西方下一代作战车辆混合动力系统与机电传动装置

blackhappy 2022-12-27 发布于陕西

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近年数家西方传动商推出各种下一代装甲车机电传动设计，不少人都是看了不知所云，简单介绍一下：

在介绍机电传动前，必须先理清楚目前履带式装甲车辆混合动力系统的两种主流布局：串联式布局及并联式布局。

串联式布局，即一般常说的增程式混动系统，传统上，串联混动系统会由内燃发动机带动发电机后经由整流器输出高压直流电，随后高压电再经逆变器变流输出至驱动电机，在这之中内燃机与电机之间不必有机械连接，因此发动机的位置可以随意布置。而在发动机关闭时，由电池组成的储能系统将替代内燃机-发电机作为电力来源来驱动电机行驶，由于直驶电机是最主要驱动来源，因此可使车辆全速的静音机动。

并联式布局，即一般常说的插电式混动系统，传统上，在并联式混合动力系统中，内燃发动机与电动机可分别向驱动轮提供动力，发动机的机械能直接输出到变速机构，而电动机可兼起发电机的作用向电池储能装置充电。在此布局中电机的功率通常显著地小于内燃发动机功率，因此也被称作中度混合动力系统。在发动机关闭时，电池可以向电机供电驱动车辆，但由于一般并联混动的电机功率有限，并不能使车辆全速机动，所以一般只作为战术性的静音行驶进行缓速机动。但相较串联系统的好处在于拥有机械备份，电机故障情况下仍可持续行驶。

串联式混合动力系统与并联式混合动力系统，这在商用车辆已经很普遍。

一种履带式车辆用串联式混合动力系统布局

一种履带式车辆用并联式混合动力系统布局

英国公司奎奈蒂克——E-X-Drive机电复合传动系统：

E-X-Drive机电复合传动

E-X-Drive为奎奈蒂克设计的一种机电复合传动系统(EMT)，专门用于串联混动系统。直驶时，透过两侧的驱动电机通过变速排、主动轮来实现，而在两个驱动电机之间有一个可控差速器，差速器由两个小型转向电机驱动以实现转向。E-X-Drive电传动系统还具备动力再生制动功能，当转向时，可回收内侧主动轮制动的功率到外侧主动轮，而直线刹车制动同样具备该能力。虽然E-X-Drive的设计减小了转向电机尺寸，可控差速器降低了转向电机的功率需求，然而问题同上所及，系统在直驶时无法利用转向电机。目前奎奈蒂克已经为E-X-Drive开发了轻型、中型、重型三种版本，分别适用于15-25吨、35-50吨、65-80吨车辆。

E-X-Drive构造与传动原理图

E-X-Drive的型号，分为轻型(L)、中型(M)、重型(H)

奎奈蒂克E-X-Drive是非常经典的一种机电复合传动设计，内燃机-发电机或电池储能系统提供电力，E-X-Drive内的电机辅助驱动及转向车辆，由于之间没有机械连接，因此可以相当灵活地布置发动机。

图为一种主战坦克用改装方案，动力舱两边各由一组617马力MTU 5R 1500直列发动机发电。

图为采用横置MTU MT895直列发动机（680马力）的方案，提议用于RCV无人车。

图为采用纵置康明斯ACE-1000对置活塞发动机（1000马力）的方案，提议用于OMFV步兵战车。

E-X-Drive已经广泛应用于美国陆军21世纪初的未来战斗系统(FCS)、10年代的地面作战车辆(GCV)，目前也被美军选择作为布雷德利混合电驱动车辆(BHEV)的技术演示解决方案。作为美国陆军“可选载人步兵战车”(OMFV)项目的一部分，E-X-Drive也被BAE系统的OMFV方案选择。

