西方单兵电源最新发展
- 来源:轻兵器
- 关键字:电源最新发展
- 发布时间:2010-06-10 10:40
单兵负载压力过大
对电池发展提出新要求
随着科技的进步，徒步士兵使用的电子装备越来越多，所负载的压力也越来越大。要减轻负载，就要减小这些系统的质量，这就要求不仅电子系统本身要具有更大的效率，而且电池要更轻便，且要实现标准化。
不可否认，近年来用于支持士兵徒步作战任务的便携式电子装备在电池类型的标准化方面有了一些进展。其中使用最广泛的就是低级的AA型电池(不可充电)。美国陆军的一项评估显示，在5天的任务中，美军士兵平均消耗88节AA型电池，主要为其武器瞄具、夜视装备、导航设备和个人电台供电。加拿大陆军公布的情况与美军大致相同。2006年，在阿富汗“美杜莎”行动中，加拿大一个步兵连在两个星期内共消耗了17500节AA型电池。
2009年7月初，在伦敦举行的WBR士兵技术会议上，英国政府国防科技试验室(Dstl)的电源项目专家达伦·布朗宁报告说，驻阿富汗英军单兵通常会携带35～70kg的作战负载，根据作战情况和个人角色，虽然这些负载会有所不同，但在大多数情况下，电池在其中占很大比例。
报告显示，一个由33名士兵组成的步兵排执行48小时的农村地区巡逻任务，平均每人电池负载为3.76kg。但就个别而言，步枪手的电池负载最多时会达到11kg，总质量比通信员的10.5kg还要多。该步兵排携带电池的总质量超过了124kg，其中为“弓箭手”超高频无线电供电的电池占电池总质量的39％，为“弓箭手”高频无线电供电的电池占电池总质量的2％，为AN／PRC-117多波段无线电供电的BA 5590电池占电池总质量的4％，AAA型、AA型、C型和D型电池组等占电池总质量的7％，另有其他电源设备。
报告还提到，另一个步兵连承担一项两小时的城市地区巡逻任务，平均每人电池负载达到9.5kg(最高11.5kg)。其中，用于为电子干扰装备供电的电池质量占82％，用于为“弓箭手”高频无线电供电的电池质量占11％，其余7％的质量为AAA型、AA型、C型和D型电池。
能源浪费日益严重
除了过重的负载外，根据目前电池的使用情况看，大量电能被浪费的问题正日益严重。在2009年士兵技术会议上，加拿大国防官员对与会者说： “我国士兵在更换电池之前，通常只用电池一半或2／3的能量，干电池也存在同样的情况。”他指出，如果士兵总是丢弃未用完的电池，是否还有必要把14V无线电电池容量从5Ah[1]增加到7.5Ah。
为了更好地使用电池能源，一个可行的办法是在每个电池里加入“燃油表”，即电量指示器或充电状态表，来显示电池内确切的剩余电量。早期的充电状态表仅给出一个相对的剩余电量测精值，也就是说，该值显示的是电量保持的比例。这里存在的问题是，由于使用寿命的影响，电池的充电电量随着时间加长会渐渐减少，因此这种充电状态表并不能准确显示出剩余电量，结果造成在士兵决定是否更换电池时，出于谨慎的考虑，他们往往会抛弃未用完的电池。
新一代“健康状态” (SOH)表已经设计出来，其可给出电池一个“真正”的电量测量(现存电量和原始设计电量的关系)，以及有关性能和充电次数等更多的信息。对于充电电池来说，必须确保有一定的剩余电量，以防止造成完全放电而使电池能力难以恢复。因此SOH表在出厂时会设置一个最低值。
新型产品不断问世
大卫·哈德菲尔德是英国国防装备及支援(DE&S)组织的成员，他在2009年士兵技术会议上指出，尽管目前个别士兵的载荷达到70kg(或者更大)，军方计划将每个士兵携行装备的质量减到25kg，也就是士兵体重的1／3左右。哈德菲尔德称，“这将需要所有装备和技术都有大幅度改进”。
他指出，当前的军用电池不仅质量过大，种类繁杂，并且可靠性、维修性都很差，同时还需要专门定做充电器。尽管部队在节俭方面已做了最大努力，但大量充电电池还是在深度放电之后被丢弃。英国部队已经不得不考虑在无线电上更加广泛地使用干电池。毕竟一次性干电池不必担心充电器的问题，而且新型干电池也比原有干电池提升了20％的电池容量。
化学电池现在可用于小的单个电池(比如AA型电池)，比能量[2]可从70Wh／kg提升到288Wh／kg，电能可从1.6Wh增加至4.9Wh。哈德菲尔德断言：“如果更重视电源的能量密度问题，未来更小更轻的装备使用更小更轻的电池将成为可能。”
