軍用裝備電池使用短板解決方案—單兵多用途電源轉(zhuǎn)化器

朱煜 肖旭霖

（陸軍邊海防學(xué)院烏魯木齊校區(qū)，新疆烏魯木齊 830001）

0.引言

隨著我軍機(jī)械化的全面普及和信息化的不斷拓展，各類武器裝備層出不窮，先進(jìn)智能的武器裝備極大地提升了戰(zhàn)斗力，而電池作為先進(jìn)智能的武器裝備的“糧食”，需求越來越大，種類越來越豐富。對于邊防軍人來說，配發(fā)的武器裝備基本在高海拔寒冷的條件下使用，雖然電池的使用大大提升了裝備的機(jī)動(dòng)性和實(shí)用性，但是因?yàn)閼?zhàn)場環(huán)境惡劣，型號眾多的裝備電池，維護(hù)保養(yǎng)成為一個(gè)大的難題。在高海拔低溫條件下，電池的壽命和續(xù)航能力嚴(yán)重下降，降低了武器裝備的可靠性，甚至成為制約武器裝備使用的短板問題，必須引起高度的重視。

1.武器裝備電池使用中存在的諸多問題及解決方案

在對邊防部隊(duì)調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)邊防連巡邏路線長、巡邏周期長，但是北斗手持機(jī)待機(jī)時(shí)間短，導(dǎo)致無法發(fā)揮出北斗手持機(jī)應(yīng)有的功能，有位班長建議：“能不能用我所攜帶的充電寶給我的北斗機(jī)充電，應(yīng)應(yīng)急！”這位班長的建議，反映了基層官兵急盼解決裝備電池續(xù)航不足的心聲。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，武器裝備電池在實(shí)際使用中存在如下突出問題。

（1）電池類型眾多，通用性差。各級配發(fā)的武器裝備，內(nèi)部電池大都使用專用的充電器和充電接口，有的電壓比較特殊，有的充電接口很少見，如果武器裝備在使用中電池壞了或者充電器壞了，就影響到了武器裝備的使用。比如我軍步兵分隊(duì)攜帶的用電裝備的種類、數(shù)量不斷增加,但接口種類繁多，主要是各類航空接口，對電壓電流的要求也各不相同。這些電源之間參數(shù)不同，接口不同導(dǎo)致了不能互用，也沒有一類裝備可以滿足大部分用電、供電設(shè)備之間的電能轉(zhuǎn)化問題。

（2）電池續(xù)航能力不足，保障難度大。武器裝備機(jī)械化信息化，對電池的需求廣度更大了，有的裝備不止一處安裝有電池，如果某一處忘記充電或者損壞，武器裝備就無法正常使用。武器裝備必須保持良好的戰(zhàn)備狀態(tài)，才能夠在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮出應(yīng)有的作用。有次部隊(duì)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)演練，在演練的第一天就忙著請領(lǐng)武器裝備，使用各式各樣專用充電器對各種類型的電池和設(shè)備進(jìn)行充電，在演習(xí)使用時(shí)也格外小心，因擔(dān)心電池的續(xù)航能力不足，有些該開啟武器裝備的時(shí)候沒有開啟武器裝備，有時(shí)連不通，有時(shí)錯(cuò)過時(shí)機(jī)打不上。甚至在機(jī)動(dòng)途中，因?yàn)槲淦餮b備電量不足影響到了通聯(lián)指揮，出現(xiàn)了不得不把發(fā)電機(jī)抬到人員車上邊走邊充電的情況。

（3）電池性能不一，維護(hù)保養(yǎng)難度大。從基層部隊(duì)和院校的訓(xùn)練情況來看，有很多裝備因?yàn)殡姵氐膿p壞而停用、棄用。武器裝備配發(fā)的電池類型多樣，所使用的材料不一，對電池的維護(hù)保養(yǎng)也要求不一，特別是軍械庫，保管的各類武器裝備眾多，武器裝備庫室的溫濕度與電池保管的最佳溫度大都不一致，有的武器裝備使用頻繁，有的一年只使用幾次，造成對電池的充放電不規(guī)律，致使武器裝備的各類電池因?yàn)楸ｐB(yǎng)不到位而出現(xiàn)續(xù)航能力不足或者直接不能使用的問題。

針對武器裝備電池在實(shí)際使用中出現(xiàn)的各類問題，我們設(shè)計(jì)了此多用途電源轉(zhuǎn)化器。此多用途電源轉(zhuǎn)化器攜帶方便，接口豐富，輸入電壓與輸出電壓可無極進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可用220V 電壓通過本設(shè)備給其他設(shè)備供電，又可使用其他電池通過本設(shè)備給電力不足的電池進(jìn)行充電，又可單獨(dú)使用本設(shè)備對其他設(shè)備進(jìn)行充電。對設(shè)備的供電提供了新的方案，甚至可能使作戰(zhàn)樣式發(fā)生變化。

2.單兵攜帶的多用途電源轉(zhuǎn)化器的可行性分析和具體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)此單兵多用途電源轉(zhuǎn)化器，滿足對各類武器裝備的供電和充電需求等裝備，有下列技術(shù)要求：一是此設(shè)備能夠使用110V ～220V 的交流電進(jìn)行充電和供電；二要此設(shè)備能夠使用各類汽車電瓶所產(chǎn)生的直流電進(jìn)行供電；三是要能實(shí)現(xiàn)輸出電壓參數(shù)的控制，供電的功率滿足武器裝備的用電需求；四是供電接口豐富；五是轉(zhuǎn)化器要小型化，易攜帶。針對以上設(shè)計(jì)要求，提出如下設(shè)計(jì)方案：

