Литиевые аккумуляторы для подводных лодок

Литийионные батареи: долгий путь в подводный флот

5 марта 2020 года в японском городе Кобе спустили на воду 11-ю подводную лодку серии «Сорю» (Soryu). Лодка войдет в состав военно-морских сил Японии под обозначением SS 511 Oryu. Новая японская дизель-электрическая подводная лодка стала первой боевой субмариной в мире, получившей литийионные аккумуляторные батареи, она же стала первой подобной лодкой в своей серии.

Как отмечают специалисты, за счет применения новых типов аккумуляторных батарей, которые давно прописались в смартфонах, японцы смогут отказаться от использования на подводных лодках не только традиционных свинцово-кислотных батарей, но и воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Это очень любопытное и знаковое для подводного флота событие, так как даже сами воздухонезависимые энергетические установки в свое время стали настоящим прорывом для дизельных лодок, избавив подводные суда от необходимости часто подниматься на поверхность во время плавания. К слову, Россия так и не имеет ни одной серийной подводной лодки, оснащенной воздухонезависимой энергетической установкой.

Спущенная на воду новая японская подводная лодка с литийионными аккумуляторными батареями стала уже 11-й лодкой в серии. Помимо этого, в составе японского флота имеется 11 субмарин типа «Оясио» (в том числе две учебных лодки), которые также трудно отнести к старым моделям, так как лодки были спроектированы в 1990-е годы, а последняя из них передана флоту в 2008 году. Уже известно, что в скором времени японский флот получит еще одну субмарину проекта «Сорю» (лодка SS 512) с литийионными аккумуляторными батареями, после чего в Японии перейдут к постройке субмарин нового проекта, известного пока как 29SS (первая лодка SS 513). Всего же в составе японского флота теперь числится 22 подводных лодки, самая старая из которых вступила в строй в 1998 году.

Первая подводная лодка с литийионными аккумуляторными батареями

Торжественная церемония ввода в строй Морских сил самообороны Японии первой боевой подводной лодки с литийионными аккумуляторными батареями SS 511 Oryu прошла в городе Кобе 5 марта 2020 года. Церемония состоялась на предприятии Kobe Shipyard & Machinery Works, принадлежащем крупной корпорации Mitsubishi Heavy Industries, которая в Японии охватывает огромное количество промышленных сфер деятельности. Новая лодка стала уже 11-й в серии лодок типа «Soryu», а всего таких кораблей будет построено 12, из них две последних с литийионными батареями. Строительство лодки SS 511 Oryu началось в марте 2015 года, на воду лодка был спущена 4 октября 2018 года.

Известно, что строительство 11-й лодки обошлось японским налогоплательщикам в сумму, превышающую стоимость любой из десяти построенных лодок этого же проекта. Сообщается, что стоимость постройки субмарины SS 511 составила 64,4 миллиарда иен (примерно 566 миллионов долларов, по другим данным лодка стоила еще больше – 66 миллиардов иен). В любом случае, это на четверть больше, чем стоила десятая подводная лодка серии SS 510 Shoryu (51,7 миллиарда иен или 454 миллиона долларов). Почти вся разница в стоимости между десятой и одиннадцатой лодками серии приходится на стоимость новых литийионных батарей, а также переделку всей сопутствующей электросистемы субмарины и изменение проекта.

Двенадцатая из запланированных лодок серии «Сорю» должна войти в состав флота в 2021 году. Лодка SS-512 уже спущена на воду, это произошло еще в ноябре прошлого года. Обе лодки с литийионными батареями на ближайшие годы станут настоящим испытательным полигоном для проведения проверки аккумуляторов и их работы в реальных условиях эксплуатации, в том числе в условиях, приближенных к боевым. Результаты испытаний очень важны, так как позволят японским адмиралам скорректировать программы строительства и развития подводного флота, а также разработать проект ударных субмарин следующего поколения.

SS 511 Oryu бросает вызов традиционным субмаринам

Стоит отметить, что японский флот достаточно давно вынашивал планы по использованию литийионных батарей на подводных лодках. Появление лодки SS 511 Oryu стало кульминацией исследований и наработок, которые продолжались на протяжении нескольких десятилетий. Известно, что первые работы в этом направлении японские конструкторы начали еще в 1962 году, а первая литийионная батарея, предназначенная для размещения на борту субмарины, была готова в 1974 году.

