简析坦克装甲车辆电传动技术

来源:用户上传      作者: 阿弗莱克

　　全电式战斗车辆的概念始于上世纪80年代，其构想是战斗车辆的主要组成部分――武器、装甲和传动系统全部采用电力方式。尽管这种构想还没有实现，但是其中某些技术，尤其是电传动技术，已经取得了巨大的进步，并且得到了世界各国的极大关注。
　　
　　发展历史与现状
　　
　　坦克装甲车辆电传动的发展历史根据其技术水平的变化可以划分成4个时期：第1个时期，坦克装甲车辆问世至第一次世界大战结束时：第2个时期(发展停滞期)，1920～1960年，前面两个时期都是发展初期；第3个时期(复兴时期)，1960年～1995年；第4个时期(现代发展期)。
　　发展初期　电传动装置早在第一次世界大战时期就已经达到了实用化。最早采用电传动的是1917年5月亮相的法国“圣沙蒙”坦克。该坦克由4缸汽油机带动直流发电机，再驱动左右两个直流电动机，带动履带转动。“圣沙蒙”大约生产了400辆。当时，电动机已经开始民用化，电车上就使用了直流电动机。而且在坦克的动力控制领域，人们也有一种共识――直流电动机控制方式要比机械式变速器控制方式方便得多。
　　在一战末期，法国FCM公司成功研制了采用电传动的2C重型坦克，但没有应用于战场。2C坦克战斗全重达70吨，即使在今天看来也是最重级别的坦克了，其最大速度只有12公里/时。同一时期，英国、德国、美国等也都分别试制了采用电传动的坦克。到了二战时期，英国试制TOG电传动的重型坦克。同一时期，美国试制的T1E1重型坦克和T23中型坦克，两者都采用了通用电气公司的电传动装置。其中T23坦克试制了约250辆，但未能用于实战。德国鲍鲁西博士设计了一种“虎”I(P)重型坦克，重6011屯。德军虽然没有把这种坦克作为制式装备，却在该坦克的基础上研制出了“象”式自行榴弹炮，后者经受住了战火的考验。二战后期，德国人又研制出了超重型的“鼠”式电传动坦克，战斗全重达188吨!其设计师是著名的费迪南・波尔舍博士。“鼠”式坦克装备一门128毫米火炮，采用电传动装置。在大功率发动机控制领域，德军当时已经充分认识到电动机的优点。
　　以上所列举的电传动的坦克，多数都是重型坦克。可以说，重型坦克和电传动装置很有“缘分”。即使是今天，在水库等建设工地上使用的超大型自卸卡车，一般都采用电传动装置。
　　复兴时期　在经过了一个发展停滞期后，电传动技术“东山再起”。1960年，美国装甲车辆输送制造公司(FMC)着手协助美军坦克车辆司令部将M113车的传动装置更换为电传动系统，当时也称作电力变速箱。开始时采用硅整流器，控制部分的体积相当大，随着半导体技术的发展，电传动装置的重量和尺寸得到缩减，达到了完全与机械式传动装置相竞争的程度。1992年，FMC公司将类似的电传动装置安装在AAV7两栖装甲车上，该车重30吨，发动机功率551千瓦。这两种战车可以说是二战后真正意义上的电传动装甲车，它们都采用交流一直流，交流电传动系统，并使用了新型的感应电动机。
　　欧洲在电传动装甲车的研究上则有些别出心裁，他们没有使用美国承认的感应电动机，而是看中了永磁电动机。1986年，德国国防部在“黄鼠狼”步兵战车上，安装了永磁电动机的电传动系统。由于磁性材料的长足进步，永磁电动机的性能得到全面提高，而且它也便于与发电机配合使用，因此得到了欧洲各国的青睐。
　　进入20世纪90年代，以全电坦克概念为基础，世界主要军事大国纷纷开始了下一代主战坦克的研发工作。美国以ASM装甲系统现代化项目为先锋，开展了电传动装置的研究工作。其中，通用动力地面系统公司推出了相对完善的电传动试验车，即ATR机动性试验装置。根据他们的设想，电传动装置采用了燃气轮机、发电机和电动机的一体化结构，也就是所谓的动力组结构。该系统采用了交流－直流－交流电传动方式和永磁电动机。
