外军单兵装备的便携式电池文学艺术军事理论_论文-毕业文章.pdf

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1、外军单兵装备的便携式电池 现代步兵携带越来越复杂的单兵装备。如美国陆军“陆地勇士”(LandWarrior)和英国陆军“未来步兵士兵技术”(FIST)单兵系统中，包括了传感器，通信、导航、夜视等装 备，甚至微型的医疗和气象系统。这些装备所需要的电源要 重量轻、使用时间长、功率相对较大。尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大 量的时间和经费，但目前绝大多数军用电池仍然源自民用技 术军方对此并不满意。虽然对军用电池的考虑因素与一般民 用电池差不多，如成本、电量、使用寿命、环境因素和安全 性等，但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征、工 作环境以及军事行动的其他特殊要求。因此，虽然军队也

2、愿 意采购一些物美价廉的成熟商品电池，但研制新型的便携式 军用电池势在必行。普遍使用的锂电池 多年来，军队使用得最普遍的原电池是锂电池。与碱性 电池、碳锌电池等传统电池相比，锂电池在成本、容量、钝 化阻抗等方面代表着技术上的进步，至今需要量大，使用良 好，甚至不时出现短缺 早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生 爆炸，并释放出有害的化学烟雾，锂一二氧化锰（Li-Mn02）电池与早期的锂电池不同 它的主要构件为固态锂金属阳 极，固态二氧化锰阴极和电解液，没有增压，还带有可熔性 安全分离装置。当电池过热时，电池阴极和阳极之问的挡板 可以自动将电池关闭，以防止电解液外泄。总部位于法国的 Saft

3、 公司是世界上主要的锂电池供应商 之一，既生产民用电池也生产军用电池。其产品包括锂一二 氧化锰电池、锂-二氧化硫电池和锂-亚硫酰（二）氯电池，它们 已占移动式战场通信系统电池市场的大量份额。根据 2006 年 10 月从法国陆军获得的一项每年 1000 万欧元的合同，该 公司将连续 4 年为法军提供一次性锂电池，用来为“第四代 数字电台”（PR4G），泰迪兰（Tadiran）电台及其他电子装备提 供电力。Ultralife 公司是最早从事锂电池生产的厂商之一，生产 系列的军用 HiRate 圆柱型电池。这种电池采用螺旋结构（Spiral-Wound），储存电量多，能快速放电，在极端的温度条 件

4、下也能正常使用。其货架寿命长达 10 年而且经过超时存 放后，在启动时也没有电压延迟现象。该公司的 BA-5390 U 型锂一二氧化锰电池由硬塑料密封，工作温度范围为-30 度+72 度，可提供的电量和使用时间比同类产品要高 50%60%，它虽然重量稍稍偏大，但还是被美军广泛用于 PRC-119 型“单信道地面与机载无线电系统”(SINCGARS)，并术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的

5、热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有为夜视镜。遥测系-统，化学战剂监视仪等多种装备供电。锂离子可充电电池 锂离子可充电电池技术从上世纪 90 年代初开始发展，近年来取得了长足进步。虽然可充电的镍一金属氢化物电池(特别是镍?镉电池)价格相对低廉，有许多军事应用，不过，锂离子可充

6、电电池重量更轻、储能更高，而且不像其他可充 电电池一样存在“记忆效应”，从而成为商用市场的宠儿，也开辟了广阔的军事应用前景。它最突出的优势就是能反复 使用，尤其适用于训练装备。目前，英国 ABSL 公司在军，民用可充电锂离子电池的 发展中发挥着领头羊的作用，已被英国通用动力公司指定为 电池和充电器的独家供应商。ABSL 公司生产的可充电电池 组将 Kaizen 锂离子单体电池和新型 Chikara 单体电池结合起 来，后者带有先进的电子装置，可作为可充电电池、充电器 及主设备之问的交互平台。ABSL 电池系统及其前身一直是 英军“弓箭手”(Bowman)通信系统主要的可充电电池组，其 中包括

7、BB2590 型可充电电池。该电池重量轻、储电量大，使用寿命长，可为各种战术无线电装备、便携式计算机及其 他通信装备提供电力。2006 年 1 月，Saft 公司赢得一项为法国陆军“装备与通 信一体化步兵”(FELIN)单兵系统设计，开发和测试锂离子 可充电术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新

8、型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有电池组的合同。法军计划制造 32000 套包括语音数 据无线通信部件及 GPS 导航部件的 FELIN 系统。这种锂离 子可充电电池组以该公司的 MP 系列棱柱形锂离子单体电池 为基础的，它们极其紧密地排列在一起，使电池组容量比同 类圆柱形电池组高出 20。电池的阴极采用石墨材料、阳极 采用含氧化锂的氧化钴，存储一个月后仍能保持 95