Несмотря на эти успехи, первые батареи были далеки от идеала, не удовлетворяли заданным требованиям эксплуатации и не устраивали военных по многим параметрам. Одновременно с этим длительное время подобные аккумуляторные батареи были очень дорогими. На это накладывалась более высокая опасность таких аккумуляторов, которые были склонны к самовозгораниям и взрывам, что на борту субмарины чревато настоящей катастрофой. Сопутствующие риски и высокая цена в совокупности с еще недостаточно «зрелой» технологией заставили японских адмиралов обратить свое внимание на воздухонезависимые энергетические установки (ВНЭУ). В 1986 году было принято решение о разработке и строительстве подводных лодок с ВНЭУ системы Стирлинга, ориентируясь на успешный шведский опыт.

И все же день литийионных аккумуляторов на борту подводных лодок настал. Новые технологии могут существенно изменить весь подводный флот. Многие эксперты уже относят подобные дизель-электрические лодки к субмаринам пятого поколения. При этом для того чтобы перейти к использованию новых аккумуляторных батарей японским конструкторам пришлось существенно переработать проект лодок типа «Soryu». В первую очередь новые аккумуляторные батареи потребовали переработки проекта для сохранения остойчивости и балластировки лодок, так как установленные на первых 10 субмаринах серии свинцово-кислотные батареи существенно тяжелее литийионных. Более того, с новых подлодок часть веса и вовсе «ушла» за счет демонтажа двигателей Стирлинга.

В ходе работ инженерам пришлось полностью пересмотреть всю систему электропитания на борту SS 511 Oryu. Также на субмарине установили более мощные дизельгенераторы, предназначенные для подзарядки аккумуляторных батарей. Дополнительно конструкторам пришлось заняться переделкой шноркелей, это необходимо для наращивания объемов подачи воздуха и одновременно отвода выхлопных газов, так как скорость зарядки литийионных батарей заметно выше стандартных свинцово-кислотных.

Уже сегодня литийионные аккумуляторные батареи обеспечивают субмаринам продолжительность подводного хода, сопоставимую с лодками, использующими ВНЭУ. А в перспективе технические характеристики таких лодок только вырастут. В то же время высокая емкость батарей позволяет субмаринам длительное время передвигаться под водой с высокой скоростью – около 20 узлов. Высокая продолжительность подводного хода на большой скорости очень важный показатель для субмарин. Это может помочь и при выходе в атаку на надводную цель и при уклонении от атак противника. Чем быстрее лодка покинет опасный район, тем лучше.

Одновременно с этим, в отличие от подводных лодок, оснащенных ВНЭУ, новая субмарина в состоянии постоянно пополнять запас энергии в литийионных батареях, используя подзарядку батарей с применением устройства для работы двигателя под водой РДП. Также к достоинствам литийионных батарей относят более высокий срок их службы. Такие батареи не нуждаются в техническом обслуживании, а построенные с их помощью электросистемы проще в управлении и проектировании. Также литийионные батареи отличаются от свинцово-кислотных более коротким временем подзарядки из-за большей силы тока, что имеет очень важное значение для подводников.

Возможности подводных лодок типа «Сорю»

Дизель-электрические подводные лодки типа «Сорю» являются ударными субмаринами Морских сил самообороны Японии. Данные лодки считаются одними из самых современных и лучших в мире, они уже составляют костяк подводных сил японского флота. Новые японские лодки достаточно крупные, по водоизмещению они превосходят все серийные российские дизель-электрические подлодки проектов 677 «Лада», 636 «Варшавянка» и 877 «Палтус». Лодки типа «Сорю» считаются достаточно бесшумными, а по длительности плавания в подводном положении могут поспорить и с современными атомными субмаринами.

Субмарины типа Soryu стандартным надводным водоизмещением 2900 тонн и подводным – 4200 тонн строятся в Японии, начиная с 2005 года (заложена первая лодка серии). Длина подводных лодок «Сорю» составляет 84 метра, ширина – 9,1 метра, средняя осадка – 8,5 метра. Экипаж лодки состоит из 65 подводников (в том числе 9 офицеров).

