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

与标准铅酸电池相比，水下锂离子电池（LIB）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（AIP）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。此外，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。

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FC AIP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 40 kW FC 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BAAINBw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 小时。安全标准已通过国际测试和认证机构TÜV莱茵的官方认证。此外，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。

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 Scorpène 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。

意大利

2021 年3月，根据 U212 NFS（近未来潜艇）AIP 潜艇计划，Organisation Conjointe de Coopération en matière 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LIB。

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（LiFePO4）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TÜV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。OCCAR、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。

OCCAR、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U212 NFS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FC AIP，这些AIP是在Zeus海军平台上实施的，用于零排放推进测试。

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 Issac-Peral AIP 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合作开发的二氧化碳处理系统进行管理。该系统将气态副产物溶解在海水中，然后以液态形式泵送到船外，而不是直接以气态形式排放，从而不会泄露潜艇的位置。

S-80 Plus级平台设计有推进装置，包括300 kW FC 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。

“BEST”AIP的能力已在卡塔赫纳造船厂的专用陆基设施中进行了长期测试和作战任务概况。该套件位于S-80 Plus级船的船体部分，包括上层甲板上的全自动AIP发电厂和辅助设备，以及用于生物乙醇和单个LOX罐的结构罐 - 可以通过下舱的物流舱口加油。这些活动已经证实了长达三周的水下耐力，在从热带到亚北极环境的整个平台深度范围内都能全面运行。根据Navantia的说法，新的AIP设计用于在大修之间（六年和超过5,000小时）之间没有主要部件更换，而部件可以通过物流舱口装载或更换。

该级别第一个配备“BEST”AIP的平台将是第三艘船，计划于2026年初交付。第一和第二平台的AIP部分配备了下部油箱和其他系统，但没有AIP套件，其组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

Saab Kockums 的斯特林发动机是最成熟的 AIP 系统之一，自 1970 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机，在封闭的再生热力循环上运行。来自车载油箱的低硫标准柴油燃料和也储存在油箱中的LOX在高温燃烧器中混合，以产生约750°C的温度。这充当发动机的热源，导致储存在密封室中的氦气膨胀，气体被驱动通过一系列重复的热力学变化。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，这又可以通过直流发电机转化为电能，为电池充电。由于斯特林发动机已知在20 bar的压力下运行，因此将潜艇的最大深度限制为200 m，除非使用废气增压器系统进行更深的操作。

每台斯特林发动机可产生 75 kW 的能量，每艘潜艇上安装两个或更多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，并且可以在海上维护。通过补充燃料和LOX（包括在海上），潜艇的战备状态可以在短短几个小时内恢复，据报道，这使潜艇平台能够以5 kn的速度进行超过两周的AIP运行，而无需吸食（也称为浮潜）。这为斯特林AIP在国际上取得成功做出了贡献，不仅装备了瑞典海军的舰艇，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许可建造，以装备日本海上自卫队（JMSDF）的苍龙级潜艇，自2009年开始服役。

斯特林发动机是经过验证的AIP系统，适合海上维护。它的燃料和LOX供应可以在短短几个小时内补充。

从哥特兰级潜艇的中期升级计划开始，瑞典潜艇配备了最新一代的萨博·科库姆斯（Saab Kockums）的斯特林AIP模块。后者为瑞典海军装备了最新的布莱金厄级A26 AIP潜艇，其中完整的推进和能源系统针对秘密行动进行了优化。最新的斯特林迭代也被推广为出口市场上提出的A26中上层/大洋洲系列平台的基准设备。最新一代斯特林 AIP 模块带来了许多增强功能，包括由于改进的包装和共享组件，减少了总体积和每单位体积的能量。此外，由于增强的热回收系统、改进的排气系统（可实现更深的潜水）和新的控制系统，提高了运行效率，这些系统共同转化为更长的水下操作耐久性。

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

印度

2023 年 5月，印度国防研究与发展组织 （DRDO） 和 Larsen & Toubro （L&T） 集团建立了合作伙伴关系，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(ToT)转让的接受者。该技术在行业合作伙伴L&T和Thermax的支持下成功开发，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。

根据联合新闻声明，在此次合作下，正在为Kalvari级潜艇开发两个AIP系统模块。后者由Mazagon Dock Limited（MDL）造船厂与法国海军集团共同在当地建造，为Scorpène潜艇设计的本地建造提供了技术转让和支持。2023 年5月，NMRL 高级官员与法国海军集团签署了一项协议，以扩大合作，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。2024 年 9月，印度国防部宣布批准采购另外三艘鲉鱼潜艇，此外还有六艘已签约——其中五艘已经服役，第六艘将于 2025年服役。

