战术边缘充电的新途径
2022-02-23 11:30:17
来源：国防科技要闻
导语
近年来，步兵排级部队可使用的电子产品数量和范围急剧增加，其中单兵设备包括个人无线电、GPS、计算机、夜视仪和数字瞄准镜等，排级装备包括电子对抗设备、无人地面车辆和小型无人机等。图像、视频和数据的传输需要更长的时间，用电功率随之大幅增加，尽管商业领域的部分储/充电技术和设备被引入作战前线，但依旧无法弥补战场上迫在眉睫的“电能缺口”。当前，各国作战部队都在寻求新技术和新方案来解决未来战场上作战部队的电能需求。
01 迫在眉睫的“电能缺口”
在2021年6月举行的“SMi未来综合士兵技术”视频会议上，美军士兵计划执行办公室负责人安东尼·波茨少将称，“电能是未来战场上单兵致命的弱点，电力问题需要被重视。美军需要减少消耗，改进存储，使用智能电源管理来延长现有电源的使用寿命，并开发更多的发电和转换解决方案”。例如，美军在为士兵引入新装备时发现了存在的电能缺口，目前计算的72小时任务（包括“奈特勇士”士兵指挥控制系统）的排级用电需求为19.5千瓦时，新增加的增强版夜视镜-双筒(ENVG-B)和武器瞄准具系列( FWS-I )将需求增加到约31.5千瓦时，而随着集成视觉增强系统(IVAS)的到来，用电需求将超过45千瓦时。
02 新的电池技术
在“SMi未来综合士兵技术”视频会议上，英国国防科学与技术实验室的电力高级技术负责人达伦·布朗宁表示，当前，大量的研究正致力于研发未来的电池技术和下一代锂离子电池，而作为电池的三个主要构成元素：阳极、阴极和电解质，是这项研究的重点。他指出，高镍含量和高硫磺阴极是未来可探索的途径，从理论上讲，这种电池可以提供比储存锂离子的石墨阳极电池容量大10倍的电池容量，但是由于材料和成本的因素，需要在电池容量和功率之间以及放电率和循环寿命之间进行权衡。
美国陆军“保形可穿戴电池”（CWB）
1.美陆军正在升级薄而灵活的“保形可穿戴电池”，以提高其容量，目前版本的容量为150瓦时，额定电压为14.8伏。下一个版本的“保形可穿戴电池”容量将高达200瓦时，长期目标是实现容量至少为300瓦时 。
2.美军小型战术通用电池，由八块不同尺寸的电池组成，具有通用的机械和电气接口，以及八种不同的连接方式（滑入、夹入和旋入），以不同方式使用电池。
3.奎奈蒂克（英国国防科技公司）也在开发新的电池技术，包括锂氟化碳电池，以及带有薄离子电池的柔性电池，该型电池厚度仅为0.5毫米，可以制成各种尺寸，并且可以嵌入到复合板等物体中。此外，奎奈蒂克还与合作伙伴合作开发可在三分钟内充电至90%的锂离子电池。
03 电能规划与管理
解决战术电力供应挑战的核心是规划和管理，无论是在更广泛的后勤意义上还是降低损坏方面。对于美国陆军来说，这意味着每个设备开发人员都面临着提高能源效率的挑战。例如，随着IVAS发展的每一次迭代，功耗都有所下降。为了协助士兵对能源消耗进行管理，单个设备将被集成到单一的系统中，该系统具有单一的能源，可以通过一个电源和数据集线器进行管理。商业层面已经有许多此类产品，如：
“灵活士兵中心”（FiSH）智能集线器
1.泰雷兹公司研制的“灵活士兵中心”（FiSH）智能集线器，该型智能集线器配有七个USB 2.0电源和数据端口，还有两个专用的电池充电端口。可实现10-20V的电源输入/输出，符合美国陆军为“奈特勇士”士兵指挥控制系统架构采办的标准。
2.黑钻先进技术公司（BDATech）为美军提供的APEx 集线器，可为包括无线电在内的外置设备提供四个USB 3.1电源和数据端口、一个专用电源和数据最终用户设备端口以及一个专用电源输入端口。APEx配置应用程序（APECon）电源管理软件（Windows或Android）托管在终端用户设备上。用户可以启用或禁用端口电源、识别特定电缆、打开或关闭设备以及检查电池状态。BDATech公司还研制了一款“战士力量收割者”附加设备，使用户能够为系统电池充电，同时为两端口或四端口集线器系统供电。它包括电源和数据输入和输出端口，以及一个独立的电源清除器端口，可根据可用性连接到各种电源，提供灵活的充电选项。
3.Galvion公司为美国陆军供应其“Squad Power Manager 662”电源管理器。据该公司称，这款重454克的六端口设备可以收集电力、运行设备、管理能源，并同时为5块电池充电；可自动分析连接的设备和能源，并根据需要收集或传输电力；装配的液晶显示屏，可显示电池状态，便于士兵控制。
为英国国防部提供发电能力的ZeroAlpha Solutions 公司(ZAS)负责人斯图尔特•伯顿表示，电池技术趋势集中在两个领域——储能和充电。虽然增加电池容量有助于缓解在一定时间内有足够电力可用的问题，但电池容量越大，充电所需的时间就越长，除非可以通过更快的充电来完成。
