潜艇中使用锂离子电池开发空气独立推进（AIP）系统的技术介绍.docx

潜艇中使用锂离子电池开发空气独立推进(AlP)系统的技术介绍正文目录正文目录1插图目录11 .前言22 .德国23 .法国44 .意大利55 . 西班牙76 .瑞典87 .印度108 .日本119 .韩国1210 .静音运行13插图目录2024年，tkMS将开始批量生产其第四代燃料电池(FC4G),也称为先进潜艇燃料电池(ASFC) O 3tkMS和Saft根据2017年与BAAINBw签署的研发合同，共同开发了 U212A级潜艇的LIB,并计划于2023年首次安装。4海军集团与Saft合作开发了一种新的LIB,该LIB符合海军集团的潜艇设计和造船技术标准，以及与电气系统相关的所有国际标准，包括IEC等。5OCCAR意大利国防部和海军计划在2023年初之前为LIB计划的第二阶段开绿灯。6S-80 Plus级平台设计有推进装置，包括300 kWFC AIP系统和生物乙醇隐形技术(BEST)套件。后者由一个小型化生物乙醇重整器组成，用于从农业生物乙醇中生产氢气。8斯特林发动机是经过验证的AlP系统，适合海上维护。它的燃料和Le)X供应可以在短短几个小时内补充。92023年6月，印度DRDO和Larsen & Toubro集团建立了合作伙伴关系，开发和生产由DRDO海军材料研究实验室开发的磷酸燃料电池（PAFC） AIP系统，用于装备印度海军潜艇。10苍龙级的最后两艘船和新一代的Taigei级平台都配备了由MHI和GYT开发的LIB,后者提供电池。11KSS-III第二批潜艇配备了基于新型MTU12V4000U83柴油发动机的AIP推进装置，Bumhan Industries 的 PEM FC AIP 和韩华防务提供的 LIBo 131 .前言与标准铅酸电池相比，水下锂离子电池（LlB）系统的最新发展为潜艇作业 带来了显著优势，并增加了新的潜艇采购方案的数量。其目的是为现代潜艇提供最大的战术机动性，同时降低轻率率并提高水下 自主性，以应对多域反潜战（ASW）威胁。本文还着眼于空气独立推进（AlP） 系统的最新成就，这些系统有助于延长水下航程和低速续航能力。与相同体积的铅酸电池相比，锂离子技术具有更高的体积和重量能量密度。 锂离子电池的另一个重要好处是，它们可以更好地利用船舶的船上容量，这已 经产生了更大的水下自主权。止匕外，它们的充电速度更快，这意味着潜艇使用 其主要电源所需的时间减少了。无论电池充电状态如何，它们都能够达到最大 速度。最后，它们可以随着时间的推移继续开发并获得性能提升，就像我们今 天在电动汽车领域看到的那样。然而，这些好处伴随着影响技术的安全问题， 需要为整个潜艇环境提供广泛的保护解决方案。2 .德国蒂森克虏伯船舶系统公司（tkMS）已达到其第四代燃料电池（FCG）的批 量生产阶段里程碑,该电池将于2024年推出，也称为先进潜艇燃料电池（ASFC）。 后者利用了 4多年来在燃料电池（FC）技术开发中积累的专有技术，与30个客 户签订了合同或使用系统，全球总计约50艘潜艇。ESD 了解到，这21个用户 的数字是指tkMS当前一代FCAlP的4个用户，包括德国、意大利、葡萄牙、 希腊、大韩民国、土耳其、新加坡和以色列，而第九个用户预计将是挪威，挪 威与德国一起授予tkMS供应新UCD船的联合合同。ASFC是新一代高性能320 kW （作为基准）AIP系统，采用先进的聚合物 电解质膜（PEM）燃料电池技术和容错设计，具有高效率和可靠性的特点。tkMS 解释说，这些特性，除了通过模块化构建、易于访问和在任务期间通过船上备 件“热插拔”更换有缺陷的燃料电池模块而提高可维护性外，还显着提高了操 作可用性，因为潜艇不需要返回母港。这家德国公司补充说，由于重复使用许 多现有组件，ASFC也只需要适度的集成工作。