坦克电传动系统的发展和展望

电传动技术，系指利用发电机和牵引电机进行车辆功率传递、实现车辆战术机动过程中所涉及的各项功能的技术之总称。
        目前，国内外对汽车电传动的研究正方兴未艾，和传统的机械传动相比，电传动有许多优点，如无级变速、任意半径转向、加速性和灵活性高、没有机械传动换档的冲击振动、传动部件布置灵活以及可采用再生制动等。新一代坦克的发展需要大量的电能满足定向能武器、电磁炮、电热炮、电磁装甲以及雷达所需，在机械传动条件下的车辆无法满足这个需要，而在电传动坦克中发电机发出数百千瓦的电能，提供这个能量需要是有可能的。加之电力电子技术的发展使大功率器件不断涌现，因此电传动技术从相对灵活的汽车步入笨重的坦克也就顺理成章了。
1 电传动系统的结构和工作原理
        履带车辆电传动系统的动力主要来源于发动机，结构与轮式汽车采用的串联混合动力形式相似。常见的几种电传动系统的结构形式，如图 所示。结构一是由两台完全相同的驱动电机，分别为两侧履带提供牵引力，在电机性能满足要求的情况下，机械传动部分结构简单，传动效率较高，且总体布置极为灵活。由于机械部件较少，系统的总重量、总体积都有很大优势。
        它的缺点是不易控制，由于两侧驱动电机之间没有机械连接，车辆的行驶稳定性和转向性能等动力性指标的高低完全依赖于驱动电机控制系统特性的好坏。如果不能解决控制、电机本身的动态特性，以及两侧电机的特性差别等问题中的任何一个，车辆都很难进行正常行驶。
        结构二中保留了一些传统的机械传动装置。它是由发动机带动发电机向系统内一台驱动电动机供电，驱动电动机通过直驶驱动轴带动左右侧履带直线行驶。转向时由转向电动机提供转向功率，通过转向横轴调节两侧车速。该结构的直驶和转向驱动是分开进行的，系统直线行驶稳定性好，且易于转向控制。
        但该结构对两台电机的性能要求也比较高，尤其是对转向电机，因为其在行驶中经常需要迅速的改变转动方向，并保持较大的输出转矩，以调整车辆的行驶状况。另外还要安装转向驱动轴和直驶驱动轴，会为空间布置增加难度，空间利用率也偏低，系统质量和转动惯量较大，传动效率也相应偏低。
        第三种结构综合第一和第二种结构，它使用一个转向电机和两个相同的直驶驱动电机，来实现车辆驶。由于采用两个驱动电机，降低了对单个驱动电机性能的要求，有利于提高车辆的最大直线行驶车速、爬坡度和起步性能。该结构可以根据不同行驶意图，分别调节三个电机的输出功率，以保证车辆具有最佳的动力性，或是最优的转向性能，有很强的适应性。
        虽然存在转向驱动轴，但三个电机仍然需要独立控制，与结构一相同，直驶稳定性仍然要通过控制器来保证，而且多流传动的控制策略也相对复杂。另外，该结构也存在质量和转动惯量较大，传动效率偏低的问题。
        资料显示，目前各国进行研制的履带车辆电传动系统主要以结构一和结构二为主。
        2 坦克电传动系统用电动机及其控制策略
        牵引电机及其控制器组成的电机驱动系统是坦克电传动系统的核心，其性能的好坏直接关系到车辆的行驶性能。
        为了使电传动车辆有较好的使用性能，电机驱动系统应具有足够大的起动转矩、宽广的调速范围、宽范围的高效率运行区域、高的功率密度、高的后备功率、好的可控性与可靠性等。目前电传动履带车辆的驱动电机主要有两种应用趋势：交流异步电机和永磁同步电机。
        交流异步电机与直流电机相比，不仅具有成本低、效率高、可靠性好、免维护、易冷却和结构坚实可靠等优点，而且通过适当的控制技术使得它可获得类似于直流电机的良好的调速特性。交流异步电动机的缺点是耗电量大、转子易发热、调速性较差、控制系统较复杂等。
        传统的交流异步电动机的控制方法有变压变频控制，但电传动车辆要求驱动电机在基速以下输出恒专矩，起动、加速和爬坡时提供大转矩，变压变频控制技术不能使异步电动机很好地满足此要求，目前对动态变频控制技术如磁场定向控制、直接转矩控制的研究与开发应用正成为一个热点。
        3坦克装甲车辆电传动系统的研究
        3.1国外发展状况