9、的电 量。其他技术指标包括在极端温度、湿度条件下的安全性、可靠性，战场应用的坚固性及电磁兼容性，并且要符合核心 化作战的要求。第一代锂离子电池 2006 年 11 月中旬，Saft 公司推出 MP 系列最新的 MP17065 锂离子单体电池，并于 2007 年初开始批量生产。由于优化了电极材料和电解质配方，设计上采用新型铝铸件 代替以往的不锈钢铸件，MP17065 的电容量增加到 7 安时、寿命增加到 600 次充放电(比老型号增加 20)、重量比老型 号轻 10 克。这种电池以及该公司更小型的 MPl74865 和 MPl44350 电池，被看作是特别适合”装备与通信体化步兵”计划需求的电池

10、。UItralife 公司设计的锂离子电池非常适用于是便携式军 用电子系统，口 j 以在很大的温度范围内正常使用。ABSL 公司通过参与英军“弓箭手”和“未来步兵士兵 技术”术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至

11、不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有计划评估阶段的工作，和奎奈蒂克(QinetiQ)公司一起 被选中为英军开发新代“便携式能源系统”(PPS)。这项价值 500 万英镑的合同于 2006 年签订，计划 3 年完成。ABSL OinetiQ 小组正在评估一系列可用技术，然后将开发 2 套便 携式能源系统，一套是技术比较成熟的 TRL7，另套是将进 入概念论证阶段的 TRL3。除了单兵便携式供电系统，TRL7 技术还用于大型能源系统。锌-气电池 美国 Ar

12、otech 公司是一家很活跃的公司，重点开发、生 产基于锂电池技术的高端原电池，可充电电池及其配套充电 器，包括为美国军方开发和生产高能锌-气(Zinc-air)电池。Arotech 公司是美军锌-气电池的唯一供应商，曾于 2006 年 10 月获得美国陆军通信与电子部的 70 万美元资助，为“未 来勇士”计划研发第四代锌-气电池。这种系于腰间的锌?气 电池比同类锂电池重量更轻工作时间更长而且在作战环境 下的使用相当安全、环保，应用范围很广。电池的集成与充电技术 电池与单兵系统的集成 英国“未来步兵士兵技术”单兵系统把无线电台、计算 机、全球定位系统，武器瞄准系统和照相器材等术单兵系统中包括了

13、传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有装备整台成

14、一体化系统，负责其评估工作的泰利斯公司选择了 ABSL 的 产品(包括电池组，充电器以及能源管理、设 备跟踪、任 务计划等软件)构成能源系统，ABSL 公司为试验提供了套(两 组)带有能源管理单元的锂离子电池组。另一种方案是只用 1 个主电池，然后用 1 个小型电池在更换主电池时不间断地供 电。荷兰“数字化单兵系统”可以链接到荷军指挥控制战斗 管理系统上，并实现英军和荷军的互操作。该系统需要重量 轻、能效高的供电装置，以整合通信基础设施。2005 年 9 月，ABSL 与通用动力公司签订了一项为期两年、价值 14027 英 镑的合同，为荷军提供“弓箭手”系统的电池及相关产品，并为其新型的海军陆

15、战队通信与信息集成系统(NIMCIS)提 供电池、充电器及其他附属设备。美军“陆地勇士”单兵系统能力升级的第三阶段(Block)计划于 2010 年投入实际运行，而更先进的“未来勇士”(Future Warrior)系统 2020 版将在 10 年后部署，使单兵直接联入与其 作战任务相关的网络中心信息系统。该项计划还打算减轻单 兵负荷(可能会减轻到仅 20 千克)提高通信、导航和信息处理 能力，因此对电力供应提出了更高的标准-能保障 4 名单 兵利用所携带装备在 24 小时内独立遂行战斗任务。参与“陆地勇士”相关军用电池和电源管理技术的还有一些小公司，总部 位于术单兵系统中包括了传感器通信导航

16、夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有达科他州法戈市的“数字背包

17、”(PacketDigital)公司就是 其中之一，该公司还提供与军用电子相关的其他研发，试验 和培训服务于 2006 年获得一项价值 530 亿美元、研发电台 电源管理系统的合同。该公司的“应需电能”(On DemandPower)技术可以延长军用电池的使用寿命、提升系统 的效率并使其小型化，还可以优选不同的供电方式，因此应 用范围很广。电池充电技术 选择可充电电池的实质就是选择低成本、高性能的充电 方式。美国阿拉巴马州奥本大学演示了一种基于“斯特林”发动机转换器(Sterling Engine Converter)的电池充电技术，它 可以把活塞式柴油发动机的外部热能转化为电能。由于这种 转

18、换器只有 2 个活动部件，而且外部热能的来源相当广泛，因此非常适合军用。一些专家还宣称已经开发了一系列 35 25000 瓦的静音电池充电系统，美国军方对于其中 160 瓦的 增强型系统特别感兴趣。ABSL 公司还开发了一种能显示电池“电量衰竭”及“健 康状态”的显示器及相应软件，它可以建立电池与设备单元 的交流平台，提高电池的使用效率。Ultralife 公司的 SmBus 1.1 通信协议术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和

