宋楠:研判日本海军现役“应龙”号锂硫电驱动潜艇及技战术

日本海军第11艘“苍龙”级,柴油机+锂硫电池驱动的“应龙”号潜艇即将服役。而这艘全球首款采用“新能源技术军用化”潜艇,所适配的能量密度超过400wh/kg(电池组件总成能量密度400wh/kg,锂硫电池电芯能量密度超过500wh/kg);装载电量近1万度电;复合散热技术;具备快速充、大放电倍率的锂硫电池,全新的电池控制和柴+电控制策略加持形成的全新技战术,值得深度研判。

援引公众号-中外舰闻发布的《世界首艘锂离子电池动力潜艇下水》一文节选内容:

《产经新闻》夕刊消息,当地时间10月4日,日本海上自卫队“苍龙”级潜艇11号艇“应龙”号(JS Oryu,SS-511,日本媒体将其音读汉字写作“凰龙”,但该词在汉语中无从可考,其平假名为“おうりゅう”,对应日文《山海经》中的“応竜”,中文写作“应龙”,为一种翼龙,效力于黄禹,杀蚩尤夸父)在三菱重工神户造船厂举行下水仪式,日本海上幕僚长村川丰海将主持仪式。

《产经新闻》称,“该艇是世界上第1艘采用和电动汽车相同的‘锂离子聚合物’电池的作战潜艇”。单艇耗资660亿日元(约合5.7亿美元),相较于之前1艘“苍龙”级的10号艇“翔龙”号536亿日元的概算大幅上升。

相对此前日本海军服役的苍龙“级,柴油机及AIP(不依赖空气)+铅酸蓄电池为动力总成其他潜艇不同的是,第13艘“应龙”号潜艇动力总成,“进化”为柴油机+锂聚合物电池作为动力总成,具备复杂的EREV驱动能力(增程式油电混动)。

目前关于日本海军现役“应龙”号潜艇动力总成的电驱动部分,以及诸多媒体对其解读的焦点,多局限于“锂离子”电池,以及日本杰士-汤浅(GS-YUASA)供应商的背景分析。

根据日本汤浅蓄电池中国合资公司官方网站放出的信息研判:

这家拥有90余年历史的日本蓄电池企业,在中国市场主要产品多为铅酸蓄电池,并为包括马自达(进口、合资)等日系车厂提供各种型号的铅酸蓄电池。

然而,在2004年4月,汤浅电池和日本电池厂,组成全球第二大、日本最大的动力电池生产集团。丰田、本田等车用新能源动力解决方案都有杰士-汤浅参与的痕迹。

丰田-杰士汤浅合作的日本锂能源、丰田-杰士汤浅合作的日本蓝能,成为丰田和本田在2010年代发力车用新能源技术的重要组成部分。

根据第三方有限度的资料表明,日本海军“应龙”号柴锂电驱动潜艇的动力电池,在体积、自重以及推重比方面,较“翔龙”号有着较大优势。

然而关于“应龙”号的动力电池种类、总电量、能量密度、技战术效能以及控制策略,都没有正面提及。

以下内容,为笔者根据最近5年,撰写的日本陆海军新能源技术军用化系列稿件节选部分以及最新状态综合研判:

日本海军“应龙”号潜艇采用何种驱动模式:

基本可以确定的是,日本海军“应龙”号的动力总成由柴油机+发电机+锂硫电池+驱动电机构成。驱动模式为加强型增程式油电混动架构。

柴油机作为动力源与发电机关联,产生电量既可以直接驱动电机产生前进或后退动力,又可存储至锂硫电池存储。在全负载驱动时,柴油机产生的动力+锂硫电池输出的电量,综合作用在一组类似于“E-CVT”调速减速器,输出混合动力前进或后退。

模块化的“原装位”电池替换模式:

从上图可见,“应龙”号潜艇,电驱动部分的动力电池组件,采用“硬壳”电芯、3组“硬壳”电芯组成1个PACK,10组(或更多)PACK构成1个模组。而1个模组适配1套BMS(电池管理)系统,以及主动风冷+水冷复合散热系统。

而整套动力电池BMS系统,可以根据需求,管理10、20、40、80套动力电池模组(含每套模组适配的1套监控用BMS系统),对其进行充放电控制和电压平衡以及温度控制等关键操作。

最重要的是,“应龙”号的动力电池模组单体长宽高444x431x1647毫米、自重770公斤;“翔龙”号适配的铅酸蓄电池模组长宽高444x432x1665毫米、自重880公斤。

显然,为了不过大改变“应龙”号潜艇结构,与“苍龙”级其他潜艇最初姿态设计需求保持较高一致性,动力电池单体模组具备模块化“原装位”替换。

也就是说,在“翔龙”号潜艇架构基础上,去掉铅酸蓄电池,对舱室、结构和强度硬件层面不做大范围修改,即可换装全新的更轻的动力电池。

日本海军“应龙”号潜艇适配的什么类型的“锂离子”电池:

