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帖子主题:美军披露舰艇能量仓未来技术指标 支持激光武器

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美军披露舰艇能量仓未来技术指标 支持激光武器

2020年05月07日 19:51:54

来源:蓝海星智库

舰艇能量仓概念最早在2013年版《海军电力系统技术发展路线图》中提出,是一种用于未来高能耗负载的通用化、模块化、可扩展电力系统。2015年版《路线图》明确能量仓概念将结合分布式储能与能源先进控制技术。2019年版《路线图》进一步细化了能量仓发展目标,构想了能量库与“综合电力与能源系统”的集成方案。2020年,美国海军海上系统司令部电力舰船办公室在第32届水面舰艇联盟年会上,披露了美海军未来能量仓的技术指标。

一、发展背景

现有舰艇电力系统由发电机响应负载。为确保高效率,发电机一般为恒定功率,不能快速动态响应新负载的用电需求。然而,激光武器、电磁导轨炮、水面电子战系统、大功率微波武器、S波段和X波段防空反导雷达等装备的功率一般为兆瓦级,启动后会在极短时间内消耗大量电能,严重影响现有舰艇电网稳定性。因此,美海军提出发展能量仓,在高能耗装备工作时,由能量仓提供脉冲供电,能量仓则由发电机充电。

根据美海军电力舰船办公室,能量仓的用途主要有两种:一是为激光武器(150 kW的“固体激光器技术成熟化”SSL-TM项目、60 kW的“高能激光与一体化光学致盲与监视系统”HELIOS)、电子战系统(水面电子战改进计划Block 3)、雷达(防空反导雷达AMDR)等脉冲负载供电;二是用作舰艇后备电源,能够支持单发电机运行,实现电力系统削峰,平缓舰艇电网用电需求,减少电能消耗。

二、系统架构

能量仓由储能和电力转换两部分构成,根据负载类型和电力要求,可使用不同储能设备。例如,燃料电池可连续供电约10小时、蓄电池约数十分钟、飞轮约不足1分钟、超级电容器约10秒、普通电容器约不足1秒。美海军计划发展的未来舰艇能量仓将采用蓄电池、电容器/超级电容器或飞轮储能。

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图1 储能方案对比
能量仓可在现役舰艇改造时加装或在新建舰艇中安装。现役舰艇改造时,脉冲负载依次通过新型低压/中压直流MIL-STD 1399电气接口、能量仓、现有440V交流MIL-STD 1399电气接口,连接舰艇发配电系统;在新建舰艇中安装时,脉冲负载则直接通过新型低压/中压直流MIL-STD 1399电气接口和能量仓,连接舰艇发配电系统。

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图2 左:在现役舰艇改造时增加能量仓,右:在新建舰艇中安装能量仓
三、美海军研发项目

美国海军在能量仓方面开展了多项研究,验证了单蓄电池、电池电容混合、飞轮储能方案。具体包括单蓄电池供电的“固体激光器技术成熟化”项目(SSL-TM)储能模块和莱昂纳多DRS公司激光武器能量仓、电池-电容混合供电的多功能储能模块,以及英国GKN公司的飞轮储能系统。

(1)“固体激光器技术成熟化”项目(SSL-TM)储能模块

“固体激光器技术成熟化”项目储能模块由RCT公司在美国海军研究署“沼泽工厂”(SwampWorks)计划资助下研发。储能模块采用铅酸电池储能,储能量100 kWh(即360 MJ),电池装在28英尺标准集装箱内。美海军于2011年完成储能模块陆上样机试验,2019年研发出舰用样机(ESM-S),用于LPD-27“波兰特”号两栖攻击舰上的SSL-TM固体激光器。

(2)莱昂纳多DRS公司激光武器能量仓

在美海军电力舰船办公室资助下,莱昂纳多DRS公司研发出了激光武器能量仓,2017年-2018年在佛罗里达大学先进电力系统中心进行了硬件在环试验。试验验证了激光武器能量仓在全功率放电、单脉冲负载(不同周期、大小和占空比)、带有高频分量的随机负载、多级脉冲负载下的表现,认为能量仓能够满足这些负载的电能需求。目前,美海军正在研发电力转换与蓄电池间的中间接口,预计2021年研制完成,有望实现更快速的充电。

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图3 莱昂纳多DRS公司激光武器能量仓
(3)多功能储能模块

多功能储能模块采用电池-电容混合储能方式,在美国海军研究署“未来海军能力”计划下研发,2019年研制出样机。2015年,美国海军研究实验室与德克萨斯大学-阿灵顿分校对相关系统进行了验证,用电池为60 kJ电容器组充电。其中,电池连接至IGBT组成的H桥转换器,其中控制器通过脉冲宽度调制控制桥的切换。电池组电压为51.2V,桥转换器输出为1:12升压变压器,并带有电容器谐振回路。变压器的时变输出被整流为直流电,并对电容器充电。

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图4 美国海军研究实验室试验的多功能储能模块
(4)英国GKN公司的飞轮储能系统

英国GKN公司在其F1赛车飞轮的基础上,研发出了用于舰艇的飞轮储能系统(FESS)。系统早期由美国海军海上系统司令部电力舰船办公室在佛罗里达州立大学先进电力系统中心也开展了硬件在环试验,2019年英国国防部与电力网络示范中心(PNDC)组织了第二次试验。该系统有望用于英国“龙火”舰载高能激光武器。

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图5 GKN公司舰艇飞轮储能系统
四、美海军未来舰艇能量仓

在这些研究的基础上,美海军正在加大投资和促进技术转化,计划2023年研制出可用的多功能能量仓,由电力电子、控制界面和储能设施构成,采用模块化、可重构、可扩展设计,具有多重输入和输出模式,支持激光武器、电子战系统、防空反导雷达及舰艇其他负载。

五、结语

能量仓是美海军未来舰艇综合电力与能源系统的重要构成部分,是影响高能武器、大功率雷达和先进电子战系统使用效能的核心因素。美海军正在研发结合多种储能技术的共享式能量仓,能集成至总线,并同时为多个负载供电。能量仓的研发与应用将影响美海军未来20年的舰艇设计,值得关注。

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      2020/5/8 11:39:43

      网友回复

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      试验验证了激光武器能量仓在全功率放电、单脉冲负载(不同周期、大小和占空比)、带有高频分量的随机负载、多级脉冲负载下的表现,认为能量仓能够满足这些负载的电能需求。

      2020/5/9 10:40:49
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      美海军电力舰船办公室资助下,莱昂纳多DRS公司研发出了激光武器能量仓,2017年-2018年在佛罗里达大学先进电力系统中心进行了硬件在环试验。

      2020/5/8 20:51:11

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