单兵班组供电保障装备建设发展研究

于广洲，单文龙，鲁文涛，贾晓磊，潘云剑

(1.中国人民解放军63936 部队，北京 102202；2.中国人民解放军32178 部队，北京 100012)

伴随着信息化、无人化、智能化装备大幅提升单兵班组作战效能，供电保障能力逐渐成为制约单兵班组作战能力生成的瓶颈。单兵班组供电保障装备涉及到化学电池等储能技术，燃料电池、便携式油机、太阳电池等发电技术，以及配电管理技术等；近年来，国内外持开展此方向技术军事应用研究。本文以当前及未来一段时间内单兵班组的用电需求为起点，通过构建单兵班组供电保障装备技术体系，结合新技术应用等开展研究，提出了建设方案，并对下一步研究进行了展望。

1 军事需求

当前，供电保障装备已成为单兵班组信息化条件下作战的基本保障。单兵班组供电保障装备大量配发部队，已成为战术末端供电保障的重要组成部分。一直以来，国内外都将供电保障作为单兵班组发展的重要方向。

近年来，士兵系统等快速发展不断推动单兵班组供电保障装备建设。美、俄等世界军事强国紧密部署未来士兵系统规划，特别是发展便携式无人系统成为强国提升士兵系统作战能力共识。此外，美军“班组X”持续推动机器人、自主系统、人工智能在班组中融合应用[1]。可以预见，随着无人系统引入班组，有人无人协同作战将成为战术末端重要作战样式，战术末端作战力量结构将发生深刻变革。鉴于上述发展趋势，单兵班组用电需求大幅增加。结合班组作战样式及作战力量结构的变革，当前及未来一段时间内单兵班组供电保障需求包括高效携电、战场发电、安全供电、灵活配电、装备其他共性要求等。

1.1 高效携电

单兵班组应高效携带即取即用的电能，至少满足72 h 战斗任务需要。单兵携行能力有限，战斗负荷为其体重的30%，携行方式主要为穿戴携行；班组可依托伴随式有人、无人平台(主要依托地面平台)携运备用电能。鉴于此，在单兵层面，需要充分利用士兵的有限携行能力，在不增加战斗负荷的基础上提升携带的即取即用电能；在班组层面，应结合伴随式有人、无人平台(主要依托地面平台)携带即取即用电能，通过更换单兵系统电池、班组装备配套电池等方式，实现能源伴随式快速续航补给。

1.2 战场发电

士兵除携带即取即用电能外，还需要采用燃料、太阳能等多种形式的能源在战场发电。为隐蔽作战意图，发电时应尽量减少光学、红外、声学特征等。鉴于此，在单兵层面，应实现单兵携行状态下低特征发电；在班组层面，依托部分伴随式有人、无人平台(主要依托地面平台)搭载较大功率等级的低特征发电装备，对班组用电装备续航供电，必要时为临时指挥节点等大功率用电节点或装备提供供电保障。此外，为隐蔽作战意图，伴随式有人、无人平台应具备电驱动机动能力。

1.3 安全供电

鉴于士兵往往通过穿戴等方式携带电能源，应避免执行战术动作(冲击等)影响下电能源燃爆风险，以及电能源在枪击、破片击穿下发生燃爆造成的二次伤害。应通过安全性设计，尽量减少易燃、易爆、有毒或强腐蚀性燃料或副产物等带来的安全隐患。

1.4 灵活配电

鉴于单兵班组装备多，用电装备电压等级、功率需求不同，单兵班组供电保障装备应具备自动适配能力，使单兵班组能够相互取用电，以及从上级灵活取电；充电方式应满足行军和作战快速转换要求。

1.5 装备其他共性要求

单兵班组供电保障装备应具备装备的共有属性。极端环境下供电是军用电能源作为装备的固有特性，是区别于民用电池的显著特征；此外，应具备乘车机动、徒步机动等环境下可靠工作的能力，以及支持依托车辆、船(艇)、直升机、运输机等各类平台实现投送补给。

