單兵班組供電保障裝備建設發(fā)展研究

于廣洲，單文龍，魯文濤，賈曉磊，潘云劍

(1.中國人民解放軍63936 部隊，北京 102202；2.中國人民解放軍32178 部隊，北京 100012)

伴隨著信息化、無人化、智能化裝備大幅提升單兵班組作戰(zhàn)效能，供電保障能力逐漸成為制約單兵班組作戰(zhàn)能力生成的瓶頸。單兵班組供電保障裝備涉及到化學電池等儲能技術，燃料電池、便攜式油機、太陽電池等發(fā)電技術，以及配電管理技術等；近年來，國內外持開展此方向技術軍事應用研究。本文以當前及未來一段時間內單兵班組的用電需求為起點，通過構建單兵班組供電保障裝備技術體系，結合新技術應用等開展研究，提出了建設方案，并對下一步研究進行了展望。

1 軍事需求

當前，供電保障裝備已成為單兵班組信息化條件下作戰(zhàn)的基本保障。單兵班組供電保障裝備大量配發(fā)部隊，已成為戰(zhàn)術末端供電保障的重要組成部分。一直以來，國內外都將供電保障作為單兵班組發(fā)展的重要方向。

近年來，士兵系統(tǒng)等快速發(fā)展不斷推動單兵班組供電保障裝備建設。美、俄等世界軍事強國緊密部署未來士兵系統(tǒng)規(guī)劃，特別是發(fā)展便攜式無人系統(tǒng)成為強國提升士兵系統(tǒng)作戰(zhàn)能力共識。此外，美軍“班組X”持續(xù)推動機器人、自主系統(tǒng)、人工智能在班組中融合應用[1]。可以預見，隨著無人系統(tǒng)引入班組，有人無人協(xié)同作戰(zhàn)將成為戰(zhàn)術末端重要作戰(zhàn)樣式，戰(zhàn)術末端作戰(zhàn)力量結構將發(fā)生深刻變革。鑒于上述發(fā)展趨勢，單兵班組用電需求大幅增加。結合班組作戰(zhàn)樣式及作戰(zhàn)力量結構的變革，當前及未來一段時間內單兵班組供電保障需求包括高效攜電、戰(zhàn)場發(fā)電、安全供電、靈活配電、裝備其他共性要求等。

1.1 高效攜電

單兵班組應高效攜帶即取即用的電能，至少滿足72 h 戰(zhàn)斗任務需要。單兵攜行能力有限，戰(zhàn)斗負荷為其體重的30%，攜行方式主要為穿戴攜行；班組可依托伴隨式有人、無人平臺(主要依托地面平臺)攜運備用電能。鑒于此，在單兵層面，需要充分利用士兵的有限攜行能力，在不增加戰(zhàn)斗負荷的基礎上提升攜帶的即取即用電能；在班組層面，應結合伴隨式有人、無人平臺(主要依托地面平臺)攜帶即取即用電能，通過更換單兵系統(tǒng)電池、班組裝備配套電池等方式，實現能源伴隨式快速續(xù)航補給。

1.2 戰(zhàn)場發(fā)電

士兵除攜帶即取即用電能外，還需要采用燃料、太陽能等多種形式的能源在戰(zhàn)場發(fā)電。為隱蔽作戰(zhàn)意圖，發(fā)電時應盡量減少光學、紅外、聲學特征等。鑒于此，在單兵層面，應實現單兵攜行狀態(tài)下低特征發(fā)電；在班組層面，依托部分伴隨式有人、無人平臺(主要依托地面平臺)搭載較大功率等級的低特征發(fā)電裝備，對班組用電裝備續(xù)航供電，必要時為臨時指揮節(jié)點等大功率用電節(jié)點或裝備提供供電保障。此外，為隱蔽作戰(zhàn)意圖，伴隨式有人、無人平臺應具備電驅動機動能力。

1.3 安全供電

鑒于士兵往往通過穿戴等方式攜帶電能源，應避免執(zhí)行戰(zhàn)術動作(沖擊等)影響下電能源燃爆風險，以及電能源在槍擊、破片擊穿下發(fā)生燃爆造成的二次傷害。應通過安全性設計，盡量減少易燃、易爆、有毒或強腐蝕性燃料或副產物等帶來的安全隱患。

1.4 靈活配電

鑒于單兵班組裝備多，用電裝備電壓等級、功率需求不同，單兵班組供電保障裝備應具備自動適配能力，使單兵班組能夠相互取用電，以及從上級靈活取電；充電方式應滿足行軍和作戰(zhàn)快速轉換要求。

1.5 裝備其他共性要求

單兵班組供電保障裝備應具備裝備的共有屬性。極端環(huán)境下供電是軍用電能源作為裝備的固有特性，是區(qū)別于民用電池的顯著特征；此外，應具備乘車機動、徒步機動等環(huán)境下可靠工作的能力，以及支持依托車輛、船(艇)、直升機、運輸機等各類平臺實現投送補給。