GCV的串联式混合动力系统

动力系统由车尾两侧的两组MTU MT896直列发动机作为原动机发电，驱动前部的E-X-Drive机电复合传动，当发动机停机时可利用翼子板的电池储能系统供电。

加拿大公司动力驱动系统(KDS)——EMX机电复合传动系统：

EMX机电复合传动

EMX是KDS开发的一种机电式无级变速传动，本质上也是一种机电复合传动系统，专门用于串联式混合动力系统。EMX独特的地方在于，其设计了一种结合差速器、差速锁止装置、变速排、转向行星排的'共流’传动机构，这使得两组电机共享直驶和转向负载，因此减少了电机数量，这个设计巧妙地解决了传统机电复合传动无法在直驶工况利用转向电机的问题。

跟E-X-Drive一样，EMX也适合用于串联式混动系统中。

发动机与传动之间不必有机械连接，这大幅提高了布置灵活性。

EMX的传动架构图

EMX的结构

其中的'共流’传动机构使得转向电机可以切换为直驶电机使用，解决了传统EMT的功率闲置问题。

EMX机电复合传动系统具有电机无关架构，模块化特性使得很容易更换其他类型电机。差速锁止装置可实现高扭矩输出，'共流’传动机构使得电机可以永久与转向装置连接，其还具备再生转向能力，以提高外侧主动轮功率输出。

目前EMX已经推出了EMX1000型号，这适用于10-20吨的轻型装甲车辆，最大输入功率达600马力，但未来KDS还将推出最高达60吨的型号，以适应各种中重型装甲车辆改装需求。

EMX未来还将为OMFV提供输入功率更高的型号

台架测试的EMX机电复合传动系统，目前主要提议用于RCV-M无人车。

西班牙公司SAPA传动——先进战斗传动(ACT)机械传动装置：

ACT机械传动系统

ACT机械传动系统是SAPA基于为西班牙陆军“皮萨罗II”步兵战车的SG850传动系统设计经验，为美国陆军下一代作战车辆(NGCV)而开发的。ACT是一种电子控制的全机械传动系统，传动取消了如液力变矩器或液压转向机等所有液力部件，以提高传动效率。ACT传动系统主要由三个部件组成，这包括了前进倒退齿轮组与辅助动力输入输出齿轮模块A、转向齿轮组模块B、直驶32速变速齿轮组模块C。由于取消了液力部件，ACT将传动效率和转向效率都提高至90%，远优于目前的液力综合传动。

ACT传动结构

ACT传动系统本身是一种纯机械传动，并不带任何电机部件，但是其可在输入轴增加一体式启动发电机(ISG)或电动机来使传动电驱化，更可进一步纳入并联式混合动力系统中。

混合电驱版ACT

在美国陆军地面车辆系统中心(GVSC)开发的先进动力总成演示系统(APD)中，ACT便被纳入APD并联混合动力系统之中，成为机电传动系统的一部分。APD混合动力系统主要组成包括1000马力康明斯先进战斗发动机(ACE)对置活塞发动机、160千瓦伦克磁电机G40-3B一体式启动发电机、SAPA先进战斗传动系统(ACT)、锂离子先进模块化电池系统(AMBs)、先进散热管理系统(ATMS)。G40一体式启动发电机可在初始作为启动电机来启动发动机，在发动机启动后转为发电机发电，然后高压电透过直流变压器开始为车辆提供电力。

先进动力总成(APD)动力包

APD动力包组成

在必要情况下，G40一体式启动发电机可以由电池供电，作为电动机来驱动ACT机械传动系统，这一电驱模式能够作为静音机动战术使用，但是由于并联式布局，该电驱模式无法提供与内燃机一样高的机械能功率来全速行驶。

APD动力包中的G40 ISG一体启动发电机，这可以视作为并联式混合动力系统中的驱动电动机。

目前ACT机械传动系统已经开发了三种型号，分别为ACT850、ACT1000、ACT1075，分别适用于35吨/600马力级、55吨1000马力级、75吨1500马力级的车辆。目前ACT1000已经被安装在布雷德利底盘的先进机动实验车辆(AMEP)测试，而ACT1075据信被安装在通用动力公司的“艾布拉姆斯X”坦克技术演示车上。

