野戰電源發展現狀與趨勢研究

馬海燕，王因傳

（西安通信學院指揮信息系統系，陜西 西安710106）

實現新形勢下的軍事轉型是現階段各軍事強國面臨的重要課題。目前，我軍軍事轉型的重點是實現信息系統體系作戰能力的構建和提高，由“機械化思維方式轉變為信息化思維方式”［1］。信息系統是軍隊敏感的神經系統，有大量的電子信息設備在各級指揮機構、控制機構、武器平臺和單兵裝備中使用。在部隊遠距離投送、自然條件惡劣、不可能依靠當地電力網絡、且后勤補給困難的背景下，高效的野戰通信電源成為保證軍隊信息系統正常運轉的源動力。

1 野戰電源及其面臨的困境

野戰電源，主要是指“為野戰條件下各級指揮所電子信息設備和一線人員電子信息裝備提供電能的電源裝置”［2］，其工作環境溫度在－55℃～＋85℃，抗震動沖擊，符合GJB 367.2－87相應嚴酷等級的要求，具有防水、防震、防鹽霧能力［3］。在作戰使用過程中，前沿指揮所同一線作戰人員使用的野戰電源有所不同，前者主要使用燃油發電機組，后者幾乎完全依靠攜行電池。

為維持阿富汗和伊拉克作戰任務的400余處指揮所和基地，美軍月平均消耗2.57億升燃油。這些燃油當中，大部分被通信、照明和空調設備提供電力的發電機組消耗，給已經非常疲憊的后勤補給系統帶來了巨大的壓力。尤其是在伊拉克戰爭中，步兵部隊進入伊拉克不到一周，儲備電池已經消耗掉了總儲備量的一半。因此，美軍不得不啟動緊急采購計劃，要求全球6大電池廠商生產線滿負荷運行，通過空中和陸路補給線迅速補充。而補給線的生存環境也非常惡劣，還經常受到襲擊，在2008年6月這一個月中就有數十名負責補給的軍人傷亡，損失了運輸車44輛，油料83萬升，其他物資更無法統計。

長時間在復雜地域執行任務導致蓄電池消耗猛增，補充供應困難，作戰人員無法大量攜行。在2003年伊拉克戰爭中，除通信設備外，美軍單兵攜帶的裝備重量約15～20kg（主要是槍支、彈藥、睡袋等），而一塊傳統的功耗為24W的蓄電池重約5kg，如果按照每天消耗一塊電池計算，執行3天任務，單兵攜行裝具差不多40～50kg。這還只算了電池的重量，但美軍單兵除了攜帶便攜式無線通信系統外，還要攜帶GPS、夜視儀、熱成像設備等電子設備，特種部隊戰斗人員還要攜帶多種特種器材。這無疑給單兵電源系統帶來了巨大的挑戰。

另外，大批裝備的一次性堿性電池和充電鋰電池不便使用。一次性堿性電池不能充電，必須大量攜帶；而且，使用中只要電壓不足（其實電池并未消耗完），就立即更換，利用率比較低，浪費驚人。而對于充電鋰電池，如果要保證其使用效費比，必須定時充放電，這不能適應野戰條件的特殊需求。

2 國外野戰電源發展現狀

在信息化戰爭條件下，士兵需要攜帶越來越多的負重奔赴戰場，其中很大一部分來自于高級電子設備及其電源系統；同樣，作戰車輛上也塞滿了各式各樣的電子設備，作戰設備依靠這些設備實現指揮與控制、任務演練以及情報、監視和偵察能力，而這些電子設備的能力又嚴重依賴電源系統的支持。所以，世界各軍事技術強國都不失時機地斥巨資研發適應未來信息化戰爭的電源系統。

（1）美國。美軍對先進的野戰電源系統研制一直保持著較大的投入，但效費比始終不盡人意。美國國防部正授權陸軍機動電源項目辦公室牽頭開展以開發下一代混合智能電源的戰場智能管理柵格供電系統，以期依靠這種全新的電力系統綜合利用包括成熟的商用機動發電機組、車輛電源、風能和太陽能等多種能源。綜合形成柵格狀電源網絡，保證各部分隊實現即插即用。并且，混合智能電源可根據實際用電狀況自動開啟和關閉適當數量的發電機組；實現全網不斷電情況下，個別發電機組停機加油或檢修；要求可臨時儲存電能，在降低能耗17%～40%的同時，大大減少維護人員的數量。