在美军排级作战部队，大多数电池充电依靠大功率汽/柴油发电机，美国陆军装备有商用的1千瓦发电机，2千瓦版本正在开发中。此外，美军下一代通用电池充电器(UBC-Lite)，将作为通用电池充电器的补充，它能够为多种军用电池类型充电，包括保形可穿戴电池、标准BB-2590和多种无线电设备电池充电。
然而，上述方法面临几个挑战。一是批量充电需要一个再供应系统，将需要至少两组电池，以确保在士兵需要时始终可以使用充满电的一组电池。二是即使采取缓解措施，传统燃料发电机排放和噪声污染的缺点也尤为凸显，且需要定期供应燃料，后勤负担较重。
04 传统燃料替代能源
当前，美军正在寻求可替代传统能源的发电机，一是太阳能毯。用于电池充电的太阳能毯技术已非常成熟，并且在战术允许的情况下提供了极好的能源。然而，太阳能毯的缺点也极为明显，在丛林环境，以及在日光短暂的高纬度地区无法保证充足的电源。二是氢/甲醇燃料电池。根据美国能源部的数据，氢/甲醇燃料电池通过与氧气的化学反应工作，并将燃料中的化学能直接转化为电能，效率超过60% 。目前提供最优军事解决方案的是通过甲醇燃料发电。与传统的燃料（柴/汽油）发电机相比，甲醇燃料电池污染近乎为零，且没有明显的噪声。
使用 SFC Emily 3000 甲醇燃料电池和太阳能毯为无人机充电
英国陆军标准的2千瓦发电机持续运行，每小时消耗大约1升燃料。一个标准的油桶可容纳20.5升，在72小时内，这将需要近四桶燃料，单个发电机供电的后勤负担重，且噪声极大。
由德国SFC Energy公司研发的Emily 3000军用全自动便携式燃料电池，重12.5千克（不包含燃料盒），10升甲醇燃料可运行时间为88小时，每天3000瓦时，并配有一个智能充电系统，在充电完成时停止充电，智能系统还可以检测正在充电的电池的化学成分（锂或铅酸）。
带有0.35 毫升甲醇盒的SFC Jenny 600 型燃料电池重约1.6 千克，充电容量为600瓦时/天，可为BB2590电池充电
美专家建议前线士兵可携带两块“保形可穿戴电池”，一块为士兵的装备供电，另一块由士兵背包中的燃料电池充电。一旦可穿戴电池耗尽，士兵就可以更换充电电池，每个燃料盒的能量等效于四块可穿戴的电池，将显着减轻士兵负重并延长作战时间。这一概念减少了对大型充电基础设施的需求，目前不仅每个梯队都需要一个电池充电器，还需要一个便携式发电机或太阳能电池板，这两者都有严重的局限性。目前，氢/甲醇燃料电池燃料电池已在德国、印度和瑞士军队服役。例如，印度用它们为与巴基斯坦接壤的远程观察站供电，以及电动无人机等，大幅延长更换电池间隔。
05 整体解决方案
电力能源维持解决方案必须从整体上解决。军事行动思维过程的一部分应该是制定能源维持计划，将电力能源视为与其他作战物资一样的关键消耗品。ZAS公司负责人伯顿建议采取混合解决方案，并指出ZAS提供的太阳能和甲醇燃料组合电池系统重27千克，远低于普通发电机的重量。2020年，英国作战部队在ZAS的支持下部署到非洲，在没有发电机的情况下，使用2590型电池运行了六周时间。北约盟军快速反应部队（ARRC）正在进行一项为期五年的项目，旨在通过使用混合发电机和非柴油解决方案来最大限度地有效利用电力，降低排放和噪声。该项目的最新一轮实验是2021年11月的“Loyal Leda”演习，其中包括使用来自Intracom Defense (IDE)公司的混合发电机，该发电机具有光伏发电（太阳能）能力。
Emily 甲醇燃料电池为英国陆军通信车辆供电
06 电动汽车
车辆电气化和减排正逐步推向军事市场，从中期来看，由于缺乏充电基础设施，纯电动汽车不太可能进入战场，但混合动力汽车存在一定的可行性。奎奈蒂克公司开发了军用轮式和履带式车辆的混合动力电力驱动系统，包括电动轮毂驱动和电力传动系统。2021年11 月，奎奈蒂克宣布已与美国通用汽车公司达成合作协议，以开发高机动性多用途轮式车辆（HMMWV）的混动版车型。
奥什科什(Oshkosh)于2022年初推出了其 JLTV 的混合动力版本
奥什科什防务公司在2022年1月份宣布，它已开发出一种混合动力电动联合轻型战术车辆（eJLTV）。该公司称，混合动力设计将燃油经济性提高了20%以上，电池容量为30kWh（可扩大），输出功率高达115kW。
07 总结
随着各国军事力量现代化，电能供应和维持是战场边缘作战人员面临的重大挑战之一，电能缺口显然是真正值得关注的问题。未来，通过改进电池技术和寻找替代发电燃料，将缓解战场上存在的电能缺口。此外，解决战场电力能源供应不应只依赖先进的技术解决方案，还需要指挥官和后勤保障人员改变思维方式，将电能源视为与弹药、燃料、口粮和水同等重要的战斗物质来储备，将电能维持规划作为任务准备的重要组成部分，是为长期解决方案。
