0 引　言

20世纪90年代初，锂离子电池产品开始在民用市场大规模应用，其高能量、易维护等优点很快引起海军技术强国的关注，并纷纷开展锂离子电池上艇应用研究工作。目前德国、法国、日本、俄罗斯、韩国、澳大利亚等国已明确将在本国新型潜艇或后续建造的潜艇上应用锂离子电池动力系统。其中德国、法国、日本、俄罗斯已基本完成锂离子电池系统研究工作，韩国、澳大利亚正开展相关工作。

1 锂离子电池动力系统上艇应用情况 1.1 德国 1.1.1 发展情况

德国是常规潜艇技术强国，早在20世纪90年代初，德国就开展了潜艇锂离子电池动力系统研制工作。1995年8月，德国德森克虏伯公司就与德国GAIA锂离子电池技术公司签订了研发用于有人驾驶船舶的大型锂离子电池技术合同。该合同分2个阶段实施。第1阶段工作主要由GAIA公司实施，研制电池模块样品。第2阶段工作由蒂森克虏伯公司与GAIA公司共同实施，基于第1阶段成果研制艇载锂离子电池动力系统及测试。

2010年9月～2012年5月，蒂森克虏伯公司在双体船“行星太阳”号上测试大型锂离子电池动力系统，“行星太阳”号通过该动力系统成功完成了环球航行，此次试验是世界首次在有人驾驶船舶上采用锂离子电池动力系统驱动航行，证明了蒂森克虏伯公司锂离子电池动力系统长航时使用具有较好的安全性和可靠性，具备了上艇使用条件。

性能上，德国研制的锂离子电池动力系统外形类似传统铅酸电池模块，锂离子电池标准模块由23块电池串接而成，每块电池标准电压3.6 V，总电压达83 V，总电能485 Ah。充电效率接近98%，在充电率达0.5C时可进行快速充电，电池每月自放电率低于2%。该电池模块已通过德国设计评审，并按照常规潜艇的抗冲击、磁特征信号、操作使用、安全性等专项试验标准进行验证试验。

1.1.2 应用计划

德国为了应对本国潜艇需求较少，着力通过潜艇出口保持潜艇设计、建造能力，从而维持相关的科研机构、队伍稳定。2009年，正值澳大利亚公布SEA 1000潜艇项目，总价值400亿澳币，为与法国“短鳍梭鱼”级常规动力潜艇、日本“苍龙”级常规动力潜艇竞争，德国以214型常规动力潜艇为基础，提交了216型常规动力潜艇方案参与竞争。2011年9月在德国基尔市举办的国际潜艇学术会议上，蒂森克虏伯公司在介绍216型潜艇推进系统设计方案中，明确提出将采用锂离子电池取代铅酸电池。

虽然德国216型常规动力潜艇于2016年4月竞标澳大利亚潜艇失利（法国“短鳍梭鱼”级常规动力潜艇赢得合同），但德国仍将于2018年开始建造216型常规动力潜艇，并预计2021年交付德国海军。

动力系统上，216型常规动力潜艇装备质子交换膜燃料电池AIP系统，并采用锂离子电池取代了传统的铅酸电池，大幅提高了水下续航及加速能力，可持续28 d隐蔽航行，提高了潜艇生存能力。其中艇上装载的锂离子电池改善了充电参数，扩大了储能容量，使用寿命长达10年，有效降低了潜艇动力系统维护成本和工作量。

1.2 法国 1.2.1 发展情况

法国在潜艇锂离子电池动力系统上开展了近20年的研究工作，在1999年法国著名锂离子电池供应商SAFT公司开始研制潜艇用锂离子电池，2003年完成锂离子电池上艇可行性研究，2004年完成样机研制并进行了电池海上使用试验。2008年SAFT公司和法国海军集团公司（原DCNS集团）签署协议，法国海军正式开展潜艇锂离子动力系统研制工作。

与德国相比，法国在锂离子电池上艇应用工作较为滞后，但研制进展很快。SAFT公司基于VL45E锂电池技术研制潜艇锂离子电池动力系统，并于2008年后相继完成了电池模型构建与定性、安全性试验、专用物理模型、电池模型与组件之间耦合试验等研究工作。

性能上，VL45E电池阳极为石墨制，阴极为一氧化镍制，使用的电解池为碳酸溶液与锂六氟磷酸盐的混合物。VL45E高容量电池可反复充电超过4 000次，电池单元高222 mm，宽54 mm，重约1.1 kg，比能量为160 Wh/kg。基于VL45E电池单元，法国设计出M0，M1两型艇载锂离子电池模块，其中M0电池模块由40个电池组成，提供141 Wh/kg的能量。M1模块也由40个电池组成，提供180 Wh/kg的能量。

法国海军集团评估，SAFT公司研制的锂离子电池动力系统在潜艇作战中能承受约320 g的水雷爆炸冲击力，在实测中该电池组已成功承受了30～150 g水雷爆炸冲击，且没有受损。在应用于潜艇时，电池模块将被平行连接形成108组电池组以满足潜艇所需的电压水平。

