美國新版《海軍電力與能源路線圖》

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2019年6月，美國海軍海上系統司令部電力艦艇辦公室發布新版《海軍電力與能源路線圖》（簡稱新版《路線圖》）。新版《路線圖》對2015年版進行了修改和更新。新版《路線圖》細化了艦船裝備對未來電力與能源系統的需求，進一步明確了未來艦艇將使用12kV直流電系統，強調了艦艇電力系統應能夠支撐激光武器、防空反導雷達、電磁導軌炮等高能耗裝備用電需求，突出了以儲能為核心的能量庫系統，並提出了與海上無人系統相關的電力需求。

圖1 《海軍電力與能源路線圖》封面

一、美海軍艦艇電力系統發展特點

未來美海軍的艦艇電力系統已經從「綜合電力系統」發展為「綜合電力與能源系統」，突出了以儲能為核心的能量庫概念。2007年，美海軍負責研發和採辦的助理部長成立電力艦艇辦公室（PMS320），同年該辦公室發布首版《綜合電力系統路線圖》，提出未來艦艇將使用中壓直流配電系統，發展下一代綜合電力系統（IPS）。2013年版《路線圖》考慮未來裝備負載高能耗需求，引入了通用、模塊化、可擴展電力系統（即「能量庫」）概念。2015年，美海軍考慮裝備負載的信息安全、北極與無人作戰、靈活任務模塊及可再生能源需求，更新發布2015版《路線圖》，提出將能量庫與多功能分散式儲能、能源先進管控相結合，構建綜合電力與能源系統（IPES）。在此基礎上，新版《路線圖》細化了艦船裝備對未來電力與能源系統的需求，提出了綜合電力與能源系統集成的實施重點，並構想了能量庫和綜合電力與能源系統的集成方案。

未來艦艇的中壓直流電力系統從20kV變為12kV。美海軍在2007年版的《路線圖》中首次提出未來艦艇將使用中壓直流配電系統，目的是減小發電機/變壓器/電纜體積、優化原動機效率、提高故障控制能力和聲學特性、增大配電系統比功。美海軍最初計劃使用20kV直流電力系統，可大幅降低電纜尺寸和重量，縮減電力系統規模，但這種電力系統電壓過高，無法使用常規硅基電力電子器件，需使用比功值較硅基器件高25%~ 60%、但成本較高、可靠性驗證不足的碳化硅器件。2017年前後，美海軍提出改用12kV直流電力系統。

艦艇電力與能源系統發展的首要目標是滿足先進感測器和武器需求。2014年，美海軍海上系統司令部成立「作戰電力與能源系統頂層綜合產品團隊」（CPES OIPT），促進艦艇電力系統與武器系統技術的融合。美國《國家安全戰略》、海軍作戰概念、《四年防務評估》、美國《未來海軍水面艦艇下一代作戰系統頂級要求文件》（草案）、《水面作戰體系科技戰略計劃》中均強調了先進感測器和武器的電力需求。相關武器裝備包括激光武器、電磁導軌炮、水面電子戰改進計劃BLOCK II、大功率微波武器、S波段和X波段防空反導雷達及雙波段雷達、企業空中監視雷達、綜合海上網路與企業服務、數字模塊化無線電等。這些裝備在平均功率、脈衝功率等方面提出了更高的要求。未來艦艇電力與能源系統將能通過共用共享儲能系統，為高功率武器和先進感測器供電，而無需使用大量的不間斷電源。

圖2 電磁導軌炮

新版《路線圖》提出艦艇電力系統需能夠為多種無人平台提供遠程、非接觸式充電。2015年的路線圖就已經提到艦艇電力系統的發展需要考慮無人作戰的應用需求。新版《路線圖》將這一需求進一步細化，提出建立無人平台遠程充電系統，為多種無人平台提供快速大容量充電。其中，無人平台儲能技術將於2024年開展系統集成；全部遠程充電系統將於2027年開展系統集成。2019年5月，美海軍就曾提出用艦上定向能為無人艇、無人機充電的方案，其中一個想法就是將母船上的定向能系統用作發射端，為水面或空中無人系統無線充電。此外，美海軍還提出建造專用充電快艇的想法，能在無人監管的情況下為無人平台提供電力。

美海軍強調綜合電力與能源系統的靈活性，包括設計靈活性、建造靈活性、改造靈活性、使用靈活性等。新版《路線圖》提出，未來艦艇綜合電力與能源系統將能夠向負載區域增加電纜，通過調整機艙、進氣口等安裝比設計尺寸更大的發電機組，升級配電盤和負載中心，在電力系統中集成儲能模塊，預留電氣、控制和熱管理介面便於未來使用等。

二、未來艦艇電力需求

未來海軍艦艇的電力與能源系統需要滿足多方面需求，包括高功率武器和感測器、電力推進系統、標準模塊化介面、無人平台、通信與網路安全、生存能力、未來電力需求。

具體包括：

一是高功率武器和感測器（激光武器、電磁導軌炮、防空反導雷達、水面電子戰改進項目等）在平均功率和脈衝功率等方面對艦艇電力與能源系統提出了極高的要求；

二是電力與能源系統需滿足艦艇對電力推進系統的靈活性、耐久性等要求；

三是未來負載需使用標準化介面和模塊化組件與平台連接；

四是艦艇電力與能源系統需支持多種無人平台的高功率快速充電；

五是在規範制定和設計時需考慮通信與網路安全問題，防止未來難以預測的網路威脅；

六是要提高電力系統的生存能力，減少設備損傷和高戰備環境下維護電力系統所需的工作量，減少全艦停電情況，提高應急供電能力；

七是艦艇電力與能源系統設計還需滿足未來可能的電力需求，包括控制系統、熱管理等。

三、美海軍電力與能源技術的發展重點

新版《路線圖》從系統集成、儲能、功率轉換、原動機、配電、控制、電機7個方面闡述了艦艇電力與能源系統技術的發展重點和近期（未來5年）、中期（2037年前）的發展目標。