Первые десять дизель-электрических подводных лодок, построенных по данному проекту, отличались комбинированной силовой установкой, состоящей из двух дизель-электрических установок Kawasaki 12V25/25SB мощностью 3900 л.с каждая и четырех двигателей Стирлинга Kawasaki Kockums V4-275R, развивающих максимальную мощность 8000 л.с (подводный ход). Силовая установка корабля работает на один гребной вал. Максимальная скорость надводного хода лодки составляет 13 узлов (примерно 24 км/ч), максимальная скорость подводного хода – 20 узлов (примерно 37 км/ч).

Рабочая глубина погружения подводных лодок типа «Сорю» составляет 275-300 метров. Автономность плавания – до 45 суток. Для лодок данного проекта, оснащенных воздухонезависимой энергетической установкой, дальность плавания оценочно составляет 6100 морских миль (примерно 11 300 км) при скорости хода 6,5 узла (примерно 12 км/ч). Сообщается, что новые подлодки, получающие литийионные аккумуляторные батареи, смогут находиться в подводном положении еще дольше, по сути, их возможности будут ограничиваться только запасом провизии и пресной воды на борту.

Основным вооружением лодок типа Soryu являются противокорабельные торпеды и ракеты. На субмарине имеется шесть 533-мм торпедных аппаратов HU-606. Боезапас лодки может состоять из 30 торпед «Тип 89». Современные торпеды развивают максимальную скорость 55 узлов (102 км/ч), на такой скорости торпеда может пройти под водой 39 км. Также данные торпедные аппараты могут использоваться для запуска противокорабельных американских ракет UGM-84 «Гарпун». Современные версии таких ракет могут поражать цели на удалении до 280 километров.

Источник

Японские субмарины переходят на литиево-ионные батареи

В 2020 году в Японии должна быть введена в строй первая в мире неатомная подлодка (11-я в серии типа Soryu) с литиево-ионными аккумуляторными батареями, сообщает bmpd со ссылкой на ресурс www.shephardmedia.com.

Японская неатомная подводная лодка SS 503 Hakuryū типа Soryu во время визита в Австралию.

По словам бывшего командующего подводными силами японского флота Масао Кобаяси, «это позволит отказаться от применения на подводных лодках не только традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, но и воздухонезависимых двигателей Стирлинга».

«Литиево-ионные батареи дают лодкам продолжительность подводного хода, сопоставимую с продолжительностью при использовании воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) на малых скоростях, но при этом за счет высокой емкости обеспечивают весьма высокую продолжительность подводного хода и на больших скоростях, что особенно важно при выходе в атаку или при уклонении от противника. В отличие от ВНЭУ, литиево-ионные батареи можно постоянно подзаряжать», – говорится в материале.

Кобаяси отметил также, что оборотной стороной этого является высокая стоимость батарей. По его словам, стоимость 11-ой лодки составляет около $ 566 млн, в то время как на 10-ю лодку было потрачено только $ 454 млн. Разница более чем в 100 миллионов как раз приходится на новые батареи.

«Есть три требования для полноценного использования литиево-ионных батарей на подводной лодке. Эти батареи требуют мощных дизель-генераторов для подзарядки, увеличенных устройств РДП для увеличения объемов подачи воздуха и отвода выхлопных газов, а также изменений в электрических цепях, в первую очередь применения автоматических предохранителей», – пишет ресурс.

Отмечается также, что Литиево-ионные аккумуляторы весят меньше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, поэтому проект подводной лодки типа Soryu пришлось несколько переработать для сохранения балластировки и остойчивости.

Источник

Что из себя представляют первые подводные лодки на литий-ионных батареях

24 марта 2021 года вступила в строй вторая в мире и, соответственно, в Японском императорском флоте , подводная лодка на литий-ионных батареях. Думаю, в свете этого есть повод рассказать об этой подводной лодке поподробней.

Итак, данная субмарина носит имя SS 512 Toryu (Торю), она является 12-й. в серии лодок типа «Сорю». Изначально эти боевые корабли задумывались как дизель-стирлинг-электрические подводные лодки. То есть главной силовой установкой на них был воздухонезависимый двигатель Стирлинга.

Однако с внедрением на предыдущей субмарине серии, подводной лодке SS 511 Oryu (Орю), литий-ионных батарей, было принято решение от сложных и капризных двигателей Стирлинга отказаться.