从2000年开始,全球多家电池供应商开始对众多动力电池进行研究、测试、量产以及装车市场化。

在2008-2018年,作为全球最大规模的新能源核心技术、整车制造以及全产业链“集散地”的中国市场,磷酸铁锂电池、三元锂(镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂)电池成为电驱动和油电混动车的动力电池首选。

但是,能量密度接近150kw/kg的车用磷酸铁锂电池总成,和能量密度接近190kw/kg的车用三元锂电池总成,成为在制约民用新能源车发展的技术节点。

当然,在实验室状态,以及车用测试环节,三元锂电池总成的能量密度超过240kw/kg也是可以的。可是电池能量密度一味的提升,就需要在续航里程、制造成本以及安全性方面进行难以取舍的平衡。

备注:电池能量密度越大,能量活性越高,车用续航里程越大,但是制造成本更高,出现自燃或燃烧故障几率就越大。

至2016年,动力电池发展已经处于瓶颈状态,成本、能量和安全性不可调和的矛盾,使得整车厂难以抉择。因此,那些所谓的或处于实验室状态、或处于预研发状态的新型动力电池及概念,成为媒体们热捧、追逐的新事物。

磷酸铁锂电池因为安全性成为公交领域商用车首选,三元锂电池能量比大被用于乘用车,燃料电池则因为成本高而在有限地区推广。

2013年,日本陆军“增程式油电混动6轮突击炮”技术验证车,搭载的一套由松下提供的“能量”型镍钴铝酸锂电池,由东芝提供的6套轮边驱动电机,以及由丰田提供的BMS和整车控制系统构成的动力总成。

2016年,日本陆军再次展示了1台油电混动电履带技术验证车。这套“5对负重轮”的油电混动履带载具,集成了一套疑似“丰田-汤浅”合作生产,能量密度超过380wh/kg的锂硫电池和2套轮边驱动电机(驱动2套履带)。

尽管这台“油电混动装甲车”由铝合金焊接,尽可能的轻量化,但是要满足最基本机动需求,为装载电量120度电的硫锂电池适配了复杂的散热体系,并用超过300公斤的阻燃型乙二醇介质传输热量。

能量密度达到前所未有的380wh/kg的锂硫电池为动力源,在柴油机的配合下可轻松推动自重18吨的“5对轮”装甲载具,但是,急加速时产生的热量导致的技战术能力的不均衡,依旧为日本陆军军部高层不满意。

备注1:油电混动或全电驱动轮履载具,最大的技术特征就是可以降低柴油机和机械传动组件产生的噪音和热量。有利于前沿侦查及隐蔽火力突击。如果电池产生的热量大到,难以用红外涂层抑制,热辐射信号“爆表”,反而成为技术拖累。

日本丰田在2017年就在全球范围推广了“Mira”燃料电池车。但是,在2015年-2018年,日本陆海军对锂硫电池的渴望诉求,超越了看似更成熟的燃料电池驱动体系。

最终,“应龙”号集成的“锂离子电池”被选为一种能量密度较低的锂硫电池。

理论上锂硫电池电芯能量密度可以超过1000wh/kg,但是“应龙”号搭载的锂硫电池总成能量密度为400wh/kg,是包括全部电芯、散热管路和控制系统以及壳体之后的数值。实际上,“应龙”号适配的锂硫电池电芯能量密度起码或超过500wh/kg。

备注:锂硫电池采用硫金属作为电池电芯正极,适配偏活性的电解液,并将温度范围调整至较低温度,以此来解决硫锂硫电池存在的先天问题。

“应龙”号适配的能量密度更高、装电量更大的锂硫电池,使得水下潜航最大速度或超过18节,水下潜航最大周期超过20天。而这里强调的最大航速产生的背景噪音起码与之前装载AIP舱段的“赤龙”号相当。

不可否认的是,

日本海军的“苍龙”级潜艇,每建造一艘都进行了不同程度的技术革新,更是对不同驱动技术的结合更是不遗余力的尝试。

虽然燃料电池技术体系,在日本成为公共交通重要组成一环,但是适用范围更广泛,集成要求较低的潜艇用的进程并未获得相对绝对成功。

笔者认为,用AIP+燃料电池+锂聚合物电池作为动力源,搭载至“苍龙”级潜艇技术进程,并未因适配柴油机+锂硫电池构成动力源的“应龙”号潜艇服役而被打断!

只不过在2016年之后,丰田-汤浅解决了高密度锂硫电池电芯+大电量的电池总成,带来的散热和充放电问题,并被日本军方高层认可。

因此,在适当的2018年,“应龙”号潜艇成为日本海军第一艘具有划时代意义的新能源军用化技术装备。

必须要注意的是,随着“应龙”号潜艇适配锂硫电池系统,随之解决了放电和散热问题!

