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「扁线电机」REEV驱动技术的军用履带装备战术应用

2024-01-22军事

导读

早在2022年,美国陆军协会年会展示了一辆名为"M1-X"的技术验证坦克,它采用了油电混合动力系统。与此同时,该展会还展示了基于REEV(Range-Extended Electric Vehicle,增程式电动车)驱动架构的8轮装甲车和履带式无人作战系统。此外,还展示了来自欧美地区的多种复合电驱动系统、轮毂电驱动系统以及一体化复合REEV驱动系统的样品。

根据相关信息显示,这款名为"M1-X"的混合动力坦克采用了先进的一体化复合REEV驱动系统(包括X组ISG电机、2组驱动电机、X组转向电机以及简化结构的燃油直驱1/2挡)。

通过对比工作流程,可以看出,由X组ISG电机、2组驱动电机、X组转向电机以及燃油直驱1/2挡组成的一体化复合REEV驱动系统,具备PHEV(插电式混合动力)高功率输出、强化REEV高功率发电以及增加电动转向系统的能力,同时保留了机械传动系统的可靠性,综合上述优势。

然而,要将一体化复合REEV驱动系统和混动专用发动机安装在空间严格限制的动力舱内,需要采用更高效、更小体积、更轻的扁线电机。

同时,可靠性更高的扁线电机(ISG启发电一体机和驱动电机)的出现,使得可以完全去除占用空间、增加重量、结构复杂的燃油直驱1/2挡。这使得电动化应用更加全面,为下一代主战坦克(中重型装甲技术装备)的一体化复合REEV驱动系统带来了压倒性的技术和战术优势。

根据最近5年全球范围内新能源技术在军事领域的发展趋势以及中重型轮履无人作战系统的发展情况,基于扁线绕组技术的电驱动系统和混动专用发电机已经发展出多种形式的油电混合驱动系统,其中包括:

  1. 纵置REEV驱动系统,适用于轻中型轮履载具;

  2. 横置REEV驱动系统,适用于中重型履带式载具;

  3. 由2组ISG电机、2组驱动电机、1/2组转向电机和燃油直驱1/2挡组成的一体化复合REEV驱动系统,适用于下一代主战坦克;

  4. 由2组ISG电机、2组驱动电机、1/2组转向电机组成的全新一体化复合REEV驱动系统,适用于新一代主战坦克。

无论是REEV驱动系统、PHEV驱动系统,还是更为复杂的一体化复合REEV驱动系统,扁线电机在不同类型的电驱动系统中扮演着至关重要的角色,它们决定了载具的性能以及不同上装模块系统的战术优势。

新能源情报分析网的评测组专注于评估决定新一代主战坦克战术优势的全新一体化复合REEV驱动系统(使用扁线电机的X组ISG、2组驱动扁线电机和X组转向扁线电机,去除了燃油直驱1/2挡)的技术优势,并进行全面的研读和评判。

注:最终的参数、配置和性能将以官方发布的信息为准。

  1. 基于扁线电机构成的纵置REEV驱动系统的技术优势:

对于原先采用前纵置动力系统的履带装备,通过将其更换为纵置REEV驱动系统,可以降低研发周期、减少研发风险以及缩小研发成本。这种改变带来的技术提升和性能增加直接导致了显著的战术优势。

在这种纵置REEV驱动系统中,对于动力总成的电动化要求并不高,因此可以相对轻松地在原有动力系统的空间内进行布置。唯一需要注意的是发电机的长度和直径受到一定限制。

在图示中,黄色区域表示纵置的柴油机,黄色箭头表示柴油机-发电机之间的能量流动。蓝色区域表示驱动机构,蓝色箭头表示驱动电机。绿色箭头表示减速器。通过这种布置,纵置REEV驱动系统能够更好地适应原有的装备结构,并且在满足一定限制的情况下实现电动化。

上图展示了处于台架测试状态的纵置REEV驱动系统,特写显示了发电机-发电机-驱动电机系统的技术状态。

在图中,红色区域表示纵置的发动机,蓝色箭头表示包括发电机、驱动电机和减速器在内的电传动组件。红色箭头表示电传动组件的高压电控模块。蓝色箭头表示发动机输出动力,经由电传动组件内的发电机转化为电能。黄色箭头表示电传动组件两端减速器将扭矩传递至主动轮。绿色箭头表示疑似转向电机。

纵置REEV驱动系统弱化了发动机的电动化改进幅度,并且对空间的限制较小,但对于1组发电机和2组驱动电机的效率要求较高,因此必须采用「1槽X线」扁线电机。

需要注意的是,纵置REEV驱动系统占用较大空间,可以在纵置发动机和ISG启发电一体机之间布置1或2挡增速器,以满足不同战术环境下的耗电需求。然而,即使设定3挡增速器,也只能满足最基本的发电功率分流,无法满足整个系统内扭矩和电量联合精确分流的技术需求。

