戰術邊緣充電的新途徑
2022-02-23 11:30:17
來源：國防科技要聞
導語
近年來，步兵排級部隊可使用的電子產品數量和范圍急劇增加，其中單兵設備包括個人無線電、GPS、計算機、夜視儀和數字瞄準鏡等，排級裝備包括電子對抗設備、無人地面車輛和小型無人機等。圖像、視頻和數據的傳輸需要更長的時間，用電功率隨之大幅增加，盡管商業領域的部分儲/充電技術和設備被引入作戰前線，但依舊無法彌補戰場上迫在眉睫的“電能缺口”。當前，各國作戰部隊都在尋求新技術和新方案來解決未來戰場上作戰部隊的電能需求。
01 迫在眉睫的“電能缺口”
在2021年6月舉行的“SMi未來綜合士兵技術”視頻會議上，美軍士兵計劃執行辦公室負責人安東尼·波茨少將稱，“電能是未來戰場上單兵致命的弱點，電力問題需要被重視。美軍需要減少消耗，改進存儲，使用智能電源管理來延長現有電源的使用壽命，并開發更多的發電和轉換解決方案”。例如，美軍在為士兵引入新裝備時發現了存在的電能缺口，目前計算的72小時任務（包括“奈特勇士”士兵指揮控制系統）的排級用電需求為19.5千瓦時，新增加的增強版夜視鏡-雙筒(ENVG-B)和武器瞄準具系列( FWS-I )將需求增加到約31.5千瓦時，而隨著集成視覺增強系統(IVAS)的到來，用電需求將超過45千瓦時。
02 新的電池技術
在“SMi未來綜合士兵技術”視頻會議上，英國國防科學與技術實驗室的電力高級技術負責人達倫·布朗寧表示，當前，大量的研究正致力于研發未來的電池技術和下一代鋰離子電池，而作為電池的三個主要構成元素：陽極、陰極和電解質，是這項研究的重點。他指出，高鎳含量和高硫磺陰極是未來可探索的途徑，從理論上講，這種電池可以提供比儲存鋰離子的石墨陽極電池容量大10倍的電池容量，但是由于材料和成本的因素，需要在電池容量和功率之間以及放電率和循環壽命之間進行權衡。
美國陸軍“保形可穿戴電池”（CWB）
1.美陸軍正在升級薄而靈活的“保形可穿戴電池”，以提高其容量，目前版本的容量為150瓦時，額定電壓為14.8伏。下一個版本的“保形可穿戴電池”容量將高達200瓦時，長期目標是實現容量至少為300瓦時 。
2.美軍小型戰術通用電池，由八塊不同尺寸的電池組成，具有通用的機械和電氣接口，以及八種不同的連接方式（滑入、夾入和旋入），以不同方式使用電池。
3.奎奈蒂克（英國國防科技公司）也在開發新的電池技術，包括鋰氟化碳電池，以及帶有薄離子電池的柔性電池，該型電池厚度僅為0.5毫米，可以制成各種尺寸，并且可以嵌入到復合板等物體中。此外，奎奈蒂克還與合作伙伴合作開發可在三分鐘內充電至90%的鋰離子電池。
03 電能規劃與管理
解決戰術電力供應挑戰的核心是規劃和管理，無論是在更廣泛的后勤意義上還是降低損壞方面。對于美國陸軍來說，這意味著每個設備開發人員都面臨著提高能源效率的挑戰。例如，隨著IVAS發展的每一次迭代，功耗都有所下降。為了協助士兵對能源消耗進行管理，單個設備將被集成到單一的系統中，該系統具有單一的能源，可以通過一個電源和數據集線器進行管理。商業層面已經有許多此類產品，如：
“靈活士兵中心”（FiSH）智能集線器
1.泰雷茲公司研制的“靈活士兵中心”（FiSH）智能集線器，該型智能集線器配有七個USB 2.0電源和數據端口，還有兩個專用的電池充電端口。可實現10-20V的電源輸入/輸出，符合美國陸軍為“奈特勇士”士兵指揮控制系統架構采辦的標準。
2.黑鉆先進技術公司（BDATech）為美軍提供的APEx 集線器，可為包括無線電在內的外置設備提供四個USB 3.1電源和數據端口、一個專用電源和數據最終用戶設備端口以及一個專用電源輸入端口。APEx配置應用程序（APECon）電源管理軟件（Windows或Android）托管在終端用戶設備上。用戶可以啟用或禁用端口電源、識別特定電纜、打開或關閉設備以及檢查電池狀態。BDATech公司還研制了一款“戰士力量收割者”附加設備，使用戶能夠為系統電池充電，同時為兩端口或四端口集線器系統供電。它包括電源和數據輸入和輸出端口，以及一個獨立的電源清除器端口，可根據可用性連接到各種電源，提供靈活的充電選項。
3.Galvion公司為美國陸軍供應其“Squad Power Manager 662”電源管理器。據該公司稱，這款重454克的六端口設備可以收集電力、運行設備、管理能源，并同時為5塊電池充電；可自動分析連接的設備和能源，并根據需要收集或傳輸電力；裝配的液晶顯示屏，可顯示電池狀態，便于士兵控制。
為英國國防部提供發電能力的ZeroAlpha Solutions 公司(ZAS)負責人斯圖爾特•伯頓表示，電池技術趨勢集中在兩個領域——儲能和充電。雖然增加電池容量有助于緩解在一定時間內有足夠電力可用的問題，但電池容量越大，充電所需的時間就越長，除非可以通過更快的充電來完成。
