軍用混合動力汽車應(yīng)用及展望

楊舒薇　李華　王晶

【摘要】通過文獻綜述總結(jié)了軍用混合動力汽車的優(yōu)勢，對比分析了國內(nèi)外先進的軍用混合動力汽車的性能和特點，梳理出現(xiàn)有軍用混合動力汽車所具有的共性問題是：電池的安全性無法保障、電動機壽命易受惡劣環(huán)境影響較、成本較高。對軍用混合動力汽車的發(fā)展趨勢進行展望，研究表明：未來軍用混合動力汽車性能更均衡、串聯(lián)式構(gòu)型加電動輪驅(qū)動是未來發(fā)展趨勢、無人地面車輛將會在未來軍事領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：混合動力；軍用汽車；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號：U469.72? ?文獻標(biāo)志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220322

Application and Prospect of Military Hybrid Electric Vehicle

Yang Shuwei1， Li Hua2， Wang Jing1

（1.School of Chemical Engineering &Technology， China University of Mining &Technology， Xuzhou 221008; 2.School of Energy and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051）

【Abstract】 Through literature review， the advantages of military hybrid electric vehicles are summarized， the performance and characteristics of advanced military hybrid electric vehicles at home and abroad are compared and analyzed， and the common problems of military hybrid electric vehicles are sorted out： the safety of the battery cannot be guaranteed， the life of the motor is susceptible to harsh environment， and the cost is high. Looking forward to the development trend of military hybrid vehicles， the results show that the performance of military hybrid vehicles will be more balanced in the future， the tandem configuration and electric wheel drive are the future development trends， and unmanned ground vehicles will play an important role in the future military field.

Key words： Hybrid， Military vehicle， Application status

0 引言

為了增強軍用汽車的作戰(zhàn)能力和生存能力，滿足特種作戰(zhàn)的需要，越來越多的軍用汽車選擇了混合動力系統(tǒng)。混合動力電動汽車同時具有燃油和電力2種動力源，使得軍用混合動力汽車相比傳統(tǒng)軍用汽車具有燃油經(jīng)濟性好、污染少、機動性強、車輛特征信號小等多種優(yōu)勢。張眾杰[1]等分析了國內(nèi)外主要混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了高原環(huán)境中混合動力系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性及發(fā)展趨勢；史小川[2]等系統(tǒng)闡述了混合動力汽車及其動力系統(tǒng)，分析了軍用混合動力汽車發(fā)展存在的問題以及采用不同混合動力模式的優(yōu)缺點；伍慶龍[3]等分析研究了混合動力汽車的動力系統(tǒng)和控制策略，詳細描述了其不同的運行模式。目前相關(guān)研究多圍繞商用混合動力汽車技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計，對軍用混合動力汽車的研究較少，且都集中在系統(tǒng)優(yōu)化、針對某一特定惡劣條件下的研究或是對軍用混合動力汽車性能、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的簡單論述?；诖耍疚耐ㄟ^文獻綜述，分析軍用混合動力汽車的優(yōu)勢，梳理軍用混合動力汽車研究現(xiàn)狀、存在的共性問題，并總結(jié)軍用混合動力汽車發(fā)展趨勢。

1 軍用汽車使用混合動力的優(yōu)勢

1.1 隱蔽性能好

當(dāng)前軍事作戰(zhàn)注重隱蔽性，以減弱自身存在，既保護自身安全又能達到突擊效果。但傳統(tǒng)的燃油車在使用時有排氣、噪聲、煙和其他熱源，很容易被敵方人員或設(shè)備檢測到，從而對安全產(chǎn)生影響。而軍用混合動力汽車在純電動模式下的噪聲可忽略，且極大減少了輻射源，大幅提高了作戰(zhàn)安全性及突擊性[4]。

1.2 動力性能強

電動機的加入使得汽車的功率和扭矩大幅增加，且電動機具有的低速大轉(zhuǎn)矩使得軍用混合動力汽車具有安全平穩(wěn)的爬坡性能，且大幅減少了爬坡時變速器的機械磨損。同時軍用混合動力汽車的機動性強，其克服復(fù)雜道路、無路地區(qū)障礙的能力好，加速性能提升、響應(yīng)速度提高[5-6]，使軍用混合動力汽車能夠適應(yīng)更多復(fù)雜路況，提高作戰(zhàn)能力。