（2）法國。法國陸軍研制的“大貓”步兵戰斗背心是一種便攜的穿戴式充電電池背心，它的電力能源用以支持核心系統、無線電、便攜式傳感器等。這套背心采用兩種電池，包括高能組合標準組。其中，高能組直接被穿戴于戰斗背心上，呈平板狀，有具備防水能力的鋰離子充電式電池組成，可提供75Wh的電能，重量僅有0.6kg；標 準 組 則 更 精 巧，僅10g，但 能 提 供18.5Wh的電能，這些電能足夠維持智能頭盔和武器上的傳感器工作。

（3）英國。英國陸軍步兵科技計劃采用的則是充電電池，但其智能充電器有四條電路可提供直流電，適應多種型號的電池（如車載電池、燃料電池盒等）充電，重約4.3kg。這種智能充電器還可為步兵各種型號的電池充電，充電速率為7.4A／h。

（4）以色列。以色列梅迪斯公司推出了一款使用燃料電池供電稱為“電力騎士”的便攜式充電電池。“電力騎士”呈小型平板狀，可穿戴、背負，能以20W的輸出功率持續供電72h。

3 野戰通信電源發展趨勢分析

“效率高、發熱少、散熱快的通信電源才可以實現高功率密度，也才能提高通信電源可靠性和可用性”［4］。效率是通信電源的重要指標，因此，通信電源設備研發將向著不斷提高效率、提高功率密度以及智能化的方向發展。除此之外，根據軍隊信息系統對電源的特殊要求，野戰電源系統正朝便于攜帶、效費比高、安全、牢固、可靠的方向發展。其突出特點如下：

3.1 單兵便攜

在戰場上執行任務的士兵要求電源系統必須具備最大限度的便攜性。目前，戰場上使用的大多數手持式或可穿戴裝置攜帶或背囊攜帶均使用低成本的堿性電池。普通的軍事任務一般要求每名士兵所攜帶的電源能夠每小時提供1W的輸出功率，而每天執行任務的時間通常在8～12h，如攜帶普通堿性電池，總共重量大約5kg；一次任務平均在3～5天，需要大約20kg的普通堿性電池。這些對于坐在車上的機械化或摩托化士兵可能算不了什么，但是，對于普通步兵和傘降特種兵則是沉重的負擔。因此，高能量密度的鋰電池能夠高效為軍用電臺、軍用筆記本、軍用蜂窩電話、儀表等提供充足的電能，越來越受士兵們青睞。目前，單兵便攜式野戰電池也逐漸采用插板式設計，這些插板電池重量輕、便于攜帶、使用時間長、功率高，同戰術背心融為一體。

3.2 小型化

由于士兵攜帶的電子裝備越來越多，作戰車輛上安裝的用電裝備也越來越多，因而壓縮軍用電子設備的尺寸與重量成了軍用信息系統研究的一個重要的方向。現代與未來的電子設備在設計時都必須遵循體積小、重量輕、功耗低的原則，以盡可能地用最小的體積和重量提供更多的功能。體積和重量直接關系到裝備的易管理程度。對相關基本電子裝備的小型化要求還直接影響電子產品的功耗——功耗越小也就意味著散發出來的熱量越少，它們所需要的電源也就會越小，越輕，而整個系統也不需要或者可以降低降溫設計要求。

電源體積和重量的壓縮，使在有限的空間內裝備更多電子元件成為可能，既增加了功能，又進一步提高用電設備的效率。成本、功能性、有效性以及所需電源裝置都是軍用電子設備關注的關鍵性參數，盡管研究計劃不同、側重點不同，但所有的研究計劃都希望向開發的產品中添加更多的功能。達到這個目的最有效的做法就是將控制電路集成到最小尺寸，從而有更多的空間來添加功能性電路。

