電傳動關(guān)鍵技術(shù)與概述

鄒祎

摘要： 本文對電傳動關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合性的闡述，介紹了電傳動車輛中的五大關(guān)鍵技術(shù)：直流交流電機(jī)技術(shù)；電傳動總體技術(shù)；高功率密度電子推進(jìn)技術(shù)；動力分配與能量管理技術(shù)；電磁兼容技術(shù)；并從動力系統(tǒng)混合化及全電化兩個方面對電傳動戰(zhàn)斗車輛的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

Abstract： This paper illustrates key technologies of electrical transmission generally and introduces five kinds of key technologies of vehicle with electrical transmission： DC and AC motor technology， electrical transmission general technology， high power density electric propulsion technology， force distribution and power management technology， electromagnetic compatibility technology. Finally， this paper discusses the prospect of electrical transmission vehicle in two aspects： the hybrid system and full-electrical vehicle.

關(guān)鍵詞： 電傳動；裝甲車輛；全電車輛

Key words： electrical transmission；armored vehicle；all electric vehicle

中圖分類號：TJ811 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）36-0113-02

0 引言

裝甲車輛是陸軍主要武器裝備之一，以高機(jī)動性、快速部署著稱，被廣泛應(yīng)用于軍隊快速機(jī)動作戰(zhàn)中，同時在應(yīng)對城市作戰(zhàn)、反恐、防爆、維和等任務(wù)中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對裝甲車輛提出了許多采用傳統(tǒng)機(jī)械車輛難以實現(xiàn)的要求，在此背景下電傳動裝甲車輛應(yīng)運(yùn)而生。電傳動裝甲車輛是指采用電傳動作為車輛驅(qū)動力傳動方式的裝甲車輛。電傳動裝甲車輛具有強(qiáng)大的越野性能、良好的加速性能、較經(jīng)濟(jì)的燃油消耗、易于保障及可靜音行駛等優(yōu)點，同時可為未來電磁炮和電磁裝甲等新概念武器、防護(hù)裝置提供可靠的電能保證，已成為裝甲車輛的一個重要的發(fā)展方向。

1 電傳動總體簡介

全電戰(zhàn)斗車輛是武器、裝甲和傳動系統(tǒng)均全部采用電力方式的戰(zhàn)斗車輛。全電戰(zhàn)斗車輛中的電傳動技術(shù)引起了研究人員的關(guān)注。

電傳動方式是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的傳動方式。電傳動具有無級變速、布局靈活、效率較高、動車制動行駛安全的優(yōu)點。電傳動系統(tǒng)能夠方便地對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測定，并據(jù)此實現(xiàn)反饋控制，故可以發(fā)動機(jī)保持在最佳的工作狀態(tài)，降低了車輛的燃油消耗率。但是電傳動由其成本較高的缺點，自重大并對有色金屬原料的消耗很高，大重量車輛更適合選擇電傳動方式。

主流的兩種電傳動方案如圖1和圖2所示。

圖1結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)發(fā)電給車體左右電動機(jī)供電，通過控制兩邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖2結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)向牽引電機(jī)供電，通過傳動軸帶動左右側(cè)車輪行駛；轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向電動機(jī)提供轉(zhuǎn)向功率，通過轉(zhuǎn)向傳動軸調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶的速度。

2 電傳動裝甲車輛的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直流和交流

電傳動坦克所采用的發(fā)電機(jī)經(jīng)歷了從直流到交流的過程，早期電傳動裝甲車輛采用的均為直流發(fā)電機(jī)，八十年代以后電傳動裝甲車輛開始逐漸采用交流發(fā)電機(jī)。與直流發(fā)電機(jī)相比，交流發(fā)電機(jī)沒有電刷，故不會出現(xiàn)電刷損耗，結(jié)構(gòu)更為緊湊，效率更高，交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高。由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)過整流器整流后變?yōu)橹绷麟?，直接?qū)動直流電動機(jī)。

2.2 電傳動總體技術(shù)

電傳動結(jié)構(gòu)安排，空間布置和控制策略非常靈活，不同的配置有不同的整車性能。故電傳動車輛的設(shè)計方案根據(jù)車輛功能型號的不一樣也有很大的不同。所以，對車輛進(jìn)行總體設(shè)計及布局研究是電傳動技術(shù)中相當(dāng)重要的部分。

整車綜合協(xié)調(diào)技術(shù)不僅是系統(tǒng)工程的核心控制技術(shù)，而且也是電傳動的總體技術(shù)之一。整車綜合協(xié)調(diào)控制也應(yīng)該是建立在發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制器和電動機(jī)組控制器基礎(chǔ)之上，并將兩者有機(jī)結(jié)合，且包含動力分配、能量管理、故障診斷等工作的一種綜合控制。

2.3 高功率密度電子推進(jìn)技術(shù)