        早期电传动技术早期电传动装置均是全直流的，系统由发动机（汽油机或柴油机）驱动的直流发电机（一个或两个）和直流电动机组成，结构相对简单。
        例如1916年法国生产的“圣沙蒙”坦克，坦克上安装了两套动力装置，每一个履带的主动轮都配有一
        个发动机驱动的直流发电机和直流电动机系统。1940 年，英国试验了63.6tTOD型坦克，该坦克用柴油机带动两台发电机，通过两台牵引电机与机与交流异步电机相比，永磁同步电机体积小，重量轻，功率密度大，控制精度高，动态特性好的优点使它十分适合用于电传动履带装甲车辆上。但制造同步电机的永磁材料价格昂贵，同时由于同步电机存在牵入同步和失步的问题，控制系统更加复杂。
        永磁同步电机的基本控制策略是在低速时采用转子磁链定向的矢量控制，而高速时采用弱磁控制，以使电动机基本保持恒定功率，满足电传动车辆的负载要求。
        电机及其控制系统的进一步研究方向在于机与控制器的一体化优化设计研究，先进的控制策略研究，如采用模糊控制，人工智能，最优控制与神经网络控制等先进的控制方法。对电传动履带车辆来说，整车电力驱动与内外侧履带的合理功率分配，直线行驶稳定性，再生功率的合理利用以及如何实现快速精确电子控制转向等成为人们研究的热点。
        4 坦克装甲车辆电传动系统的研究
        4.1国外发展状况
        早期电传动技术早期电传动装置均是全直流的，系统由发动机（汽油机或柴油机）驱动的直流发电机（一个或两个）和直流电动机组成，结构相对简单。
        例如1916年法国生产的“圣沙蒙”坦克，坦克上安装了两套动力装置，每一个履带的主动轮都配有一
        个发动机驱动的直流发电机和直流电动机系统。
        1940年，英国试验了63.5 t TOD 型坦克，该坦克用柴油机带动两台发电机，通过两台牵引电机与机
        械装置相连驱动两条履带。
        1943-1944年，德国在两辆“ 鼠”式188t超重型坦克上安装了电传动装置，它由发动机带动一台发电机，发出的电驱动两台牵引电机，与机械装置相连驱动两条履带。
        以上时期生产的电传动装置，与研制成功的效率高、可实现精确控制的机械式变速系统相比，使重大、造价昂贵、效率低的缺点，变得突出出来。这样一来，在50-60年代，电传动的坦克几乎销声匿迹。
        5现代电传动技术
        电传动的坦克在70-80年代以后又有“东山再起”之势。其一是坦克的各个系统都可以与电能发生联系，如炮塔的旋转和火炮的仰俯等。其二是电传动装置相关联的技术取得了长足的进步。发电机、电动机及电力控制都取得了惊人的进步。交流发电机和直流发电机相比，结构紧凑，效率高，而且没有电刷，耐久性好。
        1978年，比利时ACEC公司研制成功“眼镜蛇”电传动坦克，该系统采用交流发电机4 直流电动机方式，即由交流发电机发出的交流电，经整流器整流后变成直流电，然后直接供给两侧驱动主动轮的串励直流电动机。
        随着电力控制技术进步，交流—直流—交流型控制方式的应用逐渐广泛，即逆变器把整流后的直流电进一步逆变成交流电，来驱动交流电机，50 年代后期以来试制的电传动装置试验车，都采用这一种形式。
        如德国磁电机公司研制的电传动系统就属于交流4 直流4 交流型,1986年用在了4x4型试验车上，接下来在“黄鼠狼”步兵战车和8x8型试验车上也采用了该系统，它们显示了采用电传动装置比使用传统机械传动装置的车辆更简单，体积更小，重量更轻。另外，美国陆军于1984年研制的一辆机动试验平台。以及法国陆军于1988年研制的27t履带车辆，均采用交流/ 直流/ 交流型电传动系统。
        为了探索静默行驶的可能性，美国联合防务公司于90年代中期研制出一辆重22.7的混合电传动演示车，以“布雷德利”战车的防空车型为基础，演示车中装有一个发电系统，系统中一台275Kw交流发电机直接与一台350马力柴油机相连，并且有两组共10块铅酸蓄电池。此外，联合防务公司还于2002年10月和2003年6月分别演示了两辆“未来作战系统”样车，两种车型均采用混合电传动系统。试验表明，在恒速试验中，和采用制式柴油机相比，混合电传动转型技术演示器平均节油20%。