日本

日本国防部和日本海上自卫队在开发锂离子电池解决方案及其首个可操作应用方面一直处于全球领先地位。多年来，日本海上自卫队还评估了萨博·科库姆斯（Saab Kockums）在其训练船上的斯特林发动机作为其最新水下平台的AIP系统，然后为其苍龙级配备了新系统。日本国防部在2002年开始的漫长开发和测试期后，在其潜艇上引入了锂离子电池。

2015年，GS汤浅技术株式会社（GYT）和三菱重工（MHI）与日本防卫省采购、技术和物流机构（ATLA）签订了合同，将交付整个LIB系统，包括潜艇的主要蓄电池管理和安全控制装置。GYT于2017年3月开始量产锂电电池，并于2019年11月交付给三菱重工。第一艘配备LIB的苍龙级潜艇是Oryu（该级的第2艘船），从2020年夏季开始，该潜艇上集成了主要的电池存储和电池管理系统。该艇采用基于斯特林发动机的AIP系统，于2018年9月投入使用，日本海上自卫队成为世界上第一艘使用配备LIB的潜艇的海军。

属于苍龙级的最后一艘（也是第二艘）配备类似装备的船于 2021 年 5 月投入使用。与此同时，从 2022 年代中期开始，日本国防部和日本海上自卫队一直在研究专门配备 LIB 的下一代潜艇级别。这为Taigei级平台铺平了道路，该级平台的第一艘船于2000年6月投入使用，现在被用作测试平台。

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。

与苍龙级相比，尺寸相同，但排水量略高，新的和隐身的Taigei级配备了更强大的战斗系统和声纳套件，以及一个带有新的通气管发电系统的推进装置和更强大的能量储存和管理系统。

据报道，新的储能和管理系统基于与苍龙级相同的设计，并且根据当地新闻来源，与以前的级别相比，电池数量未公开，新的储能和管理系统在更高的速度下提供更长的续航时间，这使得这些船只能够比其前身更快地在日本周围的广阔水域巡逻。根据前日本海上自卫队舰队潜艇部队指挥官提供的2017年UDT演示文稿，日本海上自卫队一直在接收GYT已经为苍龙级潜艇提供的锂镍钴铝氧化物（Li-NCA）型电池，尽管尚未发布官方声明。

2020 年5月由 GYT 和 MHI 共同制定的一份文件提供了 LIB 开发概述，将它们称为锂钴氧化物类型的 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”，这被理解为是指提供额外能量和耐久性的新型或功能更强大的电池。

韩国

2023年  3月 30 日，韩国国防采购计划管理局 （DAPA） 在韩华海洋（前身为大宇造船与海洋工程公司，DSME）玉浦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。第二批船具有更长的船体（5.8米）和更重的排水量（3,600吨），声学特征降低，以及更有能力的推进装置，具有更长的续航能力，以及更长的探测范围的水下传感器和扩展的精确打击能力，与第一代的10个相比，有12个垂直发射单元。

KSS-III第二批潜艇配备了基于MTU12V4000U83柴油发动机的AIP推进装置，PEM FC AIP（已安装在I批船上），并首次配备了LIB系统。FC AIP尚未发布任何信息，但据当地媒体报道，KSS-III计划船配备了基于Bumhan Industries提供的四个PEM燃料电池的本地开发的AIP。它们每个产生 150 kW，由氧气（以 LOX 形式储存）和纯氢气（储存在金属氢化物钢瓶中）供给。2019年，韩国DAPA选择韩华防务作为KSS-III第二批潜艇项目的锂离子电池供应商。后者在火灾暴露和灭火、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，而全尺寸（电池组）演示则在专门的陆基测试现场进行。电池来自三星SDI，基于商用现成（COTS）技术，类似于手机电池。

KSS-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、电池寿命和水下耐久性。据报道，韩华防务锂离子电池在经济速度下提供160%的续航能力（更长的输出），在最大速度下提供300%的续航能力。与铅酸电池相比，锂离子电池的充电循环次数也是铅酸电池的两倍（高达 4,000 次循环，或大约 10 年的使用寿命）。第一艘KSS-III第二批船将于2025年下水。

经过几年的试验，目前计划于2027年交付给韩国海军。2022 年 7月，韩国国防开发署 （ADD） 宣布开发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 DSME（现为韩华海洋）开发的系统。根据ADD的说法，这项技术有望在未来为提高国内潜艇的性能做出巨大贡献。

静音运行

随着电池技术和AIP的不断改进，传统潜艇的性能仍然处于持续的上升轨道上，与以前的型号相比，现代变体提供了更高的耐久性，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，提供了大量复杂且功能强大的电池技术和 AIP 系统选项。因此，现在市场为海军采购高性能常规潜艇提供了比以往更多的选择。