如今的士兵身負越來越多的電子裝備，而這些系統(tǒng)要維持正常工作，則需電源供電，因而減輕電池質(zhì)量并實現(xiàn)標準化，成為當前發(fā)展單兵裝備異常尖銳的矛盾……

單兵負載壓力過大

對電池發(fā)展提出新要求

隨著科技的進步，徒步士兵使用的電子裝備越來越多，所負載的壓力也越來越大。要減輕負載，就要減小這些系統(tǒng)的質(zhì)量，這就要求不僅電子系統(tǒng)本身要具有更大的效率，而且電池要更輕便，且要實現(xiàn)標準化。

不可否認，近年來用于支持士兵徒步作戰(zhàn)任務(wù)的便攜式電子裝備在電池類型的標準化方面有了一些進展。其中使用最廣泛的就是低級的AA型電池(不可充電)。美國陸軍的一項評估顯示，在5天的任務(wù)中，美軍士兵平均消耗88節(jié)AA型電池，主要為其武器瞄具、夜視裝備、導(dǎo)航設(shè)備和個人電臺供電。加拿大陸軍公布的情況與美軍大致相同。2006年，在阿富汗“美杜莎”行動中，加拿大一個步兵連在兩個星期內(nèi)共消耗了17500節(jié)AA型電池。

2009年7月初，在倫敦舉行的WBR士兵技術(shù)會議上，英國政府國防科技試驗室(Dstl)的電源項目專家達倫·布朗寧報告說，駐阿富汗英軍單兵通常會攜帶35～70kg的作戰(zhàn)負載，根據(jù)作戰(zhàn)情況和個人角色，雖然這些負載會有所不同，但在大多數(shù)情況下，電池在其中占很大比例。

報告顯示，一個由33名士兵組成的步兵排執(zhí)行48小時的農(nóng)村地區(qū)巡邏任務(wù)，平均每人電池負載為3.76kg。但就個別而言，步槍手的電池負載最多時會達到11kg，總質(zhì)量比通信員的10.5kg還要多。該步兵排攜帶電池的總質(zhì)量超過了124kg，其中為“弓箭手”超高頻無線電供電的電池占電池總質(zhì)量的39％，為“弓箭手”高頻無線電供電的電池占電池總質(zhì)量的2％，為AN／PRC-117多波段無線電供電的BA 5590電池占電池總質(zhì)量的4％，AAA型、AA型、C型和D型電池組等占電池總質(zhì)量的7％，另有其他電源設(shè)備。

報告還提到，另一個步兵連承擔一項兩小時的城市地區(qū)巡邏任務(wù)，平均每人電池負載達到9.5kg(最高11.5kg)。其中，用于為電子干擾裝備供電的電池質(zhì)量占82％，用于為“弓箭手”高頻無線電供電的電池質(zhì)量占11％，其余7％的質(zhì)量為AAA型、AA型、C型和D型電池。

能源浪費日益嚴重

除了過重的負載外，根據(jù)目前電池的使用情況看，大量電能被浪費的問題正日益嚴重。在2009年士兵技術(shù)會議上，加拿大國防官員對與會者說： “我國士兵在更換電池之前，通常只用電池一半或2／3的能量，干電池也存在同樣的情況?！彼赋?，如果士兵總是丟棄未用完的電池，是否還有必要把14V無線電電池容量從5Ah[1]增加到7.5Ah。

為了更好地使用電池能源，一個可行的辦法是在每個電池里加入“燃油表”，即電量指示器或充電狀態(tài)表，來顯示電池內(nèi)確切的剩余電量。早期的充電狀態(tài)表僅給出一個相對的剩余電量測精值，也就是說，該值顯示的是電量保持的比例。這里存在的問題是，由于使用壽命的影響，電池的充電電量隨著時間加長會漸漸減少，因此這種充電狀態(tài)表并不能準確顯示出剩余電量，結(jié)果造成在士兵決定是否更換電池時，出于謹慎的考慮，他們往往會拋棄未用完的電池。

