“美军测试混动军车”评军用新能源技术

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这款由美国陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心牵头的轻型卡车(以下简称ULV),将用于替代美军现役悍马的技战术,而这款油电混动四驱卡车的防护性能,也将于即将服役的多用途新型轻便军车(Joint Light Tactical Vehicles)相近。而这款ULV最大亮点就是采用了油电混和驱动系统。

备注:ULV的研发机构位于马萨诸塞州,主要承担美军单兵作战系统以及新材料军用化的研发任务。

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从美军公开的资料看,油电混动ULV自重6.3吨,有效载荷2吨。战斗成员2加5人(正副驾驶员2人+战斗班组5人)。因为ULV采用4轮独立悬架、车身整体焊接而成,其防地雷(IED)攻击的性能与美军最新款防地雷反伏击车相近。车身焊接总成大量引入高强度钢材和复合材料,以及“透明的陶瓷装甲系统”。车身底部加装可伸缩变形的浮动地板系统,能吸收爆炸冲击力,保护车内人员。此外该车有7个出口。

备注2:透明陶瓷装甲系统比传统材料强度高、重量轻,对于防止子弹穿过武器装备窗户等透明件具有良好功效。其成品多用于地面装备的防弹车窗玻璃、观瞄系统的保护罩的玻璃窗等部位。目前,美国、英国、澳大利亚等国都在此领域有着不同状态的研发。而美军已经将这套系统应用到驻阿富汗反恐装备中。

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从上图清晰可见ULV粗壮的前A型下摆臂。ULV的四轮独立悬架采用液气可调高度设定,在驾驶舱内可以通过预设的三种模式(三段高度)进行一键操作,并可以根据实际需要进行手动任意高度调节。因为ULV的动力核心为油电混合驱动,因此前驱动桥的负载较采用传统动力的悍马更重,悬架的材质采用轻量化的复合材料加工。

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从上图可见,ULV的后悬架仍然采用A型下摆臂结构的独立悬架。或许为了减低后勤支持的难度,降低整车制造成本,ULV的四只A型下摆臂均可通用。当然,ULV的后驱动桥的动力由后驱电动机提供。

可以说,ULV的最大亮点就是传统系统了。ULV的前驱动桥有柴油机+电动机驱动;后驱动桥则由电动机靠电池组件获得的动力驱动。而前后驱动桥之间根本没有助驱动轴。这种驱动模式,省去了复杂且笨重的分动器、差速器、以及传动轴和耦合器。相对美军悍马而言,车身的悬架以及底盘在设计之初,就要为驱动系统腾出宝贵的空间和负载。当然,油耗的提升以及自身热量的发散也是在经济与技战术要求上必须有所考虑。

其实ULV的油电混合驱动模式以及四驱系统的构架与比亚迪唐的模式几乎一致。ULV的动力布置:柴油机+电动机与控制系统前置,后轮驱动电机与控制系统后置(位于后侧围内),动力电池部分中置(车身焊接下,车身焊接内凹处)部分动力电池后置(车身侧围内)。

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ULV最高时速可以达到119公里/小时,0-48公里/小时加速时间为5.1秒、0-80公里/小时加速时间为16.2秒。可以通过纵向60%、横向40%的陡坡。在综合路况的越野时速可以达到40公里/小时。独立焊接的车体,可以防护来自底部的地雷(IED)冲击、侧面可以有效对RPG以及小口径自动武器的攻击。

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ULV的动力舱盖开启方式继续保持着悍马式,由后向前半开启模式。这样的设定并非美国人刻意要与悍马保持一丝传承的联系,而是出于对动力舱保护的需要。在高速行驶中突然遇到颠簸甚至遭受正向攻击时,整体式的前舱盖的防护性能更强。四轮盘式制动系统,前6后4制动活塞。

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ULV搭载了一台6.2T增压柴油机,最大输出175马力、最大扭矩352牛米。与柴油发动机相匹配的是一台由加拿大“Tm4”公司生产的雷米永磁电动机。这款电动机峰值功率可达到200千瓦(额定功率120千瓦)。而另一台后轴驱动电机仍然有“Tm4”公司提供,但是为了增加整台载具的通过性,在电机的减速器内速集成了伊顿差速锁(电机总峰值超过200千瓦)。

为了支撑ULV载具拥有最大33.7公里纯电续航里程、整套载具匹配一组14.2度电的磷酸铁电池(当然,电池组件仍然由加拿大TM4提供。确切的说,ULV在纯电行驶状态电池SOC处于80%状态,可以怠速运行5小时,SOC处于100%状态可以怠速运行7.3小时。混动状态最大行驶里程为约为700公里;纯电续航状态续航(最大行驶里程33.7公里),行驶噪音几乎可以被忽略。