2024年，tkMS将开始批量生产其第四代燃料电池（FC4G）,也称为先进潜艇燃料电池（ASFC）。ASFC是2014年开始的内部资助开发计划的结果，旨在于2016年在其 位于基尔造船厂的测试实验室注册功能演示器的制造，此外还在2019年测试 了第一个FC生产线系统原型，并在2022年推出了第一个批量生产模块。为 了使该系统符合潜艇集成和操作的要求，国际船级社DNV对设计过程进行了监 控，并在作为独立第三方运营时对系统的安全性进行了认证。该公司正在继续 进行压力测试，以确保ASFC的可用性。与此同时，tkMS在基尔造船厂投入巨 资建设了自己的专业燃料电池生产基地，并将于2023年晚些时候完成一条新的 和扩建的生产线。新一代ASFC基于tkMS开发和生产的最新PEM技术和燃料电池堆，以及由 不同组件供应商提供的膜电极组件，通过将液氧（LoX）和高纯度氢气送入电池 中来发电。氧气以液态形式储存在船上，而氢气则储存在金属氢化物钢瓶中。 除了电力之外，反应的唯一副产品是纯净水，它可以作为压载物储存在船上， 然后根据需要泵送到船外。新型ASFC基于基准40kWFC堆栈，设计简单、经济高效，使用寿命长, 其中两个集成在一起，形成一个所谓的“线路系统”。这包括气体加湿和再循 环设备，而ASFC套件由多达四个FC管线系统组成，总功率为320 kW,提 供安静、安全、可靠和紧凑的系统，不受潜水深度的影响，并且耗氧量非常低。ASFC系统集成了同一家公司提供的可靠的高能锂离子电池包，从而大大提 高了水下范围和速度。这家德国公司与法国公司Saft已经完成了 U212A级潜艇 LIB系统的联合开发。这是基于2017年与德国采购机构BAAINBw签署的研发 合同，该合同于2021年4月准备测试原型，随后于2022年完成项目，计划于 2023年进行首次安装。tkMS和Saft根据2017年与BAAINBW签署的研发合同，共同开发了 U212A级潜艇的LIB,并计划于2023年首次安装。与BAAlNBW合作成功进行了型式认证。除了包括冲击、EMC、磁性、环境 测试等常规测试外，该系统还经过了广泛的测试，累计运行时间超过30,000小 Bto安全标准已通过国际测试和认证机构TijV莱茵的官方认证。止匕外，电池还 经过了各种测试，以证明它们通过了所有必要的安全法规。3 .法国法国海军集团为常规潜艇提供完整的LIB系统，以满足最新的作战需求。 根据海军集团的说法，其目的是为现代潜艇提供最大的战术机动性，同时降低 轻率率并提高水下自主性，以应对空中和水面反潜威胁。电池仍然是常规潜艇 的主要动力源；锂离子电池的运行优势已经超过了铅酸电池，并且预计随着时 间的推移会进一步发展。自2006年以来，造船厂一直在研究将这项技术集成 到潜艇上，特别是Scorpene级和后来的Suffren级核攻击潜艇的常规动力版 本，同时确保安全并满足运营要求。在2013年完成技术可行性研究后，Naval Group被选中并于2016年与 法国公司Saft合作开发LIB系统，前提是安全，在这种情况下与成熟和工业 化有关，此外还有电池系统的跟踪记录和经验。与此选择相关，必须进行电子, 机械和热鉴定，以确保其成功集成到潜艇上。2019年，该系统的第一个版本获 得了资格，2020年，LIB系统被集成到具有适当准备水平的潜艇代表环境中。海军集团与Saft合作开发了一种新的LlB,该LIB符合海军集团的潜艇设计和造船技术标准，以及与电气系统相关的所有国际标准，包括IEC等。LIB符合海军集团的潜艇设计和造船技术标准，包括核安全和潜水安全规则 的高要求。海军集团声称，该系统还符合与IEC等电气系统相关的所有国际标 准。后者今天已准备好将这项技术集成到潜艇上，专注于持续改进，以利用这 项技术可以提供的所有好处。4 .