发电，电池与战术人形能源问题

前两天讨论到战斗人形是否能够替代传统步兵时，本人是以战场上的消耗战强度和武器（人形）的供应链角度分析出是不适合用高度复杂的机器人打消耗战的。正巧这两天有人把南方拉闸限电和澳大利亚煤炭无端联系在一起，今天，我们换个角度，从能源——电力的储存和供应来谈谈当今高性能无人设备的困难。

电力绝非来的容易——民用发电技术的演变

自从第二次工业革命后，电力凭借易于传输和用途广泛，逐步替换了过去的煤炭，煤气，成为了居民日常生活消耗最多的能源。但是，从第一台商业发电机诞生，到如今我们各种各样的充电穿戴式电子系统，一路走来并不是一帆风顺的。

本人生长于一个电力工人的家庭。1957年，我的爷爷在西安一所大学水电专业毕业后，来到吉林省丰满水电站参加水电建设，修复被国民党军和苏联红军破坏后的丰满电站，之后又来到长白山下的我的出生地，修建火电站。从此我们家就和电力结下了不解之缘，我的父亲和姐妹都是电厂职工，我也是在电厂的子弟学校完成了学前班到小二的学习，之后才因为企业小学关闭而进入了市属小学。正因如此，我一直对电力和供电装置有着深切的感情。

但是，上世纪七十年代修建一座火电站远不是现代我们以为的那么容易。在那个时候，我国最大能够生产的汽轮机也不过能带动上海电机厂生产的QFS-125-2型12.5万千瓦发电机，而我们老家修建的发电厂则用的是哈尔滨汽轮机厂生产的汽轮机，带动10万千瓦发电机。如今，这座充满我的儿时记忆的火电厂已经在国内拆除“小火电”的大潮中率先被拆除，这也是我们城市难得一见的登上国家级媒体的时刻。当时上中学的我还有幸和新华社记者一起目睹了这一壮观但感伤的时刻。它的倒下，宣布着新的发电时代的到来，但同时也似乎宣告着老旧设备颇多的东三省发电企业也迎来了自己的日落之时。

如今，我国的火力发电已经打到世界第一梯队。相比当年需要上千人维护的小小的2.5万千瓦机组和10万千瓦机组，现代的火力发电机组，如下图所示的上海外高桥三期发电厂，只需要200人就可以运转两台200万千瓦的火力发电机组。而且，现代的超超临界机组技术比起过去不仅仅是人员的减少，更是排放标准和发热效率的极大提升。2015年，外高桥三厂创造了275克煤炭发出一度电的世界纪录，综合发电效率高达46%，比起过去亚临界锅炉的320克煤发出一度电大幅优化，这也是人类历史上规模燃煤发电能够达到的最高效率。

一提到电就会说的很远。总而言之，我们现在能够用上便宜而源源不断的电力，和我们当代的发电技术和供电技术脱不了关系。但是，在战场上，我们的电子设备可不能随时插上插头给自己充电，那就需要其他的办法了。

电池——简单但笨重的选择

谈到移动供电设备，我们第一反应是各种各样的电池，但是你们想过战场上需要多少电池吗？

在充电电池技术变得可被接受之前，大多数的战场供电和我们日常的民用电器一样，都是使用干电池供电。但是，传统的碳锌电池只有1.5V电压，在启动较为复杂的设备或给发射体点火时，需要多节串联才能达到点火电压，因此为了解决这个难题，先后又有多种新型电池被研发出来，如碱性电池，一次性锂电池（不是可充电锂离子电池）等。不过锂电池由于过于易燃易爆，因此战场上应用并不广泛。

一次性电池是最容易制造和使用的供电设备，在电力耗尽后可以直接丢弃，降低士兵的负重。不过，一次性电池最大的问题就是它这种“消耗品”属性，在实战中意味着需要由运输卡车运输一盒一盒的备用电池，而且随意丢弃后还可能污染水源，造成用水困难。所以随着技术发展，人们又开始发展二次电池——即可充电电池。

早期的二次电池主要是铅蓄电池，但是铅蓄电池实在是太过笨重，不适合一般使用。随着技术发展，锂离子电池日益成为主要的二次电池。如下图所示的美军锂离子军用电池，其电容量在相近输出电压（15V VS 12V）时，提升了一倍多（15AH对7.5AH）；在2020年，美国更有打算引进新能源车使用的磷酸铁锂电池等新兴充电电池，以提升电量存储能力——尤其是新式的混动战斗车辆。

