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1、混合动力技术与军用汽车地面防空武器 2006 年第 1 期1 前言混合动力技术与军用汽车赵波张甲林我国能源供需矛盾日益突出,石油储量严重不足,现已成为仅次于美国的世界第二大石油净进口国,一旦发生局部战争,能源无法保证,后果不堪设想,几次局部战争的教训都表明部队车辆装备的燃料保障极为重要.作为重要战斗平台和后勤运输保障的军用汽车,由于自身特点所导致的能源消耗,环境污染 两大问题较民用汽车更为突出.目前世界上已探明的石油资源只够充分使用到20402050 年,其中 46%以上的石油被汽车所消耗;据统计,在 80%以上的道路条件下,一辆普通燃油发动机汽车仅利用了其动力潜能的 4o%;而且城市污染的
2、50%以上源于汽车排放.混合动力汽车由于兼顾传统汽车和电动汽车的优点,节能,环保效果好,匹配好的混合动力系统能节省燃料 50%,排放下降80%,应用制动能量回收技术,还可回收制动能量的 30%;加之成本相对较低,已成为全球汽车新技术开发的热点.混合动力技术可同时使用发动机和电动机作为汽车动力,它能大幅提高车辆经济性,减少对燃油的需求和依赖;有害气体排放量减少;车辆动力性增加;行驶机动性改善;可提供高能量车载电源;延长续驶进程等.由于上述优点,混合动力军用汽车日益受到军方青睐和高度重视.为满足国防和现代战争的迫切需要,许多国家军队都开始了混合动力军车项目的研制.现代战争要求部队机动,灵活,反应迅
3、速,比如防空武器系统在敌突袭时必须能快速反应,有效保护自己以提高生存能力,保持战斗力并能及时快速实施反击,因为现代的侦察手段和定位技术,能在十几秒至数十秒内捕获到导弹发射的信息并测得发射点的坐标位置,几分钟后发射系统就有遭到敌方攻击的危险.因此不能像过去总在固定点指挥和发射导弹,而要在高度机动灵活的载车上,甚至是车辆行进中发射导弹,这样才能狠准地打击敌人而保存自己.同样现代陆军部队要达到快速反应的目标,对战斗车辆提出了新的要求:首先是轻型,即可以通过空运将部队快速部署到敌方占领区任何一个地方,这就意味着车辆的总重应为 20 吨级;其次,这些车辆还必须最大程度地利用情报,通信,机动性和地形,即其
4、车速必须足够快,应具有不同寻常的加速度(冲锋需求),高的机动性,最小的车辆特征信号和特别优秀的战场态势感知能力.要达到以上要求,车辆动力系统的作用十分关键.为比较混合动力与常规发动机动力的优劣,美国陆军坦克机动车辆军械局(TACOM),国家汽车中心(NAC),戴克公司,通用动力公司,福特公司,德国磁电机公司,日本三菱公司,丰田公司,本田公司等部门和厂商进行了大量的研究和试验工作.美国国防部尖端技术研究局(ARPA)自 1993 财政年度起便开始资助混合动力军车项目,并选择 7 家公司组成了混合动力军车联合研究开发集团,进行了一系列混合动力概念军车的性能试验.19931998 年问,该集团共进行
5、了 300 多个子项目的研发.这些项目中的重点是研制新型电池,同时也注意研制混合动力传动系统,辅助动力单元,充电系统以及采用以减少整车总质量的新材料等.1999 财政年度中,尖端技术研究局把混合动力军车 项目移交给运输部并成为运输部 概念车 项目的一部分.到目前为止 ,运输部,尖端技术研究局和能源部与联合集团合作,已57地面防空武器总第 317 期开发出多种混合动力军车.2 混合动力技术的基本原理混合动力汽车(HybridElectricVehicles,简称皿 V),是指同一辆汽车中同时采用电动机和发动机作为动力装置,通过储能装置(蓄电池等)和控制系统使两种动力装置有机协调配合,实现最佳能量
6、分配,达到低能耗,低排放和高性能的新型汽车.目前 HEV 所采用的发动机一般为柴油机,汽油机或燃汽轮机,它融合了燃油汽车和电动汽车的优点,是当今最具实际开发意义的低油耗和低排放汽车.2.1 混合动力汽车的原理理论匕,内燃机的热效率在低速时偏低,扭矩也较小,而在中高负荷时效率较高,而负荷再大时效率又会下降.如果车辆在低速时采用电动机驱动,在高负荷时,让发动机仍工作在中等负荷高效率区,不足的功率由电动机提供,就可以提高车辆燃油经济性.HEV 就是采用了这种原理:起动或低速轻负荷行驶时,汽车由电池组提供动力驱动;中速以上或需较大驱动力时,内燃机开始工作,由内燃机和电动机一起驱动;加速,高速或爬坡时,