1.3 可靠性好、實用性高

并聯(lián)式混合動力汽車若其中一套動力系統(tǒng)因諸如故障或損毀等原因停止運行，另一套系統(tǒng)依舊可以繼續(xù)工作，使得汽車可以繼續(xù)行駛，提高了作戰(zhàn)生存能力。由于軍用混合動力汽車本身攜帶動力電池組，可以將其視為移動電能補給裝置，不但可以為車載電力設(shè)備供電，也可以在野外應(yīng)急場景中應(yīng)用，且若在陽光條件充足的野外可以將一部分電池更換為太陽能電池，在提升續(xù)航能力的同時也節(jié)省了部分資源。這些電池組可大幅減少軍用車載設(shè)備的攜帶量、有效減少后勤補給、擴大軍用汽車作戰(zhàn)范圍，且對軍方來說，額外的電力容量是車載設(shè)備的強大支撐，可以獲得更大的殺傷力，這些都是推動混合動力汽車成為特種作戰(zhàn)車輛的優(yōu)勢。

1.4 燃油經(jīng)濟性好

軍用混合動力汽車通過電動機對輸出功率的調(diào)節(jié)，可以使發(fā)動機在各種工況下都能在最優(yōu)效率區(qū)間工作，從而大幅度降低油耗、提高燃油經(jīng)濟性。燃油經(jīng)濟性的提高，使軍用汽車作戰(zhàn)過程中燃油消耗量減少，能一定程度上避免作戰(zhàn)過程中運輸燃油所帶來的安全隱患。

1.5 污染小

混合動力汽車的發(fā)動機相比傳統(tǒng)汽車排量小，因此可以減少污染物排放，且混合動力汽車具有電力和熱力雙重優(yōu)勢，若將二者進行合理調(diào)配，能減小油耗降低污染。在此基礎(chǔ)之上，內(nèi)燃機可以使用清潔燃料，從而緩解石油能源壓力，減少50%～70%的排放[7]。不僅如此，軍用混合動力汽車可以選擇在城市運行時以純電動模式運行，不產(chǎn)生污染。在野外運行時，發(fā)動機和電動機配合運行，以適應(yīng)野外環(huán)境。

2 軍用混合動力汽車研究現(xiàn)狀

自1985年來，“悍馬”作為美軍的主力軍用汽車，被多個國家和地區(qū)購買和使用，其裝備數(shù)量一度居于全球首位。但近年來，美軍在中東地區(qū)的作戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)悍馬汽車的快速機動能力不能滿足當(dāng)?shù)貜?fù)雜的地形，而且悍馬汽車在空降作戰(zhàn)中很難有發(fā)揮空間，因為其體積過大（超過了直升機機艙的可承載體積），所以只能將其吊掛在直升機外部送至戰(zhàn)場，但這種方法的安全性與隱蔽性都無法保障。因此，機動性和隱蔽性更加優(yōu)越的混合動力汽車便成為了特種作戰(zhàn)的更優(yōu)方案。在此基礎(chǔ)上，各國紛紛開始開展對軍用混合動力汽車的研究。

2.1 國外產(chǎn)品

美國很早將電動汽車技術(shù)應(yīng)用到軍用汽車上，由美國通用動力陸地系統(tǒng)公司與美國海軍陸戰(zhàn)隊共同研發(fā)制造的“影子RST-V”越野車采用混合動力傳動裝置，是集偵察、目標(biāo)指示、監(jiān)聽功能于一身的多功能戰(zhàn)車。其動力傳動裝置包含1臺功率110 kW的永磁式發(fā)電機，1臺額定功率為114 kW的直噴式柴油機；4臺50 kW的電動機分別驅(qū)動4個車輪，還有1個鋰離子電池組。RST-V從靜止加速到97 km/h僅需12 s，僅靠鋰離子電池組供電可行駛32 km，且能做到無聲靜默行駛[8，9]。影子越野車的另一明顯優(yōu)勢是當(dāng)其中一個供能系統(tǒng)故障或損壞時，另一個供能系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，保障影子越野車持續(xù)行駛。

先進地面機動車是2007年美國通用動力陸地系統(tǒng)公司和AM通用公司聯(lián)合推出的一款軍用混合動力汽車。先進地面機動車通過永磁輪轂電機驅(qū)動，該電機是能夠適應(yīng)高溫環(huán)境且高效穩(wěn)定的水冷式電動機。發(fā)電機是小體積、低損耗、高效率的永磁水冷發(fā)電機。該機動車還安裝了一個鋰離子電池組，其可以在短程靜默行駛時提供動力，最大輸出功率為65 kW。

