成示意圖

圖9 電池模塊外觀示意圖

對比可知，“凰龍”號與“蒼龍”級前10艘艇相比主要變化：一是用鋰離子動力電池替換了鉛酸蓄電池，電池組數量增多，單組電池數量減少；二是取消了熱氣機AIP裝置；三是優化了控制板，減少了控制開關數量；四是單組電池組內串聯的鋰電池模塊數量為16塊（原鉛酸電池組240塊電池一組）；五是電池檢測裝置可監測到電池組內的每一個電池模塊。另外，據悉“凰龍”號采用了2臺1850 kW柴發機組，并將最大5900 kW的推進電機更換為最大4170 kW的推進電機。

從其動力系統的變化可推出如下結論：一是“凰龍”號水下動力僅來源于鋰離子動力電池，其電力推進系統的組成與傳統的柴電潛艇沒有本質區別；二是由于取消了AIP裝置，其控制板相應減少了控制開關，簡化了電力系統，有利于提升電力系統可靠性；三是鋰電池模塊的電壓等級提升，電池組采用了多組并聯的策略；四是“凰龍”號配置的鋰電池總儲能達到約38.9MWh,按照1850 kW×2對充電時間進行估算，其全充電時間約10.5小時，高速航行時間約9小時（18節），采用3～4節航速可水下連續航行7～8天，續航力達到600海里以上。

3 日本采用柴電動力原因簡析

基于以上分析，考慮到日本潛艇的主要使命任務應是對抗俄羅斯、中國以及朝鮮和協助美軍，推測其放棄AIP技術路線轉而回歸到傳統柴電潛艇主要原因如下：

1）日本距俄羅斯、中國和朝鮮等主要港口距離較近，“凰龍”號600海里的續航力已基本夠用；

2）在黃海、東海等潛在交戰區，多屬于海底大陸架區域，水聲環境復雜，有利于振動噪聲小的柴電潛艇發揮效用；

3）為保持對俄羅斯的“基洛”級等振動噪聲小的常規潛艇形成一定的技術優勢，選擇了鋰電池技術路線；

4）從協助美軍角度來看，因日本受限于和平憲法不能發展核動力潛艇，而AIP動力無法提供高航速動力，故采用鋰離子電池使“凰龍”號18節可航行9小時，達到了伴隨美軍行動基本要求。

4 啟示

1）日本的老型號潛艇或者每型的最后幾艘艇往往起到技術驗證平臺作用，不斷應用新理念、新技術以保持潛艇的技術優勢，啟示我們應加快新理念、新技術的研究、試驗驗證和應用。

2）鋰離子動力電池是常規潛艇動力電池系統的發展方向，應加速鋰電池安全性研究和工程應用步伐。

[1] 令和1年8月發布的防衛省《防衛計劃大綱、中期防衛計劃發展計劃》.

[2] 雅虎新聞 2020-10-14 “海上自衛隊最先進的 3000 噸級潛艇“大船”下水”，高橋康介.

[3] 技術開發副官、船舶經理 Hirofumi Kaneko 的收購、技術和物流代理“船舶設備開發的歷史”.

[4] U.S. Naval Today.com 2020 年 10 月 15 日“日本下水，命名新型柴電攻擊潛艇”，Naida Hakirevic.

Analysis on technical status of the power system of the Japanese JS Oryu submarine

Song Qiang, Zhao Man, Mao Liuwei

(Unit 92578, Beijing 100161)

TM912

A

1003-4862（2022）12-0022-03

2022-04-02

宋強（1981-），男，高級工程師。主要從事潛艇動力方向。E-mail: 754870456@qq.com