西方潜艇用锂离子电池和AIP系统的发展

与标准铅酸电池相比，水下领域锂离子电池（LIB）系统的最新发展为潜艇作战带来了显著优势，并增加了新的潜艇采购计划的数量。

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，提高水下自主性，以应对多领域反潜战（ASW）威胁。本文还介绍了独立于空气的推进（AIP）系统的最新成就，该系统有助于延长水下低速航程和续航能力。

与具有相同体积的铅酸电池相比，锂离子技术提供了更高的体积和重量能量密度。LIB的另一个重要好处是，它们可以更好地利用潜艇的船载能力，这已经产生了更大的水下自主性。此外，它们充电更快，这意味着潜艇使用主电源所需的时间减少。无论电池充电状态如何，它们都能达到最高速度。最后，随着时间的推移，它们可以继续开发，并获得性能提升，就像我们今天在电子交通世界中看到的那样。然而，这些好处加上影响该技术的安全问题，需要为整个潜艇环境提供广泛的保护解决方案。

德国

蒂森克虏伯船舶系统公司（tkMS）的第四代燃料电池（FC4G），也被称为先进潜艇燃料电池（ASFC），已达到批量生产阶段的里程碑，将于2024年推出。后者利用了30多年燃料电池技术开发中积累的专业知识，与9个客户签订了合同或使用系统，全球共有约50艘潜艇使用FC4G。据了解到，这九个用户是指tkMS当前一代FC AIP的八个用户，包括德国、意大利、葡萄牙、希腊、韩国、土耳其、新加坡和以色列，而第九个用户预计是挪威，挪威与德国已授予tkMS供应U212级新潜艇的联合合同。

ASFC是新一代高性能320千瓦（作为基准）AIP系统，其特点是得益于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。tkMS解释说，这些特性，加上通过模块化组装、易于接近和“热插拔”（在任务期间通过机载备件更换有缺陷的FC模块）实现的更高可维护性，显著提高了作战可用性，因为潜艇不需要返回母港。这家德国公司补充道，由于重新使用了许多现有组件，ASFC也只需要适度的集成努力。 

▲2024年，蒂森克虏伯船舶系统公司（tkMS）将开始批量生产第四代燃料电池（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，该计划旨在2016年在其位于德国基尔造船厂的测试实验室注册功能演示器的制造，此外，2019年还将测试第一个FC生产线系统原型，2022年将提供第一个批量生产模块。为了使该系统符合潜艇集成和运营的要求，国际船级社DNV在作为独立第三方运营的同时，对设计过程进行了监控，并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在自己的专业燃料电池生产基地也在基尔造船厂进行了大量投资，一条新的和扩建的生产线将于2023年晚些时候完工。

新一代ASFC基于最新的聚合物电解质膜（PEM）技术和tkMS开发和生产的燃料电池堆，由不同的组件供应商提供膜电极组件，通过向电池中加入液氧（LOX）和高纯度氢气来发电。氧气以液体形式储存在船上，而氢气则储存在金属氢化物钢瓶内。除了电，反应的唯一副产品是纯水，纯水可以作为压载物储存在船上，然后根据需要泵出舷外。

新的ASFC基于一个简单、经济高效、使用寿命长的40千瓦基准FC堆栈，其中两个堆栈集成在一起，形成所谓的“线路系统”。据tkMS介绍，这包括气体加湿和再循环设备，而ASFC套件由多达四个FC线路系统组成，总功率为320千瓦，提供了一个安静、安全、可靠和紧凑的系统，与潜水深度无关，耗氧量非常低。

ASFC系统与同一家公司提供的可靠高能锂离子电池组集成，从而大幅提高了淹没范围和速度。这家德国公司与法国Saft公司已经完成了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-德国联邦国防军装备、信息技术和现役支持办公室（BAAINBw）签署的研发合同，该合同见证了原型于2021年11月准备测试，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，联合开发了U212A级潜艇的LIB，计划于2023年首次安装

与BAAINBw合作成功进行了型式认证。除了包括冲击、电磁兼容性（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30000小时。安全标准已通过国际检测和资格认证机构德国莱茵集团（TÜV Rheinland）的正式认证。此外，这些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。