2 技術體制

單兵班組供電保障裝備技術主要分為儲能技術、發(fā)電技術和配電管理技術。單兵班組主要依托儲能技術實現高效攜帶即取即用的電能，采用發(fā)電技術在戰(zhàn)場上發(fā)電以滿足長時間任務需要，采用配電管理技術實現靈活配電。對照美軍現役和在研單兵班組供電保障裝備，其技術體系如圖1 所示。

圖1 單兵班組供電保障裝備技術體系

3 應用現狀及發(fā)展趨勢分析

對照圖1 所示技術體系，按照儲能技術、發(fā)電技術、配電管理技術等，梳理美軍單兵班組供電保障裝備應用現狀，并分析未來發(fā)展趨勢。

3.1 儲能技術

美軍長期以來使用一次和二次化學電池作為單兵班組儲能手段。鋰一次電池主要有BA-5590 鋰二氧化硫電池、BA-5390鋰二氧化錳電池、半尺寸BA-5590 鋰氟化碳電池等；其中半尺寸BA-5590 鋰氟化碳電池比能量最高，約為360 Wh/kg。鋰二次電池主要有CWB150 共形可穿戴鋰離子電池、BB-2590 鋰離子電池、Li-145 鋰離子電池等，比能量約為125～186 Wh/kg。基于CWB150 共形可穿戴鋰離子電池，2019 年美軍制備硅負極鋰離子電池樣機(減重29%)；2020 年，該電池用于為集成視覺增強系統(tǒng)(Integrated Visual Augmentation System)供電。此外，美軍還設計新型電解質實現電池安全、防彈性能提升。圖2 所示為美軍可穿戴儲能電池。

圖2 美軍可穿戴儲能電池

美軍單兵儲能電池發(fā)展呈現以下特征：(1)集中式+分布式組合儲能。集中式儲能即依托共形可穿戴電池為士兵系統(tǒng)集中供電；分布式儲能即士兵系統(tǒng)用電裝備(如電臺、夜視儀、終端等)配套電池，可支持裝備短時間內獨立工作。(2)重視利用單兵攜行能力。在確保安全的前提下，不斷采用各種新材料和新工藝制備高能量密度的電池，高效利用士兵攜行質量。采用共形結構貼合人體，減少對單兵執(zhí)行戰(zhàn)術動作的影響；提升電池對士兵系統(tǒng)的附加能力(如將電池設計具備防手槍彈的功能)，高效利用士兵攜行體積。(3)一次和二次電池并重。一次電池攜電能力高，但不具備充電能力，且美軍在實戰(zhàn)中暴露出一次電池浪費嚴重等問題；二次電池攜電能力較一次電池低，但可使用戰(zhàn)場車輛直流電源、燃料電池、太陽電池、士兵動能等進行能源補給。兩者按照作戰(zhàn)用電需求靈活配置。此外，鑒于單兵儲能電池可與伴隨作戰(zhàn)的微小型無人系統(tǒng)電池共用的需求，具有標準接口的、可組合使用的模塊化電池是未來發(fā)展趨勢。

3.2 發(fā)電技術

當前美軍主要采用燃料電池、太陽電池等實現單兵班組戰(zhàn)場發(fā)電，不斷提高動能發(fā)電對士兵長時間任務的能源補給能力。

3.2.1 燃料電池

百瓦級以下燃料電池方面，美軍自2004 年至今主要發(fā)展了XX25、XX55 等甲醇重整燃料電池，采購了德國JENNY 600S、JENNY 1200 直接甲醇燃料電池。如圖3 所示，JENNY 1200 直接甲醇燃料電池額定功率為50 W，在100 h 工作條件下可發(fā)電5 kWh，系統(tǒng)質量僅7.7 kg；而滿足相同容量儲能要求，卻需要30.8 kg 的BB-2590 鋰離子電池。此外，2017 年美國加州大學圣地亞哥分校開發(fā)了一款柔性生物燃料電池(圖4)，通過氧化人類汗液中的乳酸產生電流，可驅動小型電子設備運行；但其存在電極退化、汗液乳酸濃度稀釋影響發(fā)電等問題，目前尚不具備實用條件。

圖3 JENNY 1200直接甲醇燃料電池

圖4 美國加州大學柔性生物燃料電池

百瓦級燃料電池方面，美軍不斷攻關便攜式百瓦級燃料電池用于為無人平臺、先進ISR 系統(tǒng)供電，以及為單兵電池充電等，逐漸具備遠征作戰(zhàn)隱蔽供電保障能力。目前已經研制出D350 便攜式陶瓷燃料電池(圖5)，質量5.1 kg，功率350 W，可使用多種燃料，5.8 kg 丙烷可產生13 kWh 電能，噪聲60 dB(A)，工作溫度-20～55 ℃，工作時長600 h。