　　2001年，美、英两国开始进行FSCS未来侦察骑兵系统和TRACER战术侦察装甲战斗装备需求项目。这两个项目的最终技术演示车由美国兰瑟公司推出，电传动系统也采用了交流－直流－交流方式。就在美、英两国的FSCS/TRACER缓慢推进的时候，美国的未来战斗系统出台并取得了一定的进展。未来战斗系统项目的合同商――联合防务公司对兰瑟公司的演示车进行了部分改进，并于2002年推出了FCS-T未来战斗系统履带式车辆。
　　为了更好地满足未来战斗系统项目的需求，美国联合防务公司又对FCS-T演示车进行了改进，并在2003年推出转型技术演示车TTD。TTD重18吨，是装甲输送车型。鉴于未来战斗系统需采用统一的基型车，TTD在车体两侧各采用了一个186千瓦的发电机组。与以往的履带式装甲车相比，该车具有较高的单位功率。另外，与M113A3装甲车(205千瓦)相比，转型技术演示车的能源消耗要少10％。该车的电传动系统还被用于未来战斗系统中其他两种车上：一种是安装有155毫米榴弹炮的间瞄火炮系统，另一种是安装120毫米坦克炮的AGS装甲火炮系统。
　　1998年，德国马克公司就推出了LLX型装甲车，该车在“鼬鼠”空降战车基础上安装了电传动系统。该车也采用了交流－直流－交流电传动方式和永磁电动机。这种传动方式的特点是将电动机安装在驱动轮的轮毂中，因此不需要任何机械式驱动轴，车内空间随之变大。由此来看，即使是在小功率车辆上，电传动方式也有着比机械传动方式更好的优点。
　　现代发展期　以往的电传动都是在车辆左右两侧分别由电动机驱动链轮轴行驶，也就是所谓的双线制电传动系统。在这种电传动系统中，两侧电动机所具有的功率并不小，超过了行驶和转向所需的功率之和，但是重量和体积还比较庞大，算不上是完善之策。为此，工程师们通过利用机械转向装置中常见的动力再生式转向系统，实现了电动机的小型化。在这种方式中，行驶和转向所需的动力彼此分开，分别由小型电动机提供，从而在整体上使电传动系统实现了小型化和轻量化。这种动力再生式转向系统与电动机组合形成的转向变速装置，被称为EMT，即电力-机械传动。
　　1999年，德国著名的变速器生产厂家伦克公司研制出了用于装甲战车的电力・机械传动，取名为EMT600(功率600千瓦)。该传动装置是根据美、英两国下一代轻型战斗车辆项目的需要而研制的。EMT600虽然最终没有实际应用，但它至少已经进入试制阶段，算得上是比较完备的电力一机械传动了。在EMT600的基础上，伦克公司又研制出可供坦克使用的电力一机械传动装置，功率达1100千瓦。
　　瑞典阿尔维斯・赫格隆公司在CV90装甲车的基础上，利用电传动、新型履带

等新技术，开发出全新的履带式测试平台2型(即SEP2型)。在新型电传动装置中，发动机和发电设备被分别放置在车辆左右两侧，提高了车内空间的使用效率。英国国防部对SEP履带式测试平台上的电传动装置非常感兴趣，并同阿尔维斯・赫格隆公司签订了一份合同，由后者研制一种采用电力一机械传动装置的机动试验平台。
　　英国也在进行电力一机械传动装置的研究，并设计出了一种名为E-X传动装置的电力-机械传动装置。该传动装置与阿里逊X－300液力传动装置相比，结构更加紧凑，重量轻了16％，体积缩小了30％。
　　随着电传动技术的进步与发展，轮式装甲车也成为电传动系统进军的领域。与履带式装甲车相比，轮式装甲车的电传动装置结构更加独特。轮式装甲车的一个突出特点是车轴多，有6×6、8×8、10×10等多种车型，因此轮式装甲车需要使用精细的传动装置，包括横轴、万向接头和差速器等。而采用电传动装置后，动力可通过电缆直接传输给每个车轮。
