導(dǎo)語

近年來，隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，包括油電混動在內(nèi)各類新能源車型帶動國內(nèi)乃至全球汽車市場大洗牌。不過在這股浪潮下，仍不乏“新能源這么好，怎么沒新能源坦克”的質(zhì)疑。然而在9.3大閱兵現(xiàn)場，一隊造型迥異的坦克駛過吸引著人們的目光，不僅因?yàn)榕谒狭宅槤M目的新設(shè)備，更因?yàn)樵谥安逝呕顒又?，有好事者發(fā)現(xiàn)：這批坦克居然也是新能源（混動）。

一

四代坦克：“新能源”浪潮還是“文藝復(fù)興”

坦克“新能源”應(yīng)用的歷史遠(yuǎn)比人們印象中更早：一百多年前法國的“圣沙蒙”坦克就是款名副其實(shí)的“混動”車輛，其動力系統(tǒng)由汽油機(jī)帶動發(fā)電——電動機(jī)驅(qū)動坦克前進(jìn)。然而，受限于當(dāng)時技術(shù)水平，“混動”系統(tǒng)在重量、體積和可靠性等方面，相比傳統(tǒng)的機(jī)械傳動系統(tǒng)均處于明顯劣勢。因此，到二戰(zhàn)結(jié)束后，坦克裝甲車輛領(lǐng)域的這股“電動化”前浪便很快消退。

但電力驅(qū)動技術(shù)數(shù)十年來持續(xù)發(fā)展，其性能優(yōu)勢日益凸顯：首先，混動系統(tǒng)即便經(jīng)歷燃油機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，理論傳動效率仍可超80%，高于傳統(tǒng)液力機(jī)械傳動的約70%。其次，坦克行駛工況復(fù)雜，車速多變、頻繁啟停，導(dǎo)致燃油機(jī)轉(zhuǎn)速波動大、油耗高；而電機(jī)高效區(qū)間寬廣，配合電容或電池可使發(fā)電單元與驅(qū)動電機(jī)解耦，各自維持高效轉(zhuǎn)速，顯著提升燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，電機(jī)響應(yīng)迅捷、起步即峰值扭矩，且無需機(jī)械變速箱，倒車性能與前行無異。最后，省去傳統(tǒng)變速箱并搭配高性能電池后，可實(shí)現(xiàn)短途純電行駛，大幅降低噪音與熱信號特征。

除了“混動”內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)，主動防御系統(tǒng)、新型火控、電熱化學(xué)炮等耗電大戶逐漸上車，也對坦克裝甲車輛的供電能力提出更高的要求，因此在上世紀(jì)80年代，美歐等國重新掀起了坦克裝甲車輛的“混動”浪潮，我國則在本世紀(jì)初開展履帶車輛電傳動系統(tǒng)的裝車試驗(yàn)。

盡管起步晚半拍，但實(shí)際進(jìn)度卻和我國的新能源汽車一樣實(shí)現(xiàn)彎道超車：在各國“混動”坦克仍停留在PPT或樣車階段的今天，我國在長安街亮相的“混動”坦克已比其它國家樣車總和還多。從追趕到領(lǐng)先，國產(chǎn)四代坦克又需要面臨哪些技術(shù)難題？

二

“電動”如何化為“混動”坦克澎湃脈動

“混動”雖對坦克好處多多，但要從圖紙走向閱兵場，成為我軍現(xiàn)役第四代主戰(zhàn)裝備中的一員，并不是重走汽車“油改電”的老路。

無論是混動汽車還是混動裝甲車輛，主流布局均可歸為兩大類：串聯(lián)式與并聯(lián)式。串聯(lián)式又稱增程式混動，其內(nèi)燃機(jī)僅用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能經(jīng)整流、逆變后輸送至驅(qū)動電機(jī)，進(jìn)而推動車輛；該系統(tǒng)允許車輛在關(guān)閉發(fā)動機(jī)后完全由電池供電，實(shí)現(xiàn)全速靜音行駛。并聯(lián)式，或稱插電式混動，則允許內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)獨(dú)立或共同驅(qū)動車輪，內(nèi)燃機(jī)動力可直接傳遞至傳動機(jī)構(gòu)。該布局中電機(jī)功率通常較小，無法單獨(dú)支持車輛全速機(jī)動，但具備機(jī)械備份，在電機(jī)故障時仍能依靠內(nèi)燃機(jī)繼續(xù)行駛。