圖5 美軍便攜式燃料電池D350

在千瓦級燃料電池方面，美國通用汽車公司開發(fā)了Hydrotec 燃料電池用于SURUS 4×4 多用途機動平臺(圖6)和雪佛蘭品牌的ZH2 皮卡，并于2018 年向美國陸軍坦克機動車輛司令部推薦了上述兩型車輛[2]。

圖6 SURUS 4×4多用途機動平臺

燃料電池已形成單兵-班組-連排供電保障鏈路，作為可替代能源，可有效緩解美軍對傳統(tǒng)能源的依賴。美軍單兵班組燃料電池發(fā)展呈現以下特征：(1)隱蔽高效供電是燃料電池軍事應用的重要方向。針對目前仍以內燃機為主要動力的情況，燃料電池成熟應用一方面可大幅提高燃料的利用效率，使燃料利用率突破卡諾循環(huán)限制；另一方面，可大幅降低噪聲、紅外特征和黑煙光學特征，隱蔽作戰(zhàn)意圖，并提高用電單元戰(zhàn)場生存性。(2)多元化燃料供應是發(fā)展方向。美國陸軍當前發(fā)電主要依賴柴油以及JP-8 通用航空煤油等傳統(tǒng)油料，燃料電池的發(fā)展使美軍初步形成了甲醇供電的保障鏈條；此外，不斷發(fā)展可兼容軍用JP-8 燃料以及民用丙烷、天然氣等燃料的電池技術，使得戰(zhàn)場能源保障更加靈活方便。

3.2.2 太陽電池

美軍已使用的太陽電池(圖7)主要有62 W REPPS 增強型背包便攜式電源系統(tǒng)、90 W 可折疊非晶硅太陽電池、200 W非晶硅太陽能帳篷等，其中90 W 可折疊非晶硅太陽電池的質量為2.27 kg。雖然太陽電池具備可再生發(fā)電能力，有助于減少后勤補給負擔，但其光學和紅外特征明顯，容易被無人機等偵察裝備探測進而暴露作戰(zhàn)意圖，使用環(huán)境嚴重受限。其發(fā)展趨勢為：(1)進一步提升光伏組件的發(fā)電效率、弱光發(fā)電能力；(2)面向單兵班組一體化設計，在結構上具備柔性特征，圖案上與士兵系統(tǒng)保持一致；(3)降低太陽能光伏組件的價格，使其具備大量配發(fā)的基礎，根據需要規(guī)模形成可再生能源保障。

圖7 美軍太陽電池(組)

3.3 穿戴式動能發(fā)電裝置

士兵運動本身就是一種能源。在72 h 的任務中，大量攜帶電池會影響士兵行軍速度，最終影響任務效率。鑒于此，加拿大仿生動力公司開發(fā)了Power Walk 可穿戴動能發(fā)電系統(tǒng)(圖8)，可在士兵行軍過程中將動能轉換為電能，為士兵攜帶的電池充電，減少了攜行電池的質量，降低了士兵后勤補給的挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)質量為1.1 kg，在士兵正常行軍條件下發(fā)電功率為10～12 W，負重下山時發(fā)電功率達20 W。下一步系統(tǒng)的目標是質量不超過0.9 kg。美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊計劃測試該系統(tǒng)的效費情況。其發(fā)展趨勢為：引進新材料，在不降低發(fā)電效率的基礎上降低質量；與士兵系統(tǒng)集成，降低攜行承載負荷對腿部的壓力；與外骨骼集成設計，實現能量獲取以及驅動外骨骼對外做功。

圖8 可穿戴動能發(fā)電系統(tǒng)

3.4 配電管理技術

目前班組以下主要區(qū)分單兵、班組兩層實現配電管理，分別通過士兵系統(tǒng)、班組電源管理器實現電能源管理。美軍在用的班組電源管理器為SPM-622(圖9)，能夠從化學電池、太陽電池、車輛電源、交直流適配器等獲取電能，用于單兵班組裝備直接供電和配套二次電池充電。質量為454 g，支持BB-2590，BB-2557、車輛電源、太陽電池、單兵共形電池等軍用電源以及AA、AAA、民用車輛電源等商用電源，具備6 個端口，可同時給5 塊電池充電，輸入輸出電壓范圍3～34 V。

圖9 美軍SPM-622班組電源管理器

美國陸軍未來司令部（United States Army Futures Command）正在研發(fā)可集成到戰(zhàn)術背心中的柔性電源線，旨在提高下車士兵在戰(zhàn)場上的機動能力，該新型柔性電纜質量比傳統(tǒng)電纜減輕50%[3]。無線充電方面，2012年美軍納蒂克士兵研究開發(fā)與工程中心就開展了頭盔與戰(zhàn)術背心之間的無線能量傳輸系統(tǒng)研發(fā)，傳輸效率約50%；美陸軍坦克車輛研發(fā)和工程中心開展了50英尺以上距離無線輸能效率提高的研究[4]。

