单兵班组供电保障装备论证研究

于广洲，杨秀月，李 渊，史栋杰

(中国人民解放军63936 部队，北京 102202)

随着军队信息化建设延伸至战术末端，为驱散战场迷雾，士兵配备了更先进的指控通信、侦察观察、定位导航等便携式信息化装备，战斗力较以往大幅提升，然而与之伴随而来的是大量的电能消耗。文献[1]提到了士兵在3 天任务中理论上携带电池重达7.26 kg。在士兵有限的携行能力下，综合考虑所有便携式信息化装备用电需求，如何科学论证和设计单兵班组供电保障装备以确保维持持久作战能力逐渐成为当前迫切解决的问题。就此，本文主要从单兵班组供电保障装备体系、指标体系和论证方法三个方面开展了相关研究，并对未来工作进行了展望。

1 单兵班组供电保障装备体系

国内外目前已形成单装-单兵-班组三个层级的供电保障装备体系，如图1 所示。

图1 国外单兵班组供电保障装备

(1)单装级。便携式信息化装备大多数情况下通过填充或卡接使用各自配套电池进行供电，单装配置独立供电单元便于灵活使用。配套电池主要采用化学电池技术体制，如美军普遍使用的2590 电池、5590 电池、LI145 电池等。

(2)单兵级。单兵穿戴士兵系统遂行任务，系统面向单兵一体化设计集中式电源，通过线缆按需为士兵系统用电装备直接供电或为系统内配套二次电池充电。士兵系统集中式电源更注重追求士兵供电整体效能，为适应士兵体型特征往往采用共形结构化学电池(如美军的Conformal Wearable Battery)；为提升士兵持续作战供电保障能力，根据需要编配小功率燃料电池(如美军使用的JENNY600s 燃料电池)。

(3)班组级。班组内通常由1 名士兵携带班组电源，在临时集结地通过线缆为单兵班组装备直接供电或为班组内各装备配套二次电池充电，实现班组作战长时间电能续航补给。班组级电源具备更高的携电能力和可再生能源发电能力，美军主要采用便携式燃料电池(如JENNY1200 燃料电池[4])、太阳电池等技术体制；为实现班组级电源高效管理，美军使用SPM-622 班组电源管理器(SPM-622 Squad Power Manager)可为大多数军用和商用可充电电池充电，使用ABC-812 箱式维护设备对电池进行充电及维护。总体上看，单兵班组供电综合了“分布式”和“集中式”供电方式，区分使用对象呈现出分层能源补给的特征。

鉴于上述装备均为便携装备，承载平台均为士兵，为避免重复建设、降低携行质量和方便筹措保障，目前单兵班组供电保障装备建设逐渐由面向单装独立设计向面向单兵班组一体化设计转变，电池、充电器及配套线缆型号逐渐压减，单兵班组电源通用化程度更高。

2 单兵班组供电保障装备指标体系

单兵班组供电保障装备既有装备共性指标，又有电性能指标(见图2)。

图2 单兵班组电源装备指标体系

2.1 装备共性指标

单兵班组供电保障装备，属于保障装备，具备装备共有的共性指标，主要包括：质量、尺寸、人机工程、可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性、电磁兼容性等。环境适应性指标，主要基于装备作战需求并结合参考GJB150.A-2009《军用装备实验室环境试验方法》进行论证，主要包括工作温度、储存温度、低气压(工作海拔)、淋雨、盐雾、砂尘、振动、冲击等指标；电磁兼容性，主要基于装备作战需求并结合参考GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》进行论证，主要包括传导发射和传导敏感度等指标。

2.2 电性能指标

2.2.1 电源电性能指标

电源电性能指标区分通用指标和专用指标，通用指标主要包括容量、输出功率、标称电压等。不同技术体制的电源，又存在专用指标，具体为：

(1)化学电池。国外已用装备配套化学电池主要有一次电池和二次电池，专用指标包括荷电保持能力、充电电流、充电截止电压、循环次数等，后三项为二次电池的专项指标。

(2)燃料电池。当前国外单兵班组主流燃料电池主要有质子交换膜燃料电池、金属空气电池等，专用指标包括发电效率、起动时间、寿命、工作表面温度、工作噪声、适配燃料种类、危险防护等。