從國內(nèi)研究來看，由于第四代坦克為進(jìn)一步提高生存力，需將紅外、噪音特征控制在更低水平，加之坦克車輛通常的行駛速度并不值得像插電混動汽車那樣在高速巡航時用發(fā)動機(jī)直驅(qū)，此次亮相的“混動”坦克極有可能采用“串聯(lián)式雙側(cè)電傳動”布局——該布局用在國產(chǎn)坦克是頭一遭，卻早已在國產(chǎn)履帶式重型工程機(jī)械上成功應(yīng)用。

由于以電機(jī)作為主要驅(qū)動力，因此采用“混動”坦克也需搭配高功率密度/高扭矩的電動機(jī)，比如驅(qū)動一臺40多噸重的坦克并保證足夠機(jī)動性，至少需要電機(jī)動力組有800kw功率及以上。但對于我國這種新能源領(lǐng)域的“全能選手”，想提供足夠性能動力組并不算難事：負(fù)載水平與坦克裝甲車輛接近的百噸級礦卡已應(yīng)用上最大輸出功率1200kW及29000N·m最大扭矩國產(chǎn)電機(jī)；而使用工況與之類似的重型TEL也早已普及國產(chǎn)大功率電機(jī)來適應(yīng)“混動”趨勢，想給國產(chǎn)坦克提供一顆電動的“心臟”已具備堅實(shí)基礎(chǔ)。

三

一路坎坷，如何讓“混動”坦克駕輕就熟

電動汽車的控制策略也與電傳動履帶裝甲車輛大相徑庭:例如，電動汽車通常通過轉(zhuǎn)向架和方向機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方向控制；而混合動力坦克裝甲車輛則依賴兩側(cè)電機(jī)的功率差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

在傳統(tǒng)串列電傳動布局中，雙側(cè)驅(qū)動電機(jī)之間并無機(jī)械連接。轉(zhuǎn)向時，內(nèi)側(cè)履帶產(chǎn)生的再生功率無法通過機(jī)械方式傳遞至外側(cè)，只能由低速側(cè)電機(jī)進(jìn)行回收。此時，外側(cè)電機(jī)需輸出遠(yuǎn)高于直線行駛的功率，其設(shè)計須滿足170%甚至更高的瞬時過載能力。以美國“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”（FCS）的履帶式樣車為例，其驅(qū)動電機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到發(fā)電機(jī)的兩倍以上，雖可滿足轉(zhuǎn)向瞬時需求，卻造成顯著的功率冗余，導(dǎo)致成本、體積和重量增加。

為降低轉(zhuǎn)向時電機(jī)負(fù)荷，并控制系統(tǒng)成本與體積，國內(nèi)為其專門開發(fā)了一種雙側(cè)電機(jī)耦合驅(qū)動傳動方案。該方案的核心是一個由多行星齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成的二自由度系統(tǒng)。雙側(cè)電機(jī)的輸出功率先通過功率耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多功率流匯流，再分流至兩側(cè)輸出軸，以滿足履帶車輛直行與轉(zhuǎn)向等多種工況需求。該耦合機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向再生功率的機(jī)械回流，大幅降低對電機(jī)功率的要求。該方案的電機(jī)功率需求僅為獨(dú)立驅(qū)動方案的0.65倍。

另一方面，混合動力坦克需依賴電控技術(shù)對兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實(shí)時控制。早期混合動力裝甲車輛就因缺乏電控調(diào)節(jié)，在直行時常因兩側(cè)履帶附著力差異導(dǎo)致電機(jī)誤判、產(chǎn)生非預(yù)期功率差，引起車輛持續(xù)“扭動”，顯著增加駕駛難度。