19、安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有是专门为“陆地勇士”LMll 电池开发的，有助 于防止士兵随意充电，避免了资源浪费和电池记忆效应问 题。它们虽然初始费用较高，但有助于降低电池的全寿命成 本，还是很合算的。有吸引力的燃料电池技术 燃

20、料电池(Fuel Cell)的研发可以追溯到 50 年前，它已经 作为轻型电力源应用到很多军用装备中。燃料电池具有吸引 力的，是其输出电能高而重量却相对较小;而且在燃料(如氢)的化学能转化为电能的过程中只产生热和水，而不会释放出 有毒气体，不会对环境产生不良影响，是种安全的发电手段。与传统的发电设备相比，燃料电池具有低噪、安全和清洁的 特点，而且热特性较低、燃烧效率高。与携带大量电池相比，采用燃料电池可以大大降低负重。近期涉及燃料电池的项目包括英国“未来步兵士兵技 术”单兵系统和陆军“未来快速响应系统”（FRES），美国各 种军事机构（如国防高级研究计划局和陆军能源署燃料电池 小组等）也就“陆

21、地勇士”系统采用的便携式和车载式燃料电 池展开了相关调研。许多公司和科研机构都密切关注燃料电 池技术的发展潜力和军方需求，进行各种方案的可行性研 究。在开发便携式燃料电池（包括电池充电器和移动式发电 机）的公司中，Voller 能源集团公司已经在设计军用和民用燃 料电池，并开发了监控燃料电池输入输出的软件系统，将系 统效率提升到一个更高层次。该公司的 VEl0M 燃料电池是 专门为军品市场设术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安

22、全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有计的，功率为 10 瓦，目前处在演示验证 阶段。Voller 公司一直密切关注着未来单兵作战的技术要求，开发的燃料电池主要采用液化石油气燃料，也考虑采用柴油 燃料，此外，在长远规划中还考虑采用北约部队

23、的 JP8 军用 燃油。美军还在探索用甲醇作为未来的电池能源。甲醇在电池 中运动时，能量被提取出来而不必燃烧。MTIMicro 燃料电 池公司计划向美军提供甲醇燃料电池。该公司的 Mobion-30M 电池部件加上两种甲醇燃料，可以满足一名单 兵 72 小时作战所需要的电量，相当于 9 块 BA5590 电池，而 重量仅为后者的一半。德国的智能燃料电池（SFC）公司设计出了一种“士兵燃料 电池动力系统”(FCPS)，目前正在进行实际应用实验。这是 一种“直接甲醇燃料电池”(DMFC)，采用重 0.47 千克。体 积 18 X 8 厘米的 M500 充电燃料盒进行热交换。该系统最高 电量达 40

24、 瓦，额定电压 144 伏，重量为 1 千克(仅为单兵原 来携带电池重量的 20)，可以使用 72 小时。2006 年 11 月，该公司已将重 1.3 千克的“詹妮”(Jenny)“燃料电力系统”交付给德国、英国、挪威和荷兰等 8 个国家的国防部。该系 统可从甲醇燃料电池提供 25 瓦的连续电力输出，并与任何 标准的军用锂离子电池相联接，将电池的性能优势与燃料电 池的高能电量和连续输出特性结合起来：可以与单兵装备相 集成，或者为无人值守装备提供电力。“詹妮”系统的重量 不到传统电源的 20。例如，A350 燃料电池盒可替代重 2 千克的传统军用电池，提供 350 千瓦时的电量，而重量仅为 0.

25、36 千克。还有一些公司和机构也瞄上了军用燃料电池市场。Protonex 公司和千年电池公司演示了能为单兵提供超长工作 时间的 30 瓦便携式单兵电力系统(P2)。P2 系统重约 5 千克，可以在 术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最

26、普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有72 小时内提供相当于 14 千克重常规电池的电量。2005 年末，美国陆军与该公司签订了“小企业创新研究”氢 电池技术研发的第一阶段项目合同。试验表明，该公司开发 的“应需氢”(Hydrogenon Demand)燃料电池技术可以使用盐 水和其他非饮用水。术单兵系统中包括了传感器通信导航夜视等装备甚至微型的医疗和气象系统这些装备所需要的电源要重量轻使用时间长功率相对较大尽管各国军方已经为开发创新的便携式电池投入了大量的时间和经费但目前绝大多数军用电池仍然和安全等但是军方还要顾及其他一些问题如电池的热特征工作环境以及军事行动的其他特殊要求因此虽然军队也愿意采购一些物美价廉的成熟商品电池但研制新型的便携式军用电池势在必行普遍使用的锂电池多年来军队使用得最普今需要量大使用良好甚至不时出现短缺早期的锂电池有其致命缺陷一旦破损就可能发生爆炸并释放出有害的化学烟雾锂一二氧化锰电池与早期的锂电池不同它的主要构件为固态锂金属阳极固态二氧化锰阴极和电解液没有增压还带有