(3)太阳电池。当前应用较多的太阳电池主要为晶体硅、硅基薄膜、铜铟镓硒薄膜、砷化镓薄膜等太阳电池，专用指标包括光电转换效率、光致衰退效应、弱光条件发电功率、遮挡下发电功率等。

(4)人力发电装置。专用指标包括转换效率、工作噪声等。

2.2.2 电源管理设备电性能指标

(1)交直流适配器。主要电性能指标包括输入/输出适配电压、额定功率、纹波系数、工作表面温度等。

(2)直流电源管理器。主要电性能指标包括输入/输出适配电压、充电模式、额定功率、效率、电量估算等。

(3)一体化维护设备。主要电性能指标包括输入/输出适配电压、充电模式、额定功率、效率、电量估算、级联能力、燃爆防护(电池隔离、压力释放、阻燃、防静电)等。

3 单兵班组供电保障装备论证方法

单兵班组供电保障装备涉及指标多，在装备论证阶段，应把握主次矛盾，在满足基本作战要求的基础上，合理确定关键重要指标和择优指标，使之符合使用主体要求。

3.1 以能力需求为牵引，确定关键重要指标

围绕使用主体对电源在用电总量、用电功率、携行方式、操作环境等方面的需求，确定容量、功率、质量、尺寸、环境适应性等作为电源的关键重要指标：

(1)用电总量。充足的电量是电源保障使用主体遂行任务的基本前提，电源容量指标应不低于使用主体在任务周期内消耗的用电总量。

(2)用电功率。电源输出功率决定了使用主体能否直接用电和高效充电补给。为确保电源能满足被保障对象直接供电或快速能源补给需求，电源功率指标应不低于被保障对象用电功率或快速充电功率。

(3)携行方式。士兵主要通过穿戴方式携带电源，而士兵战斗负荷有限(参考美军士兵战斗负荷为其体重的30%[2])，为避免影响战术动作执行，电源尺寸规格应尽量小巧，电源体积指标不能超过士兵系统携行具(或附包)的尺寸，电源质量与士兵其他战斗物资质量之和不能超过士兵负荷能力。

(4)操作环境。装备在实战和日常训练中存在使用、投送、补给等过程，操作环境较民用电源更为苛刻，能否适应复杂环境条件是检验电源技术型号研制可行性的一项重要指标。考虑到难以“一块电池包打天下”，宜结合不同技术体制的特点实现优势互补。

围绕使用主体对电源管理设备在高效配电管理以及日常维护等的需求，确定输入/输出适配电压、充电模式、额定功率、效率、电量估算等作为电源管理设备的关键重要指标：

(1)高效配电管理。单兵班组电源种类多样，尺寸规格不同，电压等级多，需要依托高效配电管理实现电能互联通用，即实现接入多种电源为用电装备输出供电，以及为装备配套化学电池适配充电；为适应快速战斗节奏，应具备快速充电模式以及较高的配电功率；为有效利用有限电能，电源管理应尽量提升效率；为指导任务规划和形成补给需求，电源管理应具备电量评估能力。

(2)日常维护。一体化维护设备应满足对装备配套化学电池的充放电维护需求。

3.2 通过典型作战场景构想，明确指标具体要求

围绕前文论证得出的电源容量、功率、质量、尺寸、环境适应性以及电源管理设备的输入/输出适配电压、充电模式、额定功率、效率、电量估算等关键重要指标，基于典型作战场景和编组运用等，明确指标具体要求。我们以班组供电保障装备指标论证为例，进行简要说明。

(1)明确单兵班组装备编配。根据作战任务中各士兵的能力需求、携行负荷约束等携带装备，形成装备编配矩阵。

(a)根据班组执行的任务种类，构建任务矩阵A，A=[a1，a2，…，aZ]，Z代表班组执行典型任务种类的数量，通过部队调研方式获得；aMaxC代表最大用电需求的任务，以此为典型来设计班组供电保障装备容量、功率等典型参数；

