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「扁線電機」REEV驅動技術的軍用履帶裝備戰術套用

2024-01-22軍事

導讀

早在2022年,美國陸軍協會年會展示了一輛名為"M1-X"的技術驗證坦克,它采用了油電混合動力系統。與此同時,該展會還展示了基於REEV(Range-Extended Electric Vehicle,增程式電動車)驅動架構的8輪裝甲車和履帶式無人作戰系統。此外,還展示了來自歐美地區的多種復合電驅動系統、輪轂電驅動系統以及一體化復合REEV驅動系統的樣品。

根據相關資訊顯示,這款名為"M1-X"的混合動力坦克采用了先進的一體化復合REEV驅動系統(包括X組ISG電機、2組驅動電機、X組轉向電機以及簡化結構的燃油直驅1/2擋)。

透過對比工作流程,可以看出,由X組ISG電機、2組驅動電機、X組轉向電機以及燃油直驅1/2擋組成的一體化復合REEV驅動系統,具備PHEV(插電式混合動力)高功率輸出、強化REEV高功率發電以及增加電動轉向系統的能力,同時保留了機械傳動系統的可靠性,綜合上述優勢。

然而,要將一體化復合REEV驅動系統和混動專用發動機安裝在空間嚴格限制的動力艙內,需要采用更高效、更小體積、更輕的扁線電機。

同時,可靠性更高的扁線電機(ISG啟發電一體機和驅動電機)的出現,使得可以完全去除占用空間、增加重量、結構復雜的燃油直驅1/2擋。這使得電動化套用更加全面,為下一代主戰坦克(中重型裝甲技術裝備)的一體化復合REEV驅動系統帶來了壓倒性的技術和戰術優勢。

根據最近5年全球範圍內新能源技術在軍事領域的發展趨勢以及中重型輪履無人作戰系統的發展情況,基於扁線繞組技術的電驅動系統和混動專用發電機已經發展出多種形式的油電混合驅動系統,其中包括:

  1. 縱置REEV驅動系統,適用於輕中型輪履載具;

  2. 橫置REEV驅動系統,適用於中重型履帶式載具;

  3. 由2組ISG電機、2組驅動電機、1/2組轉向電機和燃油直驅1/2擋組成的一體化復合REEV驅動系統,適用於下一代主戰坦克;

  4. 由2組ISG電機、2組驅動電機、1/2組轉向電機組成的全新一體化復合REEV驅動系統,適用於新一代主戰坦克。

無論是REEV驅動系統、PHEV驅動系統,還是更為復雜的一體化復合REEV驅動系統,扁線電機在不同類別的電驅動系統中扮演著至關重要的角色,它們決定了載具的效能以及不同上裝模組系統的戰術優勢。

新能源情報分析網的評測組專註於評估決定新一代主戰坦克戰術優勢的全新一體化復合REEV驅動系統(使用扁線電機的X組ISG、2組驅動扁線電機和X組轉向扁線電機,去除了燃油直驅1/2擋)的技術優勢,並進行全面的研讀和評判。

註:最終的參數、配置和效能將以官方釋出的資訊為準。

  1. 基於扁線電機構成的縱置REEV驅動系統的技術優勢:

對於原先采用前縱置動力系統的履帶裝備,透過將其更換為縱置REEV驅動系統,可以降低研發周期、減少研發風險以及縮小研發成本。這種改變帶來的技術提升和效能增加直接導致了顯著的戰術優勢。

在這種縱置REEV驅動系統中,對於動力總成的電動化要求並不高,因此可以相對輕松地在原有動力系統的空間內進行布置。唯一需要註意的是發電機的長度和直徑受到一定限制。

在圖示中,黃色區域表示縱置的柴油機,黃色箭頭表示柴油機-發電機之間的能量流動。藍色區域表示驅動機構,藍色箭頭表示驅動電機。綠色箭頭表示減速器。透過這種布置,縱置REEV驅動系統能夠更好地適應原有的裝備結構,並且在滿足一定限制的情況下實作電動化。

上圖展示了處於台架測試狀態的縱置REEV驅動系統,特寫顯示了發電機-發電機-驅動電機系統的技術狀態。

在圖中,紅色區域表示縱置的發動機,藍色箭頭表示包括發電機、驅動電機和減速器在內的電傳動元件。紅色箭頭表示電傳動元件的高壓電控模組。藍色箭頭表示發動機輸出動力,經由電傳動元件內的發電機轉化為電能。黃色箭頭表示電傳動元件兩端減速器將扭矩傳遞至主動輪。綠色箭頭表示疑似轉向電機。

縱置REEV驅動系統弱化了發動機的電動化改進振幅,並且對空間的限制較小,但對於1組發電機和2組驅動電機的效率要求較高,因此必須采用「1槽X線」扁線電機。

需要註意的是,縱置REEV驅動系統占用較大空間,可以在縱置發動機和ISG啟發電一體機之間布置1或2擋增速器,以滿足不同戰術環境下的耗電需求。然而,即使設定3擋增速器,也只能滿足最基本的發電功率分流,無法滿足整個系統內扭矩和電量聯合精確分流的技術需求。