加拿大公司Ker-Train研究公司(KTR)——创新型战斗传动(ICT)机械传动装置：

创新型战斗传动(ICT)机械传动装置

创新型战斗传动(ICT)是由Ker-Train研究公司应美国陆军合同而开发的一种新式传动系统，这基于KTR过去的“双子座IIIα”与“双子座IIIβ”机械传动系统设计经验。ICT是一种电控全机械传动系统，跟ACT类似，不含任何液力部件，传动系统主要组成包括偏动齿轮组、前进倒退锥齿轮机构、32速主变速齿轮组、双侧32速转向齿轮组、转向再生装置，其中齿轮组应用了KTR开发的一种双态逻辑变速(BLT)装置，使其具类似无级变速的特性。ICT机械传动系统比起以往的液力综合传动系统具备更高的传动效率，并提高了燃油效率，紧凑的体积更可进一步提高功率密度。

ICT的前一代产品，“双子座IIIβ”机械传动系统。

ICT机械传动系统的结构

KTR开发的双态逻辑变速齿轮

ICT的转向再生机构

ICT机械传动系统被设计用于40-50吨的履带式装甲车辆，最大输入功率可达1000马力。类似于ACT传动，ICT传动本身是一种纯机械传动系统，不含任何电机部件，但具备混合动力电驱动化的改造。目前KTR已经为ICT提出来与康明斯ACE对置活塞发动机组合的方案，ACE发动机与ICT传动间可以如先进动力总成(APD)一样加入一体启动发电机(ISG)，这使得整个动力系统转变为并联式混合动力系统。

目前ICT主要和康明斯的VT903柴油机配对使用，未来会与康明斯ACE发动机组合成为混合动力系统的一部分。

除了纵置输入，ICT还提出了U型配置发动机的横置方案

作为可选的电驱改造方案，KTR目前已经设计了一套400马力串联电机组安装在ICT机械传动前，这套系统可以作为一组并联式混动系统使用。

ICT传动电驱改造方案I

台架测试

德国公司MTU腓特烈——mbrid动力包（890系列）：

事实上，MTU这套mbrid动力包即基于德国联邦国防军的“美洲狮”步兵战车MTU 890系列动力包，这是一套并联式混合动力系统，主要组成包括1090马力MTU MT892柴油发动机、伦克HSWL 256传动系统、120千瓦业纳一体启动发电机(ISG)、冷却系统、空滤装置、电力管理系统以及车尾的车载电池储能系统。

890系列mbrid动力包主要组成

MT892发动机作为内燃机提供机械能驱动HSWL 256传动系统为车辆提供动力，而一体启动发电机可兼其四种功能：在启动发电机断开传动侧离合器情况下，作为传统发电机供电，车辆完全以发动机机械能驱动，制动时的能量透过发电机再生；断开发动机侧离合器，启动发电机变为电动机，由电池供能来驱动车辆，可实现静音行驶；爆发工况，当发动机处于低速情况下的时候，启动发电机作为辅助电机介入驱动传动，以增加轮上功率；当车辆停驶时，启动发电机与发动机组成变成自行发电厂，为外部需电源供电。

890系列mbrid混合动力系统的四种工作模式

MTU的mbrid并联式混合动力系统

这套890系列mbrid混合动力系统已经应用于“美洲狮”步兵战车上

德国公司伦克集团——REX Drive机电式传动系统：

REX Drive机电式传动系统

REX Drive机电传动系统原名为HSWL 106 Hybrid，代表在HSWL 106传动系统基础上进行修改，而REX代表了“伦克电气十字传动系统”，原先是为了“枪骑兵”步兵战车而开发的电驱动演示系统。