美軍于2011年研制出2種太陽能混合動力“悍馬”車Alpha，此車在保留原有“悍馬”車功能的前提下，減少了70%的油耗；2014年，美軍公布了超輕型車輛項目，其防護能力大大提高，應(yīng)用混合動力系統(tǒng)使其機動性能高于“悍馬”，且后續(xù)測試時，其混動狀態(tài)最大行駛里程為700 km，行駛時的噪聲可被忽略；2020年，美軍混合動力飛行汽車立項；2022年，美軍宣布下一代主戰(zhàn)坦克AbramsX將采用混合動力系統(tǒng)。

英國航空航天系統(tǒng)公司（BAE）正致力于研究一種更加節(jié)能環(huán)保而又兼具性能的“綠色武器”，其中不乏對混合動力驅(qū)動戰(zhàn)車的研究；德國萊茵金屬公司研制的軍用輪式戰(zhàn)車GeFaS變形豐富，采用混合動力驅(qū)動，可選擇不同工作模式，且功率密度大、自重及噪聲??；法國GIAT公司研制的混合動力輪式裝甲車具有優(yōu)秀的通過性和隱蔽性；日本測試的一款混合動力汽車最大行駛里程超過840 km，最高車速為130 km/h[10]；瑞典、南非等國家也分別推出了采用混合動力驅(qū)動的戰(zhàn)斗車輛。

2.2 國內(nèi)產(chǎn)品

為了順應(yīng)軍事形勢的變化，我國于90年代開始著手開發(fā)和研究軍用汽車。但我國混合動力技術(shù)發(fā)展較慢，在國外混合動力技術(shù)發(fā)展勢頭正猛時，我國開始了對混合動力技術(shù)的研究。如今對于非傳統(tǒng)能源驅(qū)動的軍用車的關(guān)注度到了前所未有的高度，國內(nèi)的北汽和東風(fēng)等在軍用混合動力汽車上都有了較大的突破。北汽推出的勇士混合動力版是以第二代“勇士”軍用汽車為基礎(chǔ)，加以創(chuàng)新和改進，這是我國首輛軍用混合動力汽車。該車通過對發(fā)動機、動力電池以及傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，整車性能得到了較大提升，其燃油經(jīng)濟性也突破性地提高了15%[11-12]。東風(fēng)猛士混合動力軍用汽車的通過性好，理論爬坡度能達到100%，D級路面最大平均車速可超過40 km/h。東風(fēng)新一代HTF5700HEV重型特戰(zhàn)車采用12×12混合動力驅(qū)動技術(shù)，能夠克服柴油發(fā)動機高速機動性能不佳的問題，獲得超越純機械傳動系統(tǒng)的高可靠性，并且使得行車過程中的噪聲和輻射減少，可極大提高車輛的隱蔽性及戰(zhàn)場生存力。

除此之外，采用比亞迪混動技術(shù)的超級電動八驅(qū)裝甲車，匹配8組輪轂電機，省去機械傳動系統(tǒng)，由全電驅(qū)動，有多種不同模式可切換，可根據(jù)實際情況選擇高性能、長續(xù)航或靜默行駛。并且該車電池具備快拆功能，可靈活布置動力電池組件數(shù)量，調(diào)整自重，通過快速換電模式可快速恢復(fù)全電驅(qū)動續(xù)航里程。國內(nèi)混合動力汽車在蓬勃發(fā)展，東風(fēng)、北汽、長安、比亞迪、陜汽、重汽等汽車品牌都投入了大量精力研究混合動力汽車，其中不乏為軍用汽車提供技術(shù)的企業(yè)。

3 軍用混合動力汽車存在的問題

盡管軍用混合動力汽車有著諸多優(yōu)勢，但使用傳統(tǒng)能源的軍用汽車仍占據(jù)主流，綜合分析軍用混合動力汽車存在以下共性問題。

（1）電池的耐用性及安全性能難以保障。當(dāng)軍用混合動力汽車面對各種復(fù)雜工況時，電池性能可能會快速衰減，影響作戰(zhàn)需要。目前被廣泛采用的鋰離子電池已經(jīng)占據(jù)了動力電池領(lǐng)域58.10%的市場份額，但同時其安全事故頻發(fā)。若在戰(zhàn)場上突發(fā)故障甚至燃燒爆炸，對戰(zhàn)況影響巨大。

