從裝備需求看魚雷動(dòng)力電池發(fā)展

高新龍，王宇軒，李學(xué)海

（天津電源研究所，天津，300384）

從裝備需求看魚雷動(dòng)力電池發(fā)展

高新龍，王宇軒，李學(xué)海

（天津電源研究所，天津，300384）

隨著魚雷武器向大航程、高航速和信息化方向發(fā)展，魚雷動(dòng)力電池的研發(fā)也面臨著新的挑戰(zhàn)。從分析魚雷裝備發(fā)展特點(diǎn)出發(fā)，介紹了鋰氧化銀電池、鋰氟化碳電池、氫氧燃料電池、熱電池等幾種高能電池的發(fā)展情況，并對(duì)其作為魚雷動(dòng)力電池的應(yīng)用進(jìn)行了分析，展望了魚雷動(dòng)力電池以下三方面的發(fā)展方向: 深度挖掘鋁氧化銀電池的性能潛力；開展新體系高能電池技術(shù)研究；積極開發(fā)組合電源技術(shù)。

魚雷；動(dòng)力電池；鋁氧化銀電池；組合電源技術(shù)

1 概述

電動(dòng)力魚雷以其噪聲低、無航跡、不受背壓影響、訓(xùn)練成本低等特點(diǎn)，得到各國(guó)海軍的大力發(fā)展。近年，隨著艦艇裝備的更新和水下防御技術(shù)水平的提高，魚雷武器的性能也向大航程、高航速等方向發(fā)展［1］，并涌現(xiàn)出遠(yuǎn)程巡航魚雷、網(wǎng)絡(luò)魚雷等新概念魚雷。不斷改善的魚雷性能同時(shí)也對(duì)魚雷動(dòng)力電池性能的提高提出了新挑戰(zhàn)。

目前，國(guó)際上較為先進(jìn)的電動(dòng)力魚雷的航程和航速已經(jīng)達(dá)到了50 km、50 kn的“雙50”水平，如黑鯊、MU90等，都具備了良好的大航程、高速度的打擊能力［1-2］。但是，隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展和反潛巡邏機(jī)的大量應(yīng)用，艦艇編隊(duì)的水下搜索半徑可以達(dá)到60 km以上，其反潛打擊范圍更是可以達(dá)到上百公里。顯然，在保證自身安全的前提下，魚雷50 km的攻擊距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。此外，各國(guó)海軍大型艦艇的航速為30 kn左右，部分新型艦艇的航速可以達(dá)到40 kn。例如俄羅斯的阿爾法級(jí)核潛艇水下航速高達(dá)42 kn，美國(guó)的海狼級(jí)攻擊型核潛艇最大航速也達(dá)到了35～40 kn。作為反潛的有效武器，魚雷的航速應(yīng)該是敵目標(biāo)速度的1.5倍，也就是要求未來魚雷的航速達(dá)到60 kn以上才能滿足實(shí)戰(zhàn)要求［3］。

在魚雷航速和航程提高的同時(shí)，魚雷的機(jī)動(dòng)性和信息化控制也受到更高的重視。雙速制或多速制魚雷可以在電池容量一定的情況下，實(shí)現(xiàn)航程和航速間的取舍調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了魚雷的適用性。意大利開發(fā)的輕型魚雷 A244/s在后期的改進(jìn)型號(hào)A244/s mod3中就將單一速制改為雙速制。法國(guó)和意大利開發(fā)的 MU90輕型魚雷和意大利的“黑鯊”重型魚雷更是實(shí)現(xiàn)了無級(jí)變速［4-5］。在信息化作戰(zhàn)的大背景下，魚雷作為水下戰(zhàn)場(chǎng)的主要攻擊武器之一，將依托水下信息作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行作戰(zhàn)［6］，從而提高魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能?；谠摲N作戰(zhàn)理念的網(wǎng)絡(luò)魚雷［7］已成為新的發(fā)展亮點(diǎn)。該種魚雷不但具備低速巡航、中速跟蹤和高速攻擊的機(jī)動(dòng)性能，還裝備有信標(biāo)機(jī)、錨泊懸浮線艙等通信裝置，用于實(shí)現(xiàn)魚雷間或魚雷與空、天系統(tǒng)間的信息交換。