        这一时期的电传动装置主要有以下特点：系统由发动机（汽油机、柴油机或燃气轮机）驱动的交流/ 直流/ 交流传动方式组成；电传动装置重量、体积减小，传动效率逐渐提高；车辆动力源逐步向混合动
        力方向发展。
        国内的研究情况
        “飞80”是我国在法制“响尾蛇”导弹发射车的基础上，研制出的电传动导弹发射车，它由汽油机驱动交流发电机，再经过整流器变为直流电，传到四个车轮上的电动机，驱动车轮转动。该车1988年定，现已装备野战部队20019月，湖南湘潭电机集团研制的红旗七号电传动履带车辆原理样车完成鉴定试验，该样车使用两台额定功率分别为永磁无刷直流电机驱动两侧履带。
        北京理工大学从五十年代末就开始从事车辆电传动研究，九十年代以后，与其他单位合作，先后研制成功了纯电动大客车、电动轮电动游览车等，在车辆电传动方面积累了经验。目前已开始对大功率电传动履带车辆进行研究，并初步掌握了整车行驶控制策略、交流电机控制与能量管理等关键技术。
        坦克电传动系统未来的发展趋势未来坦克电传动车辆对动力提出了更高的要求，不仅要满足车辆驱动，还要为未来可能出现的武器和防御系统等提供电力。
        动力系统混合化
        未来坦克电传动系统更倾向于采用混合动力源，即由发动机、发电机组和蓄电池组组成的动力系统。由于蓄电池组的存在，使车辆静音行驶，加速或爬坡时增大瞬时功率，下坡、减速或制动时再生制动能量的回收利用等成为可能，从而大大提高了履带车辆的动力性。
        5.2全电坦克
        履带车辆采用电传动系统后，发电机产生的电能除用来驱动履带行驶外，也为其它车载武器和设备如电磁炮、电热炮、电磁装甲、导航系统、控制与诊断系统等提供电源，将履带车辆技术发展到“全电坦克”。全电坦克的综合性能将更加优良，坦克的杀伤力，防护性能都会比传统坦克有更大的提高。电传动技术，系指利用发电机和牵引电机进行车辆功率传递、实现车辆战术机动过程中所涉及的各项功能的技术之总称。
        目前，国内外对汽车电传动的研究正方兴未艾，和传统的机械传动相比，电传动有许多优点，如无级变速、任意半径转向、加速性和灵活性高、没有机械传动换档的冲击振动、传动部件布置灵活以及可采用再生制动等。新一代坦克的发展需要大量的电能满足定向能武器、电磁炮、电热炮、电磁装甲以及雷达所需，在机械传动条件下的车辆无法满足这个需要，而在电传动坦克中发电机发出数百千瓦的电能，提供这个能量需要是有可能的。加之电力电子技术的发展使大功率器件不断涌现，因此电传动技术从相对灵活的汽车步入笨重的坦克也就顺理成章了。
1 电传动系统的结构和工作原理
        履带车辆电传动系统的动力主要来源于发动机，结构与轮式汽车采用的串联混合动力形式相似。常见的几种电传动系统的结构形式，如图 所示。结构一是由两台完全相同的驱动电机，分别为两侧履带提供牵引力，在电机性能满足要求的情况下，机械传动部分结构简单，传动效率较高，且总体布置极为灵活。由于机械部件较少，系统的总重量、总体积都有很大优势。
        它的缺点是不易控制，由于两侧驱动电机之间没有机械连接，车辆的行驶稳定性和转向性能等动力性指标的高低完全依赖于驱动电机控制系统特性的好坏。如果不能解决控制、电机本身的动态特性，以及两侧电机的特性差别等问题中的任何一个，车辆都很难进行正常行驶。
        结构二中保留了一些传统的机械传动装置。它是由发动机带动发电机向系统内一台驱动电动机供电，驱动电动机通过直驶驱动轴带动左右侧履带直线行驶。转向时由转向电动机提供转向功率，通过转向横轴调节两侧车速。该结构的直驶和转向驱动是分开进行的，系统直线行驶稳定性好，且易于转向控制。
        但该结构对两台电机的性能要求也比较高，尤其是对转向电机，因为其在行驶中经常需要迅速的改变转动方向，并保持较大的输出转矩，以调整车辆的行驶状况。另外还要安装转向驱动轴和直驶驱动轴，会为空间布置增加难度，空间利用率也偏低，系统质量和转动惯量较大，传动效率也相应偏低。