新一代“健康狀態(tài)” (SOH)表已經(jīng)設(shè)計出來，其可給出電池一個“真正”的電量測量(現(xiàn)存電量和原始設(shè)計電量的關(guān)系)，以及有關(guān)性能和充電次數(shù)等更多的信息。對于充電電池來說，必須確保有一定的剩余電量，以防止造成完全放電而使電池能力難以恢復(fù)。因此SOH表在出廠時會設(shè)置一個最低值。

新型產(chǎn)品不斷問世

大衛(wèi)·哈德菲爾德是英國國防裝備及支援(DES)組織的成員，他在2009年士兵技術(shù)會議上指出，盡管目前個別士兵的載荷達到70kg(或者更大)，軍方計劃將每個士兵攜行裝備的質(zhì)量減到25kg，也就是士兵體重的1／3左右。哈德菲爾德稱，“這將需要所有裝備和技術(shù)都有大幅度改進”。

他指出，當前的軍用電池不僅質(zhì)量過大，種類繁雜，并且可靠性、維修性都很差，同時還需要專門定做充電器。盡管部隊在節(jié)儉方面已做了最大努力，但大量充電電池還是在深度放電之后被丟棄。英國部隊已經(jīng)不得不考慮在無線電上更加廣泛地使用干電池。畢竟一次性干電池不必擔心充電器的問題，而且新型干電池也比原有干電池提升了20％的電池容量。

化學(xué)電池現(xiàn)在可用于小的單個電池(比如AA型電池)，比能量[2]可從70Wh／kg提升到288Wh／kg，電能可從1.6Wh增加至4.9Wh。哈德菲爾德斷言：“如果更重視電源的能量密度問題，未來更小更輕的裝備使用更小更輕的電池將成為可能。”

一些高功率巡邏用電子裝備需要相匹配的大型專業(yè)電池也已經(jīng)有了新發(fā)展。如1998年一個質(zhì)量為2.9kg、電容量為6Ah的電池比能量為50Wh／kg，而2006年一個質(zhì)量為3.58kg、電容最為19Ah的電池比能量為136Wh／kg。雖然付出了電池質(zhì)量增加的代價，由2.9kg變?yōu)?.5kg，但電能及電容量都有了飛躍式增長。目前生產(chǎn)的電池電容量為23Ah，質(zhì)量為3.7kg，比能量160Wh／kg，而2012年渴望達到4kg電池提供30Ah電容量、比能量160Wh／kg的目標。

但是，裝備的運行并不完全取決于電池或電源的表現(xiàn)?，F(xiàn)在電子裝備本身的效率也被視為改善系統(tǒng)性能、減輕系統(tǒng)質(zhì)量的重要途徑。

英國單兵電源計劃新成果

英國國防科技試驗室電源小組對英國國防部要求的所有電源樣式都正在加緊研發(fā)，其中燃料電池和能量收集研究都取得了不少成果。成果之一就是英國國防部當前正在開發(fā)一個單兵電源(PPS)計劃。該計劃目前采用兩科-方案：A方案包含兩個不同的燃料電池系統(tǒng)A1和A2。A1電源由ABSL公司設(shè)計，用于便攜式電子產(chǎn)品和通信裝備，例如與“未來一體化士兵技術(shù)”(FIST)或者“弓箭手”計劃結(jié)合，計劃交付時系統(tǒng)質(zhì)量大約為1kg，工作時長48小時，平均輸出功率7.2W，峰值輸出功率30W。A2電源由QinetiO公司同美國Jadoo公司聯(lián)合設(shè)計，目標是工作時長12小時，平均輸出功率100W，峰值輸出功率150W，質(zhì)量3.6kg。B方案是袋狀鋰電池，能達到1000Wh／kg的比能量。它從空氣中獲取氧氣，可以進行再充電，很可能是一個低功耗解決方案。

加拿大仿生電力公司仿生能源采集器

加拿大進行的研究中，能量采集也是候選的未來能源解決方案之一。加拿大士兵一體化系統(tǒng)項目(ISSP)電源組負責(zé)人安德拉凱提斯博士介紹說，該項目旨在研制一種生物力學(xué)或者仿生學(xué)能源采集器，其采用微型發(fā)電機的形式，依靠一個矯形支架連接到穿戴者的一個或兩個膝蓋。