2 技术体制

单兵班组供电保障装备技术主要分为储能技术、发电技术和配电管理技术。单兵班组主要依托储能技术实现高效携带即取即用的电能，采用发电技术在战场上发电以满足长时间任务需要，采用配电管理技术实现灵活配电。对照美军现役和在研单兵班组供电保障装备，其技术体系如图1 所示。

图1 单兵班组供电保障装备技术体系

3 应用现状及发展趋势分析

对照图1 所示技术体系，按照储能技术、发电技术、配电管理技术等，梳理美军单兵班组供电保障装备应用现状，并分析未来发展趋势。

3.1 储能技术

美军长期以来使用一次和二次化学电池作为单兵班组储能手段。锂一次电池主要有BA-5590 锂二氧化硫电池、BA-5390锂二氧化锰电池、半尺寸BA-5590 锂氟化碳电池等；其中半尺寸BA-5590 锂氟化碳电池比能量最高，约为360 Wh/kg。锂二次电池主要有CWB150 共形可穿戴锂离子电池、BB-2590 锂离子电池、Li-145 锂离子电池等，比能量约为125～186 Wh/kg。基于CWB150 共形可穿戴锂离子电池，2019 年美军制备硅负极锂离子电池样机(减重29%)；2020 年，该电池用于为集成视觉增强系统(Integrated Visual Augmentation System)供电。此外，美军还设计新型电解质实现电池安全、防弹性能提升。图2 所示为美军可穿戴储能电池。

图2 美军可穿戴储能电池

美军单兵储能电池发展呈现以下特征：(1)集中式+分布式组合储能。集中式储能即依托共形可穿戴电池为士兵系统集中供电；分布式储能即士兵系统用电装备(如电台、夜视仪、终端等)配套电池，可支持装备短时间内独立工作。(2)重视利用单兵携行能力。在确保安全的前提下，不断采用各种新材料和新工艺制备高能量密度的电池，高效利用士兵携行质量。采用共形结构贴合人体，减少对单兵执行战术动作的影响；提升电池对士兵系统的附加能力(如将电池设计具备防手枪弹的功能)，高效利用士兵携行体积。(3)一次和二次电池并重。一次电池携电能力高，但不具备充电能力，且美军在实战中暴露出一次电池浪费严重等问题；二次电池携电能力较一次电池低，但可使用战场车辆直流电源、燃料电池、太阳电池、士兵动能等进行能源补给。两者按照作战用电需求灵活配置。此外，鉴于单兵储能电池可与伴随作战的微小型无人系统电池共用的需求，具有标准接口的、可组合使用的模块化电池是未来发展趋势。

3.2 发电技术

当前美军主要采用燃料电池、太阳电池等实现单兵班组战场发电，不断提高动能发电对士兵长时间任务的能源补给能力。

3.2.1 燃料电池

百瓦级以下燃料电池方面，美军自2004 年至今主要发展了XX25、XX55 等甲醇重整燃料电池，采购了德国JENNY 600S、JENNY 1200 直接甲醇燃料电池。如图3 所示，JENNY 1200 直接甲醇燃料电池额定功率为50 W，在100 h 工作条件下可发电5 kWh，系统质量仅7.7 kg；而满足相同容量储能要求，却需要30.8 kg 的BB-2590 锂离子电池。此外，2017 年美国加州大学圣地亚哥分校开发了一款柔性生物燃料电池(图4)，通过氧化人类汗液中的乳酸产生电流，可驱动小型电子设备运行；但其存在电极退化、汗液乳酸浓度稀释影响发电等问题，目前尚不具备实用条件。

图3 JENNY 1200直接甲醇燃料电池

图4 美国加州大学柔性生物燃料电池

百瓦级燃料电池方面，美军不断攻关便携式百瓦级燃料电池用于为无人平台、先进ISR 系统供电，以及为单兵电池充电等，逐渐具备远征作战隐蔽供电保障能力。目前已经研制出D350 便携式陶瓷燃料电池(图5)，质量5.1 kg，功率350 W，可使用多种燃料，5.8 kg 丙烷可产生13 kWh 电能，噪声60 dB(A)，工作温度-20～55 ℃，工作时长600 h。