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。海军集团表示，其目标是为现代潜艇提供最大的战术机动性，同时减少轻率行为，提高水下自主性，以应对空中和水面反潜战（ASW）威胁。电池仍然是常规潜艇的主要电源；LIB的操作优势已经超过铅酸电池的操作优势，并且预计将随着时间的推移进一步发展。自2006年以来，造船商一直在研究将这项技术集成到潜艇上，特别是鲉鱼（Scorpène）级和后来的棱鱼（Suffren）级常规动力核攻击潜艇上，同时确保安全并满足作战要求。

在2013年完成技术可行性研究后，法国海军集团被选中，并于2016年与法国Saft公司合作开发LIB系统，前提是安全，在这种情况下与成熟度和工业化相关联，此外还有电池系统的记录和经验。与此相关的是，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系统集成在具有适当准备水平的潜艇环境代表中。

▲法国海军集团与Saft公司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

LIB符合海军集团潜艇设计和造船的技术标准，包括核安全和潜水安全规则的高要求。海军集团声称，该系统还符合所有与电气系统相关的国际标准，如IEC等。后者今天准备将这项技术集成到潜艇上，专注于持续改进，以利用这项技术所能提供的所有好处。

意大利

根据U212 NFS（近期潜艇）AIP潜艇计划，2021年2月，ARmement合作组织（OCCAR）分别于2027年12月和2029年1月向芬坎蒂尼（Fincantieri）授予了前五年的开发、建造、初始支持以及前两艘交付潜艇的综合物流支持合同。同一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一个新LIB。第一艘潜艇于2022年1月下水，第二艘潜艇于2023年6月下水。同月，意大利议会还批准了第三艘和第四艘潜艇的采购计划。第三次购买潜艇的合同选择权于2023年7月行使。

根据与德国在U212A联合计划下开发的成功操作和工业经验，以及更换第一批两艘萨乌罗（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种改进的U212A设计潜艇。这将以国家的高度贡献为特点，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。

后一项开发于2015年通过随后的不同国家研究计划正式开始，旨在确定最合适的技术，选择磷酸铁锂（LiFePO4）作为最合适的化合物以确保安全。作为2021年签署的U212 NFS计划合同的一部分，研究计划的结果已纳入LIB发展计划。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工业集团）、Fincantieri集团和Faist Electronics之间的Power4Future合资企业以及Fincantierie的Cetena公司，在莱茵TÜV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鉴定过程的控制和验证。

2023年夏天，硬件和软件原型以及功能实体模型将可用于生产、测试和认证活动，目标是在2023年底前完成开发阶段。OCCAR、意大利国防部和海军计划在2024年初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资格认证，然后安装在第一艘用于港口和海上试验的一流潜艇上。

▲OCCAR、意大利国防部和海军计划在2024年初批准LIB计划的第二阶段

新的储能和管理系统已被开发为使用在役U212A潜艇上使用的相同专用隔间和接口，使该系统能够在中期更新期间安装在后一种潜艇上，延长其生命周期并提供操作效益。虽然签约的U212 NFS艇保持着与U212A级潜艇相同的tkMS/西门子FC AIP，但Fincantieri正在根据国家技术和行业发展开发新一代FC AIP。

作为新型U212 NFS的主承包商、全平台集成商和造船商，Fincantieri继续开发潜艇和水下应用的新技术和设备。其中，将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，以及在宙斯海军平台上实施的LIBs和新一代FC AIP，用于零排放推进测试。