        第三种结构综合第一和第二种结构，它使用一个转向电机和两个相同的直驶驱动电机，来实现车辆驶。由于采用两个驱动电机，降低了对单个驱动电机性能的要求，有利于提高车辆的最大直线行驶车速、爬坡度和起步性能。该结构可以根据不同行驶意图，分别调节三个电机的输出功率，以保证车辆具有最佳的动力性，或是最优的转向性能，有很强的适应性。
        虽然存在转向驱动轴，但三个电机仍然需要独立控制，与结构一相同，直驶稳定性仍然要通过控制器来保证，而且多流传动的控制策略也相对复杂。另外，该结构也存在质量和转动惯量较大，传动效率偏低的问题。
        资料显示，目前各国进行研制的履带车辆电传动系统主要以结构一和结构二为主。
        2 坦克电传动系统用电动机及其控制策略
        牵引电机及其控制器组成的电机驱动系统是坦克电传动系统的核心，其性能的好坏直接关系到车辆的行驶性能。
        为了使电传动车辆有较好的使用性能，电机驱动系统应具有足够大的起动转矩、宽广的调速范围、宽范围的高效率运行区域、高的功率密度、高的后备功率、好的可控性与可靠性等。目前电传动履带车辆的驱动电机主要有两种应用趋势：交流异步电机和永磁同步电机。
        交流异步电机与直流电机相比，不仅具有成本低、效率高、可靠性好、免维护、易冷却和结构坚实可靠等优点，而且通过适当的控制技术使得它可获得类似于直流电机的良好的调速特性。交流异步电动机的缺点是耗电量大、转子易发热、调速性较差、控制系统较复杂等。
        传统的交流异步电动机的控制方法有变压变频控制，但电传动车辆要求驱动电机在基速以下输出恒专矩，起动、加速和爬坡时提供大转矩，变压变频控制技术不能使异步电动机很好地满足此要求，目前对动态变频控制技术如磁场定向控制、直接转矩控制的研究与开发应用正成为一个热点。
        3坦克装甲车辆电传动系统的研究
        3.1国外发展状况
        早期电传动技术早期电传动装置均是全直流的，系统由发动机（汽油机或柴油机）驱动的直流发电机（一个或两个）和直流电动机组成，结构相对简单。
        例如1916年法国生产的“圣沙蒙”坦克，坦克上安装了两套动力装置，每一个履带的主动轮都配有一
        个发动机驱动的直流发电机和直流电动机系统。1940 年，英国试验了63.6tTOD型坦克，该坦克用柴油机带动两台发电机，通过两台牵引电机与机与交流异步电机相比，永磁同步电机体积小，重量轻，功率密度大，控制精度高，动态特性好的优点使它十分适合用于电传动履带装甲车辆上。但制造同步电机的永磁材料价格昂贵，同时由于同步电机存在牵入同步和失步的问题，控制系统更加复杂。
        永磁同步电机的基本控制策略是在低速时采用转子磁链定向的矢量控制，而高速时采用弱磁控制，以使电动机基本保持恒定功率，满足电传动车辆的负载要求。
        电机及其控制系统的进一步研究方向在于机与控制器的一体化优化设计研究，先进的控制策略研究，如采用模糊控制，人工智能，最优控制与神经网络控制等先进的控制方法。对电传动履带车辆来说，整车电力驱动与内外侧履带的合理功率分配，直线行驶稳定性，再生功率的合理利用以及如何实现快速精确电子控制转向等成为人们研究的热点。
        4 坦克装甲车辆电传动系统的研究
        4.1国外发展状况
        早期电传动技术早期电传动装置均是全直流的，系统由发动机（汽油机或柴油机）驱动的直流发电机（一个或两个）和直流电动机组成，结构相对简单。
        例如1916年法国生产的“圣沙蒙”坦克，坦克上安装了两套动力装置，每一个履带的主动轮都配有一
        个发动机驱动的直流发电机和直流电动机系统。
        1940年，英国试验了63.5 t TOD 型坦克，该坦克用柴油机带动两台发电机，通过两台牵引电机与机
        械装置相连驱动两条履带。
        1943-1944年，德国在两辆“ 鼠”式188t超重型坦克上安装了电传动装置，它由发动机带动一台发电机，发出的电驱动两台牵引电机，与机械装置相连驱动两条履带。
