單兵班組供電保障裝備論證研究

于廣洲，楊秀月，李 淵，史棟杰

(中國人民解放軍63936 部隊，北京 102202)

隨著軍隊信息化建設延伸至戰術末端，為驅散戰場迷霧，士兵配備了更先進的指控通信、偵察觀察、定位導航等便攜式信息化裝備，戰斗力較以往大幅提升，然而與之伴隨而來的是大量的電能消耗。文獻[1]提到了士兵在3 天任務中理論上攜帶電池重達7.26 kg。在士兵有限的攜行能力下，綜合考慮所有便攜式信息化裝備用電需求，如何科學論證和設計單兵班組供電保障裝備以確保維持持久作戰能力逐漸成為當前迫切解決的問題。就此，本文主要從單兵班組供電保障裝備體系、指標體系和論證方法三個方面開展了相關研究，并對未來工作進行了展望。

1 單兵班組供電保障裝備體系

國內外目前已形成單裝-單兵-班組三個層級的供電保障裝備體系，如圖1 所示。

圖1 國外單兵班組供電保障裝備

(1)單裝級。便攜式信息化裝備大多數情況下通過填充或卡接使用各自配套電池進行供電，單裝配置獨立供電單元便于靈活使用。配套電池主要采用化學電池技術體制，如美軍普遍使用的2590 電池、5590 電池、LI145 電池等。

(2)單兵級。單兵穿戴士兵系統遂行任務，系統面向單兵一體化設計集中式電源，通過線纜按需為士兵系統用電裝備直接供電或為系統內配套二次電池充電。士兵系統集中式電源更注重追求士兵供電整體效能，為適應士兵體型特征往往采用共形結構化學電池(如美軍的Conformal Wearable Battery)；為提升士兵持續作戰供電保障能力，根據需要編配小功率燃料電池(如美軍使用的JENNY600s 燃料電池)。

(3)班組級。班組內通常由1 名士兵攜帶班組電源，在臨時集結地通過線纜為單兵班組裝備直接供電或為班組內各裝備配套二次電池充電，實現班組作戰長時間電能續航補給。班組級電源具備更高的攜電能力和可再生能源發電能力，美軍主要采用便攜式燃料電池(如JENNY1200 燃料電池[4])、太陽電池等技術體制；為實現班組級電源高效管理，美軍使用SPM-622 班組電源管理器(SPM-622 Squad Power Manager)可為大多數軍用和商用可充電電池充電，使用ABC-812 箱式維護設備對電池進行充電及維護?？傮w上看，單兵班組供電綜合了“分布式”和“集中式”供電方式，區分使用對象呈現出分層能源補給的特征。

鑒于上述裝備均為便攜裝備，承載平臺均為士兵，為避免重復建設、降低攜行質量和方便籌措保障，目前單兵班組供電保障裝備建設逐漸由面向單裝獨立設計向面向單兵班組一體化設計轉變，電池、充電器及配套線纜型號逐漸壓減，單兵班組電源通用化程度更高。

2 單兵班組供電保障裝備指標體系

單兵班組供電保障裝備既有裝備共性指標，又有電性能指標(見圖2)。

圖2 單兵班組電源裝備指標體系

2.1 裝備共性指標

單兵班組供電保障裝備，屬于保障裝備，具備裝備共有的共性指標，主要包括：質量、尺寸、人機工程、可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環境適應性、電磁兼容性等。環境適應性指標，主要基于裝備作戰需求并結合參考GJB150.A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》進行論證，主要包括工作溫度、儲存溫度、低氣壓(工作海拔)、淋雨、鹽霧、砂塵、振動、沖擊等指標；電磁兼容性，主要基于裝備作戰需求并結合參考GJB151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》進行論證，主要包括傳導發射和傳導敏感度等指標。

2.2 電性能指標

2.2.1 電源電性能指標

電源電性能指標區分通用指標和專用指標，通用指標主要包括容量、輸出功率、標稱電壓等。不同技術體制的電源，又存在專用指標，具體為：

(1)化學電池。國外已用裝備配套化學電池主要有一次電池和二次電池，專用指標包括荷電保持能力、充電電流、充電截止電壓、循環次數等，后三項為二次電池的專項指標。

(2)燃料電池。當前國外單兵班組主流燃料電池主要有質子交換膜燃料電池、金屬空氣電池等，專用指標包括發電效率、起動時間、壽命、工作表面溫度、工作噪聲、適配燃料種類、危險防護等。

