新能源軍用車前瞻,混合動力兼顧不同場景經濟性,蓄能單元待突破

2019-12-25     礪劍堂

新能源和混合動力已經是民用車輛發展的主要方向,而關於軍用車輛使用混合動力的傳聞也未曾中斷是目前軍用車輛研發的熱點領域。

首先必須闡明一點:軍用全電車輛與民用全電車輛表達的並非同一個意思,民用全電車輛一般指使用電池或燃料電池為動力源而軍用全電車輛並不採用電池為動力源,軍用全電車輛一般以內燃機為動力源,嚴格的說軍用全電車輛最多只能稱為插電式混動。之所以要保留內燃機是與其嚴苛的續航要求有關的。

猛士2.5代油電混合動力車已經進入部隊測試

由於散熱、變速、傳動的損耗,坦克的輪上功率與發動機功率會有較大的差距,其中全機械模式的高一些,液力綜合的低一些,但是全機械模式在車輛啟動時輸出扭矩要比液力綜合的低很多,並且由於起步時離合器半聯動狀態的原因還會有功率損失,這會影響全機械模式坦克的啟動加速性能,這在俄羅斯的坦克兩項比賽T72BM與96B的對決中當中表現的尤其明顯,在發動機功率比T72BM低,同時車重比T72BM高的96B由於使用了液力傳動系統在加速性上卻比T72BM好並且在轉彎時由於液力雙流再生轉向系統的突出優點其表現更是令人印象深刻。

猛士2.5代油電混合動力車採用了輪轂電機直驅模式

正是液力綜合傳動相較於純機械傳動的優點現代典型的第三代坦克普遍使用了1500馬力的內燃機作為動力並配套使用了液力/液壓-機械綜合傳動系統,相較於第一代和第二代坦克動力與驅動裝置普遍使用全機械的硬連接(部分一、二代坦克如美國的巴頓系列傳動系統就裝備了液力變矩器改善了操縱性)驅動方式,配合使用液力變矩/傳動裝置利用液力系統高功率吸收能力並使動力與驅動部分處於不完全連接狀態能夠實現0~32km/h加速時間8s以內能力並且利用液力系統的高功率吸收能力能使60km/h行進的坦克在不到50米的距離上停下來(相信很多人會對第三代坦克的代表德國豹2坦克極佳的加減速和轉向性能印象深刻),但同時這套動力系統也存在著液壓元件製造精密、密封件多、動力內損耗大、發熱量大、造價高和維護費、維護人工需求高的特點。

日本陸軍搭載油電混動動力總成的試驗車正式對外公布。

軍用車輛動力需求設計是按照其極限狀態下最大動力需求取值的,這就導致其在常規使用情況下動力過剩,例如:第三代坦克發動機最大功率為1500馬力而常規道路行駛只需要700馬力就可以滿足需要,這就使其正常狀態行駛下燃油經濟性差。再加上車輛在戰場上頻繁的加減速會使得動力系統的工況出現頻繁劇烈的改變,對動力系統的使用壽命會有很大影響,並且會導致燃料消耗加大使得其續航里程嚴重縮水,例如:典型第三代坦克的公路續航里程在500公里上下,野外行駛時就得打對摺,而在戰鬥狀態時就只剩公路里程的四分之一了。

豹2坦克動力總成後部巨大的散熱系統和變速、傳動系統

電機的特點,電機具備有內燃機所不具備的啟動瞬時大扭矩特點,根據自身特性電機可分為永磁同步電機、交流異步電機和開關磁阻電機三種,不同特性的電機具備不同區間下的轉速/扭矩特性。

全電車輛傳動系統特點,由於前述電機的各種不同特點就可以根據需要來進行排列組合,並且還可以通過使用多個電機串、並聯或者分別輸出,既可以獲得更大扭矩也可以使用行星變速箱根據行駛速度需求來適應不同轉速下的扭矩輸出,或者由不同轉速/扭矩特性電機構成組合時可以通過切換使用不同扭矩/轉速特性的電機滿足不同使用場景下的需求從而兼顧不同速度場景下的經濟性。