　　真正意义上的电传动轮式装甲车，应当从美国通用动力公司地面系统分公司1986年研制的6×6电动车辆试验平台算起。该平台全重13.6吨，安装一台GT601燃气轮机，采用交流－直流－交流电传动方式，感应电动机内置在车轮的轮毂内。
　　为了普及电传动技术，永磁电动机领域的先锋――德国磁电机公司，从1989年开始研制8×8电传动试验平台。该试验平台使用的发电机和电动机系统被称为MEP多电永磁电动机，体积小、重量轻，电动机同样也内置在每个车轮的轮毂内。
　　1999年，美国通用动力公司地面系统分公司和美国国家机动车中心合作研制新型电传动演示车，并于2001年推出8×8先进混合电传动演示车。该车重14.5～18吨，采用400千瓦柴油发动机，锂电池还可以提供附加动力，总功率可达625千瓦。演示车前4个车轮采用一体式设计，通过相同的角度来转向的。该车可以控制两侧车轮的转动速度，从而产生一个速度差，形成履带式车辆才具有的滑动转向功能。因此，前4个车轮上可安装履带，提高其在恶劣地形上的通过能力。电传动装置中的发动机、发电机和控制装置采用一体化设计，放置在车体前方。牵引力由安装在车轮内的永磁电动机生成，每台电动机的额定功率为110千瓦。
　　2002年，美国联合防务公司研制出一辆8×8技术演示车，该车采用混合电传动装置，被定为FCS-W未来战斗系统轮式车辆的概念平台。该车总重14.5～20吨，车内安装燃气轮机，用以驱动发电机和一组电池，产生的能量不直接输送给8个车轮，而是先输送给感应电动机，再通过传统的机械传动装置将动力传给车轮。
　　南非将“大山猫”装甲侦察车的机械传动装置换成电传动装置，从而改装出独具特色的电传动战斗车辆。该车采用450千瓦柴油机，车轮内安装德国提供的永磁电动机。该车使用的是混合镍电池，其能量密度比铅酸电池高，价格比锂电池便宜。电池组储存的能量可以供车辆行驶5公里。采用电传动装置后，“大山猫”装甲侦察车的重量减轻了1.8～2.5吨，最大行程从原来的800公里增加到1200公里。对于作战范围很广的南非军队而言，这一优点具有极大的军事价值。
　　法国陆军早在1985年就开始将电传动装置安装在装甲战车上的研制工作。但是直到2003年，法国地面武器工业集团才公布了研制电传动装置演示车的具体情况。该演示车采用6x6轮式底盘，车重17～18吨，有2名乘员和8名载员。动力装置为MTU 6V 199柴油机，功率400千瓦，每个轮毂内安装有永磁电动机。与美国的先进混合电传动演示车和未来战斗系统轮式车概念平台相比，该车结构紧凑，轴距3.2米，车长6.1米。
　　2003年，瑞典阿尔维斯・赫格隆公司生产出一辆采用电传动装置的6x6轮式车，被称为SEP模块化装甲车的轮式车试验平台。SEP轮式车试验平台比法国的电传动装置演示车结构更加紧凑，只有5.9米长，2.8米宽。车体前部两侧各安装有一台柴油发动机，使用了磁系统技术公司研制的新型永磁电动机。
　　
　　关键技术
　　
　　从直流到交流　早期的电传动坦克和目前正在研究中的电传动坦克，在技术上有很大不同。两者最大的区别是，一个是采用直流发电机，一个是采用交流发电机。早期的电传动坦克上，发动机无一例外地带动直流发电机，和主动轮一同旋转的是串激直流电动机。然而，在新型的电传动装置中，发动机带动的是交流发电机，产生交流电。交流发电机和直流发电机相比，结构紧凑，效率高，而且没有电刷，耐久性好。由交流发电机产生的交流电，经过整流器整流后变为直流电，直接驱动直流电动机。20世纪80年代后期以来试制的电传动装置试验车都是采用后一种结构形式。
　　电传动总体技术　电传动与传统传动装置相比，在结构和控制等方面都显得更为灵活。不同的结构安排、空间布置和控制策略所带来的整车性能不一。同时，对于不同功能不同车型的车辆，其结构、方案也不相同。因此，针对电传动发展的车型及其功能，进行车辆电传动的总体设计、总体布局研究是总体技术研究的一个重要组成部分。
