国外潜艇锂离子动力电池应用情况及技术分析

马永龙，聂 冬，刘 飞

国外潜艇锂离子动力电池应用情况及技术分析

马永龙1，聂 冬2，刘 飞3

（1、2. 海军装备部，武汉 430064；3. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

2018年10月4日，日本“苍龙”级潜艇11号艇“凰龙”号在三菱重工举行了下水仪式，为全球首艘装备锂离子动力电池的潜艇，随后法、德、韩等国也相继宣布其潜艇锂离子动力电池已具备装艇条件，标志着潜艇动力电池开始进入锂电时代。本文根据国外相关报道及文献资料，对国外潜艇所用的锂离子动力电池从技术角度进行了分析，并与铅酸蓄电池进行了对比。

潜艇锂离子动力电池 铅酸蓄电池 技术角度分析

0 引言

目前，常规潜艇主要仍以铅酸蓄电池作为水下主动力电源，对一般常规潜艇来说，潜艇高速和低速航行都需要潜艇动力电池提供动力，电池的容量和比能量直接影响潜艇隐蔽性和续航力，对AIP（不依赖空气推进装置）潜艇来说，低速航行主要由AIP系统提供动力，高速航行仍然由动力电池提供动力，由于AIP系统占用了潜艇大量的重量和空间，留给潜艇电池舱的重量和空间十分有限。另外，潜艇在发射鱼雷等武器后，以及为规避敌方武器攻击，都需要进行高速战术机动，需要潜艇动力电池提供高速航行动力，因此，对高能量密度和大电流放电能力的动力电池有迫切的需求。

历经百余年的发展，铅酸蓄电池由于其电化学体系限制，技术水平已经接近理论极限，难以进一步取得突破。铅酸蓄电池目前存在的不足分析如下：1）能量密度相对较低。铅酸蓄电池的能量密度与目前其他主流二次电池（如锂离子电池、镍氢电池等）相比较低，占用大量总体资源；2）大电流放电特性差。大电流放电条件下，铅酸蓄电池的放电能力不足小电流放电时的一半，严重制约了潜艇高速机动能力的提升；3）充电效率低，析氢量大。潜艇铅酸蓄电池一般采用多级充电制，充电后期效率较低并且发热及析氢现象严重；4）使用寿命较短。在潜艇服役期内铅酸蓄电池组需进行数次更换，影响了潜艇的在航率；5）使用维护工作量大。由于铅酸蓄电池存在记忆性，需每隔一段时间进行周期治疗，不仅增加了潜艇码头维护的工作量，且耗时较长，是影响潜艇在航率的重要因素；6）污染舱室环境。由于铅酸蓄电池存在析酸、析氢现象，严重污染舱室环境。

相比于现有的铅酸蓄电池，锂离子动力电池具有比能量高、充放电特性好、正常使用无析氢析酸、循环寿命长、使用维护简便等优势，能较好的克服铅酸蓄电池存在的不足，并已在电动汽车、电网储能、无人系统移动平台等领域广泛应用。因此，从动力电池技术发展层面上看，锂离子电池是潜艇动力电池的技术发展方向，日、德、法、韩等国均在进行潜艇用锂离子动力电池的开发工作，2018年10月，日本“苍龙”级潜艇11号艇“凰龙”号正式下水，成为全球首艘装备锂离子动力电池的潜艇。随后法、德、韩等国也相继宣布其潜艇锂离子动力电池已具备装艇条件。截至2021年3月，全球已有共三型四艘潜艇装备应用锂离子动力电池，其中日本“苍龙”级潜艇“凰龙”号与“登龙”号已交付军方使用，日本下一代潜艇“大鲸”级计划全部装备锂离子动力电池，并以每年一艘的速度进行建造，韩国自主建造的装备锂离子动力电池的KSS-III潜艇也于2020年11月下水，以上趋势表明潜艇动力电池已开始全面进入锂电时代。

1 日本“苍龙”级潜艇锂离子动力电池技术分析

图1 日本“苍龙”级潜艇凰龙号

日本“苍龙”级潜艇也被成为“平成16年度潜艇计划”，是日本海上自卫队现役最新锐的潜艇类型，计划建造12艘，全长84米，舷宽9.1米，标准排水量2950吨，潜航排水量4200吨。该潜艇是目前世界上排水量最大的常规潜艇。该潜艇在设计之初，便提出“锂离子电池推进”的概念，2007年，日本在“苍龙”级潜艇上开展了锂离子电池装艇计划，2014年提出“具备提前装备条件”，但前10艘苍龙级潜艇仍采用的是常规斯特林AIP与铅酸蓄电池作为推进动力。首艘装备锂离子动力电池的“苍龙”级11号潜艇“凰龙”号（SS-511，MK.II）于2018年10月在三菱重工神户造船厂举行下水仪式。与前10艘苍龙级常规动力潜艇（MK.I）相比，“凰龙”最大的区别在于采用日本汤浅公司的锂离子电池取代了传统的铅酸蓄电池以及AIP系统，由此成为日本首艘，同时也是世界上首艘采用锂电池作为主动力的潜艇，后续建造的“苍龙”级12号潜艇“登龙”号及最新一级潜艇“大鲸”级采用了相同的锂离子动力电池技术，“大鲸”级改进了通气管及柴油发电机装置，以更好的适应锂离子电池快速充电特性。