同時電力傳輸還具備液力和機械傳動所不具備的高功率大容量特點,二戰前美軍的多款戰列艦採用了電力傳動系統包括著名的列剋星敦級航母(原為高速戰列巡洋艦後改建為航母)也是採用電力傳動,而二戰時期德國突破坦克競爭失敗者後來成為斐迪南/象式坦克殲擊車使用的也是電力傳動。正是電力傳輸動力的巨大優點目前在礦山中使用的各類重載卡車普遍使用了電力傳動系統來滿足重載大負荷下的高功率傳遞。

為了提高性能降低維護費用全電軍用車輛的出現便順理成章了,還是以坦克為例:驅動一輛60噸的主戰坦克只需要700馬力就可以滿足常規狀態行駛需求,其野外極限狀態下的驅動力只要1250馬力就可以滿足需求(傳統三代坦克配套使用的1500馬力發動機傳遞到履帶上一般只有1250馬力,其中除了傳動系統的基本損耗和發動機自身的冷卻需求外液力-液壓系統散熱也要吃掉不少功率,仍以豹2為例:其令人印象深刻的減速能力就是建立在液力-液壓系統快速功率吸收轉化為熱量能力上的,為此必須配合使用具備快速冷卻能力的散熱系統),那麼當採用全電傳動時就可以使用一台1000馬力的內燃機配合900馬力發電能力的發電機再加上合適的蓄電裝置驅動四台325馬力的電動機,這樣就可以滿足常規和極限狀態需求,同時配合使用動能回收系統還可以保證快速完成減速,車上內燃機在大部分時間下都是出於最佳工作狀態,內燃機的工況穩定一方面可以最大限度的提高燃油效率在相同的內油情況下可以有效提高車輛的續航里程,另一方面可以有效減少損耗延長使用壽命。同時動力系統省去了價格昂貴維護費用高昂的液力/液壓-機械綜合傳動系統,如此就可以為車輛的全壽命周期節省大量資金、人力成本,並且為電磁武器和電磁裝甲的使用提供基礎,另外使用全電動力的偵查車輛還可以利用電機動力近乎無聲的特性實現靜默偵查,這也是全電軍用車輛的另一個優點。

油電混合動力偵察車

典型的軍用全電車輛動力系統一般包括發電單元、配電控制單元、蓄能單元、散熱單元和行動單元組成,其中蓄能單元是最最重要的部分。

電磁裝甲

蓄能單元目前有蓄電池、轉子蓄能裝置、超級電容三種,其中能量密度高到低鋰電池、超級電容、轉子蓄能,快速放電性能由高到低轉子蓄能、超級電容、鋰電池,放電深度由高到低超級電容、轉子蓄能、鋰電池,充電速度超級電容、轉子蓄能、鋰電池,安全性由高到低超級電容、轉子蓄能、鋰電池。綜合來看電磁武器和電磁裝甲由於對快速放電性能要求極高因此將會是轉子蓄能的主要應用範圍但也不排除在超級電容得到進一步發展強化大電流放電性能後得到應用的可能性,鋰電池由於自身抗衝擊、抗穿刺性能較差並且一旦受到破壞必然導致燃燒甚至爆炸的可能性使其在軍用領域應用範圍狹窄,超級電容則由於自身良好的綜合性能受到青睞是未來軍用蓄能裝置的重點發展對象,目前磷酸鋰鐵電池安全性好於鋰電池但能量密度要低20%是相對於鋰電池更好的軍用蓄能裝置,新型電池發展上來看銀電池、鈉離子電池、硫電池和氧氣電池也是各國都有在進行的項目。

美軍在伊拉克、阿富汗等戰地測試的ULV油電混動裝甲車

正是因為蓄能單元面對的一系列問題阻礙了軍用全電車輛的發展,就目前而言軍用輔助車輛和各類無人載具將會是突破的要點。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/EwSTRG8BMH2_cNUgB3CE.html