為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)混合動力坦克的平穩(wěn)行駛，研發(fā)人員一方面通過布置于電傳動系統(tǒng)各處的傳感器實(shí)時監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)效率；另一方面，借助大量硬件在環(huán)仿真與實(shí)車試驗(yàn)，開發(fā)出一種基于多算法協(xié)同的功率流控制算法，以精準(zhǔn)預(yù)估驅(qū)動電機(jī)的總功率需求。駕駛員在行駛過程中向車載運(yùn)動控制器輸入操控信號，系統(tǒng)結(jié)合實(shí)時狀態(tài)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)牽引力的協(xié)調(diào)控制，從而保障車輛穩(wěn)定行駛。

四

如何讓“混動”能量收放自如

如今，混動汽車為提升發(fā)電機(jī)能量的利用效率，普遍采用高能量密度電池組作為輔助動力源。然而在坦克裝甲車輛的混動發(fā)展進(jìn)程中，電池“拖了很長一段后腿”：無論是上世紀(jì)末歐美、還是本世紀(jì)初我國的驗(yàn)證車，均采用多組鉛酸電池串聯(lián)，配合發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)與電動機(jī)協(xié)同工作。這種構(gòu)型導(dǎo)致電池組幾乎占據(jù)車內(nèi)全部可用空間，對本就“寸土寸金”的坦克，顯然過于龐大和沉重。

電動汽車用電池的發(fā)展則為如今混合動力坦克提供了更多電源選項(xiàng)：例如已在廣泛應(yīng)用的三元鋰電池。但三元鋰電池在安全性方面的表現(xiàn)始終存在爭議，而國內(nèi)日趨成熟的磷酸鐵鋰電池，因其熱失控起始溫度高、耐擠壓和撞擊性能好，不易迅速起火，安全性顯著，成為“混動”坦克更靠譜的儲能擔(dān)當(dāng)。

國產(chǎn)磷酸鐵鋰電池的能量密度雖略低于三元鋰電池，但對于不完全依賴電池持續(xù)高速運(yùn)行的混合動力坦克而言已完全夠用：其能量密度可達(dá)130 Wh/kg以上；在高功率輸出場景下，比鉛酸電池具備更強(qiáng)的放電能力，尤其適合用作坦克裝甲車輛的動力源——僅配備不足1噸的該類型電池，便可支持40噸級混動坦克以純電模式實(shí)現(xiàn)約10公里的靜默突擊續(xù)航；電池循環(huán)壽命達(dá)2000次以上，是鉛酸電池的6倍。結(jié)合智能電池管理系統(tǒng)，可在長途行軍過程中依托內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)頻繁為電池充電，并根據(jù)實(shí)時動力需求調(diào)控充放電功率與模式切換，顯著提升戰(zhàn)術(shù)靈活性。

對于國產(chǎn)“混動”坦克，調(diào)節(jié)電流脈動的不僅僅是電池 ：由于較大車體質(zhì)量讓車輛制動時會產(chǎn)生較大瞬時再生能量，對電池而言，此刻的尖峰電流不僅難以“消化”，也會對動力電池壽命造成影響。為此國內(nèi)軍工科研團(tuán)隊還采用動力電池與超級電容聯(lián)合供電的方式，結(jié)合了動力電池高能量密度和超級電容的高功率密度的特點(diǎn)，使儲能系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)能力有較大的提高，從而不浪費(fèi)“每一度電”。

結(jié)語

作為全球首款正式列裝的混合動力主戰(zhàn)坦克，不僅是“油改電”那么簡單，更標(biāo)志著我國裝甲車輛技術(shù)演進(jìn)進(jìn)入新階段——與汽車"家電化"發(fā)展趨勢相似，坦克“混動化”僅是上半場，“信息化”才是下半場，在現(xiàn)代戰(zhàn)場"信火一體"的背景下越來越多新型電子裝備正加速集成至裝甲平臺。在未來若干年內(nèi)，我們也或許將看到更多軍事強(qiáng)國的地面裝甲載具跟隨它的步伐。

從圖紙到現(xiàn)實(shí)

“新能源”坦克動力澎湃

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