二、海军动力与能量系统路线图

1．概况

随着先进任务系统及武器系统技术的引入，对能量系统功率、稳定性的需求大幅提升。美海军于2007年建立了电动舰艇办公室（ESO，PMS 320），以促进舰艇平台与能量系统技术发展及决策制定。该办公室关注定向能（DE）和其他高功率任务系统的能量系统研究及其平台集成，谋求与研究机构、工业界合作，开发、引进能量系统新技术，满足海军舰艇的使用需求。

2007年，美海军海上系统司令部提出了《下一代综合动力系统技术发展路线图》，旨在梳理新一代舰载能量系统的需求与关键技术。

2013年海上系统司令部进一步提出了《海军动力系统技术发展路线图》，基于舰艇任务系统、武器系统的新型需求，梳理了能量系统在控制技术、电力储存、电力转换、配电等领域的技术需求，并提出了2013－2042年间短期、中期及长期的发展建议。

2015年，海上系统司令部进一步更新了其能量系统发展路线图，更名为《海军动力与能量系统技术发展路线图》，对需求分析、关键技术及发展建议进行了更新。该路线图为美海军能量系统技术发展路线图的最新版本。

美国海上系统司令部编制该路线图的主要目的是保证电力、能量系统的发展与作战需求一致，并指导编制基于能力的预算。

2．主要技术领域

能量系统所关注的技术领域主要包括6个领域，分别为能量存储、电动旋转机械、变电、原动机、配电、控制。针对每个技术领域，路线图分析了当前发展情况、发展趋势以及军方所关注的进展。

（1）能量储存

能量系统领域主要的能量储存技术包括电池、电容器和飞轮储能3种形式，三者储能的原理分别为化学能、电能及机械能。

能量储存技术的主要技术指标包括能量密度和功率密度，如下图所示。一般而言，电池的能量密度较高、功率密度较低，适合持续运行的应用场景；飞轮和电容器则与之相反，其能量密度较低而功率密度较高，适合于需要快速充放电的短时间应用场景。

不同储能方式的能量和功率密度

（2）电动旋转机械

电动旋转机械即电动机和发电机，路线图主要关注交流感应、交流同步、永磁和高温超导等技术。海军希望电动旋转机械能够在提高能量密度以满足舰艇需求的同时，能够保证较高的效率。

（3）变电

变电技术用于改变输电的电压、频率等特性，以满足电力传输、分配系统及用电负载的需求。由于能量系统面临着来自武器、任务系统更高的功率需求，作为这些负载与能量系统、能量存储装置的桥梁，变电装置也面临着新的挑战。

（4）原动机

原动机是能量系统的动力源，主要包括舰载柴油发动机和燃气轮机。此外，能量系统还可以从燃料电池和能量回收系统获取能量。

（5）配电

在能量系统中，配电设备用于传输电力、配置设备，以及保护负载免受电气故障的影响，主要包括断路器、继电器等。水面舰艇配电一般为60Hz、450V和4160V交流电，新型任务系统和武器系统可能提出高压直流／交流的需求。

（6）控制

目前，舰载机械控制系统负责包括能量系统、推进系统、损伤控制系统等的控制任务。控制架构、算法和通信领域的不断发展，将改变海军舰载控制系统的可用设计空间。

3．发展规划

根据现有研究和应用基础，路线图提出了综合动力和能量系统在未来30年的发展规划，分为3个阶段：

（1）近期阶段（2016－2025）

面向新型雷达和定向能武器，开发先进储能方案、电路保护方案、能量管理系统，以及先进的系统设计工具。完成模块化、可扩展的能量库演示验证，以验证其与现有平台的整合、满足新型任务系统的需求。

（2）中期阶段（2026－2035）

面向未来水面作战舰艇及其它新型平台的电力系统发展，中期阶段将在任务系统硬件在环的情况下，开发并验证电力和控制系统，并在陆基试验场开展动力与能量系统测试。

（3）远期阶段（2036－2045）

远期阶段将完成下一代综合动力与能量系统开发，并开展测试，达到灵活、高适应性、智能化和可升级的目标。此外，将继续研究高温／室温超导、碳纳米管、金属基体纳米碳复合材料、新型燃料电池等技术，提高能量系统效率。

三、“多用途舰载能量库”研究计划

1．计划概况

“能量库（Energy Magazine）”是一种面向定向能武器等新型负载的模块化、可扩展的中间电力系统。能量库的目的在于为定向能武器等高能任务系统提供电力，同时保护能量系统及平台其他系统不受任务系统产生的脉冲的影响。同时，能量库的变电器是双向的，可支持舰艇平台的能量管理、负载均衡和应急供电。

2019年1月2日，海上系统司令部发布了“多用途舰载能量库”研究计划的信息征求，向系统制造商、系统集成商及学术界征求信息，以支撑能量库技术发展。

该研究计划分为4个阶段，第一阶段（2020年）为非经常性工程设计阶段；第二阶段（2021年）为原型系统制造及工厂测试阶段；第三阶段（2022）为舰载能量库产品制造阶段，这一阶段的时间将根据需要进行调整；第四阶段（2023），通过测试后，完成首个能量库产品的制造和交付。

能量库连接平台与任务系统（美海军图片）

能量库用于满足定向能武器需求（美海军图片）