不过，虽然电池的技术日益提升，但是整体而言的能量转化效率还是相当低下。以如今热门的特斯拉model S的电池总成为例：

资料来源：ttps://club.autohome.com.cn/bbs/thread/efb6de8f4f11fb98/39205007-1.html

从汽车之家这位网友发出的图片可知，特斯拉MODEL S的电池输出电压400V，存储能力可达85KW·H（理论水平），重量达到900KG（1枚MK84的炸弹重量）。平均能量密度94.4wh，平均1千克电池可容纳0.0945kw`h的电量，约合340200焦耳（340KJ）的能量。特斯拉MODEL S 续航力约650km，1度电力约能够让它跑7-8公里（时速60KM），这和本人驾驶国产吉利全球鹰新能源汽车的体验基本相同。当然，这是2016年前的技术水平，如今软包三元锂电池已经可达200-300WH。

作为对比，同样的能量折算为多少汽油呢？一千克汽油约是44000KJ的热值，那么1千克汽油在完全燃烧下，能够提供的能量是当代锂电池放电能量的100多倍的能量。就算内燃机工作的热效率较低，现实中的汽油消耗还是非常低的。同样是根据本人的使用经验，本人驾驶1.2吨的比亚迪F3在天津市区可以达到百公里6.2升汽油，折算为4.5千克汽油，在同样确保650公里续航力的情况下，它只需要29千克的汽油。由此可见，在车身（不含油料和电池）重量一样的情况下，电动汽车需要20-30倍的汽油车的油箱重量，才能保证续航里程的基本相同。因此，在战场上使用电池供电的电器，必然会带来体积和重量的急剧上升。

如果说几百千克的电池组对于汽车还是可以接受的，那么对于和人类差不多大的人形就是“无法承受之重”。考虑到人体身体肌肉的强度上限，我们可以认为环法自行车赛的选手身体素质和长跑运动员、野战军士兵都是相当的，根据下列资料可知：

资料来源：https://www.zhihu.com/question/27002036

由此可见，一个身体素质良好的人类在进行长距离运动时平均是6W·kg，如果一个人体重60千克，则他平均运动功率约是360瓦。考虑到选手们跑完160公里赛段的速度平均在40-50千米每小时，也就是一名选手需要以360瓦功率保持4小时，需要消费1.44Kw·h的能量，也就是5184千焦的能量。

那么，换做完全由电池供电的60千克人形呢？考虑到目前常见的锂电池能量上限达到了300WH左右，那么1.44千瓦时的电力需要起码4-5千克的电池组。如果再算上高性能AI和传感器的能量消耗（假设按照目前高性能工作站正常工作约300瓦计算），那么4小时就需要2-3千瓦时的总电量，折算电池组就得超过9千克。这样一来，60千克的人形的六分之一重量都分配到了电池上面，而机器人的锂电池又是极易起火的，必须有一定防火和防弹处理，这样一来机器人分摊到其他方面的重量就不够了。

既然电池效率低下，我们采用燃油发电不就得了？那么，就让我们看看采用燃油发电的情况吧。

燃油发电——难解的噪音和冷却问题

既然我们讨论的对象是和人类差不多尺寸的战斗人形，那么我们必然要寻找小巧玲珑的燃油发动机。现实中体积最符合这种需求的是助力自行车的发动机，约40-60CC排量，最大功率约2-3马力（2KW左右），和我们的电磁炉最大功率差不多，本人上中学时也一度接触过这东西，这种助力车还是能够轻松跑到40公里的速度的（在长白山的山区公路上），用2升汽油就能轻松跑个20公里左右。假设仍然是上面那个问题，需要提供1.44KWH的电力，再算上燃油发动机的30%左右的燃料效率，则是要消耗1.44*3600000/0.3/44000000=0.39kg汽油，咋一看数据好多了。

但是，燃油发动机虽然解决了燃料的效率问题，但是又带来了新的问题——噪音和发热。我们知道，目前的内燃机多为往复式发动机，以高温高压的油气点火来推动气缸运转，这就需要很高的工作温度。同时，由于燃烧室压力很大，排出的高温废气的压力也很强，因此不带消音器的汽车和摩托车的噪音都非常巨大，夜里有的摩托车爱好者骑行的高速摩托车噪音隔着三个街区都能听得到。因此，发动机的尾喷口必须装备和步枪消声器相同原理的消声排气管，这才能够让噪音降低到可以接受的水平。但对于和人类体积差不多大的人形来说，身上就必然多出一个大管子了。

我想，不会有指挥官会抱着一个装有摩托车发动机改进来发电机的人形就寝的吧……

所以，对于人形机器人来说，燃油发动机也是走不通的一条路。那么，集合电池的低噪音高效率和燃油发动机的功率密度的燃料电池能否是一条新路呢?