意大利2021年3月,根据U212NFS (近未来潜艇)AIP潜艇计划，OrganisationConjointe de Cooperation en matiere d'ARmement(OCCAR) 授予Fincantieri 一份合同，分别于2027年3月和2029年2 月交付，负责开发、建造、前五年的初始支持以及前两艘船的综合后勤支持。该合同还包括开发和生产一个新的培训中心，以及由国家工业开发新的LIBo基于在与德国的联合U212A计划下开发的成功运营和工业经验，以及更换 第一批两艘SaUro级潜艇的严格时间表，意大利海军和国防部决定开发并投入 使用一艘经过改进的U212A设计船。这将以高度的国家贡献为特征，包括综合 平台控制系统(IPCS)、作战管理套件、武器包和新一代LIB。后者于2015年正式启动，通过随后不同的国家研究计划，旨在确定最合适 的技术，选择磷酸铁锂(LiFeP04)作为最合适的化合物，以确保安全性。作为 2021年签署的U212NFS计划合同的一部分，研究计划的成果已整合到LIB 开发计划中。在OCCAR和意大利海军专家的控制和支持下，国家工业团队，包 括 FIB-FAAM 公司(Seri Industrial group)、Fincantieri SI 和 Faist Electronics 的合资企业Power4Future以及Fincantieri的Cetena公司，在TUV莱茵的监督 下，完成了整个电池系统的设计。后者负责整个开发和认证过程的控制和验证。2023年夏季，硬件和软件原型以及功能模型将可用于生产、测试和认证活 动，目标是在2023年底前完成开发阶段。OeCAR、意大利国防部和海军计划 在2023年初之前积极审查并批准后续第二阶段，在此期间，完整的LIB系统 将通过陆基电池测试实验室认证，然后安装到一流的船上进行港口和海上试验。OCCARx意大利国防部和海军计划在2023年初之前为LIB计划的第二阶段开绿灯。新的储能和管理系统已经开发出来，使用与现役U212A艇相同的专用舱室 和接口，允许该系统在中期更新期间安装在后者的潜艇上，延长其生命周期并 提供运营优势。虽然签约的U212 NFS船保持了与U212A级潜艇相同的tkMS /Siemens FC AIP,但Fincantieri正在研究基于国家技术和行业发展的新一代FC AIP。作为新型U212NFS的主要承包商、整体平台集成商和造船商，Fincantieri 继续为潜艇和水下应用开发新技术和设备。其中，将要启动的推进和储能研发 活动包括用于制氢的纳米材料和新的配电系统，此外还有LIB和新一代FCAIP, 这些AIP是在Zeus海军平台上实施的，用于零排放推进测试。5 .西班牙2023年6月底，由Navantia根据S212Plus级造船计划开发和建造的第 一艘ISSae-PeralAlP潜艇成功进行了首次静态潜水，作为测试计划的一部分 PlUS级平台设计有推进装置，包括FCAlP系统和生物乙醇隐形技术(BEST)套 件。新的FC AIP由Navantia与西班牙海军、西班牙公司Abengoa和Bionet以 及美国柯林斯航空航天公司合作开发，由船上的氢气供应，通过农业生物乙醇 重整器产生的氢气，在全球范围内随时可用。AbengOa开发的高热效率小型化 生物乙醇处理器以生物乙醇燃料和氧气为燃料，两者都以液体形式储存在船上, 产生氢气和二氧化碳作为副产品。由此产生的氢气和氧气被送入柯林斯宇航公 司提供的PEM FC中。后者的电池组由多孔双极板制成，用于被动水管理和连 续膜加湿。根据Navantia的说法，这意味着不需要加湿或液态水去除系统。该 公司表示，这使得燃料电池设计更简单，与使用重整汽油和纯氧的市场标准相 比，使用寿命延长了一倍。然而，生物乙醇重整工艺会产生一股高浓度的二氧 化碳和其他气体，这些气体由BiOnet与NaVantia合作开