1.2.2 应用计划

在2014年的欧洲海军展中，法国海军首度公开了“短鳍梭鱼”级常规潜艇，该艇以法国新一代攻击型核潜艇“梭鱼”级为基础，将核动力推进系统替换成柴-电推进系统。依照2014年欧洲海军展展出的资料，法国潜艇锂离子电池动力系统已完成研发，并可应用于“短鳍梭鱼”级潜艇。

1.3 日本 1.3.1 发展情况

日本在锂离子电池领域有着雄厚的技术储备，世界上首款商品用锂离子电池是由索尼公司于1990年推向市场的。在潜艇锂离子电池动力系统研制上，日本汤潜公司（YAUSA）和英耐时（ENAX）公司早在20世纪90年代开展了相关研制工作，其中汤潜公司生产的锰酸锂动力电池已装备无人潜航器，并于1999年10月完成了水下试验。

随后日本海上自卫队以汤浅蓄电池有限公司（gs-yuasa）生产的机动车锂离子电池为基础，开展潜艇锂离子二次电池（可重复充电）研究并试制样品。测试表明锂离子电池蓄电量为传统铅蓄电池的2倍，重复充电次数为传统铅蓄电池1.5倍以上，安全性与充电效率亦优于铅蓄电池。

1.3.2 应用计划

2014年10月日本宣布将在“苍龙”级潜艇11号艇、12号艇（SS-511和SS-512）上采用锂离子电池取代铅酸电池。2艘艇分别于2015年、2016年开工建造，并将于2020年左右服役。日本海上自卫队称通过采用锂离子电池，将使“苍龙”级常规动力潜艇续航能力增加45%，并提高潜艇水下高速航行能力，此外同体积锂离子电池的重量是铅酸电池的1/5，加大了艇上空间的利用效率。

1.4 其他国家 1.4.1 俄罗斯

俄罗斯潜艇锂离子动力系统由红宝石设计局研制，2012年俄海军宣布将在“拉达”级潜艇2号艇“喀琅施塔得”号上采用锂离子电池，并进行锂离子电池动力系统使用测试工作。该艇于2005年建造，预计于2019年服役。此外2017年7月，俄罗斯完成第5代常规潜艇“卡琳娜”级初步设计工作，该艇动力系统也将采用锂离子电池和俄罗斯新研发的重整制氢AIP系统。

1.4.2 韩国

通过与国外合作建造“张保皋”级（德国209型潜艇）和“孙元一”级（德国214型潜艇）潜艇，韩国逐渐掌握了潜艇建造、设计相关技术。2007年韩国正式开展本国自主设计的KSS-3型潜艇研制工作，并于2014年完成潜艇设计。随后韩国计划建造9艘KSS-3型潜艇，其中首艇已于2016年开工建造，并将于2020年服役。为提升潜艇动力性能，韩国还计划从4号艇开始采用锂离子电池动力系统，潜艇锂离子电池动力系统研制工作由韩国三星集团负责。

1.4.3 澳大利亚

2016年4月，澳大利亚决定采购法国海军集团“短鳍梭鱼”级常规动力潜艇，在潜艇动力系统方案上，澳大利亚将采用本国研制的锂离子电池动力系统，该动力系统由澳大利亚国防科技（DST）集团负责研制，2016年澳大利亚国防科技集团开展了锂离子电池安全性测试工作，测试内容主要包括锂离子电池动力系统电、温度和热通量传感器，红外成像和实时测热的综合气体分析系统与排气系统。目前技术团队与美国海军水面战中心开展合作，重点对锂离子电池安全技术进行攻关。

2 锂离子电池动力系统上艇应用技术特点

与传统潜艇电池（铅酸、镍镉、银锌等）系统相比，锂离子电池具有单电池电压高、电池容量大、自放电能力低、使用寿命长等突出优点。通过装备高能量锂离子电池，可有效提升潜艇战技性能，具体包括：

1）增强常规潜艇水下续航力和机动能力，有效提高隐蔽性能

由于锂电池具备高能量密度和高效能，装备锂离子电池动力系统可显著增强潜艇水下续航力和机动能力。锂离子电池重量比能为铅酸电池的3倍，体积比能在2倍以上。在使用效能上，法国研制的锂离子电池使用效能高达95%，明显优于传统铅酸电池（一般不超过60%）。法国海军集团公司评估在采用锂离子电池系统的情况下，相较采用铅酸电池，“鲉鱼”级潜艇水下续航力在低速时提高75%，高速时可提高约200%；德国蒂森克虏伯公司更是宣传若采用锂离子电池，214型潜艇水下续航力在低速时提高150%，高速时可提高约400%。