在美軍排級作戰部隊，大多數電池充電依靠大功率汽/柴油發電機，美國陸軍裝備有商用的1千瓦發電機，2千瓦版本正在開發中。此外，美軍下一代通用電池充電器(UBC-Lite)，將作為通用電池充電器的補充，它能夠為多種軍用電池類型充電，包括保形可穿戴電池、標準BB-2590和多種無線電設備電池充電。
然而，上述方法面臨幾個挑戰。一是批量充電需要一個再供應系統，將需要至少兩組電池，以確保在士兵需要時始終可以使用充滿電的一組電池。二是即使采取緩解措施，傳統燃料發電機排放和噪聲污染的缺點也尤為凸顯，且需要定期供應燃料，后勤負擔較重。
04 傳統燃料替代能源
當前，美軍正在尋求可替代傳統能源的發電機，一是太陽能毯。用于電池充電的太陽能毯技術已非常成熟，并且在戰術允許的情況下提供了極好的能源。然而，太陽能毯的缺點也極為明顯，在叢林環境，以及在日光短暫的高緯度地區無法保證充足的電源。二是氫/甲醇燃料電池。根據美國能源部的數據，氫/甲醇燃料電池通過與氧氣的化學反應工作，并將燃料中的化學能直接轉化為電能，效率超過60% 。目前提供最優軍事解決方案的是通過甲醇燃料發電。與傳統的燃料（柴/汽油）發電機相比，甲醇燃料電池污染近乎為零，且沒有明顯的噪聲。
使用 SFC Emily 3000 甲醇燃料電池和太陽能毯為無人機充電
英國陸軍標準的2千瓦發電機持續運行，每小時消耗大約1升燃料。一個標準的油桶可容納20.5升，在72小時內，這將需要近四桶燃料，單個發電機供電的后勤負擔重，且噪聲極大。
由德國SFC Energy公司研發的Emily 3000軍用全自動便攜式燃料電池，重12.5千克（不包含燃料盒），10升甲醇燃料可運行時間為88小時，每天3000瓦時，并配有一個智能充電系統，在充電完成時停止充電，智能系統還可以檢測正在充電的電池的化學成分（鋰或鉛酸）。
帶有0.35 毫升甲醇盒的SFC Jenny 600 型燃料電池重約1.6 千克，充電容量為600瓦時/天，可為BB2590電池充電
美專家建議前線士兵可攜帶兩塊“保形可穿戴電池”，一塊為士兵的裝備供電，另一塊由士兵背包中的燃料電池充電。一旦可穿戴電池耗盡，士兵就可以更換充電電池，每個燃料盒的能量等效于四塊可穿戴的電池，將顯著減輕士兵負重并延長作戰時間。這一概念減少了對大型充電基礎設施的需求，目前不僅每個梯隊都需要一個電池充電器，還需要一個便攜式發電機或太陽能電池板，這兩者都有嚴重的局限性。目前，氫/甲醇燃料電池燃料電池已在德國、印度和瑞士軍隊服役。例如，印度用它們為與巴基斯坦接壤的遠程觀察站供電，以及電動無人機等，大幅延長更換電池間隔。
05 整體解決方案
電力能源維持解決方案必須從整體上解決。軍事行動思維過程的一部分應該是制定能源維持計劃，將電力能源視為與其他作戰物資一樣的關鍵消耗品。ZAS公司負責人伯頓建議采取混合解決方案，并指出ZAS提供的太陽能和甲醇燃料組合電池系統重27千克，遠低于普通發電機的重量。2020年，英國作戰部隊在ZAS的支持下部署到非洲，在沒有發電機的情況下，使用2590型電池運行了六周時間。北約盟軍快速反應部隊（ARRC）正在進行一項為期五年的項目，旨在通過使用混合發電機和非柴油解決方案來最大限度地有效利用電力，降低排放和噪聲。該項目的最新一輪實驗是2021年11月的“Loyal Leda”演習，其中包括使用來自Intracom Defense (IDE)公司的混合發電機，該發電機具有光伏發電（太陽能）能力。
Emily 甲醇燃料電池為英國陸軍通信車輛供電
06 電動汽車
車輛電氣化和減排正逐步推向軍事市場，從中期來看，由于缺乏充電基礎設施，純電動汽車不太可能進入戰場，但混合動力汽車存在一定的可行性。奎奈蒂克公司開發了軍用輪式和履帶式車輛的混合動力電力驅動系統，包括電動輪轂驅動和電力傳動系統。2021年11 月，奎奈蒂克宣布已與美國通用汽車公司達成合作協議，以開發高機動性多用途輪式車輛（HMMWV）的混動版車型。
奧什科什(Oshkosh)于2022年初推出了其 JLTV 的混合動力版本
奧什科什防務公司在2022年1月份宣布，它已開發出一種混合動力電動聯合輕型戰術車輛（eJLTV）。該公司稱，混合動力設計將燃油經濟性提高了20%以上，電池容量為30kWh（可擴大），輸出功率高達115kW。
07 總結
隨著各國軍事力量現代化，電能供應和維持是戰場邊緣作戰人員面臨的重大挑戰之一，電能缺口顯然是真正值得關注的問題。未來，通過改進電池技術和尋找替代發電燃料，將緩解戰場上存在的電能缺口。此外，解決戰場電力能源供應不應只依賴先進的技術解決方案，還需要指揮官和后勤保障人員改變思維方式，將電能源視為與彈藥、燃料、口糧和水同等重要的戰斗物質來儲備，將電能維持規劃作為任務準備的重要組成部分，是為長期解決方案。