微型發(fā)電機利用人行走時腿部肌肉的能量來再生電能。借助一系列傳動裝置，每一個膝蓋支架在腳接觸地面之前，協(xié)助膝后肌腱減緩人體動作，同時發(fā)電。該仿生能源采集器的生產(chǎn)廠家——仿生電力公司將這一過程描述為： “不是產(chǎn)生額外的阻力，而是當肌肉減慢肢體動作的時候，幫助肌肉完成動作。”

目前的采集器每個支架質(zhì)量為1.1kg，可以產(chǎn)生4～6w再生電力(持續(xù)運動時為7～9W)。安德拉凱提斯博士稱，未來該設(shè)備質(zhì)量將減少到0.65kg，可以產(chǎn)生6～8W再生電力(持續(xù)運動時為10W，下坡時為10～12W)。

美國Bren-Tronics公司兩款產(chǎn)品

光電器件是另一種公認的個人電源解決方案。在2009年美國士兵技術(shù)展覽會上，Bren-Tronics公司展示了一種62W的BTP-70822-3T太陽能電池板充電器，其通過充電控制器可在4小時內(nèi)為以下裝備充電：AN／PAS-13熱成像武器瞄準鏡(2XBB-2847A／u)的兩塊電池、泰利斯AN／PRC-148和哈里斯AN／PRC-152多波段無線電臺、羅克韋爾PLGR GPS接收器 (2XBB-2800／U)或者泰勒斯·索菲手持式目標搜索定位儀(2塊BT-70492A鋰離子電池)。

除了太陽能電池板充電器外，為了減少在使用過程中電池能量的浪費，Bren-Tronics公司還開發(fā)了BTA-70768“除垢”線，可清除BA-5590／U蓄電池剩余的電量，并將其傳輸?shù)娇沙潆婋姵刂小?/p>

英國ABSL公司多款新產(chǎn)品

作為“弓箭手”電臺所用電池的主承包商，ABSL公司在已有經(jīng)驗的-基礎(chǔ)上進行了新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)。其中最新成果包括x 590混合金屬氧化物(MMO)袋狀電池，它是BB-25906.5Ah可充電電池的改進版本，適用于哈里斯AN／PRC25電臺。它比傳統(tǒng)D型電池有更高的空間利用率。據(jù)稱在電池容量方面，該電池可整體提高90％(11Ah)。

2009年7月初，ABSL公司稱，最早的混合金屬氧化物袋狀電池10個樣機已經(jīng)成功經(jīng)歷了200次充電周期的測試。第一批產(chǎn)品可在12個月內(nèi)完成。

與此同時，ABSL公司也改進了為“弓箭手”UK／PRC354手提式超高頻收發(fā)器供電的Mk3 14.4V電池，電容量從5Ah增加到了7.5Ah，而且，用于該電池的“真正”SOH表也一直在研發(fā)之中，該電量表使用交通燈的綠色／黃色／紅色來顯示電池的健康狀態(tài)。

能量采集技術(shù)也受到ABSL公司的關(guān)注，美國Powerfilm公司為該公司生產(chǎn)的便攜式可折疊太陽能電池板充電器樣機當前正在阿富汗進行試驗。據(jù)稱，這種充電器不僅晴天可以正常運轉(zhuǎn)，雨天也可以，它提供1.8A電流輸出，功率比ABSL公司生產(chǎn)的標準“弓箭手”直流充電器(輸出1.6A／30W)還高。

ABSL公司還推出了士兵便攜式充電器(SPC)，質(zhì)量為490g，能在兩小時內(nèi)為一節(jié)8Ah電池充電。SPC可通過連接器插入車輛儀表板直流電源，也可通過附加裝置從半放電狀態(tài)的BA-5590或者AA型電池內(nèi)提取能量。

另外，ABSL公司還針對英國國防部的一項要求提出了HPSl 5混合電源。該電源中有兩種電池，一種是利用甲醇為燃料的超級電池(UltraCell)；另一利，是鋰電池。甲醇燃料電池工作時，HPS15混合電池只有25～45分貝的噪聲。HPS15電源的運行時間是48小時，運行功率為7.2W(峰值功率30W)，額定電壓14.4V。一個HPSl5混合電源質(zhì)量1.6kg(包括它的346Wh燃料元件)，其工作時長相當于8個質(zhì)量為8kg的5Ah“弓箭手”電源。