(3)太陽電池。當前應用較多的太陽電池主要為晶體硅、硅基薄膜、銅銦鎵硒薄膜、砷化鎵薄膜等太陽電池，專用指標包括光電轉換效率、光致衰退效應、弱光條件發電功率、遮擋下發電功率等。

(4)人力發電裝置。專用指標包括轉換效率、工作噪聲等。

2.2.2 電源管理設備電性能指標

(1)交直流適配器。主要電性能指標包括輸入/輸出適配電壓、額定功率、紋波系數、工作表面溫度等。

(2)直流電源管理器。主要電性能指標包括輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算等。

(3)一體化維護設備。主要電性能指標包括輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算、級聯能力、燃爆防護(電池隔離、壓力釋放、阻燃、防靜電)等。

3 單兵班組供電保障裝備論證方法

單兵班組供電保障裝備涉及指標多，在裝備論證階段，應把握主次矛盾，在滿足基本作戰要求的基礎上，合理確定關鍵重要指標和擇優指標，使之符合使用主體要求。

3.1 以能力需求為牽引，確定關鍵重要指標

圍繞使用主體對電源在用電總量、用電功率、攜行方式、操作環境等方面的需求，確定容量、功率、質量、尺寸、環境適應性等作為電源的關鍵重要指標：

(1)用電總量。充足的電量是電源保障使用主體遂行任務的基本前提，電源容量指標應不低于使用主體在任務周期內消耗的用電總量。

(2)用電功率。電源輸出功率決定了使用主體能否直接用電和高效充電補給。為確保電源能滿足被保障對象直接供電或快速能源補給需求，電源功率指標應不低于被保障對象用電功率或快速充電功率。

(3)攜行方式。士兵主要通過穿戴方式攜帶電源，而士兵戰斗負荷有限(參考美軍士兵戰斗負荷為其體重的30%[2])，為避免影響戰術動作執行，電源尺寸規格應盡量小巧，電源體積指標不能超過士兵系統攜行具(或附包)的尺寸，電源質量與士兵其他戰斗物資質量之和不能超過士兵負荷能力。

(4)操作環境。裝備在實戰和日常訓練中存在使用、投送、補給等過程，操作環境較民用電源更為苛刻，能否適應復雜環境條件是檢驗電源技術型號研制可行性的一項重要指標。考慮到難以“一塊電池包打天下”，宜結合不同技術體制的特點實現優勢互補。

圍繞使用主體對電源管理設備在高效配電管理以及日常維護等的需求，確定輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算等作為電源管理設備的關鍵重要指標：

(1)高效配電管理。單兵班組電源種類多樣，尺寸規格不同，電壓等級多，需要依托高效配電管理實現電能互聯通用，即實現接入多種電源為用電裝備輸出供電，以及為裝備配套化學電池適配充電；為適應快速戰斗節奏，應具備快速充電模式以及較高的配電功率；為有效利用有限電能，電源管理應盡量提升效率；為指導任務規劃和形成補給需求，電源管理應具備電量評估能力。

(2)日常維護。一體化維護設備應滿足對裝備配套化學電池的充放電維護需求。

3.2 通過典型作戰場景構想，明確指標具體要求

圍繞前文論證得出的電源容量、功率、質量、尺寸、環境適應性以及電源管理設備的輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算等關鍵重要指標，基于典型作戰場景和編組運用等，明確指標具體要求。我們以班組供電保障裝備指標論證為例，進行簡要說明。

(1)明確單兵班組裝備編配。根據作戰任務中各士兵的能力需求、攜行負荷約束等攜帶裝備，形成裝備編配矩陣。

(a)根據班組執行的任務種類，構建任務矩陣A，A=[a1，a2，…，aZ]，Z代表班組執行典型任務種類的數量，通過部隊調研方式獲得；aMaxC代表最大用電需求的任務，以此為典型來設計班組供電保障裝備容量、功率等典型參數；

(b)以aMaxC作為典型任務進行編組，構建任務角色矩陣R，R=[r1，r2，…，rj，…，rS]，S為編組內士兵數量；

(c)士兵按照能力需求攜帶各自裝備，主要有感知、指控、通信、打擊、機動、防護、保障等裝備構成，可以初步構建裝備矩陣Q，Q=[q1，q2，…，qi，…，qN，q(N+1)，q(N+2)，…，q(N+S)，…，q(N+P)]，N為單兵班組攜帶的已定型裝備型譜數量，P為新增電源裝備數量；其對應的裝備質量屬性矩陣M，M=[m1，m2，…，mi，…，mN，m(N+1)，m(N+2)，…，m(N+S)，…，m(N+P)]；