西班牙

2023年3月底，纳万蒂亚（Navantia）造船厂根据S-80 Plus级造艇计划开发和建造的第一艘Issac Peral AIP级潜艇成功进行了首次静态潜水，这是试验计划的一部分，试验计划将持续到2023年11月交付给西班牙海军。S-80 Plus级平台设计有一个推进装置，包括一个300千瓦FC AIP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）公司和佰能（Bionet）以及总部位于美国的柯林斯航空航天公司合作开发，通过生物乙醇重整器从全球范围内现成的农业生物乙醇中生产潜艇上氢气。Abengoa开发的高效微型生物乙醇处理器由生物乙醇燃料和氧气供应，这两种燃料和氧气都以液体形式储存在潜艇上，产生氢气和二氧化碳作为副产品。将得到的氢气与氧气一起送入柯林斯航空航天公司提供的PEM FC。后一种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，与使用重整汽油和纯氧的市场标准相比，这使燃料电池的设计更简单，使用寿命延长了一倍。然而，生物乙醇重整过程会产生高浓度的二氧化碳和其他气体，这些气体由Bionet与Navantia合作开发的二氧化碳处理系统管理。该系统将气态副产物溶解在海水中，然后可以将其以液体形式泵出舷外，而不是直接以气体形式排出，从而不会泄露潜艇的位置。

▲S-80 Plus级平台设计有一个推进装置，包括一个300千瓦FC AIP系统和生物乙醇隐形技术（BEST）套件，后者包括一个微型生物乙醇重整器，用于在潜艇上用农业生物乙醇生产氢气

“最佳”AIP的能力已经在卡塔赫纳造船厂的一个专用陆基设施通过长期测试和作战任务简介得到了证明。该套件位于S-80 Plus级潜艇的船体部分，包括全自动AIP发电厂和上层甲板上的辅助设备，以及用于生物乙醇的结构储罐和单个LOX储罐，这些储罐可以通过下层舱的物流舱口加油。

这些活动已经证实了长达三周的水下续航能力，可以在从热带到亚北极环境的整个平台深度范围内全面运行。Navantia造船厂表示，新的AIP设计用于在大修（六年零5000小时以上）之间不更换主要部件，而部件可以通过物流舱口装载或更换。

该级别的第一个配备“最佳”AIP的平台将是第三艘潜艇，计划于2026年初交付。第一个和第二个平台完成时，AIP部分配备了下部储罐和其他系统，但没有配备AIP套件，其部件将在船只的第一次大修期间通过物流舱口装载和组装。

瑞典

萨博科库姆（Kockums）公司的斯特林发动机是最成熟的AIP系统之一，自20世纪70年代以来一直在开发和测试，自1989年以来一直在潜艇上运行。斯特林是一种独立的外燃发动机，在封闭的再生热力学循环中运行。

来自车载油箱的低硫标准柴油和储存在油箱中的LOX在高温燃烧器中混合，产生约750℃的温度。这充当了发动机的热源，导致储存在密封室中的氦气膨胀，气体通过一系列重复的热力学变化被驱动。通过膨胀氦气以推动活塞，然后将气体吸入单独的冷却室进行后续压缩，柴油和氧气外部燃烧产生的热量可以转化为功。然后，直流发电机将其转化为电能，为电池充电。众所周知，斯特林发动机在20巴的压力下工作，这将潜艇的最大深度限制在200米，除非使用废气增强器系统进行更深的操作。

每台斯特林发动机可产生75千瓦的能量，每艘潜艇上安装两台或两台以上的隔音和橡胶悬挂的完整AIP模块，包括氧气罐和辅助设备。这提供了冗余，并且可以在海上进行维护。通过补充燃料和LOX（包括在海上），潜艇的作战准备状态可以在几个小时内恢复，据报道，这使潜艇平台能够以5千米/小时的速度进行两周以上的AIP操作，而无需喷鼻（也称为浮潜）。这有助于斯特林AIP在国际上取得成功，不仅装备了瑞典海军的潜艇，还装备了交付给新加坡共和国海军的升级版弓箭手级潜艇。它也被日本国防部选中，并由川崎重工在当地获得许可，用于装备日本海上自卫队（JMSDF）的苍龙级潜艇，自2009年起投入使用。