用于改造“枪骑兵”的REX机电传动系统

REX Drive机电传动系统实际上为一套并联式混合动力系统的一部分，这一套并联式混合动力系统包括了MTU 8V199 TE20发动机、散热系统、REX机电传动系统、电池。REX机电传动系统较为特殊，使用了两组电动机取代了HSWL 106的液力变矩器，电动机透过一个叠加齿轮与发动机和变速排连接，电机与内燃发动机并联，此外原来的液压转向装置被一组转向电机取代，因此虽然直驶时可选择完全依靠发动机机械能驱动，但转向时仍必须由转向电机介入实现转向。

REX Drive机电传动原理图

这套并联式混合动力系统可以四种模式工作：关闭发动机以电池供能驱动电机静音行驶；电机1与发动机一起工作以在低速工况时增加轮上功率；关闭电机而发动机正常工作行驶；停驶转作为自行发电厂。

两组电动机安装在REX传动输入轴前

台架测试的REX机电传动系统，由“枪骑兵”的8V199发动机提供动力，

美国公司伦克美国/战斗推进系统——HMPT-800-EG组合式机电液压传动系统：

HMPT-800-EG

HMPT-800-EG是伦克美国（原L3作战推进系统）基于布雷德利A4步兵战车HMPT-800液压传动所开发的机电传动系统。HMPT-800-EG被伦克美国用来集成至一套并联式混合动力系统之中，HMPT-800-EG混合动力系统组成包括1250马力AVDS V10柴油机、160千瓦G40一体式启动发电机、HMPT-800传动本体、M69双侧辅助牵引电机。这套系统专为重达50吨的车辆设计。

HMPT-800EG组合式机电传动结构

在传统液压传动系统下传动功率损失较多，ISG提供的功率流传递到主动轮上已经损失，因此伦克美国提出了将辅助牵引电机安装到机械传动外两侧，由ISG启动发电器提供电力改以驱动两侧辅助电机提高轮上功率。经分析，带有辅助电机的HMPT-800-EG系统有效提升主动轮输出功率，如下图所示。

据伦克美国的HMPT-800-EG测试表明，将发动机保持在175转450马力的功率输出时，轮上输出功率为200马力，而开启两侧辅助电机时，输出功率增加了50马力。这些来自电机的即时可用扭矩有助于提高车辆的机动性，如越障、转向、制动和加速等瞬态事件。

这套基于HMPT-800-EG对并联式混合动力系统也可以实现静音行驶能力，发动机关闭后依靠ISG和辅助电机，能够进行低速的静音机动，且由于柴油发动机的关闭，使车辆更容易涉水。

美国公司艾利逊传动——eGen Forece机电式传动系统：

eGen Forece机电式传动系统

eGen Forece机电传动系统原名下一代电气化传动系统(NGET)，是艾利逊传动为美国陆军下一代作战车辆可选载人步兵战车(OMFV)而开发的新型机电传动装置，其利用了艾利逊X1100-3B1传动系统的许多成熟部件。目前莱茵金属的“山猫”OMFV步兵战车是eGen Forece的首个使用车辆。

“山猫“OMFV配备的eGen Force机电传动系统

eGen Force机电传动系统适用于并联式混合动力系统之中，在“山猫”OMFV的并联混动系统中，由一具1140马力利勃海尔D976柴油机作为原动机和主要机械能动力源。目前关于eGen Force的具体结构仍然没有太多资料可用，但可从已知的剖视图一窥，不同于上述几款并联式混动用的机电传动系统，eGen Forece配备了一组电动机和相关逆变器，电动机并没有从输入轴连接，而是安装在传动箱体外侧，再经由齿轮组连接到传动箱内。该电动机还可作发电机提供最高220千瓦的功率供车辆电器设备使用，此外eGen Force变速机构本身则提供8前3退的档位变换。eGen Force还提供静音行驶功能，这代表着电动机与变速机构连接提供纯电驱动。