一些高功率巡逻用电子装备需要相匹配的大型专业电池也已经有了新发展。如1998年一个质量为2.9kg、电容量为6Ah的电池比能量为50Wh／kg，而2006年一个质量为3.58kg、电容最为19Ah的电池比能量为136Wh／kg。虽然付出了电池质量增加的代价，由2.9kg变为3.5kg，但电能及电容量都有了飞跃式增长。目前生产的电池电容量为23Ah，质量为3.7kg，比能量160Wh／kg，而2012年渴望达到4kg电池提供30Ah电容量、比能量160Wh／kg的目标。
但是，装备的运行并不完全取决于电池或电源的表现。现在电子装备本身的效率也被视为改善系统性能、减轻系统质量的重要途径。
英国单兵电源计划新成果
英国国防科技试验室电源小组对英国国防部要求的所有电源样式都正在加紧研发，其中燃料电池和能量收集研究都取得了不少成果。成果之一就是英国国防部当前正在开发一个单兵电源(PPS)计划。该计划目前采用两科-方案：A方案包含两个不同的燃料电池系统A1和A2。A1电源由ABSL公司设计，用于便携式电子产品和通信装备，例如与“未来一体化士兵技术”(FIST)或者“弓箭手”计划结合，计划交付时系统质量大约为1kg，工作时长48小时，平均输出功率7.2W，峰值输出功率30W。A2电源由QinetiO公司同美国Jadoo公司联合设计，目标是工作时长12小时，平均输出功率100W，峰值输出功率150W，质量3.6kg。B方案是袋状锂电池，能达到1000Wh／kg的比能量。它从空气中获取氧气，可以进行再充电，很可能是一个低功耗解决方案。
加拿大仿生电力公司仿生能源采集器
加拿大进行的研究中，能量采集也是候选的未来能源解决方案之一。加拿大士兵一体化系统项目(ISSP)电源组负责人安德拉凯提斯博士介绍说，该项目旨在研制一种生物力学或者仿生学能源采集器，其采用微型发电机的形式，依靠一个矫形支架连接到穿戴者的一个或两个膝盖。
微型发电机利用人行走时腿部肌肉的能量来再生电能。借助一系列传动装置，每一个膝盖支架在脚接触地面之前，协助膝后肌腱减缓人体动作，同时发电。该仿生能源采集器的生产厂家——仿生电力公司将这一过程描述为： “不是产生额外的阻力，而是当肌肉减慢肢体动作的时候，帮助肌肉完成动作。”
目前的采集器每个支架质量为1.1kg，可以产生4～6w再生电力(持续运动时为7～9W)。安德拉凯提斯博士称，未来该设备质量将减少到0.65kg，可以产生6～8W再生电力(持续运动时为10W，下坡时为10～12W)。
美国Bren-Tronics公司两款产品
光电器件是另一种公认的个人电源解决方案。在2009年美国士兵技术展览会上，Bren-Tronics公司展示了一种62W的BTP-70822-3T太阳能电池板充电器，其通过充电控制器可在4小时内为以下装备充电：AN／PAS-13热成像武器瞄准镜(2XBB-2847A／u)的两块电池、泰利斯AN／PRC-148和哈里斯AN／PRC-152多波段无线电台、罗克韦尔PLGR GPS接收器 (2XBB-2800／U)或者泰勒斯·索菲手持式目标搜索定位仪(2块BT-70492A锂离子电池)。
除了太阳能电池板充电器外，为了减少在使用过程中电池能量的浪费，Bren-Tronics公司还开发了BTA-70768“除垢”线，可清除BA-5590／U蓄电池剩余的电量，并将其传输到可充电电池中。
英国ABSL公司多款新产品
作为“弓箭手”电台所用电池的主承包商，ABSL公司在已有经验的-基础上进行了新产品设计开发。其中最新成果包括x 590混合金属氧化物(MMO)袋状电池，它是BB-25906.5Ah可充电电池的改进版本，适用于哈里斯AN／PRC25电台。它比传统D型电池有更高的空间利用率。据称在电池容量方面，该电池可整体提高90％(11Ah)。
2009年7月初，ABSL公司称，最早的混合金属氧化物袋状电池10个样机已经成功经历了200次充电周期的测试。第一批产品可在12个月内完成。
与此同时，ABSL公司也改进了为“弓箭手”UK／PRC354手提式超高频收发器供电的Mk3 14.4V电池，电容量从5Ah增加到了7.5Ah，而且，用于该电池的“真正”SOH表也一直在研发之中，该电量表使用交通灯的绿色／黄色／红色来显示电池的健康状态。