▲斯特林发动机是一种经过验证的AIP系统，适用于海上维护。它的燃料和LOX（液态氧）供应可以在几个小时内补充

从哥特兰级潜艇的中年后升级计划开始，瑞典潜艇配备了最新一代萨博Kockums的斯特林AIP模块。后者为瑞典海军配备了最新的布莱金厄（Blekinge）级A26 AIP潜艇，该潜艇的完整推进和能源系统针对秘密行动进行了优化。最新的Stirling迭代也被宣传为A26 Pelagic/Oceanic系列平台的基线设备，该平台正在出口市场上提出。最新一代Stirling AIP模块带来了许多增强功能，包括由于改进了包装和共享组件，减少了总体积和单位体积的更多能量。除此之外，还得益于增强的热回收系统、改进的排气系统和新的控制系统，从而提高了操作效率，从而使水下操作的续航时间更长。

除了这些发展，萨博Kockums与澳大利亚PMB国防公司和荷兰EST Floattech公司一起完成了一个项目，开发适合安装在常规潜艇上的LIB。该项目由瑞典FMV采购机构资助，

印度

2023年6月，印度国防研究与发展组织（DRDO）和Larsen&Toubro（L&T）集团结成伙伴关系，为印度海军潜艇开发和生产本土AIP系统。L&T公司是印度DRDO海军材料研究实验室（NMRL）开发的磷酸燃料电池（PAFC）AIP系统技术转让（ToT）的接受者。这项技术是在行业合作伙伴L&T和Thermax的支持下成功开发的，根据DRDO的说法，它已经达到了安装车载精选平台的成熟阶段。 

▲2023年6月，印度DRDO和Larsen&Toubro集团结成合作伙伴关系，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

根据联合新闻声明，在这项合作下，正在为卡尔瓦里（Kalvari）级潜艇开发两个AIP系统模块。后者由马扎贡码头有限公司（MDL）造船厂与法国海军集团共同在当地建造，为鲉鱼（Scorpène）级潜艇设计的当地建造提供技术转让和支持。2023年1月，NMRL高级官员与法国海军集团签署了一项协议，以延长合作，进入NMRL为Kalvari级潜艇开发的PAFC AIP系统集成的详细设计阶段。作为协议的一部分，法国海军集团将认证AIP设计，以便集成到潜艇中。2023年7月，印度国防部宣布批准采购另外三艘鲉鱼（Scorpène）级潜艇，此外还有六艘合同潜艇——其中五艘已经服役，第六艘将于2024年服役。

日本

日本国防部和日本海上自卫队（JMSDF）在LIB解决方案的开发及其首次运行应用方面一直处于全球领先地位。多年来，JMSDF还在其训练船上评估了萨博Kockums的斯特林发动机，将其作为最新水下平台的AIP系统，然后为其苍龙（Soryu）级潜艇配备新系统。从2002年开始，经过漫长的开发和测试，日本国防部在其潜艇上引入了LIB。

2015年，杰士・汤浅集团（GS Yuasa Technology Corporation缩写为GYT）和三菱重工（MHI）与日本国防部采购、技术和物流机构（ATLA）签署了一份合同，交付整个LIB系统，包括潜艇的主蓄电池管理和安全控制装置。GYT于2017年3月开始批量生产LIB电池，并于2018年8月交付给MHI。第一艘配备LIB的苍龙（Soryu）级潜艇是应龙（Oryu）级（该级的第11艘潜艇），从2019年夏天起，主电池存储和电池管理系统集成在潜艇上。凭借其基于斯特林发动机的基线AIP系统，该潜艇于2020年3月服役，JMSDF成为世界上第一支使用配备LIB的潜艇的海军。

苍龙（Soryu）级最后一艘（也是第二艘）类似装备的潜艇于2021年3月投入使用。与此同时，从2000年代中期开始，日本国防部和JMSDF一直在研究专门配备LIB的下一代潜艇级。这为太极（Taigei）级平台铺平了道路，太极（Taigei）级的第一艘潜艇于2022年3月投入使用，现在用作测试平台。

与苍龙（Soryu）级相比，新的、更隐蔽的太极（Taigei）级具有相同的尺寸，但排水量略高，配备了更强大的战斗系统和声纳套件，以及一个推进装置，该装置配备了新的通气管发电系统和更强大的储能和管理系统。 