（2）電動機的壽命易受惡劣環(huán)境影響。與民用混合動力汽車行駛在平坦的城市道路不同，軍用混合動力汽車的使用環(huán)境往往更加惡劣，對其電動機有很大的考驗，因此即便美軍在進行相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，但其部分技術(shù)專家仍然對軍用電動車的發(fā)展持懷疑態(tài)度。

（3）混合動力汽車的成本高昂。由于目前車載電池與汽車中配套的電驅(qū)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計與生產(chǎn)制造尚不成熟、鋰價格居高不下、混合動力技術(shù)研發(fā)難度系數(shù)大，導(dǎo)致混合動力汽車的成本高于傳統(tǒng)汽車。

4 軍用混合動力汽車的發(fā)展趨勢

4.1 軍用混合動力汽車的需求

除了上述混合電動汽車需要解決的問題外，軍用混合電動汽車還應(yīng)做到以下4點。

（1）優(yōu)化整車控制。由于混合動力汽車的整車動力完全由整車控制技術(shù)控制，不像傳統(tǒng)汽車具有自適應(yīng)性，導(dǎo)致混合動力汽車的底盤控制系統(tǒng)通用性低。而合適的整車控制技術(shù)通過調(diào)控整車的動力功率流，可使車輛獲得最佳動力性能，也可使系統(tǒng)在最佳工況下運行，此時油耗及尾氣排放最為理想，電池損耗也最小，因此優(yōu)化整車控制很有必要。

（2）優(yōu)化電機及驅(qū)動技術(shù)。在混合動力汽車中，電機不僅是驅(qū)動單元，也是能量轉(zhuǎn)換的重要部件[13]?；旌蟿恿ζ囈箅姍C驅(qū)動系統(tǒng)具有功率密度大、功率輸出穩(wěn)定、整車加速性好、制動回收效率高、起步和爬坡時有低速高轉(zhuǎn)矩的輸出特性、有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力等性能。目前混合動力汽車的電機也在向小型化發(fā)展，電機性能及體積、質(zhì)量的優(yōu)化對軍用汽車來說，既節(jié)省了空間，又為軍用汽車的輕量化做出了貢獻，使軍用混合動力汽車的戰(zhàn)場生存能力大幅度提高，因此應(yīng)加快對電機及驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)。

（3）優(yōu)化電磁防護能力。在現(xiàn)代化的信息作戰(zhàn)中，電磁干擾的威力不容小覷，尤其是混合動力汽車電子設(shè)備比較多，同時未來戰(zhàn)場信息化程度更高，因此對軍用混合動力汽車的電磁防護能力要求更高[14]。

（4）提高環(huán)境適應(yīng)性。軍用汽車需要面對各種復(fù)雜地勢（沙漠、丘陵地形（＞60%的坡度）、沼澤、軟土、極端環(huán)境，見表1），同時還要面對電磁環(huán)境、核生化環(huán)境，我國的軍用混合動力汽車幾乎無法很好地滿足這些要求，如何在面對這些極端惡劣環(huán)境時保持汽車正常工作是一大挑戰(zhàn)[2，15]。

4.2 對軍用混合動力汽車的展望

國外軍方正加緊在軍事中運用混合動力技術(shù)，提高軍事實力。面對復(fù)雜的國際形勢，我國也應(yīng)集中精力研發(fā)各方面更加強勁的軍用混合動力汽車，為未來我國打贏局部戰(zhàn)爭，捍衛(wèi)國家安全提供必要的裝備。而未來的軍用混合動力汽車一定是在原有基礎(chǔ)上更加隱蔽、更加可靠、更加實用、燃油經(jīng)濟性更好、污染更小、電磁防護能力更好、整車控制策略更成熟、環(huán)境適應(yīng)性更好，應(yīng)考慮如何提高其均衡性能。