由電動(dòng)力魚雷大致經(jīng)歷的發(fā)展歷程來看，從第1代魚雷的鉛酸電池，到第3代魚雷的鋁氧化銀電池，動(dòng)力電池比能量、比功率的提高都推動(dòng)了魚雷性能的跨越式發(fā)展。法、意、韓等國(guó)曾先后開展了鋁氧化銀電池的研制，使其魚雷性能達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的 “雙50” 水平。早在2003年至2005年間，蔡年生、姜憶初［1-2］等人就曾指出鋁氧化銀電池將是魚雷動(dòng)力電池的發(fā)展方向。如今，面對(duì)更大航程和更高航速的裝備需求，高比能、高比功率電池勢(shì)必成為魚雷動(dòng)力電池的發(fā)展方向。同時(shí)，動(dòng)力電池比能量、比功率的大幅提高也是擺脫魚雷航行性能發(fā)展瓶頸期的重要途徑。此外，魚雷良好的機(jī)動(dòng)性能要求和信息化發(fā)展使得動(dòng)力電池不但具備良好的倍率放電特性，還要滿足更加多樣化的用電需求。這些也對(duì)魚雷動(dòng)力電池性能提出了更多的挑戰(zhàn)。

2　高比能和高比功率電池的發(fā)展

2.1鋁氧化銀電池

鋁氧化銀電池是當(dāng)今裝備魚雷的最先進(jìn)動(dòng)力電池之一。法國(guó)SAFT公司研制的鋁氧化銀電池先后應(yīng)用于MU90、Black shark和F21魚雷，其性能可以達(dá)到普通鋅銀電池的2倍，比能量可達(dá)到160 Wh/kg以上［4-8］。韓國(guó)自主研發(fā)的k-745“藍(lán)鯊”324型反潛魚雷也采用鋁氧化銀電池驅(qū)動(dòng)，其航速可達(dá)45 kn，航程12 km。自1985年，最早裝備“海鱔”魚雷以來，鋁氧化銀電池作為魚雷動(dòng)力電池已經(jīng)有30年的裝備歷史。從裝備魚雷的性能來看，航速和航程始終維持在50 kn、50 km的水平，并沒有出現(xiàn)顯著提升。這表明鋁氧化銀電池技術(shù)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，跨越式的性能提升已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)。因此，提升鋁氧化銀電池技術(shù)成熟度，深度發(fā)掘其比能量和比功率潛力，將是一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展方向。曾有報(bào)道稱美國(guó)西屋公司開發(fā)了可將魚雷航速提高至60 kn的500 kW級(jí)鋁氧化銀電池［3］。M.P.LANNOT等研制的500 kW鋁氧化銀電池比能量可達(dá)到182 Wh/kg［9］。

為滿足魚雷航速達(dá)到60 kn，開發(fā)500 kW級(jí)大功率鋁氧化銀電池將是挖掘其技術(shù)潛力的發(fā)展方向之一。同時(shí)，鋁氧化銀電池也應(yīng)借助新型材料的發(fā)展全面提升自身性能。如以更輕質(zhì)的高性能阻尼鎂合金代替鋁合金制作魚雷電池殼體［10］，以進(jìn)一步提高電池比能量。此外，完善鋁氧化銀電池電液循環(huán)控制技術(shù)，拓展其適用領(lǐng)域，將對(duì)開發(fā)鋰氧化銀等其他高能電池具有重要意義。

2.2鋰氧化銀電池

在鋰電池和鋁氧化銀電池技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)一種以氧化銀為正極活性材料，鋰單質(zhì)為負(fù)極活性材料，高濃度的氫氧化鋰溶液為電解液的鋰氧化銀電池。鋰氧化銀電池是一種水激活電池，儲(chǔ)存時(shí)電池為干態(tài)，因此貯備期間具有較好的安全性和儲(chǔ)存壽命。該電池系統(tǒng)同鋁氧化銀電池一樣，需要完整的輔助系統(tǒng)來保證電池本體放電的穩(wěn)定進(jìn)行。鋰氧化銀電池開路電壓為 3.2 V，工作電壓為 2.1～2.4 V，比能量可達(dá)160～200 Wh/kg。與鋁氧化銀電池相比，在具備相當(dāng)且稍好的比能量同時(shí)，具有更高的工作電壓。同時(shí)，該電池還具有和鋁氧化銀電池相當(dāng)?shù)拇箅娏鞣烹娞匦?，比功率可達(dá)2 000 W/kg［11］。工作電壓高、比能量高、高速放電性能好等特點(diǎn)，使鋰氧化銀電池成為一種非常有潛力的魚雷動(dòng)力電池。