綜合來看，未來發(fā)展趨勢是：(1)綜合利用有線和無線方式實現供電。有線供電將分布式供電和集中式供電組合起來構建士兵體域-班組-連排供配電網絡，體域供電網絡質量充分降低，并進一步降低對士兵戰(zhàn)術動作的羈絆；無線供電網絡用于實現士兵乘車快速充電以及對微小型無人作戰(zhàn)群機動中續(xù)航充電。(2)可實時掌握各模塊電量等參數，便于按需供配電。

4 有人無人協(xié)同班組供電保障設計方案

對標有人無人協(xié)同作戰(zhàn)條件下單兵班組供電保障需求、裝備現狀以及技術發(fā)展趨勢，我們按照單裝級-單兵級-班組級分層設計了有人無人協(xié)同班組供電保障建設的簡要方案。

4.1 單裝級

主要用于便攜式信息化裝備獨立供電，分為有人便攜式用電裝備配套電池、伴隨式無人系統(tǒng)配套電池兩類。(1)有人便攜式用電裝備配套電池，主要采用化學電池技術，通過嵌入式或卡接方式為裝備供電。(2)伴隨式無人系統(tǒng)配套電池，區(qū)分功率等級、使用方式，采用化學電池或燃料電池技術，通過嵌入式或卡接方式為裝備供電。伴隨式無人系統(tǒng)具備有線、無線供電接口，支持有線和無線近距離充電；伴隨式無人系統(tǒng)供電保障余量信息可自動采集上報，支撐補給保障需求形成及方案制定。

4.2 單兵級

主要包括士兵系統(tǒng)電源及配電網絡。單兵依托士兵系統(tǒng)電源供電，電源采用化學電池、燃料電池(按需)，在化學電池上加裝無線充電模塊，支持乘車機動時依托車輛座椅等進行短距離無線充電；依托士兵體域網絡對士兵系統(tǒng)各用電模塊進行充電或直接供電，體域供電網絡采用柔性電源線纜與作戰(zhàn)背心一體化集成設計，減輕士兵系統(tǒng)質量。

4.3 班組級

主要用于伴隨式快速續(xù)航補給，對班組用電裝備續(xù)航供電，必要時為臨時指揮節(jié)點等大功率用電節(jié)點或裝備提供供電保障，分為主電源、備用電源、配電管理裝備等。(1)主電源。班組采用高比功率燃料電池技術發(fā)電，支持班組內士兵系統(tǒng)快速高效充電，為班組其他用電裝備(如無人機、雷達、電臺等裝備)充電或直接供電，以及滿足其他大功率用電的時機需求。采用伴隨有人或無人車輛攜運，同時支持1～2 人攜行機動，機動速度和作戰(zhàn)節(jié)奏滿足班組要求。(2)備用電源。通過有人或無人車輛攜運單裝、單兵級的備用電池，備用電池支持在臨時集結地以及車輛機動時充電。(3)配電管理裝備。通過小型化微電網技術，將主電源、備用電源靈活組合使用，構建更寬功率范圍的供電系統(tǒng)，以及滿足即插即用、高效對上銜接的供電保障體系。

5 總結與展望

綜合當前及未來軍事需求、前沿技術發(fā)展及應用情況，單兵班組供電保障裝備發(fā)展方向主要有：(1)儲能技術方面，應在確保安全性的基礎上，進一步提升比能量，在不增加士兵生理負擔的基礎上提升單兵班組攜電能力；此外，可充電電池應注重提升倍率充電性能，提升單兵班組電能快速補給能力；(2)發(fā)電技術方面，應能支持多種能源發(fā)電方式，在保持低特征發(fā)電的基礎上，進一步提升比功率，提升電能持久保障能力和戰(zhàn)場生存能力；(3)在配電管理技術方面，應探索柔性導電纖維等技術，充分降低士兵可穿戴配電網絡的質量，發(fā)展小型化微電網技術，在班組級乃至更高級別實現電能管理；采用無線充電技術滿足士兵、有人車輛、無人系統(tǒng)間近距離充電，提升單兵班組電能敏捷保障能力。

未來新的作戰(zhàn)模式將對單兵班組供電保障提出新的需求，以化學電池、燃料電池、微電網、無線充電等為代表的新能源技術的蓬勃發(fā)展為單兵班組供電保障提供了有力的技術支撐。后續(xù)我們將根據未來作戰(zhàn)場景，細化單兵班組供電保障需求及方案論證，不斷深化該領域裝備建設研究。