据报道，日本“凰龙”号潜艇去除了原有的AIP装置及480块铅酸蓄电池，取而代之的是672块锂电池，实现了电池供电续航里程翻倍，并且电池充电时间减半。日本苍龙潜艇使用的是汤浅公司开发的锂离子电池，采用与现役铅酸电池相同尺寸的方式进行设计，如图2所示，电池内部采用先由电芯组成电池单元包（单电池），再由单元包通过串/联构成电池模块，电池模块通过管理装置串并联组成电池组与电池系统。在锂电池电芯技术路线的选择上，与松下、日立等日本其他专注发展高能量密度电芯的电池厂家不同，汤浅公司更关注锂电池的安全性与可靠性，在潜艇锂离子电池上选择的是锰酸锂电池体系，相关产品技术成熟，在新能源车、储能电站、水下潜器、重型设备等领域具有广泛的应用。

图2 日本汤浅公司潜艇用锂离子电池

2 韩国KSS-III型潜艇锂离子动力电池技术分析

图3 韩国KSS-III型潜艇

韩国同中国、日本一样为锂离子电池生产大国，在锂离子电池方面具有较高的技术水平，韩国国防采办项目管理局（DAPA）2018年11月宣称成功研发出潜艇锂离子动力电池，2020年11月，装备锂离子动力电池的韩国自主建造潜艇KSS-III型下水应用，该潜艇由大宇造船和韩国海洋工程公司建造，韩华公司负责锂电池模块的研制和艇用化集成，三星SDI公司提供锂离子电池电芯。

图4 韩国韩华公司潜艇用锂离子动力电池

根据韩华公司资料，与铅酸蓄电池相比，装备锂离子动力电池可使潜艇高速机动续航里程提升到300%，经航续航里程提升到160%，电池寿命翻倍并可大幅降低维护保养工作量。由于韩国本土企业以生产三元体系锂电池为主，韩国潜艇用锂离子动力电池材料体系也是选择了其技术最为成熟的三元方案，但三元电池本身安全性较低，因此为满足潜艇应用要求其在安全性上做了大量的防护措施。韩国国防采办项目管理局声称其潜艇锂离子动力电池开发以安全性为第一考虑要素，三星SDI公司提供的120Ah电芯的能量密度约550Wh/L，集成为模块之后的能量密度为166Wh/L，模块中有70%左右的体积为结构件、检测管理组件及电池安全防护组件，另外电池模块为高压方案，内部电芯全串联，从而实现对每个电芯的监控。通过以上技术手段，可使锂电池模块通过严格的火烧、冲击振动、海水浸泡、高温、短路及电磁兼容等测试，满足装艇安全性要求。

3 德国潜艇锂离子动力电池技术分析

德国自1995年便开始进行潜艇锂离子动力电池研制工作，但前期选择了三元材料体系500Ah圆柱形电池单体方案，安全性难以保证，2016年起对技术路线进行了调整，蒂森克虏伯公司于Saft公司合作开发基于磷酸铁锂电池的新型潜艇用锂离子动力电池系统，并于2018年在巴黎海军防务展上展出。蒂森克虏伯公司针对214型潜艇完成了锂离子动力电池系统装艇方案设计并在出口型潜艇上大力推广。

图5 德国214潜艇用锂离子动力电池方案

德国214型潜艇锂离子动力电池采用45Ah磷酸铁锂电芯，全艇共64组电池共储能14.5MWh，与使用铅酸蓄电池的潜艇相比，装备锂离子动力电池的潜艇在经航条件下续航里程可提升20%，高速机动续航里程可提升近200%，且可在保持柴油发电机功率不变的情况下使电池充电时间缩短28%。

图6 锂离子动力电池与铅酸蓄电池性能对比

4 法国潜艇锂离子动力电池技术分析

法国早在1999年便开始研发潜艇用锂离子动力电池，2003年完成可行性研究，2004年完成海上试验，2014年在鲉鱼级潜艇上进行了装艇试验，2016年，法国短鳍梭鱼级潜艇获得澳大利亚海军的12艘潜艇订单，将在其动力系统中应用锂离子电池加燃料电池方案。法国潜艇锂离子动力电池系统由海军集团、Saft公司、CEA Tech公司和EDF R&D公司联合研制，法国海军集团负责电池系统集成，Saft公司负责电池的设计和生产，CEA Tech公司提供在化学、结构以及电力电子方面的技术支持，EDF R&D公司则针对潜艇应用高安全性、可靠性的要求进行大规模电池系统的严格测试。

图7 Saft公司潜艇用锂离子动力电池

据相关资料分析，Saft公司为潜艇应用提供的是45 Ah磷酸铁锂圆柱电芯，电芯能量密度149 Wh/kg、313 Wh/L。与德、日、韩等国采用的类似铅酸蓄电池的模块外形不同，法国采用的是电池柜式布置方式，此方案在电动船舶及储能电站中应用成熟，电池模块内部每个电芯均采用套筒方式进行固定及防护，以抑制电芯间的热失控传播，提高电池模块安全性。

5 结论与展望

与铅酸蓄电池相比，锂离子动力电池在提高常规潜艇续航力、高速机动性以及隐蔽性方面优势明显，国外主要军事强国在潜艇用锂离子动力锂电池领域已经取得了突破性进展，日韩装备锂离子动力电池潜艇已下水应用，潜艇动力电池已经进入锂电时代。

潜艇用锂离子动力电池由于其应用的特殊性必须以安全性为首要考虑因素，需充分考虑正常使用及意外情况下电池的安全性问题，比如电池单体选择高安全性材料体系，在模块与系统层级进行多层次的防护设计。另外，与铅酸蓄电池一个电池舱内全部串联的成组方式不同，国外潜艇锂离子电池均采用多电池组并联的方案，从而提高管理系统对电池的管控能力及电池系统的可靠性。

[1] 陈新传,宋强,吕昊,王路. 锂离子电池应用于潜艇动力可行性分析[J]. 船电技术, 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内, 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

马永龙（1974-），男，高级工程师。研究方向：光电技术信息系统。E-mail: bnqqnb@163.com