鋰氧化銀電池具有與鋁氧化銀電池相同的系統(tǒng)構(gòu)成，在研發(fā)過程中可充分借鑒后者的成熟技術(shù)，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用。鋰合金在水性電解質(zhì)中腐蝕而引起的安全性問題使得鋰氧化銀電池一直處于研發(fā)階段。

近年，鋰合金陽(yáng)極和多組分復(fù)合緩蝕劑［12］方面的技術(shù)研究，為鋰氧化銀電池的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。H.Q.Li等提出了一種采用2種電解液的新型鋰氧化銀電池結(jié)構(gòu)［13］，該電池正極采用堿金屬溶液作為電解質(zhì)，負(fù)極則為有機(jī)電解質(zhì)，2種電解液之間采用LISICON隔膜分開，以解決鋰負(fù)極鈍化和腐蝕問題。隨著技術(shù)研究的進(jìn)步，鋰氧化銀電池在高速魚雷動(dòng)力電池領(lǐng)域必將得到很好的應(yīng)用。

2.3鋰離子電池

鋰離子電池以其優(yōu)良的充放電循環(huán)壽命，成為魚雷操雷電池的首選。法國(guó)SAFT公司就與DCNS公司達(dá)成合作協(xié)議，前者負(fù)責(zé)為魚雷、UUV等研發(fā)鋰離子電池技術(shù)［14］。美國(guó)Yardney公司也開展了全電動(dòng)魚雷高功率鋰離子電池系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)由100 塊單體容量25 Ah 的鋰動(dòng)力電池組成電池組，最大功率密度650 W/kg［15］。Yardney公司與SAFT公司展開技術(shù)合作，研制的高倍率放電鋰離子電池功率300 kW，質(zhì)量比能量可達(dá)94 Wh/kg，功率和操練時(shí)間相對(duì)較好地滿足訓(xùn)練要求［16］。

國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)逐漸成熟，產(chǎn)品逐漸走入市場(chǎng)。大容量鋰離子動(dòng)力電池在水下裝備應(yīng)用中進(jìn)入試驗(yàn)階段，目前我國(guó)某水下裝置采用200 Ah鋰離子動(dòng)力電池；某水下航行器采用100 Ah鋰離子動(dòng)力電池；某訓(xùn)練裝備采用聚合物鋰離子動(dòng)力電池，比能量達(dá)140 Wh/kg，循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次以上。除此之外，還有遠(yuǎn)程巡航潛艇誘餌、教練魚雷電源、深潛器、反魚雷武器等多個(gè)型號(hào)水下裝備正準(zhǔn)備采用鋰離子電池作為動(dòng)力電源［14］。

鋰離子電池的工業(yè)化使得技術(shù)不斷成熟，比能量和比功率等特性均達(dá)到了滿足魚雷二次動(dòng)力電池應(yīng)用的水平。優(yōu)異的循環(huán)壽命，低廉的訓(xùn)練成本都使得鋰離子電池將在今后一段時(shí)間內(nèi)成為魚雷二次動(dòng)力電池的首選。

2.4燃料電池

燃料電池是一種無污染、無噪聲的高能發(fā)電裝置，尤其適合作為水下推進(jìn)動(dòng)力電源。早在上個(gè)世紀(jì)，西方各國(guó)就開展了將燃料電池應(yīng)用于潛艇動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的探索工作。德國(guó)西門子公司于1995年完成了35～70 kW質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池（PEMFC）單元，裝備9個(gè)該單元的212級(jí)潛艇可以實(shí)現(xiàn)航速8 kn，航程900 km。近年，燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步，小型化趨勢(shì)明顯，涌現(xiàn)了很多裝備于無人水下航行器（UUV）的燃料電池。美國(guó)Sierra Lobo公司更是開發(fā)了應(yīng)用于直徑533 mm UUV的液氫液氧PEM 燃料電池，將比能量從100 Wh/kg提高至350～760 Wh/kg［17］。近年，我國(guó)在燃料電池開發(fā)方面進(jìn)步顯著，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和中科院大連化物所等高校和科研院所都開展了燃料電池在汽車動(dòng)力等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。李陽(yáng)等人就燃料電池在魚雷動(dòng)力電源方面的應(yīng)用展開了分析，并指出使用燃料電池作為魚雷動(dòng)力裝置是符合目前魚雷發(fā)展趨勢(shì)的［18］。

