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从手机电池到潜艇动力!把高大上的AIP系统拉下马,锂电池太彪了

2022-10-19 20:46:58 2410

摘要:作者:虹摄库尔斯克10月14日,日本海上自卫队最新一艘常规动力潜艇——大鲸级二号艇“白鲸”号命名及下水仪式在川崎重工业公司神户造船厂举行,这是该厂在战后建造的第30艘潜艇。“白鲸”号是日本海自第4艘采用国产锂离子电池动力系统的潜艇,为此放弃...

作者:虹摄库尔斯克

10月14日,日本海上自卫队最新一艘常规动力潜艇——大鲸级二号艇“白鲸”号命名及下水仪式在川崎重工业公司神户造船厂举行,这是该厂在战后建造的第30艘潜艇。

“白鲸”号是日本海自第4艘采用国产锂离子电池动力系统的潜艇,为此放弃了近年来风头正劲的不依赖空气推进系统(AIP)。无独有偶,韩国海军也宣布在最新型KSS-Ⅲ型潜艇的第二批建造中也将用国产锂离子电池技术替代AIP技术。

可以预见,锂离子电池这种智能手机中非常普遍的电池将逐渐成为未来常规潜艇的动力新宠。

图片:日本“白鲸”号潜艇下水仪式。

AIP系统是不依赖空气推进系统的统称,从二战德国开始,各国就为了能够让潜艇在水下潜伏更久而研制AIP系统。

近年来,越来越多国家开始购置带有AIP系统的潜艇或者对在役潜艇嵌加AIP独立舱段,潜艇作战能力得到明显加强。

AIP系统的最大优点是进一步增强了常规动力潜艇的水下“憋气”功夫,能让潜艇更长时间潜伏在海中,隐蔽性较传统柴电常规潜艇更优秀。

图片:印度生产的法制鲉鱼级常规潜艇,其AIP系统舱段布置,这是一种燃料电池AIP系统。

然而,AIP系统并非完美,最主要的问题是目前AIP系统输出功率尚未达到取代潜艇柴电主动力的程度,目前已装艇或计划装艇的AIP系统通常都只作为辅助动力来使用。

常规潜艇在水面或者通气管状态下航行时,仍然使用柴油机为蓄电池组充电和航行,水下高速航行则由蓄电池提供动力,只有在水下低速巡航状态时才用AIP系统为蓄电池提供电力。

也就是说AIP系统并不能够给高速战斗状态的潜艇带来太多速度或机动性好处。

图片:AIP系统主要用于潜艇低速巡航,不能用于水下高速战斗状态。

与此同时,为了安装AIP系统还要付出不小的代价。

潜艇不得不专门增加一个AIP系统舱段,加大了潜艇的排水量,最大航速也有所降低。

以日本苍龙级潜艇为例,由于所装的斯特林AIP发动机单台功率只有75KW,该艇不得不安装多达4台斯特林MK2发动机和相应辅助轮机装置,水下排水量从前一代亲潮级的3500吨增加至4200吨左右,一度成为全世界排水量最大的柴电潜艇,而即使这样斯特林发动机也只能让潜艇维持低速航行,该艇另外还必须装上2台柴油机和1台推进电动机。

燃料电池AIP技术也存在类似的问题,其他的闭式循环柴油机AIP、闭式循环汽轮机AIP设计方案同样有着这样那样的问题,不足以成为潜艇主动力系统。

图片:日本苍龙级潜艇,这是日本最后一型采用斯特林AIP发动机的潜艇。

正因为上述原因,现代常规动力潜艇仍以铅酸蓄电池作为水下主动力电源。

但铅酸蓄电池能量密度较低,大电流放电特性差,还存在充电效率低、容易发热、析氢现象严重、使用寿命短等问题,并对舱室污染严重,危害艇员健康。

相对于现有的铅酸电池,锂离子电池具有比能量高、充放电特性好、正常使用无析氢析酸、循环寿命长、使用维护简单等优势,已经在智能手机、电动汽车、电网储能、无人车辆等领域广泛应用。潜艇动力专家们很快认识到锂离子电池的特性,日本、德国、法国和韩国等都开始了潜艇用锂离子动力电池的开发工作。

图片:手机的锂电池。


图片:手机的锂电池。

图片:日本汤浅公司的潜艇用锂离子动力电池。

2018年10月,日本苍龙级潜艇11号艇“凰龙”号下水,其弃用斯特林AIP发动机,成为了全球首艘将锂离子动力电池作为水下航行主动力源的潜艇。

目前,日本共有4艘潜艇装备锂离子动力电池,包括苍龙级最后2艘“凰龙”号、“登龙”号和新一代大鲸级潜艇“大鲸”号、“白鲸”号,此后的大鲸级建造计划将全部采用锂离子动力电池。

据介绍,这4艘日本潜艇去除了原有的斯特林MK2发动机和480块铅酸蓄电池,取而代之是672块由日本汤浅公司开发的锂离子电池,实现了电池供电续航里程翻倍,电池充电时间减半。

图片:苍龙级潜艇动力系统,从第11艘开始弃用了斯特林发动机,转而采用更高效的锂离子电池。

韩国与日本一样是锂离子电池的生产大国,2018年开始潜艇用锂离子动力电池的研制工作,计划在最新型的KSS-Ⅲ型潜艇第二批次建造过程中用锂离子电池替代现有的AIP动力系统。

德国和法国也早在1990年代就开始了潜艇用锂离子动力电池的研制,但并未将其作为潜艇主动力系统,而是与AIP系统配合使用,在214型、短鳍梭鱼级等出口型常规潜艇方案中有所体现,目前还未批量装艇。

锂离子动力电池在提高柴电动力潜艇续航力、高速机动性和隐蔽性等方面优势明显,无论是作为主动力系统单独装艇,还是与AIP系统配合使用,都具有良好前景,我国在这方面也应该有所动作了。

图片:中国常规动力潜艇。

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