此外在同等航程情况下，采用高能量锂离子电池的潜艇上浮充电次数要少于传统铅蓄电池潜艇，法国海军集团评估，根据潜艇水下航速潜艇采用锂离子电池可减少约10%～25%的上浮充电次数。同时由于锂离子电池压降较小，可用较高的电流保持长时间充电，上浮充电时间亦少于铅酸电池，进一步提高了常规潜艇隐蔽性能。

2）适合与AIP系统搭配使用，提升潜艇水下机动机动能力

对常规潜艇而言，采用锂离子电池的新型电池模块不仅可以增加电池容量，而且与传统的铅酸电池相比，放电速度更快，重量更轻，非常适合与液态金属氢化物存储罐燃料电池一起使用，这样可以在不需要对潜艇设计做出很大改变的情况下来增加潜艇AIP系统的能量。

根据德国蒂森克虏伯公司的资料，在潜艇高功率航行状态下，锂离子电池电容量是同体积铅蓄电池的2倍，在经济航速下是铅蓄电池的1.3倍，因此锂离子电池可与AIP系统形成有效互补，在常规潜艇低功率航行时采用AIP系统，高功率航行时采用锂离子电池系统。目前德、日、俄等常规潜艇技术强国纷纷对AIP系统与锂离子电池配合使用开展研究，该项技术是常规潜艇动力重要发展方向。

3）维护保养便利，使用成本低

虽然锂离子电池成本较高（德国艇载锂离子电池成本约为铅蓄电池的3倍），但由于锂电池系统没有记忆效应（电池记忆效应是指电池长期不彻底充电、放电将导致电池容量降低的现象），可随意充电、放电，在作战使用中几乎不用进行深度放电、周期治疗等维护保养活动；锂离子电池使用寿命更长达10～15年，是传统铅酸电池系统的2倍（铅酸电池使用寿命约7～8年）。法国海军集团评估锂离子电池在15年使用期后仍能保持80%的满额充电量，总体而言锂离子电池使用成本要少于铅酸电池。

3 启示

1）国外新一代常规潜艇将普遍采用锂离子电池，并将有效提升常规潜艇作战性能

目前德国、法国、日本、俄罗斯等国已明确将在本国新型潜艇或后续建造的潜艇上应用锂离子电池动力系统。相比铅酸电池，锂离子电池具有电池容量大、重量轻、体积小、大电流放电时间长、充电时间短等诸多优势，采用锂离子电池将在以下4个方面提升潜艇战技性能。

①提升潜艇隐蔽性。锂离子电池具有较宽的充电功率范围，可通过大电流充电在20 min～1 h内完成快速充电，大大降低了潜艇主动暴露率。同时快速充电也缩短了柴油机工作时间，进一步减少了柴油机高噪声辐射被敌方声呐发现的概率，从而提升潜艇隐蔽性；

②提升潜艇水下续航力。目前潜艇铅蓄电池组1次充满电，一般可使潜艇以水下3～4 kn速度行驶500～600 nmile。如果使用锂离子电池，1次充满电最大续航力可提高2～3倍，可有效提高常规潜艇水下待战、伏击、快速出击等作战能力；

③提高潜艇攻防战术机动能力。锂离子电池组大电流放电时间长，相比使用铅蓄电池，潜艇可在高功率状态（例如高速航行）下获得2倍以上电量，利于常规潜艇追敌和规避敌方武器；

④优化潜艇有效负载配置。由于同体积锂离子电池仅为铅酸电池重量的1/5，采用锂离子电池可显著减少电池舱所占空间。从而使潜艇可腾出更大空间优化布置武器装备或探测设备等，进一步提高潜艇综合作战能力。

2）安全是锂离子电池上艇使用的前提，安全保障措施和技术是艇载锂离子电池发展的重点

潜艇是海军高价值战斗舰艇，潜艇火灾和爆炸事故具有突然性和快速性，往往导致潜艇壳体结构和设备严重损坏，给潜艇以致命打击，造成了很大的经济损失和人员伤亡。2017年11月15日阿根廷“圣胡安”号常规潜艇发生爆炸事故，造成潜艇沉没、艇员全部死亡的严重后果，而事故原因是因为电池系统故障引发爆炸。

因此在锂离子电池上艇应用问题上，安全是重中之重。德国、法国在研制艇载锂离子电池系统中不惜牺牲电池部分重量比来提升电池安全性，并采取研制电池安全管理系统、采用冗余设计、研发新型电池材料等措施不断消除锂离子电池事故隐患，确保电池上艇使用安全。

3）锂离子电池在水下战领域应用前景广阔，国外将研制先进锂离子电池满足水下战装备需求

目前锂离子电池已广泛应用于水中兵器和无人潜航器，未来锂离子电池还将应用于潜艇，可见随着水下装备的不断发展，将会对锂离子电池性能提出更高的要求。目前德、法、俄、日等国都在投入大量人力物力，研制先进锂离子电池。并加强在电池材料技术、结构设计、制造工艺、电源管理系统等方面的研究工作，使水下战装备通过采用性能更好、安全性更高的锂离子电池提升整体战技性能。