燃料電池比功率低的缺點(diǎn)限制了其在高速魚雷上的應(yīng)用，但高比能量和較大的比能量提升空間，使其作為長(zhǎng)航程、低速巡航魚雷的動(dòng)力電池具有很大的優(yōu)勢(shì)。通過整合燃料電池在UUV和汽車動(dòng)力領(lǐng)域中的成熟技術(shù)，深度挖掘燃料電池的比能量?jī)?yōu)勢(shì)，將會(huì)使以液態(tài)貯氫的氫氧燃料電池、鋁過氧化氫半燃料電池等都有望成為魚雷動(dòng)力電池發(fā)展的可能。

2.5鋰氟化碳電池

以鋰氟化碳為代表的一次電池具有更高的理論比能量，具備成為下一代魚雷動(dòng)力電池的可能。其中鋰氟化碳電池的理論比能量是一次電池中最高的（約為2 180 Wh/kg）［19］。松下和QinetiQ公司生產(chǎn)用于民用的鋰氟化碳電池比能量達(dá)到了320～680 Wh/kg。Saft、Ultralife和EP等公司采用在正極氟化碳材料中混合二氧化錳的工藝方法，生產(chǎn)出了比能量達(dá)到784 Wh/kg的卷繞式單體電池［20］。中電十八所等單位也對(duì)鋰氟化碳電池展開了研究，并在氟化碳與二氧化錳混合電極性能和制備工藝方面取得了較大的進(jìn)展［21-22］，以期在魚雷動(dòng)力電池領(lǐng)域得到應(yīng)用。

高比能量使得鋰氟化碳電池在魚雷一次動(dòng)力電池領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，良好的高低溫性能（-30℃～80℃）和10年以上的存儲(chǔ)壽命更是契合了魚雷電池的性能需求，使得該電池受到人們的關(guān)注。與燃料電池一樣，實(shí)際應(yīng)用的鋰氟化碳電池同樣存在比功率低的缺陷，還不能滿足魚雷高航速的使用需求。但該體系電池負(fù)極金屬鋰的理論比功率為13 kW/kg，可達(dá)到金屬鋅的10倍。這一點(diǎn)給鋰氟化碳電池在魚雷動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了希望，同時(shí)也為該體系電池的發(fā)展指明了方向。

2.6熱電池

熱電池以激活快、低溫性能好、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天等武器裝備領(lǐng)域。上世紀(jì)80年代，法國(guó)SAFT公司就曾開發(fā)過用于魚雷推進(jìn)的LiAl/FeS2熱電池，該熱電池由4個(gè)矩形電池組并聯(lián)而成，可以電壓90 V電流180A放電工作16 min，比能量為80 Wh/kg，達(dá)到了與鋅氧化銀電池相當(dāng)?shù)乃健?/p>

近年，熱電池電極材料不斷發(fā)展進(jìn)步。鋰硼（LiB）合金以其近乎完美的特性（高電位、高容量）正逐步取代LiAl和LiSi，成為新的負(fù)極材料。以LiB合金做負(fù)極的熱電池單體比功率和比能量達(dá)1 200 W/kg和120 Wh/kg，組合電池比能量可達(dá)60～80 Wh/kg［23］。在熱電池正極材料方面，CoS2以極低的電阻率、更高的熱穩(wěn)定性和多孔狀結(jié)構(gòu)，正在逐步替代FeS2成為熱電池新型正極材料，采用CoS2材料制作的熱電池內(nèi)阻較FeS2降低40%左右，大電流放電，開路擱置等性能明顯優(yōu)于FeS2體系，且容量與FeS2基本相當(dāng)［24］。氯化鎳以明顯高于二硫化物的電壓性能，可以達(dá)到更高的實(shí)際比能量。以NiCl為正極，LiB合金為負(fù)極，電解質(zhì)選用全鋰三元電解質(zhì)制備電池進(jìn)行放電試驗(yàn)，研究表明，電池激活時(shí)間1.6 s，樣品電池的比能量達(dá)到84 Wh/kg是熱電池中較高的水平［25］。并且通過對(duì)氯化鎳進(jìn)行高溫處理［26］或添加羥基鎳粉［27］，還可改善激活性能，并進(jìn)一步提高比能量。