图5 美军便携式燃料电池D350

在千瓦级燃料电池方面，美国通用汽车公司开发了Hydrotec 燃料电池用于SURUS 4×4 多用途机动平台(图6)和雪佛兰品牌的ZH2 皮卡，并于2018 年向美国陆军坦克机动车辆司令部推荐了上述两型车辆[2]。

图6 SURUS 4×4多用途机动平台

燃料电池已形成单兵-班组-连排供电保障链路，作为可替代能源，可有效缓解美军对传统能源的依赖。美军单兵班组燃料电池发展呈现以下特征：(1)隐蔽高效供电是燃料电池军事应用的重要方向。针对目前仍以内燃机为主要动力的情况，燃料电池成熟应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诺循环限制；另一方面，可大幅降低噪声、红外特征和黑烟光学特征，隐蔽作战意图，并提高用电单元战场生存性。(2)多元化燃料供应是发展方向。美国陆军当前发电主要依赖柴油以及JP-8 通用航空煤油等传统油料，燃料电池的发展使美军初步形成了甲醇供电的保障链条；此外，不断发展可兼容军用JP-8 燃料以及民用丙烷、天然气等燃料的电池技术，使得战场能源保障更加灵活方便。

3.2.2 太阳电池

美军已使用的太阳电池(图7)主要有62 W REPPS 增强型背包便携式电源系统、90 W 可折叠非晶硅太阳电池、200 W非晶硅太阳能帐篷等，其中90 W 可折叠非晶硅太阳电池的质量为2.27 kg。虽然太阳电池具备可再生发电能力，有助于减少后勤补给负担，但其光学和红外特征明显，容易被无人机等侦察装备探测进而暴露作战意图，使用环境严重受限。其发展趋势为：(1)进一步提升光伏组件的发电效率、弱光发电能力；(2)面向单兵班组一体化设计，在结构上具备柔性特征，图案上与士兵系统保持一致；(3)降低太阳能光伏组件的价格，使其具备大量配发的基础，根据需要规模形成可再生能源保障。

图7 美军太阳电池(组)

3.3 穿戴式动能发电装置

士兵运动本身就是一种能源。在72 h 的任务中，大量携带电池会影响士兵行军速度，最终影响任务效率。鉴于此，加拿大仿生动力公司开发了Power Walk 可穿戴动能发电系统(图8)，可在士兵行军过程中将动能转换为电能，为士兵携带的电池充电，减少了携行电池的质量，降低了士兵后勤补给的挑战。该系统质量为1.1 kg，在士兵正常行军条件下发电功率为10～12 W，负重下山时发电功率达20 W。下一步系统的目标是质量不超过0.9 kg。美国陆军和海军陆战队计划测试该系统的效费情况。其发展趋势为：引进新材料，在不降低发电效率的基础上降低质量；与士兵系统集成，降低携行承载负荷对腿部的压力；与外骨骼集成设计，实现能量获取以及驱动外骨骼对外做功。

图8 可穿戴动能发电系统

3.4 配电管理技术

目前班组以下主要区分单兵、班组两层实现配电管理，分别通过士兵系统、班组电源管理器实现电能源管理。美军在用的班组电源管理器为SPM-622(图9)，能够从化学电池、太阳电池、车辆电源、交直流适配器等获取电能，用于单兵班组装备直接供电和配套二次电池充电。质量为454 g，支持BB-2590，BB-2557、车辆电源、太阳电池、单兵共形电池等军用电源以及AA、AAA、民用车辆电源等商用电源，具备6 个端口，可同时给5 块电池充电，输入输出电压范围3～34 V。

图9 美军SPM-622班组电源管理器

美国陆军未来司令部（United States Army Futures Command）正在研发可集成到战术背心中的柔性电源线，旨在提高下车士兵在战场上的机动能力，该新型柔性电缆质量比传统电缆减轻50%[3]。无线充电方面，2012年美军纳蒂克士兵研究开发与工程中心就开展了头盔与战术背心之间的无线能量传输系统研发，传输效率约50%；美陆军坦克车辆研发和工程中心开展了50英尺以上距离无线输能效率提高的研究[4]。