　　作为系统工程的核心控制技术，整车综合协调控制技术也应该是电传动的总体技术之一。整车综合协调控制也应该是建立在发动机-发电机组控制器和电动机组控制器基础之上，并将两者有机结合，且包含动力分配、能量管理、故障诊断等工作的一种综合控制。
　　高效率密度电子推进技术　装甲车辆电传动系统对牵引电机的要求主要体现在低速大扭矩、大功率和小体积上。电动车辆常用的驱动电机有直流电机、高速感应电机和永磁同步电机。直流电机调速方便，但由于电刷和换向的存在，电机必须经常维护和保养，也无法实现高速大容量。因此，直流电机正逐步被交流电机所取代。目前在驱动电机的选择上，大体上形成了欧美为主的高速感应电机派和以日本、德国为主的永磁同步电机派两大主流倾向。高速感应电机虽然在控制上比较复杂，重量、体积、效率等很多方面不如永磁同步电机，但其本身的制造技术和控制技术都很成熟。永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高等特点，但其发展比感应电机晚，技术上不如感应电机成熟，在控制上要实现大扭矩、大调速范围必须进行弱磁控制。从当前世界各国坦克电传动的研究情况和世界电机发展水平看来，永磁电机将是电动车辆的最佳选择。
　　动力分配与能源管理　动力分配和能萎管理问题一方面体现在车辆转向和制动过程中的能量转移、再生和利用上。特别是随着车辆体积、重量的增加，车辆转向和制动过程需要的能量也越大。早期传统的电传动系统由于受到功率器件和功率变换技术的限制，再生能量难以回收、利用，主要通过放电电阻以热能的形式耗散掉，为解决转向过

程中的能量转移问题，德国LLX试验车特意设计了一种带有转向电机的机电传动方案。近年来，现代电力电子技术的发展为再生能量的反馈和控制创造了条件，能量管理也已成为提高整车效率和性能的关键。在汽车电传动研究中，人们已经提出了各种回收和利用再生能量的方法，其主要思想是当车辆有再生能量产生时，通过能量管理系统将能量储存到储能设备中，然后在适当的时候(如车辆爬坡、转向和加速)将存储的能量释放出来，为车辆提供超过发动机所能输出的“瞬时功率”。这样不但可以提高整车的运行效率，也使得发动机的控制变得灵活。在装甲车辆电传动研究中，虽有涉及到转向和制动时能量处理问题等相关文献，但并无实质性内容。在世界各国已经实现的电传动方案中，也没有成型的能量管理系统。
　　1997年，美国联合防务公司在重22.7吨的“布雷德利”战车上用了88块铅酸蓄电池和发动机进行混合动力试验。其控制复杂程度不说，就88块铅酸蓄电池在车上布置都是一个非常棘手的问题。2003年，通用动力公司在未来战斗系统平台技术候选方案中采用了混合动力来驱动8×8轮式车辆，其上安装了两排并行操作的制式蓄电瓶，每个制式蓄电瓶由15个safeHP16锂电解电池构成，每一组可提供23千瓦的24伏电能。这种混合式电驱动装置可提供一种只用蓄电瓶就可以行驶32公里的静音操作环境，还可提供60公里的辅助动力。德国的磁电公司研制了一种电磁动力储能器(MDS)，MDS是转动的飞轮储能器，内装一部复式电子电机，根据需要，电机或作为电动机(能量存入)，或作为发电机(放电)。该储能器重2.1吨，功率5000千瓦，储能78兆焦。当前，人们正致力于电池技术和储能设备的发展和研究，如果能够得到突破性发展，车辆的“静默”行动和全电坦克的实现也指日可待。
　　另一方面，随着装甲车辆用电设备(如电磁装甲、主动悬挂、全电炮控等)的增多，用电量也越来越大。例如，电能武器的应用势必出现车辆在瞬间释放大量电能的情况，这不仅需要一个能够快速放电的储能装置，还需要一套能够管理庞大功率的控制系统。10兆焦的能量在0.01秒内释放出来，功率将达到1吉焦，这样大的电功率，相当于一个发电厂，其能量管理难度就不言而喻了。能量管理涉及到车辆的总体方案和总体布局，随着坦克电传动的不断发展，已经成为人们无法逃避的问题。