▲新一代太极（Taigei SS 513）级平台和苍龙级的最后两艘潜艇都配备了MHI和GYT开发的LIB，后者提供电池

据当地新闻来源报道，新的储能和管理系统基于与苍龙级相同的设计，与前一级相比，电池数量更高，但未公开。该系统在更高的速度下提供了更长的续航能力，使潜艇能够比前一级更快地在日本周围的广阔水域巡逻。根据前JMSDF舰队潜艇部队指挥官提供的2017年UDT演示，JMSDF一直在接收GYT为苍龙级潜艇提供的锂镍钴氧化铝（Li NCA）型电池，尽管尚未发布官方声明。

GYT和MHI于2020年12月联合制定的一份文件提供了LIB的发展概述，称其为锂钴氧化物型LIB。GYT 2022年报告中公布的结果指出，“为下一代潜艇提供锂离子电池的试验产品”，据了解，这是指提供额外能量和续航能力的新型或更强大的电池。

韩国

2023年3月30日，韩国国防采办项目管理局在韩华海洋公司（前身为大宇造船与海洋工程公司）Okpo造船厂举行了第一艘KSS-III第二批潜艇的龙骨铺设仪式。KSS-III第二批潜艇是当地设计和建造的3000吨级AIP潜艇的第二代，与第一批（第一代）不同。第二批潜艇的船体更长（5.8米），排水量更大（3600吨），声学特征更低，还有一个更强大的推进装置，续航时间更长，水下传感器探测范围更长，精确打击能力更强，与第一代的6个垂直发射单元相比，有10个垂直发射室。

KSS-III第二批潜艇配备了一个基于MTU12V4000J3柴油发动机的AIP推进装置、一个PEM FC AIP（已安装在第一批潜艇上）和首次安装的LIB系统。目前还没有发布关于FC AIP的信息，但据当地媒体报道，KSS-III计划船配备了基于邦汉工业（Bumhan Industries）提供的四个PEM燃料电池的本地开发的AIP。它们各自产生150千瓦，并加入氧气（储存为LOX）和纯氢气（储存在金属氢化物钢瓶中）。

2019年，韩国国防采办与项目管理局（DAPA）选择韩华防务公司作为KSS-III第二批潜艇项目的LIB供应商。后者在火灾暴露和抑制、盐水浸泡、短路、冲击、电磁兼容性（EMC）、电磁干扰（EMI）和高温等极端条件下通过了严格的测试，同时在专门的陆基试验场进行了全规模（电池组）演示。电池来自三星SDI，基于商用现货（COTS）技术，类似于手机电池。

▲KSS-III第二批潜艇配备了一个基于新型MTU12V4000J3柴油发动机的AIP推进装置、邦汉工业（Bumhan Industries）的PEM FC AIP和韩华防务提供的LIB

与之前的铅酸电池技术相比，新的电池技术将提高能源效率，提供更好的能量密度、电池寿命和水下续航能力。据报道，韩华国防锂离子电池在经济速度下可提供160%的续航能力（更长的输出），在最高速度下可增加300%的续航力。与铅酸电池相比，锂离子电池的充电循环次数（最多4000次循环，或约10年的使用寿命）也是铅酸电池的两倍。第一艘KSS-III第二批船将于2025年下水。

经过几年的试验，它目前计划于2027年交付给韩国海军。2022年2月，韩国国防开发署（ADD）宣布开发一种用于潜艇燃料电池的甲醇重整装置，该装置可以通过潜艇上的氢气生产来提高水下性能，展示了大宇造船国（DSME）开发的系统，即今天的韩华海洋公司。韩国国防开发署（ADD）表示，这项技术有望在未来为提高国产潜艇的性能做出巨大贡献。

无声运行

随着电池技术和AIP的不断改进，传统潜艇的性能仍保持在一致的上升轨道上，与以前的型号相比，现代潜艇提供了更好的续航能力、更安静的运行和更好的安全性。市场已经发展到包括大量竞争者，提供了大量复杂而强大的电池技术和AIP系统选项。因此，市场现在为海军采购高性能常规潜艇提供了可能比以往更多的选择。