2、基于扁线电机构成的横置REEV驱动系统技术优势:

对于轻型和中型履带式装甲运兵车以及重型履带式装甲防护车辆而言,更多的空间和载荷需要用于人员输送或物资转运,相对来说对于防护需求和高机动性需求的要求相对较低,而对于承载需求的要求相对较高。在这种情况下,引入前置REEV驱动系统可以实现两方面的优势。

首先,通过将现有传统动力装备进行「油改电」,可以利用现有的装备平台进行电动化改造。这样可以降低研发周期、减少研发风险和缩小研发成本,同时利用已有的动力装备的优势和可靠性。

其次,前置REEV驱动系统可以应用于全新开发的载具。

美国艾利逊公司推出了一款横置REEV驱动系统,该系统专注于降低运行噪音并提高发电功率效率等技术设定。该系统采用更紧凑的整体结构,主要由两组驱动电机和一套转向电机小总成组成。横置的发动机与一组ISG启发电一体机串联,并与横置REEV驱动架构相连接,仅占用载具前端的空间,并同时提供部分防护功能。

在图中,黄色箭头表示横置的发动机,绿色箭头表示功率流经过ISG启发电一体机。蓝色箭头表示来自ISG启发电一体机的功率流分配给两组驱动电机(其中一组电量分流给另一组)。白色箭头表示扭矩流经过两组减速器输出至主动轮。白色区域表示转向电机小总成。

在实际应用中,横置REEV驱动系统也可以与纵置发动机相关联。驱动电机可以配置1组或2组减速齿轮,以满足不同载具端技术需求的更大扭矩或更高车速。

然而,如果要额外设定1组通过直接驱动1/2挡的发动机,将扭矩绕过发电机/驱动电机直接传递到主动轮,就需要腾出更多的空间。

在图中,红色区域表示减速器(通过多组齿轮实现大扭矩/高车速需求)。红色箭头表示减速器输出的扭矩。蓝色箭头表示扭矩经过离轮端传输到主动轮(理论上可以在轮端额外设定1组换挡系统)。

横置REEV驱动系统的优势在于与横置发动机相关联,提高了空间利用率。然而,在驱动电机-减速器-主动轮的功率分配策略上,与横置REEV驱动系统并没有太大变化。

需要注意的是,无论是纵置REEV驱动系统还是横置REEV驱动系统,都只能与1套ISG启发电一体机相关联,发电功率受到限制,功率分配的控制精度也受到限制。因此,额外增设燃油直接驱动1/2挡的可能性被大幅压缩。

3、基于扁线电机构成的全新一体化复合REEV驱动系统技术优势:

"M1-X"混合动力坦克在2022年美国陆军协会年会上首次亮相,引入了一体化复合REEV驱动系统。该系统配备了两组ISG启发电一体机,以满足车辆驱动所需的电力,并同时增强了火力上装模块的电力需求。此外,在动力负载达到全功率输出时,其中一组ISG启发电一体机还可用于驱动坦克,实现PHEV模式运行。

同样在2022年美国陆军协会年会上展示的是一款全新的一体化复合REEV驱动系统,该系统具备整体吊装和更换能力。它由2组柴油机、2组ISG启发电一体机以及横置的REEV驱动模块组成。

在横置的REEV驱动模块内(黄色箭头),采用了X-PIN绕组技术的驱动电机(蓝色箭头)。

在展示的全新一体化复合REEV驱动系统中,横置的REEV驱动单元与两个增程动力系统相关联(每个增程动力系统由一组柴油机和一个大功率ISG启发电一体机串联)。该系统完全摒弃了不必要的燃油直驱1/2挡系统。同时,纵向排列的两组柴油机之间的空间可以用于容纳更耐高温的锂硫电池系统。

在图中,红色箭头表示两组单独设定的纵置发动机,黄色箭头表示与发动机串联的两组ISG启发电一体机。白色箭头表示横置的REEV驱动模块电控单元,黄色箭头表示驱动电机和减速器模块,蓝色箭头表示疑似的转向电机小总成。

需要注意的是,作为全新一体化复合REEV驱动系统的重要组成部分,采用X-pin绕组技术的扁线电机(模型)进行了独立展示。

X-pin绕组技术和Hair-pin(扁线)绕组技术都通过提高槽填充率来缩短长度和增加功率。然而,X-pin绕组技术在实际应用中面临着加工困难、良品率低以及成本不可控等现实因素的挑战。