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(dòng)在內(nèi)各類新能源車型帶動(dòng)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(duì)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?dòng)中，有好事者發(fā)現(xiàn)：這批坦克居然也是新能源（混動(dòng)）。

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(dòng)”車輛，其動(dòng)力系統(tǒng)由汽油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電——電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)坦克前進(jìn)。然而，受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，“混動(dòng)”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(dòng)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(dòng)化”前浪便很快消退。

但電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)即便經(jīng)歷燃油機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，理論傳動(dòng)效率仍可超80%，高于傳統(tǒng)液力機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)”內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)，主動(dòng)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(dòng)”浪潮，我國則在本世紀(jì)初開展履帶車輛電傳動(dòng)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(dòng)”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(dòng)”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(dòng)”如何化為“混動(dòng)”坦克澎湃脈動(dòng)

“混動(dòng)”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(dòng)汽車還是混動(dòng)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(dòng)，其內(nèi)燃機(jī)僅用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)，進(jìn)而推動(dòng)車輛；該系統(tǒng)允許車輛在關(guān)閉發(fā)動(dòng)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(dòng)，則允許內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)獨(dú)立或共同驅(qū)動(dòng)車輪，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力可直接傳遞至傳動(dòng)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(dòng)，但具備機(jī)械備份，在電機(jī)故障時(shí)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(dòng)汽車那樣在高速巡航時(shí)用發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)，此次亮相的“混動(dòng)”坦克極有可能采用“串聯(lián)式雙側(cè)電傳動(dòng)”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(dòng)力，因此采用“混動(dòng)”坦克也需搭配高功率密度/高扭矩的電動(dòng)機(jī)，比如驅(qū)動(dòng)一臺(tái)40多噸重的坦克并保證足夠機(jī)動(dòng)性，至少需要電機(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)”趨勢，想給國產(chǎn)坦克提供一顆電動(dòng)的“心臟”已具備堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三

一路坎坷，如何讓“混動(dòng)”坦克駕輕就熟

電動(dòng)汽車的控制策略也與電傳動(dòng)履帶裝甲車輛大相徑庭:例如，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)布局中，雙側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間并無機(jī)械連接。轉(zhuǎn)向時(shí)，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(shí)，外側(cè)電機(jī)需輸出遠(yuǎn)高于直線行駛的功率，其設(shè)計(jì)須滿足170%甚至更高的瞬時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)傳動(dòng)方案。該方案的核心是一個(gè)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(dòng)方案的0.65倍。

另一方面，混合動(dòng)力坦克需依賴電控技術(shù)對兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。早期混合動(dòng)力裝甲車輛就因缺乏電控調(diào)節(jié)，在直行時(shí)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(dòng)”，顯著增加駕駛難度。

為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)混合動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)各處的傳感器實(shí)時(shí)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(dòng)電機(jī)的總功率需求。駕駛員在行駛過程中向車載運(yùn)動(dòng)控制器輸入操控信號，系統(tǒng)結(jié)合實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋?zhàn)詣?dòng)調(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(dòng)”能量收放自如

如今，混動(dòng)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(dòng)力源。然而在坦克裝甲車輛的混動(dòng)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(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與電動(dòng)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(dòng)汽車用電池的發(fā)展則為如今混合動(dòng)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(dòng)”坦克更靠譜的儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)力源——僅配備不足1噸的該類型電池，便可支持40噸級混動(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)頻繁為電池充電，并根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)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(dòng)”坦克，調(diào)節(jié)電流脈動(dòng)的不僅僅是電池 ：由于較大車體質(zhì)量讓車輛制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大瞬時(shí)再生能量，對電池而言，此刻的尖峰電流不僅難以“消化”，也會(huì)對動(dòng)力電池壽命造成影響。為此國內(nèi)軍工科研團(tuán)隊(duì)還采用動(dòng)力電池與超級電容聯(lián)合供電的方式，結(jié)合了動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(tái)。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(dòng)力澎湃

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