7、如图 1 所示,两个动力源联合输出动力,蓄电池输出的电能通过电机进行助力;减速,下坡或制动时,发电机发电可以对再生或制动能量进行回收,以电能形式储存在蓄电池中;停车或滑行时,电动机变成发电机,将车辆的动力源转换成电能并回收到蓄电池中,较长时间怠速停车时,可以通过控制发动机熄火,实现怠速启停,节省燃油.通过以上的组合和控制策略,可使发动机在效率较差的低输出功率区停 Lf=运转,使发动机的工作区域始终保持在最佳状态,加上发动机自身采取的改善措施,单就发动机而言,其平均效率比以往的纯燃油发动机汽车提高了 8O%,通过回收能源还可将效率提高 2I)%,整车效率将提高 100%.由于辅助动力的助力作用,
8、在保证汽车相同的动力性能条件下,可相应减小混合动力电动汽车发动机的功率及排量需求,减少了汽车燃油消耗;同时通过再生及制动能量的回收,以及避免汽车在油耗较高的怠速工况区运行(怠速启停), 进一步减少了汽车燃油消耗;混合动力电动汽车通过控制辅助动力的功率及扭矩输出大小,可以优化控制发动机的工作点,使整车的废气排放得到显着的改善.因此混合动力电动汽车既具有良好的动力性,经济性,也有较低的废气排放水平.混合动力汽车的内燃机还可以改用压缩天然气,甲醇等代用燃料,这不仅降低了车辆对石油的依赖,而且有效地减少了尾气中的有害物质.加速助力再生制动怠速启停图 1HEV 原理简图2.2 混合动力汽车的类型按照动力
9、系统的连接方式,混合动力汽车可分为串联式 s 脏 v(Series 皿 V),并联式P 皿 v(ParallelHEV)和混联式混合动力电动汽车 CHEV(Combined 皿 V).串联式是发动机控制在最佳工况区稳定运行,带动发电机供给电动机驱动车轮,电动5R机是唯一的驱动源,如图 2 所示.由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接,发动机不受汽车行驶工况影响,始终在最佳工作区稳定运行,特别适用于市区常见的频繁起步,加速和低速运行工况,汽车在起步和低速时还可以关闭发动机,只利用电池提供驱动功率,达到零排放要求,主要用于城市大客车.它的主要缺点是发动机输出的机械能需地面防空武器 2006 年
10、第 1 期经过两次能量转换变为驱动汽车的机械能,能量转化损失大,机电能量转换效率较低,使燃油利用率较低.并联式是发动机与电动机可分别或共同驱动车轮,如图 3 所示.它们可分开工作也可一起协调工作,共同驱动,所以可在比较复杂的工况下使用,应用范围比较广.由于发电气连接图 2 串联驱动方式混联式(串并联式) 是串联式与并联式的综合,如图 4 所示.将发动机的驱动力作为机械动力进行传递及通过发电以电能形式传递,两个通道最佳组合起来驱动车轮.混联式充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机,发电机,电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统在最优状态工作,所以更容易实现
11、排放和油耗的控制目标,因此是最具影动机与驱动车轮之间机械连接,没有串联将机械能转换为电能的发电机,因此提高了能量转化效率.并联式系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况.它结构紧凑,比较适用于轿车.但并联混合动力系统的传动系统较为复杂,工作模式较多,控制系统也复杂.图 3 并联驱动方式响力的 HEV.图 5 为丰田公司 Prius 车的驱动系统结构示意简图,它的驱动系统被公认为目前最成功的结构.混合动力电动汽车按照电机相对发动机的功率比大小可以分为助力型(轻度混合), 双模式型(中度混合) 和续驶里程延长型.按行驶过程中电池电量的控制方式可分为电量维持型混合动力系统和电量消耗型混