全電戰(zhàn)斗車輛需要低速大扭矩、體積小和功率大的牽引電機(jī)。電傳動戰(zhàn)斗車輛驅(qū)動電機(jī)有直流和交流電機(jī)。由于交流電機(jī)易于維護(hù)和耐用的優(yōu)點，直流電機(jī)逐漸被交流電機(jī)取代。

與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)體積小、重量輕、效率高，雖然成本較高，大扭矩、大調(diào)速范圍的實現(xiàn)需要弱磁控制，但永磁同步電機(jī)更適合于電傳動車輛。

2.4 動力分配與能量管理

車輛制動過程和轉(zhuǎn)向過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)移、再生利用。車輛重量越大，該過程所需能量越大。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，再生能量的反饋和控制成為了可能。能量管理也已經(jīng)成為提高整車效率和性能的關(guān)鍵。研究人員提出了各種方案，主體思想為憑借能量管理系統(tǒng)對車輛再生能量儲存到儲能設(shè)備中，當(dāng)車輛爬坡、加速及轉(zhuǎn)向時釋放出來，為車輛提供較大的瞬時功率，節(jié)省能源，節(jié)約成本。

2.5 電磁兼容技術(shù)

在全電戰(zhàn)斗車輛中，高電流和電能的快速轉(zhuǎn)換會造成電磁干擾。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)主電路中大功率開關(guān)器件在高頻率開關(guān)工作條件下也會引起電磁干擾，而且器件在電壓不為零的情況下開通關(guān)斷帶來的開關(guān)功率損耗會造成器件溫度升高導(dǎo)致器件性能下降，所以限制了PWM的頻率，不便于系統(tǒng)輸出脈動的削減。針對此問題，研究人員開發(fā)出了直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型軟開關(guān)逆變器近來出現(xiàn)了直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型軟開關(guān)逆變器，該逆變器采用軟開關(guān)技術(shù)，在器件端電壓為零或流經(jīng)電流為零時實現(xiàn)開關(guān)的通斷，開關(guān)損耗和電磁干擾均比較小，噪聲低，功率密度高，比較可靠。

3 坦克電傳動系統(tǒng)展望

3.1 動力系統(tǒng)混合化

未來坦克電傳動系統(tǒng)更傾向于采用混合動力源，即由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)組和蓄電池組組成的動力系統(tǒng)。由于蓄電池組的存在，使車輛靜音行駛，加速或爬坡時增大瞬時功率，下坡、減速或制動時再生制動能量的回收利用等成為可能，從而大大提高了履帶車輛的動力性。

3.2 全電坦克

電磁炮、電熱炮、車輛電子系統(tǒng)、控制與診斷系統(tǒng)、電磁裝甲等都未來裝甲車輛發(fā)展趨勢都需要電能的支撐，電傳動車輛采用的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能為這些技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。將履帶車輛技術(shù)發(fā)展到“全電坦克”，戰(zhàn)斗車輛的綜合性能將更加優(yōu)良，戰(zhàn)斗車輛的火力、機(jī)動性能和防護(hù)性能都會有長足的進(jìn)步。

4 結(jié)語

盡管我國在電傳動技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有所突破，但在全電化陸戰(zhàn)平臺的高功率電機(jī)設(shè)計與控制、多電機(jī)協(xié)調(diào)控制、機(jī)電復(fù)合制動與能量回收、行駛控制、熱管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建軍， 盛潔波，王翠，等.異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子參數(shù)的辨識方法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（1）：70-74.

[2]崔納新，張承慧，李珂，等.基于參數(shù)在線估計的交流異步電動機(jī)效率最優(yōu)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（9）：80-85.

[3]Rehman H U， Derdiyok A， Guven M K， et al. An MRAS scheme for on-line rotor resistance daptation of an induction machine[C]//Vancouver， BC： Power Electronics Specialists conference （PESC）， 2001 IEEE 32nd Annual， 2001.

[4]凌強(qiáng)，徐文立，陳峰.關(guān)于感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測和轉(zhuǎn)子電阻辨識的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2001，21（9）：58-62.

[5]陸海峰，瞿文龍，張磊，等.一種基于無功功率的異步電機(jī)矢量控制轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25（16）：116-120.

[6]Soto G G， Mendes E， Razek A. Reduced-order observers for rotor flux， rotor resistance and speed estimation for vector-controlled induction motor drives using the extended Kalman-filter technique[J]. IEEE Proceedings： Electric Power Applications， 1999， 146（3）： 282-288.

[7]Yu X， Dunnigan M W， Williams B W. A novel rotor resistance identification method for an indirect rotor flux-orientated controlled induction machine system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2002， 17（3）： 353-364.

[8]夏超英.交直流傳動系統(tǒng)的自適應(yīng)控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[9]Marian P Kazmierkowski， Luigi Malesani. Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters a survey [J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics， 1998，45（5）.

[10]Maiti S， Chakraborty C， Hori Y， et al. Model Reference Adaptive Controller-Based Rotor Resistance and Speed Estimation Techniques for Vector Controlled Induction Motor Drive Utilizing Reactive Power[J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics， 2008，55（2）.