从供电到装甲防护：未来战场需要新型高能量密度电源

随着战场感知、目标捕获和通信技术的进步，安装有大量电器/电子设备的新型特种武器装备电力负荷急剧增加，对电源提出了更髙的要求但目前各式平台的电源所能提供的电力有限，严重制约了用电设备的使用时间，虽然通过换装大功率发电机、增加储能装置、加装辅机电站等方式，可以提髙车辆的电能供应能力，但是会占用更多的武器装备内部空间。以车辆平台为例，随着车辆电子技术的发展和新的特种环境对坦克装甲车辆特种功能的多样化需求，使得特种车辆的车载用电设备数量不断增多，例如新型控制系统、通信系统、光电探测系统、遥控武器站、电控炮塔、主动防护系统等，从而导致对车辆电能供应需求的急剧增加。

为适应未来战争的需求，各式特种平台在某些情况下需要选择关闭主发动机以降低声和热等信号特征，从而降低被敌方探测到的概率。这时就需要由化学电池、超级电容器甚至是燃料电池等纯电力电源供电，而一般蓄电池电容有限，无法满足需求。这就只能依靠辅助电源为其供电，同时使用辅助电源也能提高平台发动机空转时的燃油效率,还能够减轻军方在油料物资运输上的负担和费用。

随着战争形态的不断变化，未来大量高能武器将会不断被采用，如电热化学炮、电磁炮、高功率微波武器、超宽带武器等，这些武器将会使未来特种平台的电能供应需求急剧增加，2014年主动拒止武器所需功率为0.4MW，2016年激光武器所需功率为2MW，2020年电磁轨道炮所需功率为30MW。从中长期来看，为了满足未来特种车辆对电能供应的需求，必须发展高性能的车载致密能源。

致密能源是高能量密度电源的简称，是针对微电子技术迅猛发展的需求，为了满足电子产品日趋小型化、微型化和功能化，推动电子装备信息化、智能化、一体化的快速发展，而提出的一项重要命题。一切具有高能量密度特点的电源都属于致密能源的范畴，主要包括化学电源（电池）、超级电容器、光伏器件或太阳能电池等。

电化学储能及能量转换技术是提升储能电池能量密度的关键目前已投入特种应用的新型储能电池主要包括:铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、飞轮储能电池、燃料电池和超级电容器。储能电池可以用于车辆、舰船等主战平台的起动、照明和点火。在混合电推进车辆中，储能电池主要回收制动能量，在车辆加速时与主发动机一起供给超额的电能。当特种车辆静默观察时，主发动机关闭，储能电池为车载用电设备供电。特种车辆上使用的储能电池必须满足以下4个条件:比能量髙、使用寿命长、比功率大、成本低廉。

目前铅酸电池的能量和功率密度较低，在主发动机关闭时，不能满足特种车辆静默观察需求。镍氢电池具有约两倍于普通铅酸电池的能量密度，充一次电车辆可行驶160200km，且电池质量仅为铅酸电池的1/2,而循环寿命则约为铅酸电池的3倍。锂离子电池是近年来最热门的电池种类，受到各国的高度重视。美国AHED先进混合电驱动8x8技术演示车的能量储存装置为5个带有SAFT锂离子蓄电池的蓄电池组。飞轮储能电池是利用飞轮储存和释放能量的功能制成的一种机械式蓄电池，功率密度高、充电时间短、存储时间长、使用寿命长、无污染。德国磁电机公司已研制出一种飞轮储能电池，飞轮在真空中围绕着多重电子永磁电机飞快地旋转。在德国军方的支持下，磁电机公司正在研究将其用在特种车辆上。燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的发电装置。近年来，国外一直积极探索燃料电池技术研究,并已取得一些突破性进展。2011年，英国格拉斯哥大学化学学院和欧洲特种防务航天公司的创新中心联合开发了一种新型纳米技术，用于解决燃料电池的储氢问题2013年，美国能源部下属的橡树岭国家实验室（ORNL)的科学家设计出了一种全新的全固态锂硫电池，其能量密度约为目前电子设备中广泛使用的锂离子电池的4倍，且成本更低廉。

储能电池目前存在的主要问题是用于混合电传动车辆、舰船等大型平台的高功率电池组尺寸太大，成本极高，并且安全性和可靠性也有待提髙。储能电池未来的主要研究方向包括:储能电池功率与能量的折中优化设计;储能电池制造过程和成本控制；电池单元与系统的安全性与可靠性;系统控制、电池单元与电池组管理系统;替代电化学改进方案，包括替代化学物质和电池;JP-8燃料重整和脱硫以用于战场的燃料电池；与蓄电池和超级电容器优化的燃料电池系统。

超级电容器是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件，根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种。钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产品中作为后备电源，适用于带CPU的智能家电、通信等领域中的存储备份部件。