4.2.1 構(gòu)型方案

混合動力汽車主要有串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式3種構(gòu)型。隨著電池技術(shù)水平的不斷發(fā)展，串聯(lián)式混合動力構(gòu)型最容易轉(zhuǎn)換為純電動模式，在車輛底盤和質(zhì)量方面相比于其他混合動力構(gòu)型優(yōu)勢顯著，同時也符合目前軍用汽車輕量化發(fā)展趨勢，因此串聯(lián)式構(gòu)型是更好的發(fā)展趨勢。并聯(lián)式混合動力構(gòu)型可在較低成本、較短時間內(nèi)實現(xiàn)應(yīng)用，其可在多種狀態(tài)下切換，且沒有整車布置方面的限制，通用化程度較高，但是未來仍需簡化結(jié)構(gòu)。混聯(lián)式混合動力構(gòu)型可以說是并聯(lián)式混合動力構(gòu)型的升級版，其控制很方便，但未來也需研究如何能在保證其優(yōu)點的情況下簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。

未來采用電動輪驅(qū)動技術(shù)，有傳統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)無法比擬的獨特優(yōu)勢。雖然電力傳動作為新興的傳動裝置，并沒有得到大規(guī)模的使用，更多軍用車輛偏向于使用傳統(tǒng)傳動裝置。但傳統(tǒng)傳動裝置除了有高效率、低成本或者低損傷、長壽命的優(yōu)點之外，很難通過改進優(yōu)化進一步提高車輛性能。而電動輪驅(qū)動系統(tǒng)除了具有優(yōu)于傳統(tǒng)機械傳動的無級變速特性，僅通過控制電動機驅(qū)動就可實現(xiàn)牽引力控制，還可以做到制動能量回收，根據(jù)行駛狀況選擇由哪些車輪驅(qū)動，而且由于驅(qū)動系統(tǒng)沒有機械連接，通過各輪的相互配合，還可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向甚至滑動轉(zhuǎn)向功能。這些優(yōu)勢決定了電動輪驅(qū)動技術(shù)是未來民用汽車及軍用汽車發(fā)展的趨勢。

4.2.2 無人地面車輛

隨著人工智能技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的不斷進步，優(yōu)勢眾多的無人地面車輛將會成為軍用車輛的重要研究內(nèi)容，其在未來軍事行動中的參與度會隨之不斷增加。發(fā)達國家對無人地面車輛的研究起步較早，目前已將其應(yīng)用至多個領(lǐng)域。無人地面車輛的軍事化應(yīng)用的主要優(yōu)勢是減少各項軍事行動中的人員傷亡。其可以作為先鋒隊和偵察兵，進入危險區(qū)域和敵方視覺盲區(qū)偵察、監(jiān)視、排除危險，為后續(xù)兵員傳遞重要信息，并開辟出安全道路；所具有的隱蔽性也容易突襲敵方軍隊，增加作戰(zhàn)成功率；其本身在各項行動中不需后勤補給，可以作為運輸車輛，為前方作戰(zhàn)人員提供后勤保障，且不用擔(dān)心運輸過程中造成人員傷亡；除此之外，隨著近年來的非傳統(tǒng)軍事威脅增加，機動靈活的無人地面車輛可以在復(fù)雜地形中很好地完成反恐任務(wù)[5，16]。隨著對其研究不斷深入，未來無人地面車輛將有更好的機動性、靈活性、通用性、持久性，將更加智能化、更具戰(zhàn)斗力，未來世界戰(zhàn)場的格局必將會因無人地面車輛的發(fā)展發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)束語

軍用汽車作為軍隊地面機動能力的重要組成部分，對軍隊?wèi)?zhàn)斗力影響巨大，選擇性能更優(yōu)異的軍用汽車意義重大。為此，本文對軍用混合動力汽車的優(yōu)缺點、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了綜述。軍用混合動力汽車具有隱蔽性能好、可靠性高、燃油經(jīng)濟性好等優(yōu)勢，雖然也存在電池耐用性及安全難以保障、電動機壽命易受惡劣環(huán)境影響及成本較高的問題，但隨著國內(nèi)外研究的深入，這些問題有望得到解決。因此在出現(xiàn)更好的選擇之前，軍用混合電動汽車將占據(jù)軍用汽車的主市場，發(fā)展前景良好。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯 明慧）

【作者簡介】

楊舒薇（2000—），女，中國礦業(yè)大學(xué)，碩士，研究方向為新能源材料。

E-mail： TS22040213P31@cumt.edu.cn

李華（1999—），男，中北大學(xué)，本科，研究方向為新能源科學(xué)與工程。

王晶（1998—），女，中國礦業(yè)大學(xué)，碩士，研究方向為新能源材料。