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ULV虽然使用了油电混合驱动系统,但让然是一款标准的战斗载具。采用工程塑料制造的内饰没有采用搪塑工艺那样的软。GPS导航系统和正副驾驶全液晶显示系统替代了多媒体影音娱乐系统。真皮方向盘被军用三幅面转向系统替代。自动空调没有继承PM2.5过滤系统,却增加了车内空气增压系统(产生一个高于外界的压力差,保持空气不被污染)。

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座椅是硬邦邦的凯夫拉材料构成的不可调节的“廉价货”(其实,每台座椅为了最大限度保护成员不受IED爆炸时的伤害,都是悬挂在车身上,每台座椅造价可达数万元人民币)。自动灭火器、防火材料、阻燃系统以及轻量化的防迸溅的保护层,被安装在车身焊接内。

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综合美军在伊拉克、阿富汗反恐战争的教训看,多数悍马都是被RPG所伤害,改进后的防地雷安全车被攻击力更强的IED击毁,与因为重心过高而翻车出事故的比例相差无几。而ULV在摈弃了传统四驱系统后,改用通过性与操控性更强的电四驱系统。在高速通过铺装路面以及复杂路况下的车身姿态的可控性大为加强。

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现在,美军已经在原有ULV测试车队基础上增加了32台(总共50余台ULV),于阿富汗进行实战测试。这款油电混动载具,早在2009年就进行了集成各分系统的验证。出于替代在反恐战争中防护性能极为糟糕的悍马,并降低正在服役的多款防地雷安全车在实战中的燃油消耗,ULV的油电混动系统被美军认为是提升技战术、降低消耗、获取新能源技术(系统)在实战中相关数据的最佳产物。而ULV基型车本身就具备C4I(指指挥、控制、通讯、电脑和情报的集成)系统,拥有最基准的导航、数据链等通讯双向信息获取上传能力。在必要的时候也可以增加车身防护级别遂行多种战术任务。也正因为搭载油电混动系统,可以用纯电驱动模式,执行抵近侦察、斩首突击等复杂战术。

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早在2000年,美军就曾尝试过为在悍马原车基础上加入混动系统的改装。如上图所示,因为使用的能量密度在90wh/Kg,应用在实战中应用的效能远不如今天的ULV。但是这种采用新能源技术军用化的程度,已经接近实战层面的应用。

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换装油电混动动力的悍马测试车,只能将电池组件放入原本就狭小的驾驶舱内(车身焊接后部)。在保证原车机动性能的同时,最主要的是纯电续航里程使得悍马获得更丰富的实战效能。而这种自身噪音降至最低,“来无影去无声”的性能,用于“斩首”敌军指挥机构的战术有着得天独厚的优势。(2011年,美军出动全新的隐身低噪音的FH-60直升机,搭载战术小分队,成功刺杀本拉登)。

无论如何,美军已经在新能源技术军用化上有了实际的进展。然而相关的研发已经在1950年代开始了,从核武器的小型化(伟大的抗美援朝战争爆发后,我志愿军一度将美军击溃至三八线,美军妄图用M65型原子炮威胁我国),至雪佛兰着手将核动力集成到民用汽车中,这些研发都基于美军寻找推进比更大、体积更小的更先进动力军用化目的。

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从技术角度看,纯电动推进的载具更简单,在结构上较油电混合动力更可靠。上图可以被看做是美军ULV的驱动结构简图:前驱动桥由柴油机与电动机驱动,后驱动桥由电动机驱动。电池组件可以通过柴油机获得电力,并为后驱动桥提供电力。

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上图是增程式混动驱动系统的结构简图。内燃机与发电机(汽油机或柴油机)串联电动机和电池组件,向前后驱动桥传递电力,驱动车辆以2轮或4轮驱动模式云运转。当然,这种结构没有摆脱沉重的链接前后驱动桥的主传动轴结构。也因为机械传动部件较多,导致推进效率过低。

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上图仍然是一种增程式混动推进结构简图。内燃机提供动力给发电机,然后电量存储至电池组件并将电量提供给前后驱动桥间电机,由此驱动整套系统前进。这种增程式混动结构,可以采用实时四驱模式驱动。这种模式抛弃了主传动轴等机械系统,传动效率进一步提升了。

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上图是一种可扩展的混动驱动模式结构简图。仍然是基于增程式的动力输出模式,内燃机+发电机+电池组件为前后驱动桥提供动力。电力传递给前驱动桥的桥间电机(前驱动桥),电力传递给后驱动桥的2只轮边电机。虽然这套结构仍然拥有实时四轮驱动能力,但是后驱为轮边电机推进,理论上这套系统可以1轮、2轮、3轮、4轮驱动,但是在扭矩的分配上,采用轴间电机的驱动桥不如轮边电机驱动桥更迅速。