燃料电池——理想很丰满，现实很骨感

燃料电池，通俗的说就是利用一种特殊催化剂，让燃料在阴极上被氧化，释放电子并转化为阳离子；同时让氧化剂在阳极上得到电子被还原，接受阳离子转为还原产物的过程。

这种技术最早在阿波罗飞船使用，因为重达50吨的阿波罗飞船几乎和中国航天站3个舱段合计一样重，当时的太阳能电池不足以支持这么巨大的飞船，因此采用燃料电池为其提供稳定的电力，但也带来了阿波罗13号氧气罐爆炸的事故。在阿波罗计划后，氢氧燃料电池继续发展，逐步成为一种可靠的技术。

冷战结束后，最早将燃料电池投入地球军用载具的是AIP潜艇。在上世纪90年代，德国人推出了以氢氧燃料电池动力的212型潜艇。如今，现在流行的氢能源汽车也基本上都是用氢燃料电池的。

虽然氢燃料电池燃料效率高，技术可靠，但是一个致命问题阻碍了它的推广：氢的储存技术。由于大多数材料在储存分子量最低的氢气时都会被氢气渗透产生“氢脆”问题，加上氢密度实在是太小了，常压下根本无法储存多少氢气。所以一般储存大量氢气要不是液化氢气，要不就是钯金氢吸附材料。但是，液氢的沸点达到了-250摄氏度，而钯属于铂族金属，产量和价格都限制它的商业应用。因此虽然氢

能源概念炒的很热，但现实应用却非常困难。

除此之外，氢高度易燃也成为它的限制因素。兴登堡号这艘长达200多米的巨型飞艇，在氢气意外起火后，仅30秒钟就付之一炬，可见氢极易燃烧的特性。所以如果氢能源汽车大量使用，那么防火必然是未来一大难题。

既然氢如此高度易燃，那显然不能用于军用人形。那么，有没有可以常温储存的燃料可以驱动燃料电池呢？确实有。早在1997年俄罗斯建设的“拉达”级潜艇，就试图采用一种“柴油燃料电池”，但是迄今为止20多年过去，也没见到这种技术搞定，如今俄罗斯开始为太平洋舰队，黑海舰队生产全新的636.3基洛级潜艇，可见拉达级是真的救不活了，其核心问题就是柴油燃料电池实在是太过超前了，很难找到一种催化剂能够在阴极裂解复杂碳氢化合物。

因此，如今世界上能够做到的最好的液体燃料燃料电池，也只有直接甲醇燃料电池。

直接甲醇燃料电池解决了低温储存氢的问题，但是也带来一个新问题：甲醇极高的毒性和可燃性。几乎每年都发生的假酒致死案例，都和勾兑假酒的工业酒精中含有的甲醇不无关系。

甲醇致死只需要70ml，但是仅仅是皮肤接触甲醇蒸汽就有可能中毒。尤其是甲醇对于眼睛的伤害颇为严重，无论是直接饮用，蒸汽进入眼睛，都会导致视力丧失甚至失明。同时，甲醇挥发后也会形成高度易燃的空气，密闭空间极易爆炸。因此，在一般远离人群使用的无人机采用甲醇尚可，但用于和指挥官一同推进的战术人形——还是省省吧。

结语：珍惜每一度电

在中国建成三峡大坝和更多的核电站之后，90后及更早的人记忆中的“拉闸限电”逐渐成为历史。很多年轻人也仅仅是在最近两天反常的南方电力供应短缺的时候，才意识到节约用电的重要性。事实上，为了让我们每一个中国人都能用上电，通上网，我们的国家做了无数的努力，终于让我国通电率达到了99%以上的世界顶级水平，但我们不能因电来的容易而浪费电力，要知道，你浪费的每一度电，都是整个供电产业链——采煤、钢铁、重机、化学、冶金、电网无数工人废寝忘食所生产出来的。

在最后，本人向各位仍然在供电和发电一线坚守岗位的电力人表示最崇高的敬意。