能量采集技术也受到ABSL公司的关注，美国Powerfilm公司为该公司生产的便携式可折叠太阳能电池板充电器样机当前正在阿富汗进行试验。据称，这种充电器不仅晴天可以正常运转，雨天也可以，它提供1.8A电流输出，功率比ABSL公司生产的标准“弓箭手”直流充电器(输出1.6A／30W)还高。
ABSL公司还推出了士兵便携式充电器(SPC)，质量为490g，能在两小时内为一节8Ah电池充电。SPC可通过连接器插入车辆仪表板直流电源，也可通过附加装置从半放电状态的BA-5590或者AA型电池内提取能量。
另外，ABSL公司还针对英国国防部的一项要求提出了HPSl 5混合电源。该电源中有两种电池，一种是利用甲醇为燃料的超级电池(UltraCell)；另一利，是锂电池。甲醇燃料电池工作时，HPS15混合电池只有25～45分贝的噪声。HPS15电源的运行时间是48小时，运行功率为7.2W(峰值功率30W)，额定电压14.4V。一个HPSl5混合电源质量1.6kg(包括它的346Wh燃料元件)，其工作时长相当于8个质量为8kg的5Ah“弓箭手”电源。
德国SFC公司“詹妮”600S燃料电池系统
德国陆军已经使用SFC智能燃料电池公司的“艾米丽” (Emily)电源作为车辆铅酸电池的补充手段，供车载无线电设备和传感器在静默状态下使用。
SFC公司现在提出了更小的“詹妮”6008手提式燃料电池系统，该产品由该公司与美国Bren Tronics公司联合开发，尺寸252×171×74mm，质量1.7kg，有两种类型，其中常规型的使用温度为-20～+35℃；沙漠型适合的使用温度为+10～+55℃。常规型(400Wh能量)和沙漠型(285Wh能量)在25W输出功率时的使用时间分别是16小时和11小时。
“詹妮”6008能为许多电子装备供电，例如数字通信和导航系统、计算机和激光跟踪装置、远程传感器、摄像机和测量设备，并同时与SFC公司质量为0.8kg的电源管理器一起工作。后者能够为任何一种电池充电，并能够自动调节电池的输出电压，达到正在充电设备的电压要求。SFC公司估计，两个设备一起使用使减少电池系统的质量成为可能，以士兵承担一次72小时的战斗任务为例，所需电池质量可减少至70％。
美国Protonex公司两款电源管理器
美国Protonex公司提供两种不同尺寸的电源管理器，其中尺寸较大的BPM-602“空战”(BAO)电源管理器是美国空军特种作战司令部BAO工具包的一部分，用于联合终端攻击控制器。其质量为0.56kg，能够接收从太阳能电池板充电器、标准的军用电池、12V的车载电源和24V北约适配器，或者燃料电池的电能输入，为AN／PRC 117多波段电台及笔记本电脑的高能电池供电。其使用温度范围是-40～+60℃，配有4～34V直流转换端口(最大电流10A)，两个10～24V直流输出端口(每个口最大电流5A)，有3个12～34V直流输入或输出端口(每个端口最大电流20A)。
Protonex公司的SPM 611／612士兵穿戴式电源管理器的尺寸为35×106×61mm，质量0.41kg，有6路输入／输出端口，通常能够管理l～2块BB 2590可充电电池，这些电池可为夜视仪、BB-2590DAGR GPS接收器和两台无线电台(例如手提式多波段AN／PRC-148电台，背负式AN／PRC-119电台)供电。
在固定状态下，10个SPM-611／612士兵穿戴式电源管理器可以通过环状连接的方式分享从太阳能电池板充电器、交流电源适配器或者Protonex M250CX便携式电池充电器和辅助电能装置输入的电能。一个设备能够同时管理两个BB-2590、Li-80或者Li-90电池的充电，也可用于镍氢、镍镉或者锂离子AA型电池的充电。
编辑 刘兰芳
注：[1]Ah(安时)，反映电池容量大小的一个指标，其定义是按规定的电流进行放电的时间。相同电压的电池，安时数大的容量大；相同安时数的电池，电压高的容量大。通常以电压和安时数共同表示电池的容量，如12V／7AH，12V／24AH、12V／65AH、12V／100AH。
[2]比能量是指电池单位质量或体积所能输出的电能，单位分别是Wh／kg或Wh／L。比能量有理论比能量和实际比能量之分。由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。
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