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上图是,8X4混动驱动平台结构简图。将轴间电机、增程式混动系统引入,并因为增加了2套随动桥,可以提升整套系统的载荷并具有基本的通过性。

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在欧洲多个国家(英国、法国、比利时、德国荷兰)先后都对新能源军用化技术研发甚至生产出实战装备。在之前比这多篇稿件中提及,德国防军正在测试Gefas4/6轮混动平台。欧洲部分厂商在2010年推出,应用在10吨级重型轮式/履带战车上的双油电混动驱动技术。

放眼全球新能源军用化最深入的国家就要算日本了。

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弱混级别的丰田普锐斯在1997年就量产并畅销全球市场。至2015年,采用四轮驱动普锐斯已经在日本市场销售。

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由丰田提供锂电池和混动控制系统、三菱提供柴油机、东芝提供轮边电机、小松制作所负责系统总成的油电混动105毫米口径轮式突击炮,即将为日本陆军组装并测试。

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这款日军混动突击炮,最核心技术恐怕就是增程式混动系统(柴油机只为发电机提供动力、产生的电量驱动6只轮边电机)以及大容量安全稳定的锂电池组件。丰田有着近30年新能源技术研发的积累。普锐斯搭载的混动系统虽然结构复杂但是使用可靠。在此领域获取的大尺寸电动机驱动技术以及燃料电池、锂电池等多种储能系统实际应用,都是支撑日军使用效能更高、技术等级更高的混动论辩驱动技术军用化硬件前提。

在中国某车辆研究所以及部分大学早在199X年,就与车厂开展了新能源技术军用化的深度合作。

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北汽与某高校曾经在2007年推出过基于一代勇士改装的智能无人驾驶战车项目。虽然动力总成仍然是那台3.2T增压柴油机,但是换装了自动变速器用以私服无人驾驶模块。

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2010年,北汽开始测试换装油电混动模块的1代勇士军车。其结构与美军正在测试ULV相似:柴油机+电动机+电池组件为主动力系统,但是前后驱动桥模式仍然基于1代勇士的结构。混动动力总成输出的动力,仍然通过变速器和分动器以及主传动轴,输出至前后驱动桥。奈何,此时的中国新能源技术储备很弱。

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201X年,长安汽车(工业)推出了一款油电混动无人驾驶平台。整套载具长宽高3200*1700*1600mm;最高车速35km/h;自重1000kg;载荷600kg;最大爬坡度60%;人工遥控距离大于200m;智能驾驶5km;油电混动续航里程200km;纯电动续航里程20km;整套载具为6*6全时四驱驱动,双电机差速转向(原地转向)。而这套军用混动无人驾驶载具已经服役。

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2014年,北京理工大学利用反恐安全车改装的智能无人驾驶载具,成功完成“跨越险阻2014”地面无人平台挑战赛。

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与此同时,北京理工大学已经拥有利用1代猛士、63式履带装甲车、比亚迪速锐、4X4反恐战车的多吨位不同驱动模式智能驾驶改装的技术储备。而新能源技术(电动、油电混动)军用化的研发对于北京理工大学早就不是什么秘密了。

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2013年10月抢先驾驶比亚迪混动秦后,笔者就撰稿指出,政治可靠的本土车企比亚迪的混动技术,完全可以被放大用于解放军军用载具。2014年测试比亚迪油电混动唐后,其搭载的超级电四驱以及油电驱动系统,2015年美军开始测试ULV的技术如出一辙。而比亚迪早在2013年就在K9电动大巴上应用了轮边电机驱动系统。正在研发的那款超级SUV,将会采用轮边电机技术用于第二代超级电四驱系统。同样这款超级SUV的驱动模式,将不会采用秦、唐、宋、元的混动架构,而是应用与日军105毫米口径混动6驱突击炮类似的增程式(汽油机为发电机提供动力,产生电力驱动轮边电机)。

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正如丰田普锐斯、美军ULV一样,比亚迪唐的量产被证明,国产系能源技术民用化趋于成熟。而日军使用日系车厂提供的新能源分系统构成的混动突击炮,以及美军从改装悍马开始就积累的混动技术军用化发展看,解放军的装备同样要引入新能源驱动技术。而新能源技术的引入,可以为解放军陆军装备拥有更低的噪音、更长的电动续航里程、更出色的环境兼容性。当然在海空天军等技术部队中的应用会更广阔。

现在日本海军已经用丰田提供的锂电池升级了苍龙级ATP潜艇,无论静音还是海底航行里程与速度,都拥有史无前例的领先优势。为了国家安全态势以及围绕能源安全爆发的战争,中国品牌概念下的自主车厂,有理由更有义务承担更多的新能源技术研发责任。

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电动汽车时代

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