超级电容器兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的优点，填补了电池和传统电容器的空白，如表1所列。超级电容器存储的能量可达传统电容器的100倍以上，与传统电容器相比，超级电容器的能量密度非常高，容量可达到数千法拉，但耐压较低，受制于电解质的分解电压，漏电流也比较大，容量随频率显著降低，适合用做低频容性元件。与电池相比，超级电容器可以在非常高的功率密度下工作，不仅能在需要瞬时峰值时提供非常高的功率，还可以在充电时吸收高功率。电容器比电池组能更充分地利用制动能,有非常好的低温特性，无需保养，拥有比电池组更长的寿命周期。目前，超级电容器还不是一项十分成熟的技术，但在技术和成本效益方面具有很高的竞争力，是一种很有前途的瞬时供能装置。

光电能量转换技术原理是利用半导体的光伏效应将太阳光能直接转换为电能，相应的产品属物理电源类，又称光伏器件或太阳电池。该领域内的技术发展重点是继续提髙光电转换效率和发展薄膜光伏器件技术。太阳能电池性能主要受成本、效率、可靠性和稳定性参数的影响。硅晶太阳能电池的可靠性和稳定性已经做得很好，但是成本高;非晶硅太阳能电池虽然成本低，但是非晶硅太阳能电池第一次曝光效率就减少10%20%，其稳定性未能得到解决;同样，薄膜太阳能电池的稳定性问题也未能得到解决。在新型太阳能电池的研究中，如聚合物太阳能电池、有机物太阳能电池、染料感光电池等，都需要解决其稳定性问题；同时，所有的太阳能电池的效率与理论上的效率有很大的差距，存在着较大发展空间。

受光电能量转换技术的不断革新，近年来涌现出多种新型太阳能电池，同时传统硅电池也在不断创新。光电能量转换技术取得的突破与进展主要体现在薄膜电池、柔性电池、叠层电池以及新概念太阳能电池几个方面。电池器件的薄层化有利于缩短光生载流子在器件中的扩散距离，降低复合及湮灭的几率，使得在吸光程度大致相当的前提下太阳能电池的效率能够取得进一步的提高。薄层化不仅有益于节约原料和提升效率，还能简化器件制备工艺。

未来致密能源领域的发展趋势主要体现在：1、锂离子电池作为新一代可充电电池仍是未来一段时间各国发展的重点,将全面替代传统蓄电池;2、高比能量动力电池保持快速发展，将进入工程化应用阶段;3、随着超级电容器技术的逐渐成熟，电磁炮和电磁装甲将获得突破性进展;4、薄膜太阳能光伏电池技术及其产业化逐渐成为发展主流。

经过伊拉克战争和阿富汗战争的检验，信息化陆军特种的优势已显露无遗。目前各国均在迅速跟进，对本国军队实施改造，锂离子电池也在其中扮演重要的角色。在未来的战场中，上至各级指挥所，下至每个特种，作为信息网络的一个节点，都要使用各种类型的信息设备，因此电源就是必不可少的装备之一，而电源的能量密度将成为影响特种特种能力的重要因素。锂离子电池是当今质量能量密度和体积能量密度最高的蓄电池，能满足特种装备高安全性、髙可靠性和高环境适应性的特点要求，各国都把锂离子电池作为未来特种通信设备电源的首选。在伊拉克战争中，美国军方使用新研制的BB-2590型锂离子电池代替BB-390镉镍电池，每块电池大约能工作34.5h，受到了官兵的高度评价。此外，锂离子二次电池作为继镍氢电池之后的最新一代可充电电池，以其电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、寿命长等优点，成为目前综合性能最好的电池体系。

对于未来坦克装甲车辆防护系统而言，其核心就是电装甲。这种新概念装甲不但能大幅提高防护效能、减轻坦克重量，同时顺应了坦克装甲车辆电气化的发展趋势。而电装甲的投入使用需要依靠坦克装甲车辆携带的高压电容器组提供电能，而且需求总量很大。例如，如果要使主动电磁装甲能够对付目前坦克炮所发射的穿甲弹，拋出每块板至少需要1MJ的能量，如果钢板发射器的效率为20%，则需要容量为5MJ的电容器组。在目前可实现的3MJ/立方米的能量密度水平下，该电容器组需占约1.67m3的空间，仍然不能很好地满足工程化需求。由此可见，提髙电装甲的能量密度将是该领域未来的发展重点，主要涉及可储能电容器的选取与设计。

可储能电容器的选取和设计以提高电容器的工作储能密度和工作场强、缩小体积为目标。就目前反装甲武器战斗部而言，一般穿甲弹的穿甲速度为1000m/s，破甲弹的金属射流破甲速度为2000m/s，未来即将投入使用的电炮的炮弹速度将达到3000m/s以上，故而要求电容器在被击穿以后的微秒级时间内放电完毕，也就是要求脉冲电容器放电电流应具有比较陡的上升前沿，即陡脉冲放电的能力。为了使可储能电磁装甲满足坦克装甲车辆的机动性以及防护需求，同时保证可储能电磁装甲的可靠性和有效性，电容器的选取和设计应从电极、浸渍剂、介质等几个方面来考虑。