首先“应龙”号要解决全加速,锂硫电池超过8C放电倍产生的巨大热量,以及在增程模式下的快速充电的稳定性。

显然,“应龙”号的服役,就证明了以上提到的充电和稳定性,起码理论层面和试航实操层面等到了验证并通过测试。

而“应龙”号搭载的锂硫电池,能量密度达到400wh/kg,装载电量超过1万度电,无论柴电混动模式,还是全电驱动模式下,由日本丰田提供的BMS控制系统可以很好的检测所有电芯电压和温度,使得整套锂硫电池在保证全负载(或超过8C倍率)放电同时,在主动风冷+液冷散热系统支持下,将整套动力电池模组内部温度控制在预设计范围内。

很遗憾,“应龙”号潜艇适配的锂硫电池(含电芯)最佳运行温度范围,和最大放电倍率,笔者不能最终确定。

然而,““苍龙”级潜艇后续产品“29S”系3000吨级潜艇(首艇于2017年12月开工),继续使用用“应龙”号锂硫电池系统用于测试。

而日本海军,则将全新的通气管状态快充技术进行开发。以便提升锂硫电池不同功率范围的快充效率。

与此同时,趋于成熟的日本海军新锐“29SS”系潜艇(并未给出文字备注),将使用丰田提供的燃料电池驱动系统。

笔者有话说:

2014,笔者撰写了《红色警戒:日本混动6轮105突击炮》一文,提及的“丰田+松下2人组”适配镍钴铝酸锂动力电池,成为这款增程式油电混动突击炮的电驱动系统动力源。

2016年,笔者撰写了《评:日本军队油电混动技术装备最新动态》一文,提及的“丰田+汤浅(原文为松下)2人组”,适配的全新三元锂电池(锂硫电池),成为日本陆军增程式油电混动装甲技术验证车的电驱动系统动力源。

2017年,笔者撰写了《宋楠:再谈日本陆海军新能源技术军用化》一文,提及日本海军“苍龙”级第8艘“赤龙”号潜艇,或可搭载丰田提供的燃料电池(电堆)+锂电池(储能)构成的全新电驱动系统。

2013年,丰田和松下共同制造的舰艇用燃料电池动力总成,完成了台架试验,并开始全寿命期测试。而2021年由日本防卫所牵头,丰田、松下、富士重工、川崎、三菱和日产等会社,将为这艘“技术验证”用测试潜艇提供,4组燃料电池电堆、燃料电池组件、驱动电机、减速器、降噪隔震橡胶阀体。为了提升燃料电池产生能量的利用率,将会与燃料电池堆提关联一组松下制造的三元锂电池组件用于驱动和储能。

2018年,日本海军“苍龙”级最新“应龙”号潜艇服役,适配的全新锂离子聚合物电池,为能量密度超过400wh/kg,装载电量接近1万度电的锂硫电池总成。

没错!从2010-2018年,以丰田、三菱、松下、三洋及汤浅为首的日本车厂和电池供应商,为日本陆海军轮式突击炮、履带装甲车、潜艇等技术装备,提供不同种类三元锂、锂硫电池和燃料电池进行适配。经过数年的研发、改进、在研发、再改进等一系列测试环节。最终,日本陆军拥有贴近实战的电驱动装甲技术装备,日本海军“应龙”号柴锂硫电驱动潜艇的服役。

延伸阅读:

日本海军“应龙”号潜艇的服役,搭载全新且实战化的锂硫电池,使其具备更长的水下潜航周期、更高的全电驱动航速。因此带来的是日本海军拥有更强的反潜、反舰作战能力。而整个东北亚地区,日本陆海空军战术以及装备发展,都以人民解放军陆海空天部队作为假想敌。

“应龙”号的服役,以及全新的锂硫电池军用化,引发的“蝴蝶”效应,或极大影响美军、苏俄军以及南朝鲜李伪军在新能源技术军用化的投入积极性,以及民用新能源市场发展态势。

日本海军“应龙”号潜艇核心技术主要供应线,全部由丰田、松下、汤浅、东芝、尼康、三菱等知名供应商组成。而丰田和三菱,在全球范围的新能源核心技术、整车制造以及全产业链研发中占据重要地位。

也就是说,日本陆海军新能源技术军用化体系与这些车厂在新能源技术民用化的推进,有着不可分割的关系。

反观中国新能源市场发展态势,我们有着优秀的政策支持,以及无可比拟的执行力,有着吉利、北汽新能源、上汽新能源和比亚迪等具有社会担当,在新能源全产业链全速发力的中国车厂。

就在日本丰田全力推进包括燃料电池、全电驱动、插电混动和增程混动技术及整车量产,同时成为日本陆海军新能源技术装备制造的核心供应商和坚定的合作伙伴。

很遗憾,我国依旧存在长城这种人为“中国发展新能源不环保”的车厂领导人的存在。短浅的目光只停留在“数百万”传统车销量所带来的丰厚利润,而没有拿出作为中国汽车工业组成部分的大厂社会责任与道义担当。

笔者有必要再次强调,中国发展新能源核心技术、整车制造以及全产业链,绝不仅处于环保需求。

文/新能源情报分析网(换个角度看车市)宋楠

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