潜艇锂离子电池的发展与集成

2016-10-13雷津,邓磊

船电技术 2016年9期

雷津 , 邓磊

潜艇锂离子电池的发展与集成

雷津1, 邓磊2

（1.海军驻719所军事代表室，武汉 430205；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

铅酸电池作为储能电池在过去一百多年里广泛应用于舰艇上，铅酸电池的可靠性在应用中得到了充分的证实，但其能量和功率密度低、析氢等固有缺陷致使储能电池的发展受到局限。近年，锂离子电池的发展使储能电池性能得到显著提升，但其集成和应用存在着安全性的严重挑战。ThyssenKrupp船舶系统公司研制出适用于潜艇的大容量锂离子电池系统集成设计理念和解决方案，克服了安全性问题，使艇用电池性能提高，能满足更强作战力的潜艇需求。相比传统铅酸电池，锂离子电池容量提升30%，放电倍率提升2倍，另外，锂离子电池可免维护，提高了运行灵活性。本文采用实例对锂离子电池技术在潜艇上的发展与集成进行介绍，总结了艇用锂电池的必要性和应用难点。

锂离子电池潜艇

0 引言

潜艇性能可通过增大其水下潜航时间、降低暴露率和提高操作灵活性而得到持续提升。长期以来，铅酸电池技术作为潜艇的主要电化学储能系统获得广泛应用。然而，铅酸电池具有能量密度低和运行特性强烈依赖于工作负荷的缺陷。采用锂离子电池技术后，电池能量密度显著提高：当功率密度达到100 W/kg，可使潜艇的重量功率密度提高7倍。正是因为具有更高的功率密度，才使锂电池技术更符合潜艇的特殊性。

1 ThyssenKrupp船舶系统公司的锂离子电池研发历史

为了将锂离子电池技术应用于潜艇，ThyssenKrupp船舶系统公司着手开发艇用锂离子电池系统。首先，通过与德国电池制造商GAIA合作，共同开发出额定容量为485Ah的大尺寸锂离子电池单元。基于此电池单元，进一步设计和制造出应用于潜艇的专用集成电池模块。

为了确保电池系统的安全可靠运行，ThyssenKrupp船舶系统公司与不同伙伴合作，分别开发出专门的电池管理系统[1]（BMS）和电流限制器（ECL）。通过将电力系统与潜艇推进系统集成以及将电力系统融合进潜艇各方面，建立起具有充分集成理念的艇用电池系统。该系统注重电池系统的整体安全，以确保在任何情形下电池系统的安全工作。此外，相关电池研发计划与试验验证程序也处于同时进行之中。

然而，为了提高电池系统的长期可用性，也为了角逐受汽车市场所推动的最新动力发展技术，ThyssenKrupp船舶系统公司于2011年决定为电动汽车和混合动力汽车开发一种基于标准电池单元的电池系统。为此，ThyssenKrupp船舶系统公司与德国Robert Bosch GmbH公司合作，共同研发出一种针对汽车市场、具有额外功能特性的先进电池系统。

2 模块化锂离子电池系统组成

锂离子电池系统（如图2所示）采用具有分级结构的模块化设计方案，使其能灵活适应在各型潜艇和海军其他领域的应用。

图2 锂离子电池系统组成结构

从底层向上，锂离子电池系统的最小组成要素是电池单元。为了确保电池在长期内均具有良好的可用性，同时得益于在研发汽车电池方面取得的最新研究成果，电池单元机架根据VDA采用标准化设计（VDA为德国在汽车领域的标准）。此外，电池单元采用菱形设计，具有更高的装载密度、有效的冷却通道和高的长期可靠性。

电池阴极材料主要为锰合物，其他元素包括镍和钴，因此这种材料称为NMC材料[2]。它具有高的能量密度和良好的热稳定性，是目前潜艇应用的最佳选择。

大量电池单元通过电路有序连接，形成子模块，它是电池系统的最小功能单元。

大量子模块通过电路有序连接，组成数个电池模块，进而形成电池列。电池列中的一个模块除包含多个子模块外，还集成了一些其他电子部件。

以214型潜艇为例，其电池系统组成为：19个电池子模块形成两个电池模块，进而组成一个电池列。其中，一个电池模块包含10个子模块，另一个电池模块包含9个子模块。电池列的控制装置和开关装置都设置有扼流圈。

图3具有12个电池单元的电池子模块及子模块控制器

电池列的电压水平决定电池电压水平。为了获得所需要的电容量，所有电池列均采用并联连接。电池列还包含开关装置和电流控制单元，其功能是当发生外部短路故障及需要对电池列内某些电池进行解列时进行操作。此设计的一个重要特征是，可根据需要调整电池列的输出电压：通过调节电池列内工作子模块的数量，可实现在0V和最大输出电压之间电池系统输出电压的调节，从而可实现依据外部负载和电池系统容量之间的平衡关系，调整电池系统的运行状态，这对于保护电池系统的健康运行和提高总运行寿命很重要。

电池管理系统（BMS）采用类似的分级方案[3]。子模块控制器（SMC）是电池子模块的控制单元，它监测每个电池单元的容量并在子模块层面实现被动的控制平衡。在电池列控制层面，列控制单元（SCU）收集SMC的相关信息，同时作为电池控制单元（BCU）的界面，后者是局部电池层面上的指控单元。BCU的主要任务是根据运行需求，对电池能量、状态及性能需求进行综合管理。BCU还向潜艇自动控制系统，即工程监测和控制系统（EMCS）提供界面，EMCS在正常运行时为BCU提供人机操作界面。另外，在BCU硬件上也提供了局部操作面板。