Вступление в строй подводной лодки Орю:

О батареях нужно рассказать поподробней. В Японии для использования на субмаринах было разработано 2 типа литий-ионных батарей. Компания Yuasa разработала и освоила литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, а компания Toshiba литий-титановые. После сравнительных испытаний для использования на флоте было принято решение использовать первый тип батарей, компании Yuasa.

Вступление в строй подводной лодки Торю

Литий-ионные батареи дают лодкам продолжительность подводного хода, сопоставимую с продолжительностью при использовании воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) на малых скоростях, но при этом за счет высокой емкости обеспечивают весьма высокую продолжительность подводного хода и на больших скоростях, что особенно важно при выходе в атаку или при уклонении от противника. При этом, в отличие от ВНЭУ, лодка может постоянно пополнять запас энергии в литий-ионных батареях, используя подзарядку батарей с применением устройства РДП.

Литий-ионные батареи имеют также более короткое время подзарядки в силу большей силы тока заряда, по сравнению со свинцово-кислотными батареями. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы имеют больший срок службы, не требуют технического обслуживания, а электрические системы с их применением проще в управлении и в построении электрических сетей.

Оборотной стороной этого является высокая стоимость литий-ионных батарей. Контрактная стоимость подводной лодки SS 511 Oryu составляет 64,4 млрд иен (около 566 млн долларов, по другим данным фактическая стоимость постройки составила 66 млрд иен) против 51,7 млрд иен (454 млн долларов) у десятой подводной лодки типа Soryu (SS 510 Shoryu). Практически вся разница в стоимости в виде 112 млн долларов составит стоимость литиево-ионных батарей и соответствующей электросистемы.

Литий-ионные батареи при применении на подводных лодках требуют мощных дизель-генераторов для подзарядки, увеличенных устройств РДП для увеличения объемов подачи воздуха и отвода выхлопных газов, а также изменений в электрических цепях, в первую очередь применения автоматических предохранителей. Литиево-ионные аккумуляторы также весят меньше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, поэтому проект подводной лодки типа Soryu пришлось несколько переработать для сохранения балластировки и остойчивости.

Что любопытно, литий-ионные батареи были известный ещё в 20 веке. Однако использованию их на подводных лодках препятствовала непомерно высокая цена. В 21 веке цена на эти устройства существенно упала это и дало возможность начать их применение в военно-морском флоте.

Характеристики подводных лодок типа «Сорю»:

• Водоизмещение надводное – 2 900 т
• Водоизмещение подводное – 4 200 т
• Длина наибольшая (по КВЛ) – 84,0 м
• Ширина корпуса наиб. – 9,1 м
• Средняя осадка (по КВЛ) – 8,5 м
• Скорость (надводная) – 13 узлов
• Скорость (подводная) – 20 узлов
• Рабочая глубина погружения – 275 м

• 2 × дизель-электрических установки Kawasaki 12V25/25SB, 3 900 л. с.
• Электромоторы для подводного ход мощностью – 8 000 л. с.

• Торпедно-минное вооружение – 6 носовых 533-мм ТА HU-606, до 30 торпед «Тип 89»
• Ракетное вооружение – ПКР UGM-84 «Саб-Гарпун» вместо части торпед

Источник

Литиевые батареи для подлодок прошли испытания

ЦКБ “Рубин” успешно провело цикл испытаний литий-ионных батарей для неатомных подводных лодок.

Данные батареи существенно увеличивают подводную автономность субмарины и отличаются большим сроком службы, так как не требуют сложного обслуживания.

Сейчас в российском подводном флоте используются аккумуляторные батареи, срок действия которых ограничен, а стоимость, по экспертным оценкам, достигает 300 миллионов рублей.

По словам бывшего гендиректора ЦКБ “Рубин” Андрея Дьячкова, литий-ионные батареи позволяют увеличить время нахождения лодки под водой как минимум в 1,4 раза, но потенциал самой технической идеи используется пока только на 35-40%, сообщает РИА Новости.

Техническая справка

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году.

Устройство

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации.

Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO2) и соли (LiMRON) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать на значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-феррум-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system) и специальным устройством заряда/разряда.

Все современные литий-ионные аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда / Фото: building-forum.ru

Преимущества

Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
Низкий саморазряд.
Не требуют обслуживания.

Недостатки

Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву.

Эту проблему удалось окончательно решить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке).

Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные литий-ионные аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

Источник