（1）芯片的選擇。根據(jù)設(shè)想分析中提出的要求，結(jié)合供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)各方面要求的綜合考慮，我們選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的L4970A 芯片。在設(shè)計(jì)輸出電壓、電流的基礎(chǔ)上，增加采樣電路和顯示電路，可以隨時(shí)查看芯片的工作狀態(tài)。

（2）輸出濾波電路設(shè)計(jì)。濾波方法有多種,通過對本案電路設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)共模干擾占主要成分。我們采取并聯(lián)對地電容和串聯(lián)扼流器的方法，構(gòu)成LC 濾波器降低共模傳導(dǎo)干擾造成的影響。

（3）接口轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)。由于多芯航空插口的特殊性，根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)確定，將系統(tǒng)的正負(fù)兩路輸出定義為兩芯航空插頭，并設(shè)計(jì)一套兩芯-X 芯快速接口轉(zhuǎn)換裝置（X ≤15）。另外預(yù)留出正負(fù)極直接接線處，確保各類特殊情況也能正常使用。

（4）電流和電壓的采樣檢測電路。選用INA282 為電壓輸出電流并聯(lián)監(jiān)控器，電流在采樣電阻上被轉(zhuǎn)換成電壓信號，由INA282 放大后得到與輸出電流線性相關(guān)的電壓，然后送單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，最后顯示輸出電流值。

（5）溫度采集電路。對于溫度采集，選用的溫度傳感器型號為DS18B20。檢測溫度范圍為-55℃～125℃，檢測分辨率為12bit，誤差為±0.5℃。傳感器接MCU 的I/O端口，外部接上拉電阻，大小為10kΩ，這使傳感器工作更加靈敏。

（6）保護(hù)電路。保護(hù)電路的任務(wù)主要是防止設(shè)備因過載而燒毀，可以通過芯片本身的功能來實(shí)現(xiàn)。過壓、過流和過熱保護(hù)的工作原理基本一致，由MCU 進(jìn)行判斷并在一定狀態(tài)下控制繼電器斷開負(fù)載，從而達(dá)到對芯片乃至整個(gè)電路進(jìn)行保護(hù)的目的。

3.該系統(tǒng)裝備部隊(duì)可能改變和未來展望

該裝備部隊(duì)后，對在外隨行任務(wù)的部分隊(duì)伍的指揮和保障能帶來一定程度的改變，具體表現(xiàn)為：

（1）武器裝備續(xù)航能力和環(huán)境適應(yīng)能力大大增強(qiáng)。通過使用本轉(zhuǎn)換器，在動(dòng)散條件下能夠較好地保障各類武器裝備的正常使用，比如在部隊(duì)機(jī)動(dòng)途中，可以通過汽車電瓶進(jìn)行供電，在野外駐訓(xùn)，可以集中對武器裝備使用220V 交流電進(jìn)行供電，在環(huán)境惡劣的高原地區(qū)單獨(dú)遂行任務(wù)保障困難時(shí)，可以應(yīng)急對電量不足的用電設(shè)備進(jìn)行充電。

（2）提高部隊(duì)連續(xù)作戰(zhàn)的戰(zhàn)力。裝備的使用時(shí)間增長，意味著連續(xù)作戰(zhàn)的能力增加了。隨著軍事科技的不斷研究，軍事斗爭樣式的不斷拓展，對分隊(duì)連續(xù)作戰(zhàn)的能力又提出了新的要求。其中，一個(gè)重要方面就是裝備連續(xù)作戰(zhàn)的能力。電量轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)無疑是從新的思路拓展了各類裝備的續(xù)航能力，有望使分隊(duì)連續(xù)作戰(zhàn)能力再上一個(gè)臺階。

（3）對抗復(fù)雜電磁環(huán)境和各類突發(fā)狀況的能力增強(qiáng)了。隨著信息化的不斷發(fā)展，構(gòu)成復(fù)雜電磁環(huán)境的主要因素有敵、我雙方的電子對抗，各種武器裝備所釋放的高密度、高強(qiáng)度、多頻譜的電磁波等。要對抗復(fù)雜電磁環(huán)境和各類突發(fā)狀況，就必須未雨綢繆，提供多種應(yīng)急手段。

同時(shí)，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，該型供電系統(tǒng)也要不斷在發(fā)展進(jìn)化。1）增強(qiáng)接口通用性。主要有兩方面：①針對新的武器列裝，增加此轉(zhuǎn)換器的接口類型進(jìn)行配備；②從武器裝備的設(shè)計(jì)上考慮這一情況，要盡可能少的設(shè)計(jì)裝備電源輸入接口的種類，同時(shí)對裝備的電池，預(yù)留出電源供電接口，方便直接通過此轉(zhuǎn)換器進(jìn)行供電。2）改變傳統(tǒng)武器裝備電能的應(yīng)用思路。若裝備本文的供電系統(tǒng)，未來對武器裝備電能儲備的計(jì)量單位就可以從宏觀、寬泛的電池個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)變?yōu)锳h（安×小時(shí)）等微觀、精確的計(jì)量單位。這樣就可以更細(xì)化的研究規(guī)劃武器裝備的使用規(guī)程和應(yīng)急方案等。