12、合动力系统.图 4 混联驱动方式图 5Prius 混合动力系统原理图2.3 混合动力汽车的基本构成混合电动汽车主要由原动机,包括发动机及牵引电机(TractionMotor),载荷均衡装置(IJoadLevelingDevice)或能量管理单元,动力传动系统(PowerTransmission)组成.电机是电气驱动系统的核心,电机的性能,效率直接影响电动汽车的性能.能量管理系统是提高混合动力汽车经济性,动力性和减少废气排放水平的关键.该系统包括储能单元,能量管理单元和混合动力系统中央控制单元.常用的储能单元有电化学电池,燃料电池,飞轮电池及超大容量电容等.动力传动系统用于均衡,传递并调节混合动
13、力源的输出转矩与功率,以满足整车动力驱动的需要,主要包括扭矩或转速合成器,离合器,变速器,传动轴,59地面防空武器总第 317 期驱动车轮等.3 混合动力技术的优势内的驱动电机,在损坏 1 个,2 个,3 个甚至 4个电机的情况下,车辆仍可以 30 千米/sJ,时的速度行驶,在方便的时候更换损坏电机,也就是说,冗余增加了执行任务的可靠性.3?l 燃油经济性 3.4 减小排放和红外特征燃油补给占维持一场战斗所需后勤补给总吨位的 70%,燃油经济性的收益成为军队战斗力的倍增器.通过混合动力所获得的效率和燃油经济性可减少为作战车辆提供服务的支援车辆和人员的数量;作战车辆携带同样的燃油可有更大的作战行
14、驶半径,而在同样作战行驶半径下车辆可携带较少的燃油,既减轻了战车的战斗全重,又降低了着火的危险性.美国未来作战系统 (FCS)的概念评估中,期待中型车在不需要补充燃油的情况下 96 小时完成着陆,作战和占领地形.战斗车辆往往是在复杂的地形行驶,车辆遇到翻山,爬坡和频繁停车的情况时,混合动力能够最大程度地发挥其效能.3.2 车辆加速性战斗车辆的加速性是军队用户非常感兴趣的性能,好的加速性不但能保证在瞬息万变的战场形势下不会贻误战机,对生存能力也大有帮助.当被敌方发现而转移到隐蔽处或车辆前进时从一个隐蔽处转移到另一个隐蔽处时,特定的冲锋速度和能力是生存能力的特征,暴露给敌方的时间越短,敌方向车辆开
15、火的概率就越低.混合动力电机输出的大扭矩(串联式) 和发动机与电机同时输出的强大扭矩(并联式 )可大大提高车辆的加速性能.3.3 可靠性和可维护性电机不但有很好的性能,而且具备很好的可靠性.据 TACOM,NAC 和通用动力地面系统公司在 AHED88 平台的试验表明,如果发动机损坏,车辆能够利用存储的能量转移到维修区域.如果电池组的电量被耗光,任何 FCS 车辆都能够利用从动钢缆牵引系统 为其提供援救.每辆车有 8 个装在轮毂60采用混合动力系统明显降低了车辆排放对空气的污染,在某些特定的工况下车辆可成为零排放车辆(ZEV).据美国西南研究院与通用汽车公司在其研制的混合动力指挥和控制车辆上的
16、试验表明,在整个 CBD 循环工况条件下,该车采用混合动力与采用常规动力相比,NOx 排放降低 50%,PM 排放降低9o%,CO 排放降低 9o%,HC 排放降低 9o%.烟度的减少和排温的降低大大降低了车辆的可见特征和红外特征,纯电动模式运行时可实现隐形作战,减少了车辆被敌方追踪和命中的概率.3.5 具有小型移动电站的功能这是传统军车无法实现而野外实战又迫切需要的一种功能.数字化战场使现代陆军车辆对电力的需求增加,计算机,数字接收机,加密系统,显示装置,识别系统和全球定位系统等数字化设备必须随时保持正常的工作状态,混合动力为其提供了充足的电能.此外,混合动力军车可就地向户外军事医院或电子侦察车等提供大功率电能.3.6 其它混合动力对发动机的最高功率需求不大,使发动机的尺寸减小,从而降低了摩擦损失.串联式混合动力由于发动机与车轮之间没有机械连接,车辆不需要笨重,复杂且价格昂贵的变速箱,具有更佳的效率和车辆整体的灵活性.混合动力可把制动时正常损失的能量转换成