(b)以aMaxC作为典型任务进行编组，构建任务角色矩阵R，R=[r1，r2，…，rj，…，rS]，S为编组内士兵数量；

(c)士兵按照能力需求携带各自装备，主要有感知、指控、通信、打击、机动、防护、保障等装备构成，可以初步构建装备矩阵Q，Q=[q1，q2，…，qi，…，qN，q(N+1)，q(N+2)，…，q(N+S)，…，q(N+P)]，N为单兵班组携带的已定型装备型谱数量，P为新增电源装备数量；其对应的装备质量属性矩阵M，M=[m1，m2，…，mi，…，mN，m(N+1)，m(N+2)，…，m(N+S)，…，m(N+P)]；

(d)构建班组装备编配矩阵O：

式中：矩阵中oij的数值代表第j名士兵编配第i型装备的情况，oij取1 或0，1 代表编配该装备，0 代表不编配该装备；

(e)计算得出士兵携行负荷∑M，∑M=MO，∑Mj代表第j名士兵的携行负荷；

(f)士兵携行负荷约束项为不超过士兵体重的30%，按照士兵体重80 kg 计量，∑Mj≤24。

(2)明确单兵班组装备用电模式。根据任务特点，明确指挥、通信、侦察、引导等编配装备的使用时机、使用模式。指挥、通信装备通常按照一定的工作和待机时间比模式使用，侦察、引导装备通常按照持续时间/次数模式使用。

(3)明确班组电源容量指标。

(a)梳理构建装备平均用电功率，形成装备平均用电功率矩阵此处记

(b)根据用电模式，规划任务周期内用电装备使用时间矩阵T，T=[t1，t2，…，ti，…，tN，t(N+1)，t(N+2)，…，t(N+S)，…，t(N+P)]，其中t(N+1)，t(N+2)，…，t(N+S)，…，t(N+P)为0；

(c)根据装备编配矩阵、装备平均用电功率矩阵以及装备使用时间矩阵，计算任务周期内每名士兵用电电量E；

(d)计算班组电源容量C，其中y≥1 为裕度值。

(4)明确班组电源功率指标(区分额定功率Pr和峰值功率Pk)。

(a)梳理构建用电装备峰值功率矩阵W=[w1，w2，…，wi，…，wN，w(N+1)，w(N+2)，…，w(N+S)，…，w(N+P)]，此处记w(N+1)，w(N+2)，…，w(N+S)，…，w(N+P)为0；

(b)额定功率指标不得低于班组供电保障装备容量(Wh)/任务周期(h)，即Pr≥C/t(t为任务周期)，同时基本能够满足便携用电装备直接供电需求；

(c)峰值功率能够满足较大功率便携装备的短时间内直接供电Pk≥max(wi)，同时综合考虑配套电池快速充电。

(5)明确班组电源尺寸和质量指标。尺寸以便于置于携行具(或附包)携带为宜，质量指标为便于灵活编配和组合使用，单体质量不宜超过2.5 kg。

(6)明确班组电源环境适应性指标。综合考虑装备遂行各类任务的环境等，明确环境适应性指标并满足GJB150.A-2009《军用装备实验室环境试验方法》中明确的工作温度、贮存温度、使用最高海拔、淋雨(降雨和吹雨)、湿热、盐雾、砂尘(吹尘)、振动(散装货物运输)、冲击(运输跌落)等相关测试要求。

(7)明确电源管理部分的适配性等指标。根据任务矩阵A可能存在的任务种类，梳理电源管理设备接入电源、适配充电电池以及适配供电装备，输入/输出适配电压至少满足5～32 V，具备标准充电和快速充电模式，具备电量估算功能；电源管理器额定功率、效率、电量估算精度等指标在招标完成后予以明确。梳理一体化维护设备接入的电源、适配的电池，明确一体化维护设备满足市电、野战游击等电源接入的物理接口和电压范围，以及支持维护的电池种类和数量。

3.3 实物招标确定技术方案，完善其余指标要求

在满足关键重要指标要求的基础上，利用装备采购信息网平台进行择优，明确招标文件和比测大纲，指导比测择优工作。关键重要指标设置为基本项，对照指标体系设置择优项，通过分项分值区分不同指标权重。

4 展望

由于长期以来被视为装备配套组件，单兵班组供电保障装备论证对比其他主战装备论证尚存在差距。本文主要是定性论述了单兵班组供电保障装备体系、指标及论证方法，基于编配矩阵进行建模的方法已经用于某供电保障装备论证。后续我们将借鉴主战装备论证方法开展效能评估分析，使单兵班组供电保障装备论证深化全面。