浅析日本“凰龙”号潜艇动力系统技术状态

2023-01-03毛柳伟

船电技术 2022年12期

关键词：苍龙电池组示意图

宋强，赵满，毛柳伟

应用研究

浅析日本“凰龙”号潜艇动力系统技术状态

宋强，赵满，毛柳伟

（92578部队，北京 100161）

本文简述了日本“苍龙”级11号潜艇“凰龙”号潜艇，其动力系统采用锂离子电池取代传统的铅酸电池及AIP系统，成为世界首艘采用锂电池为主动力的潜艇，其下一代潜艇“大鲸”级也采用此种动力系统形式。简要分析“凰龙”号潜艇动力系统特性进行，得出了锂离子动力电池是常规潜艇动力电池系统的发展方向，应加速锂电池安全性研究和工程应用步伐的启示。

“凰龙”号锂离子电池动力系统

0 引言

2018年10月，装备锂离子动力电池的“苍龙”级11号潜艇“凰龙”号（SS-511，MK.II）在三菱重工神户造船厂下水。“凰龙”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。日本下一代潜艇“大鲸”级也采用锂电池作为主动力[1-4]。

1 日本潜艇装备发展特点

受战后国际条约和《和平宪法》的限制，日本不能发展核潜艇，因此对常规潜艇的发展不遗余力。自1957年恢复潜艇研制能力至今，日本先后自主研制和建造了“早潮”、“夏潮”、“大潮”、“朝潮”、“涡潮”、“夕潮”、“春潮”、“亲潮”、“苍龙”等9个型号57艘常规动力潜艇。经过60多年的全力发展，日本已成为世界上潜艇研制和建造大国之一。

从发展历程来看，日本潜艇装备发展有如下突出特点：

一是潜艇装备更新换代快。为了确保潜艇技术始终保持世界一流水平，日本海自潜艇部队一直保持极快的更新换代率，70年代以来基本按照每年服役一艘、退役一艘的速度进行潜艇的更新换代，每型潜艇均有较多改进，紧跟当时世界潜艇新技术的发展，从而确保本国潜艇保持世界先进水平。

二是每型潜艇最后几艘开展新技术试验为下一型艇应用做好准备。自20世纪80年代至今，由“夕潮”、“春潮”、“亲潮”、“苍龙”级等潜艇发展可看出，日本每一级潜艇的后几艘或最后一艘艇，一般通过加改装或改进设计，试验性地应用新技术或新设备，进而为新一级潜艇的发展奠定基础。“夕潮”级潜艇的后6艘艇首次加装了拖曳声纳，并应用了NS80型钢，潜深提高到300米，这也是下一级“春潮”级潜艇采用的技术；“春潮”级潜艇的最后一艘艇“朝潮”号在2000年加装了AIP舱段，验证AIP技术，为日本AIP潜艇研制奠定基础；“亲潮”级潜艇的后续艇首次应用了雪茄型艇型、成熟商用化作战系统技术等，这也是下一级“苍龙”级潜艇的代表性技术；“苍龙”级潜艇自第11艘“凰龙”号首次应用锂离子电池技术，以充分提升水下续航能力，预计这一技术也将是其新一级潜艇的代表性技术。

三是坚持国产化自主研制道路。二战后日本潜艇损失殆尽，在潜艇建造方面存在10年的空白期，但日本并没有走购买别国潜艇的道路, 而是通过租借和研究美国潜艇，迅速恢复本国建造潜艇的能力，逐渐形成了强大的设计与建造现代化潜艇的科研和工业基础，从而成为目前世界上少数能够自行研制先进常规潜艇的国家之一。值得注意的是，从20世纪70年代开始，除；潜艇本国建造外，潜艇配备的设备和武器也开始了国产化，如“春潮”级和“亲潮”级潜艇采用的主机是川崎公司生产的四冲程柴油机和发电机，推进电机由富士公司生产；艇上的鱼雷由美制替换为日本国产的89式线导鱼雷所取代；潜艇上的电子设备, 除个别的美制外，已基本实现全部国产品。随着日本潜艇建造业的发展, 日本潜艇上配置的设备和武器的国产化程度日益达到完全自主化。

2 “凰龙”号潜艇动力分析

通过对《世界舰船》等刊登文章以及日本军事发烧友利用日本防卫省信息公开制度所获得标准、委托说明书、试制说明书、规范书等资料的收集、整理及相互印证，可初步解读“凰龙”号动力系统。

“凰龙”号相对前10艘苍龙级潜艇内部结构变化如图1所示，去除了原有的AIP装置及480块铅酸蓄电池（“苍龙”级潜艇AIP装置可支撑潜艇水下约1500海里续航力，铅酸蓄电池组可支撑潜艇水下约300海里续航力），取而代之的是汤浅公司开发的672块锂离子电池，实现了电池供电续航里程翻倍，电池成本由每条艇的1300万美元增加到了9700万美元。

图2 日本汤浅公司潜艇用锂离子电池

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。“凰龙”号潜艇中装备的锂离子动力电池模块尺寸与铅酸蓄电池相当，因此布置方式应与铅酸蓄电池相同，即在5舱和8舱分别布置240个电池模块。原9舱和10舱为AIP舱，在去除AIP系统后，由于电池模块较重，在潜艇中一般是设置在下层，因此仅采用第13舱中的空间放置增设的电池，其他空间留作他用，根据13舱的空间尺寸，增设电池的布置方式为12列×16排，共192个电池模块。“苍龙”级前10艘艇电力推进系统示意图与“凰龙”号电力推进系统示意图对比分别如图3、图4所示；“凰龙”号原AIP舱改装锂离子动力电池布置方式示意图如图5所示； “苍龙”级前10艘艇电池组构成与“凰龙”号电池组构成对比见示意图6、3-7；锂电池组构成示意图见图8，电池模块外观示意图如图9所示。

图3 “苍龙”级前10艘艇电力推进系统示意图

图4 “凰龙”号电力推进系统示意图

图5 原AIP舱改装锂离子动力电池布置方式示意图

图6 “苍龙”级前10艘艇电池组构成示意图

图7 “凰龙”号电池组构成示意图

图8 锂电池组构成示意图

图9 电池模块外观示意图

对比可知，“凰龙”号与“苍龙”级前10艘艇相比主要变化：一是用锂离子动力电池替换了铅酸蓄电池，电池组数量增多，单组电池数量减少；二是取消了热气机AIP装置；三是优化了控制板，减少了控制开关数量；四是单组电池组内串联的锂电池模块数量为16块（原铅酸电池组240块电池一组）；五是电池检测装置可监测到电池组内的每一个电池模块。另外，据悉“凰龙”号采用了2台1850 kW柴发机组，并将最大5900 kW的推进电机更换为最大4170 kW的推进电机。

从其动力系统的变化可推出如下结论：一是“凰龙”号水下动力仅来源于锂离子动力电池，其电力推进系统的组成与传统的柴电潜艇没有本质区别；二是由于取消了AIP装置，其控制板相应减少了控制开关，简化了电力系统，有利于提升电力系统可靠性；三是锂电池模块的电压等级提升，电池组采用了多组并联的策略；四是“凰龙”号配置的锂电池总储能达到约38.9MWh,按照1850 kW×2对充电时间进行估算，其全充电时间约10.5小时，高速航行时间约9小时（18节），采用3～4节航速可水下连续航行7～8天，续航力达到600海里以上。