1、系統集成

研究重點是：通過計算、模擬、模擬、硬體在環、陸基試驗等方法，促進新型電力能源技術的發展和應用。目前，美國海軍開展的工作包括：佛羅里達大學利用先進電力系統中心的設施研究多種儲能技術，測試先進直流保護方法，以及防空反導雷達的功率轉換器；美海軍水面戰中心費城分部籌建具有電源和控制器硬體在環測試能力的模擬設施；利用簡單的低功率拓撲方法對12kV中壓直流系統進行探索性研究。

2、儲能

研究重點是：提高電容器比能，研發高溫薄膜、先進電解質和電極材料，減小串聯電阻；減少電池自放電，降低充電時的電壓波動，減少淺層充放電導致的容量損失，提高電池壽命等。

近期，將研發適用於多種負載的通用儲能模塊，以及用於低壓供電武器和感測器的共享儲能系統。美海軍計劃2019年研發出為激光武器供電並具有涓流充電能力的儲能系統，2020年研發出為激光武器供電、能在使用時持續充電的儲能系統。此外，近期還將研發用於特定負載和共享式低壓儲能系統樣機，進而研發出完全共享式中低壓儲能系統。

中期，將研發集成了多種儲能技術的系統，並集成至低壓或中壓匯流排，用於多個負載。美海軍將初步應用共享式儲能系統，發展出利用多種儲能技術的中低壓儲能系統，能同時為多個負載供電，將儲能系統應用於現役的中壓交流系統，並將儲能系統集成至匯流排。

3、功率轉換

研究重點是：提高功率轉換比功、效率和開關頻率。重點發展氮化鎵、氧化鎵寬頻隙半導體材料，其功耗有望達到碳化硅寬頻隙半導體材料的1/3～1/5；發展高頻變壓器，減少體積重量；微電網轉換器；高功率負載的熱管理技術等。

近期，利用市售1.7kV器件研發出4.16kV交流和6kV直流的碳化硅功率轉換器，後續利用6.5kV、10kV器件研發出13.8kV交流和12kV直流的碳化硅功率轉換器，推進對氮化鎵和氧化鎵等寬頻隙半導體器件的基礎研究。

中期，將碳化硅功率轉換器應用於艦艇的初級中壓匯流排，完成基於氮化鎵和氧化鎵等寬頻隙半導體器件的功率轉換器樣機設計。

4、原動機

艦艇發電用原動機主要包括柴油機、燃氣輪機，此外還包括能量回收系統、燃料電池等。研究重點是：增強燃油噴射、提高工作溫度和壓力、優化熱管理；利用先進控制技術提高熱效率，增加可靠性；嘗試發展新的熱力學循環，例如將阿特金森循環用於燃氣輪機和柴油機、將米勒循環用於柴油機等。

圖3 LM2500型艦用燃氣輪機

近期，將繼續研發新型燃氣輪機葉片材料和高溫塗層，並將燃氣輪機與變速發電機相結合，優化燃油消耗。

中期，在商用10MW～15MW船舶燃氣輪機的基礎上發展燃氣輪機發電機組。

5、配電

研究重點是：研發20～50kV的50MW、100MW和150MW的中壓直流電路保護系統；研發使用碳納米管的常溫輕型低阻導體，如銅/碳納米管導線等；發展新型功率轉換器、濾波器、儲能器件，壓縮電力系統規模。

近期，交付1kV和12kV直流高速固態斷路器，解決可能出現的接地故障問題；交付12kV直流配電系統；發布新型1399低壓直流/中壓直流介面。

中期，主要研發先進導體電纜。

6、控制

研究重點是：發展分散式控制架構、智能控制方法等。近中期將研發對嵌入式系統的控制、對艦艇電力系統的監督控制、艦艇作戰域控制等，包括分散式狀態感知架構等。

7、電機

電機包括發電機和推進電機。美海軍主要關注交流感應電機、交流同步電機、永磁電機和高溫超導電機。研究重點是：增加磁通量、改進電絕緣材料、增強機械強度、降低溫度敏感性、提高扭矩、改進熱管理方式、提高導體載流量、發展高溫超導電機等。此外，還將探索神經網路、人工智慧、專家系統、新型陶瓷材料等新型技術。

圖4 DRS公司為DDG 1000驅逐艦研製的36.5MW永磁電機

近期，海軍將減少對大型電動機的研發資金，將資金用於研發高比功、大功率發推進電機（最高40MW）。

中期，藉助海上風電應用的超導材料技術，研發超導推進電機。

圖5 36.5MW高溫超導推進電機概念示意圖

四、結語

新版《路線圖》是對2015年版的進一步細化和明確，針對近期重點關注的高能武器、感測器、無人系統等方面提出了電力系統解決方案，對未來艦艇電力系統發展有重要借鑒價值。

（藍海星：馬曉晨）

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