        以上时期生产的电传动装置，与研制成功的效率高、可实现精确控制的机械式变速系统相比，使重大、造价昂贵、效率低的缺点，变得突出出来。这样一来，在50-60年代，电传动的坦克几乎销声匿迹。
        5现代电传动技术
        电传动的坦克在70-80年代以后又有“东山再起”之势。其一是坦克的各个系统都可以与电能发生联系，如炮塔的旋转和火炮的仰俯等。其二是电传动装置相关联的技术取得了长足的进步。发电机、电动机及电力控制都取得了惊人的进步。交流发电机和直流发电机相比，结构紧凑，效率高，而且没有电刷，耐久性好。
        1978年，比利时ACEC公司研制成功“眼镜蛇”电传动坦克，该系统采用交流发电机4 直流电动机方式，即由交流发电机发出的交流电，经整流器整流后变成直流电，然后直接供给两侧驱动主动轮的串励直流电动机。
        随着电力控制技术进步，交流—直流—交流型控制方式的应用逐渐广泛，即逆变器把整流后的直流电进一步逆变成交流电，来驱动交流电机，50 年代后期以来试制的电传动装置试验车，都采用这一种形式。
        如德国磁电机公司研制的电传动系统就属于交流4 直流4 交流型,1986年用在了4x4型试验车上，接下来在“黄鼠狼”步兵战车和8x8型试验车上也采用了该系统，它们显示了采用电传动装置比使用传统机械传动装置的车辆更简单，体积更小，重量更轻。另外，美国陆军于1984年研制的一辆机动试验平台。以及法国陆军于1988年研制的27t履带车辆，均采用交流/ 直流/ 交流型电传动系统。
        为了探索静默行驶的可能性，美国联合防务公司于90年代中期研制出一辆重22.7的混合电传动演示车，以“布雷德利”战车的防空车型为基础，演示车中装有一个发电系统，系统中一台275Kw交流发电机直接与一台350马力柴油机相连，并且有两组共10块铅酸蓄电池。此外，联合防务公司还于2002年10月和2003年6月分别演示了两辆“未来作战系统”样车，两种车型均采用混合电传动系统。试验表明，在恒速试验中，和采用制式柴油机相比，混合电传动转型技术演示器平均节油20%。
        这一时期的电传动装置主要有以下特点：系统由发动机（汽油机、柴油机或燃气轮机）驱动的交流/ 直流/ 交流传动方式组成；电传动装置重量、体积减小，传动效率逐渐提高；车辆动力源逐步向混合动
        力方向发展。
        国内的研究情况
        “飞80”是我国在法制“响尾蛇”导弹发射车的基础上，研制出的电传动导弹发射车，它由汽油机驱动交流发电机，再经过整流器变为直流电，传到四个车轮上的电动机，驱动车轮转动。该车1988年定，现已装备野战部队20019月，湖南湘潭电机集团研制的红旗七号电传动履带车辆原理样车完成鉴定试验，该样车使用两台额定功率分别为永磁无刷直流电机驱动两侧履带。
        北京理工大学从五十年代末就开始从事车辆电传动研究，九十年代以后，与其他单位合作，先后研制成功了纯电动大客车、电动轮电动游览车等，在车辆电传动方面积累了经验。目前已开始对大功率电传动履带车辆进行研究，并初步掌握了整车行驶控制策略、交流电机控制与能量管理等关键技术。
        坦克电传动系统未来的发展趋势未来坦克电传动车辆对动力提出了更高的要求，不仅要满足车辆驱动，还要为未来可能出现的武器和防御系统等提供电力。
        动力系统混合化
        未来坦克电传动系统更倾向于采用混合动力源，即由发动机、发电机组和蓄电池组组成的动力系统。由于蓄电池组的存在，使车辆静音行驶，加速或爬坡时增大瞬时功率，下坡、减速或制动时再生制动能量的回收利用等成为可能，从而大大提高了履带车辆的动力性。
        5.2全电坦克
        履带车辆采用电传动系统后，发电机产生的电能除用来驱动履带行驶外，也为其它车载武器和设备如电磁炮、电热炮、电磁装甲、导航系统、控制与诊断系统等提供电源，将履带车辆技术发展到“全电坦克”。全电坦克的综合性能将更加优良，坦克的杀伤力，防护性能都会比传统坦克有更大的提高。