德國SFC公司“詹妮”600S燃料電池系統(tǒng)

德國陸軍已經(jīng)使用SFC智能燃料電池公司的“艾米麗” (Emily)電源作為車輛鉛酸電池的補充手段，供車載無線電設(shè)備和傳感器在靜默狀態(tài)下使用。

SFC公司現(xiàn)在提出了更小的“詹妮”6008手提式燃料電池系統(tǒng)，該產(chǎn)品由該公司與美國Bren Tronics公司聯(lián)合開發(fā)，尺寸252×171×74mm，質(zhì)量1.7kg，有兩種類型，其中常規(guī)型的使用溫度為-20～+35℃；沙漠型適合的使用溫度為+10～+55℃。常規(guī)型(400Wh能量)和沙漠型(285Wh能量)在25W輸出功率時的使用時間分別是16小時和11小時。

“詹妮”6008能為許多電子裝備供電，例如數(shù)字通信和導(dǎo)航系統(tǒng)、計算機和激光跟蹤裝置、遠程傳感器、攝像機和測量設(shè)備，并同時與SFC公司質(zhì)量為0.8kg的電源管理器一起工作。后者能夠為任何一種電池充電，并能夠自動調(diào)節(jié)電池的輸出電壓，達到正在充電設(shè)備的電壓要求。SFC公司估計，兩個設(shè)備一起使用使減少電池系統(tǒng)的質(zhì)量成為可能，以士兵承擔一次72小時的戰(zhàn)斗任務(wù)為例，所需電池質(zhì)量可減少至70％。

美國Protonex公司兩款電源管理器

美國Protonex公司提供兩種不同尺寸的電源管理器，其中尺寸較大的BPM-602“空戰(zhàn)”(BAO)電源管理器是美國空軍特種作戰(zhàn)司令部BAO工具包的一部分，用于聯(lián)合終端攻擊控制器。其質(zhì)量為0.56kg，能夠接收從太陽能電池板充電器、標準的軍用電池、12V的車載電源和24V北約適配器，或者燃料電池的電能輸入，為AN／PRC 117多波段電臺及筆記本電腦的高能電池供電。其使用溫度范圍是-40～+60℃，配有4～34V直流轉(zhuǎn)換端口(最大電流10A)，兩個10～24V直流輸出端口(每個口最大電流5A)，有3個12～34V直流輸入或輸出端口(每個端口最大電流20A)。

Protonex公司的SPM 611／612士兵穿戴式電源管理器的尺寸為35×106×61mm，質(zhì)量0.41kg，有6路輸入／輸出端口，通常能夠管理l～2塊BB 2590可充電電池，這些電池可為夜視儀、BB-2590DAGR GPS接收器和兩臺無線電臺(例如手提式多波段AN／PRC-148電臺，背負式AN／PRC-119電臺)供電。

在固定狀態(tài)下，10個SPM-611／612士兵穿戴式電源管理器可以通過環(huán)狀連接的方式分享從太陽能電池板充電器、交流電源適配器或者Protonex M250CX便攜式電池充電器和輔助電能裝置輸入的電能。一個設(shè)備能夠同時管理兩個BB-2590、Li-80或者Li-90電池的充電，也可用于鎳氫、鎳鎘或者鋰離子AA型電池的充電。

編輯 劉蘭芳

注：[1]Ah(安時)，反映電池容量大小的一個指標，其定義是按規(guī)定的電流進行放電的時間。相同電壓的電池，安時數(shù)大的容量大；相同安時數(shù)的電池，電壓高的容量大。通常以電壓和安時數(shù)共同表示電池的容量，如12V／7AH，12V／24AH、12V／65AH、12V／100AH。

[2]比能量是指電池單位質(zhì)量或體積所能輸出的電能，單位分別是Wh／kg或Wh／L。比能量有理論比能量和實際比能量之分。由于各種因素的影響，電池的實際比能量遠小于理論比能量。