(d)構建班組裝備編配矩陣O：

式中：矩陣中oij的數值代表第j名士兵編配第i型裝備的情況，oij取1 或0，1 代表編配該裝備，0 代表不編配該裝備；

(e)計算得出士兵攜行負荷∑M，∑M=MO，∑Mj代表第j名士兵的攜行負荷；

(f)士兵攜行負荷約束項為不超過士兵體重的30%，按照士兵體重80 kg 計量，∑Mj≤24。

(2)明確單兵班組裝備用電模式。根據任務特點，明確指揮、通信、偵察、引導等編配裝備的使用時機、使用模式。指揮、通信裝備通常按照一定的工作和待機時間比模式使用，偵察、引導裝備通常按照持續時間/次數模式使用。

(3)明確班組電源容量指標。

(a)梳理構建裝備平均用電功率，形成裝備平均用電功率矩陣此處記

(b)根據用電模式，規劃任務周期內用電裝備使用時間矩陣T，T=[t1，t2，…，ti，…，tN，t(N+1)，t(N+2)，…，t(N+S)，…，t(N+P)]，其中t(N+1)，t(N+2)，…，t(N+S)，…，t(N+P)為0；

(c)根據裝備編配矩陣、裝備平均用電功率矩陣以及裝備使用時間矩陣，計算任務周期內每名士兵用電電量E；

(d)計算班組電源容量C，其中y≥1 為裕度值。

(4)明確班組電源功率指標(區分額定功率Pr和峰值功率Pk)。

(a)梳理構建用電裝備峰值功率矩陣W=[w1，w2，…，wi，…，wN，w(N+1)，w(N+2)，…，w(N+S)，…，w(N+P)]，此處記w(N+1)，w(N+2)，…，w(N+S)，…，w(N+P)為0；

(b)額定功率指標不得低于班組供電保障裝備容量(Wh)/任務周期(h)，即Pr≥C/t(t為任務周期)，同時基本能夠滿足便攜用電裝備直接供電需求；

(c)峰值功率能夠滿足較大功率便攜裝備的短時間內直接供電Pk≥max(wi)，同時綜合考慮配套電池快速充電。

(5)明確班組電源尺寸和質量指標。尺寸以便于置于攜行具(或附包)攜帶為宜，質量指標為便于靈活編配和組合使用，單體質量不宜超過2.5 kg。

(6)明確班組電源環境適應性指標。綜合考慮裝備遂行各類任務的環境等，明確環境適應性指標并滿足GJB150.A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》中明確的工作溫度、貯存溫度、使用最高海拔、淋雨(降雨和吹雨)、濕熱、鹽霧、砂塵(吹塵)、振動(散裝貨物運輸)、沖擊(運輸跌落)等相關測試要求。

(7)明確電源管理部分的適配性等指標。根據任務矩陣A可能存在的任務種類，梳理電源管理設備接入電源、適配充電電池以及適配供電裝備，輸入/輸出適配電壓至少滿足5～32 V，具備標準充電和快速充電模式，具備電量估算功能；電源管理器額定功率、效率、電量估算精度等指標在招標完成后予以明確。梳理一體化維護設備接入的電源、適配的電池，明確一體化維護設備滿足市電、野戰游擊等電源接入的物理接口和電壓范圍，以及支持維護的電池種類和數量。

3.3 實物招標確定技術方案，完善其余指標要求

在滿足關鍵重要指標要求的基礎上，利用裝備采購信息網平臺進行擇優，明確招標文件和比測大綱，指導比測擇優工作。關鍵重要指標設置為基本項，對照指標體系設置擇優項，通過分項分值區分不同指標權重。

4 展望

由于長期以來被視為裝備配套組件，單兵班組供電保障裝備論證對比其他主戰裝備論證尚存在差距。本文主要是定性論述了單兵班組供電保障裝備體系、指標及論證方法，基于編配矩陣進行建模的方法已經用于某供電保障裝備論證。后續我們將借鑒主戰裝備論證方法開展效能評估分析，使單兵班組供電保障裝備論證深化全面。