综合来看，未来发展趋势是：(1)综合利用有线和无线方式实现供电。有线供电将分布式供电和集中式供电组合起来构建士兵体域-班组-连排供配电网络，体域供电网络质量充分降低，并进一步降低对士兵战术动作的羁绊；无线供电网络用于实现士兵乘车快速充电以及对微小型无人作战群机动中续航充电。(2)可实时掌握各模块电量等参数，便于按需供配电。

4 有人无人协同班组供电保障设计方案

对标有人无人协同作战条件下单兵班组供电保障需求、装备现状以及技术发展趋势，我们按照单装级-单兵级-班组级分层设计了有人无人协同班组供电保障建设的简要方案。

4.1 单装级

主要用于便携式信息化装备独立供电，分为有人便携式用电装备配套电池、伴随式无人系统配套电池两类。(1)有人便携式用电装备配套电池，主要采用化学电池技术，通过嵌入式或卡接方式为装备供电。(2)伴随式无人系统配套电池，区分功率等级、使用方式，采用化学电池或燃料电池技术，通过嵌入式或卡接方式为装备供电。伴随式无人系统具备有线、无线供电接口，支持有线和无线近距离充电；伴随式无人系统供电保障余量信息可自动采集上报，支撑补给保障需求形成及方案制定。

4.2 单兵级

主要包括士兵系统电源及配电网络。单兵依托士兵系统电源供电，电源采用化学电池、燃料电池(按需)，在化学电池上加装无线充电模块，支持乘车机动时依托车辆座椅等进行短距离无线充电；依托士兵体域网络对士兵系统各用电模块进行充电或直接供电，体域供电网络采用柔性电源线缆与作战背心一体化集成设计，减轻士兵系统质量。

4.3 班组级

主要用于伴随式快速续航补给，对班组用电装备续航供电，必要时为临时指挥节点等大功率用电节点或装备提供供电保障，分为主电源、备用电源、配电管理装备等。(1)主电源。班组采用高比功率燃料电池技术发电，支持班组内士兵系统快速高效充电，为班组其他用电装备(如无人机、雷达、电台等装备)充电或直接供电，以及满足其他大功率用电的时机需求。采用伴随有人或无人车辆携运，同时支持1～2 人携行机动，机动速度和作战节奏满足班组要求。(2)备用电源。通过有人或无人车辆携运单装、单兵级的备用电池，备用电池支持在临时集结地以及车辆机动时充电。(3)配电管理装备。通过小型化微电网技术，将主电源、备用电源灵活组合使用，构建更宽功率范围的供电系统，以及满足即插即用、高效对上衔接的供电保障体系。

5 总结与展望

综合当前及未来军事需求、前沿技术发展及应用情况，单兵班组供电保障装备发展方向主要有：(1)储能技术方面，应在确保安全性的基础上，进一步提升比能量，在不增加士兵生理负担的基础上提升单兵班组携电能力；此外，可充电电池应注重提升倍率充电性能，提升单兵班组电能快速补给能力；(2)发电技术方面，应能支持多种能源发电方式，在保持低特征发电的基础上，进一步提升比功率，提升电能持久保障能力和战场生存能力；(3)在配电管理技术方面，应探索柔性导电纤维等技术，充分降低士兵可穿戴配电网络的质量，发展小型化微电网技术，在班组级乃至更高级别实现电能管理；采用无线充电技术满足士兵、有人车辆、无人系统间近距离充电，提升单兵班组电能敏捷保障能力。

未来新的作战模式将对单兵班组供电保障提出新的需求，以化学电池、燃料电池、微电网、无线充电等为代表的新能源技术的蓬勃发展为单兵班组供电保障提供了有力的技术支撑。后续我们将根据未来作战场景，细化单兵班组供电保障需求及方案论证，不断深化该领域装备建设研究。