2、基於扁線電機構成的橫置REEV驅動系統技術優勢:

對於輕型和中型履帶式裝甲運兵車以及重型履帶式裝甲防護車輛而言,更多的空間和載荷需要用於人員輸送或物資轉運,相對來說對於防護需求和高機動性需求的要求相對較低,而對於承載需求的要求相對較高。在這種情況下,引入前置REEV驅動系統可以實作兩方面的優勢。

首先,透過將現有傳統動力裝備進行「油改電」,可以利用現有的裝備平台進行電動化改造。這樣可以降低研發周期、減少研發風險和縮小研發成本,同時利用已有的動力裝備的優勢和可靠性。

其次,前置REEV驅動系統可以套用於全新開發的載具。

美國艾利遜公司推出了一款橫置REEV驅動系統,該系統專註於降低執行噪音並提高發電功率效率等技術設定。該系統采用更緊湊的整體結構,主要由兩組驅動電機和一套轉向電機小總成組成。橫置的發動機與一組ISG啟發電一體機串聯,並與橫置REEV驅動架構相連線,僅占用載具前端的空間,並同時提供部份防護功能。

在圖中,黃色箭頭表示橫置的發動機,綠色箭頭表示功率流經過ISG啟發電一體機。藍色箭頭表示來自ISG啟發電一體機的功率流分配給兩組驅動電機(其中一組電量分流給另一組)。白色箭頭表示扭矩流經過兩組減速器輸出至主動輪。白色區域表示轉向電機小總成。

在實際套用中,橫置REEV驅動系統也可以與縱置發動機相關聯。驅動電機可以配置1組或2組減速齒輪,以滿足不同載具端技術需求的更大扭矩或更高車速。

然而,如果要額外設定1組透過直接驅動1/2擋的發動機,將扭矩繞過發電機/驅動電機直接傳遞到主動輪,就需要騰出更多的空間。

在圖中,紅色區域表示減速器(透過多組齒輪實作大扭矩/高車速需求)。紅色箭頭表示減速器輸出的扭矩。藍色箭頭表示扭矩經過離輪端傳輸到主動輪(理論上可以在輪端額外設定1組換擋系統)。

橫置REEV驅動系統的優勢在於與橫置發動機相關聯,提高了空間利用率。然而,在驅動電機-減速器-主動輪的功率分配策略上,與橫置REEV驅動系統並沒有太大變化。

需要註意的是,無論是縱置REEV驅動系統還是橫置REEV驅動系統,都只能與1套ISG啟發電一體機相關聯,發電功率受到限制,功率分配的控制精度也受到限制。因此,額外增設燃油直接驅動1/2擋的可能性被大幅壓縮。

3、基於扁線電機構成的全新一體化復合REEV驅動系統技術優勢:

"M1-X"混合動力坦克在2022年美國陸軍協會年會上首次亮相,引入了一體化復合REEV驅動系統。該系統配備了兩組ISG啟發電一體機,以滿足車輛驅動所需的電力,並同時增強了火力上裝模組的電力需求。此外,在動力負載達到全功率輸出時,其中一組ISG啟發電一體機還可用於驅動坦克,實作PHEV模式執行。

同樣在2022年美國陸軍協會年會上展示的是一款全新的一體化復合REEV驅動系統,該系統具備整體吊裝和更換能力。它由2組柴油機、2組ISG啟發電一體機以及橫置的REEV驅動模組組成。

在橫置的REEV驅動模組內(黃色箭頭),采用了X-PIN繞組技術的驅動電機(藍色箭頭)。

在展示的全新一體化復合REEV驅動系統中,橫置的REEV驅動單元與兩個增程動力系統相關聯(每個增程動力系統由一組柴油機和一個大功率ISG啟發電一體機串聯)。該系統完全摒棄了不必要的燃油直驅1/2擋系統。同時,縱向排列的兩組柴油機之間的空間可以用於容納更耐高溫的鋰硫電池系統。

在圖中,紅色箭頭表示兩組單獨設定的縱置發動機,黃色箭頭表示與發動機串聯的兩組ISG啟發電一體機。白色箭頭表示橫置的REEV驅動模組電控單元,黃色箭頭表示驅動電機和減速器模組,藍色箭頭表示疑似的轉向電機小總成。

需要註意的是,作為全新一體化復合REEV驅動系統的重要組成部份,采用X-pin繞組技術的扁線電機(模型)進行了獨立展示。

X-pin繞組技術和Hair-pin(扁線)繞組技術都透過提高槽填充率來縮短長度和增加功率。然而,X-pin繞組技術在實際套用中面臨著加工困難、良品率低以及成本不可控等現實因素的挑戰。