熱電池的高比功率特性一直受到高速魚雷動(dòng)力電池研究人員的青睞，電池材料的技術(shù)進(jìn)步必將帶來比能量的進(jìn)一步提高，從而推動(dòng)熱電池向魚雷動(dòng)力電池方向發(fā)展。

3　完善組合電源技術(shù)以提升電動(dòng)魚雷性能

縱觀上述幾種典型高能電池的技術(shù)發(fā)展，在目前階段同時(shí)具備高比能和高比功率特性，能夠滿足魚雷大航程、高航速需求的電池體系尚不完善。因此，能夠利用2種不同體系電池實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合電源技術(shù)日益受到人們的重視。美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心就曾開發(fā)一種適用于輕型魚雷的組合電源，該電源包括用于低速航行的可充電鋰離子電池和用于高速攻擊的鋁氧化銀電池2個(gè)部分。先進(jìn)的電池電子裝置可以優(yōu)化電池的負(fù)荷性能，并保證電池安全［28］。該組合電源利用鋰離子電池比能量高的特點(diǎn)，提高魚雷航程，同時(shí)利用鋁氧化銀電池比功率高的特點(diǎn)，提高魚雷航速。高比能電池（如鋰氟化碳電池、鋰離子電池等）與高比功率電池（如鋁氧化銀電池、大功率熱電池）構(gòu)成組合電源，可以同時(shí)滿足魚雷航程和航速的需求，將是魚雷動(dòng)力電池的發(fā)展方向之一。組合電源不僅是2種體系電池的簡(jiǎn)單組合，還需要在以下幾個(gè)方面開展深入的技術(shù)研究:

1） 合理選型，優(yōu)化電池參數(shù)匹配，以期兼顧2種體系電池的優(yōu)點(diǎn)，使組合電源性能達(dá)到最佳；

2） 優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化2種體系電池的集成，為提高電池質(zhì)量比能量和體積比能量創(chuàng)造條件；

3） 發(fā)展電池監(jiān)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池工作模式的控制切換，優(yōu)化電池負(fù)載特性，同時(shí)保證電池安全。

近年，鋰離子電池、燃料電池、鋁氧化銀電池等在UUV和魚雷領(lǐng)域的成功應(yīng)用為組合電源技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。高能電池技術(shù)的發(fā)展更是為開展組合電源研究創(chuàng)造了新的條件。適時(shí)開展組合電源技術(shù)研究，將會(huì)使我國(guó)魚雷性能得到進(jìn)一步的提升。

4　結(jié)束語(yǔ)

新形勢(shì)下，魚雷的發(fā)展需求為動(dòng)力電池發(fā)展指明了方向。深入挖掘鋁氧化銀電池的性能，并積極探索鋰氧化銀、鋰氟化碳電池、熱電池等高能電池在魚雷動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用將是今后的發(fā)展重點(diǎn)。在現(xiàn)有成熟的電池體系基礎(chǔ)上，發(fā)展組合電源技術(shù)將是魚雷動(dòng)力電池研制的新方向。

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（責(zé)任編輯: 陳 曦）

Development Trend of Power Battery for Torpedo Based on Equipment Demand

GAO Xin-long，WANG Yu-xuan，LI Xue-hai
（Tianjin Institute of Power Sources，Tianjin 300384，China）

With the development of torpedo weapon towards long range，high speed and informatization，the research on torpedo power battery encounters new challenges.This paper describes the development features of torpedo weapon，reviews the development of the high energy batteries，e.g.lithium-silver oxide battery，lithium-carbon fluoride battery，hydrogen-oxygen fuel battery，and thermoelectric battery，and analyzes their applications to torpedo power source.Subsequently，three development trends of torpedo power battery are forecast as follows: 1） sufficiently increasing performance potential for the aluminum-silver oxide battery；2） designing new-type high power battery；and 3） developing integrated power source technology.

torpedo；power battery；aluminum-silver oxide battery；integrated power source technology

TJ631.2；TM911

A

1673-1948（2016）03-0206-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.009

2016-03-28；

2016-04-19.

高新龍（1982-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樗斜饔秒娫聪到y(tǒng).