3.3 高集成

在很多情況下，升級和添加功能將必然會增加電子系統以及為這些系統提供電力裝置的尺寸。隨著這些電子系統功能越來越多（例如，添加抗干擾能力和容錯能力），它們必定會越來越復雜，為它們提供電力支持的電源復雜程度也會明顯提高，這些電源的體積和重量顯然會變大。例如，目前普遍使用的FPGA，它需要有兩種不同的電壓，一種用于核心控制電路，另一種用于I／O輸出電路；如果使用多種I／O輸出標準，還須電源提供多種不同的電壓。因此，設計人員必須通過考慮遠程操作調節器（LDO）、DC－DC轉換器，以及能夠輸出多種電壓的方法，才能使用FPGA提供的多種功能。而電子設備的生產程序正在不斷縮減，所提供的電壓及其容限也在不斷縮減，給集成度的提高帶來了新的挑戰。

3.4 燃料電池

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池與傳統電池相比的最大優越性是只要有氧化劑和燃料供給，就會有持續不斷的電力供應。這在軍事領域有非常廣闊的發展前景，符合戰場設備更小、更輕、更高效，以及成本更低的作戰需求。鑒于此，美國國防部高級研究計劃局、陸軍通信電子研發中心、陸軍研究室、海軍研究室和空軍研究室紛紛投入大量人力物力進行相關裝備的研制。

目前，已有6個燃料電池種類得到了發展，即堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸鹽型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固體氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、固體聚合物燃料電池（Solid Polymer Fuel Cell，SPFC，又稱為質子交換膜燃料電池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、及生物燃料電池（BEFC），其工作溫度又分為高、中、低溫型：工作溫度從室溫到373K（100℃）的為常溫燃料電池，如SPFC；工作溫度在373K（100℃）～573K（300℃）之間的為中溫燃料電池，如PAFC；工作溫度在873K（600℃）以上的為高溫燃料電池，如MCFC和SOFC。具體參數如表1所示：

表1 各型燃料電池參數對比

目前，美軍重點研發的燃料電池包括直接甲醇燃料電池（DMFC）、改良甲醇燃料電池（RMFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）。這些電池的特點是：①效率高、污染低。燃料電池將化學能轉化為電能，理論轉化效率可達到75%～100%，目前實際能達到40%～60%，但已經大大高于傳統發電方式的效率了。以純氫氣為燃料，可以實現零污染排放，而火力發電和核電的效率大約在30%～40%；②規模及安裝地點靈活。燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據需要由電池堆組裝，十分方便；③噪聲低，可靠性高。傳統戰場發電機組不可避免地會產生噪聲和強紅外輻射，很容易暴露目標。而燃料電池本身沒有運動部件，不但能安靜地將化學能轉化為電能，而且不會產生強紅外輻射；④質量輕、體積小、功率高、能量轉化效率高，更適合野戰條件下使用。美軍還舉辦了“便攜式電力競賽”設計招標活動，杜邦公司的M－25智慧型燃料電池在此活動中勝出。它可提供96h平均20W／h的電力，短時供電峰值可達到200W，能輸出14V和18V的電壓，全部能量約2kWh，而且這重量僅為4kg。該電池不僅能為“陸地勇士”等信息化單兵作戰系統提供電力支持，還能為激光測距儀、VHF和UHF波段無線通信裝備、衛星通信終端和夜視裝備等提供電力支持。

3.5 電源轉換

車載電源轉換器可為戰場作戰人員提供適應不同要求的電能。美國陸軍為其“布雷德利”戰車選用了ITT（International Telephone ＆ Telegraph Corporation，國際電話電報公司，成立于1920年）生產的一種多模加固輕型電源轉換器，這種轉換器可以提供12V的直流電和110V的交流電，士兵們可以方便地使用它為聚光燈、軍用筆記本、軍用蜂窩電話供電。此外，ITT公司還提供一種多模遠端輸出裝置，該裝置不到5kg，采用自然風散熱，只占用車輛上很小的空間，而且輸入端和輸出端分離，以便輸出端被安裝在車輛上的任意位置。另外，美陸軍還采用了一種叫PADS（Power Assistant Distributing System，電源輔助分發系統）的加固型嵌入式模塊化電源系統，可為軍用車輛提供110V交流電、12V直流電和5V直流電輸出，而且非常適用于惡劣環境，能夠在－33℃～＋55℃溫度范圍內正常工作。