　　电磁兼容技术　电传动分系统的高电流和快速转换率，是电磁干扰的潜在源。传统的PWM变换技术中，逆变器中的半导体器件处于不断地(频率高达上百千赫兹)开和关之间，加之所承受的电流很大，是电磁干扰的潜在源。由于器件在电压不为零的情况下开通或电流不为零的情况下关断(这就是通常谈到的硬开关)，会带来很大的开关耗损和噪音。这些不仅导致器件的温度升高，给系统冷却带来不便，也限制了开关的PWM频率，使系统的输出(尤其是扭矩)产生脉动。近来出现了直流环节谐振型逆变器和极谐振型软开关逆变器，由于它采用零电压或零电流开关技术(软开关技术)，具有开关损耗小、电磁干扰小、噪声低、高功率密度和高可靠性等优点，引起了人们的关注。
　　
　　未来展望
　　
　　美国2010年前准备装备12吨级全电式战斗车辆。德国已经研制出了全电战斗车辆的论证试验样车，战斗全重在45～50吨之间，乘员2人，采用无人炮塔的武器站以及120毫米电热炮或140毫米滑膛炮，发射动能弹时的炮口能量可达现在“豹”式坦克120毫米动能弹的2倍。其动力装置为紧凑型柴油机，最大功率1250千瓦，采用电传动装置。
　　英国在部署陆军未来快速奏效系统时投资的关键技术中，头一项就是混合电传动技术。为提高车辆发动机燃油的经济性和满足车辆中越来越多的系统和部件对电能的需求，全电战车被广泛认为是下一代装甲车辆的发展目标。现在，以美国为首的北约各国正在极力进行全电战车的科研和实验工作，并几乎每两年召开一次全电战车会议。2003年6月，在法国召开的第五次全电战车会议上，已经有了样车展示，并初步定出2010年的近期计划和2025年的长远规划。
　　未来坦克电传动车辆对动力提出了更高的要求，不仅要满足车辆驱动，还要为未来可能出现的武器和防御系统等提供电力。未来坦克电传动系统更倾向于采用混合动力源，即由发动机一发电机组和蓄电池组组成的动力系统。由于蓄电池组的存在，使车辆静音行驶，加速或爬坡时增大瞬时功率，下坡、减速或制动时再生制动能量的回收利用等成为可能，从而大大提高了履带车辆的动力性。
　　履带车辆采用电传动系统后，发电机产生的电能除用来驱动履带行驶外，也为其他车载武器和设备如电磁炮、电热炮、电磁装甲、导航系统、控制与诊断系统等提供电源，将履带车辆技术发展到“全电坦克”。全电坦克的综合性能将更加优良，坦克的杀伤力、防护性能都会比传统坦克有更大的提高。
　　回顾电传动装置迂回曲折的发展历程，我们可以看出它在技术上主要经历了以下三个阶段：
　　第一个阶段是采用直流电动机的电传动时代。在这一阶段，电传动装置主要应用在重型坦克装甲车上。第二个阶段是采用交流－直流－交流电动机的电传动时代。随着半导体技术的飞速发展。直流电与交流电可以进行有效转换，人们开始能够真正控制电能，于是交流电动机开始大范围应用在电传动装置中。第三个阶段是由部件进步推动电传动前进的时代。例如，由于磁性材料的进步，永磁电动机出现了，镍镉电池、锂离子电池、混合镍金属电池等一批高容量电池也得到了应用。
　　到目前为止，履带式车辆中的电传动装置已发展到EMT电力-机械传动，轮式车辆的电传动发展到了6×6型EDD电传动装置演示车，电传动装置在坦克装甲车领域得到了越来越多的使用。电传动装置具有体积小、重量轻、便于维修等优点，可以大幅度增加车内的空间使用效率。当然，电传动装置也有其缺陷，比如造价高、可靠性差等。但是随着科学技术的进步，相信电传动在未来的坦克装甲车领域必有一番大作为。
　　
　　(编辑　王路)

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