新能源军用车前瞻,混合动力兼顾不同场景经济性,蓄能单元待突破

2019-12-25     砺剑堂

新能源和混合动力已经是民用车辆发展的主要方向,而关于军用车辆使用混合动力的传闻也未曾中断是目前军用车辆研发的热点领域。

首先必须阐明一点:军用全电车辆与民用全电车辆表达的并非同一个意思,民用全电车辆一般指使用电池或燃料电池为动力源而军用全电车辆并不采用电池为动力源,军用全电车辆一般以内燃机为动力源,严格的说军用全电车辆最多只能称为插电式混动。之所以要保留内燃机是与其严苛的续航要求有关的。

猛士2.5代油电混合动力车已经进入部队测试

由于散热、变速、传动的损耗,坦克的轮上功率与发动机功率会有较大的差距,其中全机械模式的高一些,液力综合的低一些,但是全机械模式在车辆启动时输出扭矩要比液力综合的低很多,并且由于起步时离合器半联动状态的原因还会有功率损失,这会影响全机械模式坦克的启动加速性能,这在俄罗斯的坦克两项比赛T72BM与96B的对决中当中表现的尤其明显,在发动机功率比T72BM低,同时车重比T72BM高的96B由于使用了液力传动系统在加速性上却比T72BM好并且在转弯时由于液力双流再生转向系统的突出优点其表现更是令人印象深刻。

猛士2.5代油电混合动力车采用了轮毂电机直驱模式

正是液力综合传动相较于纯机械传动的优点现代典型的第三代坦克普遍使用了1500马力的内燃机作为动力并配套使用了液力/液压-机械综合传动系统,相较于第一代和第二代坦克动力与驱动装置普遍使用全机械的硬连接(部分一、二代坦克如美国的巴顿系列传动系统就装备了液力变矩器改善了操纵性)驱动方式,配合使用液力变矩/传动装置利用液力系统高功率吸收能力并使动力与驱动部分处于不完全连接状态能够实现0~32km/h加速时间8s以内能力并且利用液力系统的高功率吸收能力能使60km/h行进的坦克在不到50米的距离上停下来(相信很多人会对第三代坦克的代表德国豹2坦克极佳的加减速和转向性能印象深刻),但同时这套动力系统也存在着液压元件制造精密、密封件多、动力内损耗大、发热量大、造价高和维护费、维护人工需求高的特点。

日本陆军搭载油电混动动力总成的试验车正式对外公布。

军用车辆动力需求设计是按照其极限状态下最大动力需求取值的,这就导致其在常规使用情况下动力过剩,例如:第三代坦克发动机最大功率为1500马力而常规道路行驶只需要700马力就可以满足需要,这就使其正常状态行驶下燃油经济性差。再加上车辆在战场上频繁的加减速会使得动力系统的工况出现频繁剧烈的改变,对动力系统的使用寿命会有很大影响,并且会导致燃料消耗加大使得其续航里程严重缩水,例如:典型第三代坦克的公路续航里程在500公里上下,野外行驶时就得打对折,而在战斗状态时就只剩公路里程的四分之一了。

豹2坦克动力总成后部巨大的散热系统和变速、传动系统

电机的特点,电机具备有内燃机所不具备的启动瞬时大扭矩特点,根据自身特性电机可分为永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机三种,不同特性的电机具备不同区间下的转速/扭矩特性。

全电车辆传动系统特点,由于前述电机的各种不同特点就可以根据需要来进行排列组合,并且还可以通过使用多个电机串、并联或者分别输出,既可以获得更大扭矩也可以使用行星变速箱根据行驶速度需求来适应不同转速下的扭矩输出,或者由不同转速/扭矩特性电机构成组合时可以通过切换使用不同扭矩/转速特性的电机满足不同使用场景下的需求从而兼顾不同速度场景下的经济性。

同时电力传输还具备液力和机械传动所不具备的高功率大容量特点,二战前美军的多款战列舰采用了电力传动系统包括著名的列克星敦级航母(原为高速战列巡洋舰后改建为航母)也是采用电力传动,而二战时期德国突破坦克竞争失败者后来成为斐迪南/象式坦克歼击车使用的也是电力传动。正是电力传输动力的巨大优点目前在矿山中使用的各类重载卡车普遍使用了电力传动系统来满足重载大负荷下的高功率传递。

为了提高性能降低维护费用全电军用车辆的出现便顺理成章了,还是以坦克为例:驱动一辆60吨的主战坦克只需要700马力就可以满足常规状态行驶需求,其野外极限状态下的驱动力只要1250马力就可以满足需求(传统三代坦克配套使用的1500马力发动机传递到履带上一般只有1250马力,其中除了传动系统的基本损耗和发动机自身的冷却需求外液力-液压系统散热也要吃掉不少功率,仍以豹2为例:其令人印象深刻的减速能力就是建立在液力-液压系统快速功率吸收转化为热量能力上的,为此必须配合使用具备快速冷却能力的散热系统),那么当采用全电传动时就可以使用一台1000马力的内燃机配合900马力发电能力的发电机再加上合适的蓄电装置驱动四台325马力的电动机,这样就可以满足常规和极限状态需求,同时配合使用动能回收系统还可以保证快速完成减速,车上内燃机在大部分时间下都是出于最佳工作状态,内燃机的工况稳定一方面可以最大限度的提高燃油效率在相同的内油情况下可以有效提高车辆的续航里程,另一方面可以有效减少损耗延长使用寿命。同时动力系统省去了价格昂贵维护费用高昂的液力/液压-机械综合传动系统,如此就可以为车辆的全寿命周期节省大量资金、人力成本,并且为电磁武器和电磁装甲的使用提供基础,另外使用全电动力的侦查车辆还可以利用电机动力近乎无声的特性实现静默侦查,这也是全电军用车辆的另一个优点。

油电混合动力侦察车

典型的军用全电车辆动力系统一般包括发电单元、配电控制单元、蓄能单元、散热单元和行动单元组成,其中蓄能单元是最最重要的部分。

电磁装甲

蓄能单元目前有蓄电池、转子蓄能装置、超级电容三种,其中能量密度高到低锂电池、超级电容、转子蓄能,快速放电性能由高到低转子蓄能、超级电容、锂电池,放电深度由高到低超级电容、转子蓄能、锂电池,充电速度超级电容、转子蓄能、锂电池,安全性由高到低超级电容、转子蓄能、锂电池。综合来看电磁武器和电磁装甲由于对快速放电性能要求极高因此将会是转子蓄能的主要应用范围但也不排除在超级电容得到进一步发展强化大电流放电性能后得到应用的可能性,锂电池由于自身抗冲击、抗穿刺性能较差并且一旦受到破坏必然导致燃烧甚至爆炸的可能性使其在军用领域应用范围狭窄,超级电容则由于自身良好的综合性能受到青睐是未来军用蓄能装置的重点发展对象,目前磷酸锂铁电池安全性好于锂电池但能量密度要低20%是相对于锂电池更好的军用蓄能装置,新型电池发展上来看银电池、钠离子电池、硫电池和氧气电池也是各国都有在进行的项目。

美军在伊拉克、阿富汗等战地测试的ULV油电混动装甲车

正是因为蓄能单元面对的一系列问题阻碍了军用全电车辆的发展,就目前而言军用辅助车辆和各类无人载具将会是突破的要点。

文章来源: https://twgreatdaily.com/zh-hans/EwSTRG8BMH2_cNUgB3CE.html