3 潜艇集成化理念

潜艇推进系统采用冗余设计，包含两台发电机、两套推进电机以及两套电池系统。通常，两套电池系统分别布置在不同的电池舱，此设计的确定是基于冗余设计思想和危险降级理念，包括选用其他更适宜的、不依赖空气的能量源。

短路电流对潜艇推进系统设计造成重大挑战。由于电池系统内部电阻非常小，可能导致主要线路发生故障时的短路电流比正常电流高出10倍以上，这对于现有开关装置来说太大。为解决这一难题，电池列控制单元（SCU）中设计有一个电控制单元，确保在任何情况下均使电池列的电流限制在所推荐的电流范围内。

图4 推进系统示意图

正常运行条件下，推进系统的两套电池单元是独立运行的。而电池系统也有两种配电方式，一种方式是与发电机设备集成，另一种方式是电池与负荷连接。上述两种方式均采用二极管解耦，因此在发生电路短路时，电流均不能从电池系统流向短路电路。当仅有一组电池与推进系统连接时，处于两个子系统间的耦合开关仅在故障状态下闭合。其他条件下，此开关均处于开路状态。

锂离子电池模块的外形尺寸被设计成与传统铅酸电池一致。电池模块通过一个在船体底板上事先设计好的导轨固定系统与船体结构连接。动力连接器和BMS信号连接器布置在模块上部，所有模块高度均相同，与是否包含SCU无关。上述因素及电池模块化结构，允许对电池舱容积进行优化利用而无需考虑电气设备尺寸，从而实现机械上的集成简化。

4 集成安全性

锂离子电池一个非常受关注的方面是其技术安全性。使用锂离子电池的手提电脑和移动电话所发生的电池事故强调了这一问题。然而，几乎所有这些电池事故都可追溯到低制造质量引起的低成本包装和缺乏像BMS一样可靠的安全检测。艇用锂离子电池关于加固电池设计、多道安全检测的关系如图5所示，对上述集成电池系统概念来说，可以消除可能出现的假想事故。

图5 艇用锂离子电池的安全理念

原则上，锂离子电池可能由于过度充电、过流或外部碰撞受到损坏，这些因素均会导致电池元件过热以及在高温废气排放环境下的散热失效。在电池正常工作过程中，应避免上述不利因素。

为了确保电池系统的安全运行以及检测其临界条件，采用了本文所描述的带有集成电流控制和开关功能的BMS。坚固的机械模块设计确保电池在外部碰撞和冲击载荷作用下的安全。电池系统的高可靠性由多个冗余电池组（以及子模块）和少数辅助系统保证。

5 锂离子电池技术的工作特性

5.1 运行优势

锂离子电池技术的应用为潜艇的有效部署提供了许多优势，其中一些优势是由于与铅酸电池相比，锂离子电池仅需要较少的辅助系统。因为锂离子电池系统不含酸性物质，所以不需要酸液循环系统，从而电池舱也不需要冲洗系统。另外，锂离子电池不对外释放废气，并进行了严格密封，因此也不需要进行氢气监测和复合系统[4]。

锂离子电池的一个主要优势是在运行期间不需要维修，无需对电池进行人工检测。锂离子电池没有耗时的第二或第三充电阶段，繁琐的充电过程严重制约了潜艇执行任务的灵活性。锂离子电池全功率运行与其充电状态（SoC）无关，因此在任何条件下潜艇都可以高速航行。电池的生命周期提高了2倍，因此潜艇的综合可用性也随之提高。

总结上述方面，我们可以提出，由于潜艇运行期间的灵活性和可用性显著提高，使得维护成本降低，电池特性和局限性对潜艇执行任务的影响得到降低。

5.2 工作特性的提升

基于上述运行优势，锂离子电池的一些极为突出的优点，如高效率、高功率密度和对输出功率依赖性小等，使潜艇的工作特性得到显著提升。采用与传统铅酸电池具有相同体积的锂离子电池，在高功率条件下锂离子电池的容量提高200%；在经济巡航条件下，锂离子电池的容量是铅酸电池的130%[5]。因此，和燃料电池一样，锂离子电池是潜艇AIP系统的完美补充，能满足潜艇对高功率的需求。

另外，锂离子电池充电过程不存在记忆效应[6]，可在任何阶段充电而不会导致电池容量的下降。与铅酸电池相比，锂离子电池的充电全部在第一充电阶段完成，充电过程可使柴油机一直处于最佳工作点附近运行。另外，锂离子电池的内电阻很低[7]，有效降低了充放电过程的损失，使电池效率得到提升，从而使潜艇航行过程的暴露率从25%显著地下降至10%.。结合大功率柴油机和充电机，锂离子电池所具有的高功率特性能被充分挖掘出来，可进一步降低潜艇的暴露率。

6 总结

新型锂离子电池技术所具有的高效率、高能量和低运行维护需求等特性，能显著提升未来潜艇的性能。本文充分展示了采用锂离子电池技术的新型推进系统的可行性和集成运用理念，该技术可以转化应用于新型潜艇设计以及ThyssenKrupp船舶系统公司正在开展的潜艇设计之中。采用锂离子电池技术后，潜艇工作性能显著提升，包括优异的工作特性、高水下潜航时间和低暴露率，这些均使人印象深刻。