4 相關對策建議

在現有國內野戰電源技術發展條件和信息系統體系作戰總體要求下，如何緩解戰場電源壓力是擺在我軍面前突出的現實問題。為此，根據研究，提出以下對策和建議：

（1）采取集中供電，提高指揮所和基地臺站等半固定設施的電源利用率。傳統的多部小型發電機組分別為各自分散的用戶群提供電能，不僅造成油料資源的浪費，而且還要同時占用多名維護人員。采用集中供電，即一部發電機組為多個用戶群供電，可以提高油料的轉換效率，而且還可以節省維護人員。這些都已經過美軍第4機械化步兵師戰術指揮所的實戰檢驗，效果明顯。

（2）將可編程數字邏輯同模擬電流、電壓和溫度監控加以結合，提高復雜電源系統的數字化管理方法。同時，通過采取多種新技術實現電源模塊的靈活適應性，實現輸出電壓可調，實現多種輸出方式（單路、雙路、三路輸出）可選，拓寬工作溫度范圍，并實現多個模塊并聯。

（3）加強安全保護功能。電源中所使用的功率器件價格較貴，其控制電路也比較復雜，另外，電源的負載中一般都含有大量的集成化程度很高的器件，這些器件一般耐受電、熱、沖擊能力都較差，因此，電源的保護應兼顧本身和負載的安全。目前保護的種類很多，如：極性保護、程序保護、過流保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護等。電源中加了保護電路后，勢必增加元器件，反過來又會影響系統的可靠性。這就要求保護的邏輯嚴密，電路簡單，元器件力求最少。此外，安全保護還要考慮所保護電路本身出現故障的維修度，確保電源的正常工作和高可靠性。

（4）繼續提高集成度和優化管理能力。高度集成已經成為一種趨勢，同樣，對復雜電源系統進行智能化管理也是大勢所趨。電源模塊的配套產品購買靈活，其它任何品牌的電源模塊配套均可與其實現兼容；終端用戶非常關心產品的尺寸、重量和可靠性。在實踐中，如果不是合同中明確要求，用戶通常不會對可靠性方面的要求中涉及無鉛焊料、無鉛組件和無鉛表層涂料。

（5）有效利用戰場的自然資源，開發混合智能電源。綜合利用風能、水能、太陽能等自然資源開發適應丘陵、山地、高原、沙漠等特殊條件下的便攜式發電機，進而適應特殊戰斗地形和氣候需要的適應性強、可持久提供穩定電源的設備。

（6）還需要采用先進的產品設計管理模式，盡力縮短產品研發周期。電源產品的性能以能夠滿足用戶為宜，不須過分地追求高指標并合理地選擇元器件、原材料，盡可能地降低成本。

5 結 語

隨著軍用通信技術的飛速發展，對電源技術提出的要求也日益提高，比如更高的性能、更完備的功能、更強適應性、更優秀的可管理性、更高的效費比等，這都對通信電源技術提出了更高的要求。對于軍事通信應用的特殊需求，野戰通信設備也都趨向于小型輕便、標準集成、安全可靠，這就對野戰電源產品提出了更為苛刻要求和更為精細的需求。然而，“隨著微處理器和監控軟件的引入，采用全數字化控制技術電源的自我監控能力普遍增強，可以實時監視設備自身的各種運行參數和狀態，并具備了預警功能和故障診斷功能”［4］，聯想公司的Thinkpad系列筆記本的電源管理組件已經在這方面有較長時間的應用研究經驗，而且已經獲得了很好的市場反應。今后通信電源的發展也必定是向高智能化方向發展，有效地實現通信動力設備無人值守與遠程監控，從而提高設備的可靠性和對環境的適應性。

［1］戴 浩.全軍信息柵格和美軍信息化轉型［C］.中國電子學會電子系統工程分會第七屆學術年會論文集，電子工業出版社，2009，11：541－545.

［2］張海翔，何國庫.美軍全力發展高效節能戰場電源系統［J］.現代軍事，2010，6（6）：13－14.

［3］百度百科，軍用電源［EB／OL］.http：／／baike.baidu.com／view／837354.html，百度.［2009－12－26］［2010－10－24］

［4］林蓓娜.高效、智能：通信電源技術發展大趨勢［J］.通信電源技術，2009，26（6）：66－67.