硬派越野也上“混动”——国产四代坦克如何拥抱新能源浪潮

导语

近年来，随着我国新能源产业高速发展，包括油电混动在内各类新能源车型带动国内乃至全球汽车市场大洗牌。不过在这股浪潮下，仍不乏“新能源这么好，怎么没新能源坦克”的质疑。然而在9.3大阅兵现场，一队造型迥异的坦克驶过吸引着人们的目光，不仅因为炮塔上琳琅满目的新设备，更因为在之前彩排活动中，有好事者发现：这批坦克居然也是新能源（混动）。

一

四代坦克：“新能源”浪潮还是“文艺复兴”

坦克“新能源”应用的历史远比人们印象中更早：一百多年前法国的“圣沙蒙”坦克就是款名副其实的“混动”车辆，其动力系统由汽油机带动发电——电动机驱动坦克前进。然而，受限于当时技术水平，“混动”系统在重量、体积和可靠性等方面，相比传统的机械传动系统均处于明显劣势。因此，到二战结束后，坦克装甲车辆领域的这股“电动化”前浪便很快消退。

图注：采用油电混合动力的法国圣沙蒙坦克。

但电力驱动技术数十年来持续发展，其性能优势日益凸显：首先，混动系统即便经历燃油机-发电机-电动机的能量转换，理论传动效率仍可超80%，高于传统液力机械传动的约70%。其次，坦克行驶工况复杂，车速多变、频繁启停，导致燃油机转速波动大、油耗高；而电机高效区间宽广，配合电容或电池可使发电单元与驱动电机解耦，各自维持高效转速，显著提升燃油经济性。此外，电机响应迅捷、起步即峰值扭矩，且无需机械变速箱，倒车性能与前行无异。最后，省去传统变速箱并搭配高性能电池后，可实现短途纯电行驶，大幅降低噪音与热信号特征。

图注：正在阅兵彩排中的新型主战坦克。

除了“混动”内在优点，主动防御系统、新型火控、电热化学炮等耗电大户逐渐上车，也对坦克装甲车辆的供电能力提出更高的要求，因此在上世纪80年代，美欧等国重新掀起了坦克装甲车辆的“混动”浪潮，我国则在本世纪初开展履带车辆电传动系统的装车试验。

图注：本世纪初我国基于86式步兵战车研发双电机独立驱动验证样车

尽管起步晚半拍，但实际进度却和我国的新能源汽车一样实现弯道超车：在各国“混动”坦克仍停留在PPT或样车阶段的今天，我国在长安街亮相的“混动”坦克已比其它国家样车总和还多。从追赶到领先，国产四代坦克又需要面临哪些技术难题？

图注：相比与其它国家“混动”坦克仅停留在样车甚至模型阶段。

二

“电动”如何化为“混动”坦克澎湃脉动

“混动”虽对坦克好处多多，但要从图纸走向阅兵场，成为我军现役第四代主战装备中的一员，并不是重走汽车“油改电”的老路。

图注：正在运输中的某新型主战坦克，发动机散热口下方（红框处）

无论是混动汽车还是混动装甲车辆，主流布局均可归为两大类：串联式与并联式。串联式又称增程式混动，其内燃机仅用于驱动发电机发电，所产生的电能经整流、逆变后输送至驱动电机，进而推动车辆；该系统允许车辆在关闭发动机后完全由电池供电，实现全速静音行驶。并联式，或称插电式混动，则允许内燃机与电动机独立或共同驱动车轮，内燃机动力可直接传递至传动机构。该布局中电机功率通常较小，无法单独支持车辆全速机动，但具备机械备份，在电机故障时仍能依靠内燃机继续行驶。

图注：并联式布局（左）及串联式布局（右）示意图

从国内研究来看，由于第四代坦克为进一步提高生存力，需将红外、噪音特征控制在更低水平，加之坦克车辆通常的行驶速度并不值得像插电混动汽车那样在高速巡航时用发动机直驱，此次亮相的“混动”坦克极有可能采用“串联式双侧电传动”布局——该布局用在国产坦克是头一遭，却早已在国产履带式重型工程机械上成功应用。

图注：正在作业的国产混动矿卡与工程机械。

由于以电机作为主要驱动力，因此采用“混动”坦克也需搭配高功率密度/高扭矩的电动机，比如驱动一台40多吨重的坦克并保证足够机动性，至少需要电机动力组有800kw功率及以上。但对于我国这种新能源领域的“全能选手”，想提供足够性能动力组并不算难事：负载水平与坦克装甲车辆接近的百吨级矿卡已应用上最大输出功率1200kW及29000N·m最大扭矩国产电机；而使用工况与之类似的重型TEL也早已普及国产大功率电机来适应“混动”趋势，想给国产坦克提供一颗电动的“心脏”已具备坚实基础。

图注：正在试车的国产某增程式油电混动重型载具。

三

一路坎坷，如何让“混动”坦克驾轻就熟

电动汽车的控制策略也与电传动履带装甲车辆大相径庭:例如，电动汽车通常通过转向架和方向机结构实现方向控制；而混合动力坦克装甲车辆则依赖两侧电机的功率差实现转向。

在传统串列电传动布局中，双侧驱动电机之间并无机械连接。转向时，内侧履带产生的再生功率无法通过机械方式传递至外侧，只能由低速侧电机进行回收。此时，外侧电机需输出远高于直线行驶的功率，其设计须满足170%甚至更高的瞬时过载能力。以美国“未来战斗系统”（FCS）的履带式样车为例，其驱动电机总容量达到发电机的两倍以上，虽可满足转向瞬时需求，却造成显著的功率冗余，导致成本、体积和重量增加。

为降低转向时电机负荷，并控制系统成本与体积，国内为其专门开发了一种双侧电机耦合驱动传动方案。该方案的核心是一个由多行星齿轮机构构成的二自由度系统。双侧电机的输出功率先通过功率耦合机构实现多功率流汇流，再分流至两侧输出轴，以满足履带车辆直行与转向等多种工况需求。该耦合机构可实现转向再生功率的机械回流，大幅降低对电机功率的要求。该方案的电机功率需求仅为独立驱动方案的0.65倍。

图注：双侧电机耦合驱动传动方案示意图（左上、右上）

另一方面，混合动力坦克需依赖电控技术对两侧驱动电机进行实时控制。早期混合动力装甲车辆就因缺乏电控调节，在直行时常因两侧履带附着力差异导致电机误判、产生非预期功率差，引起车辆持续“扭动”，显著增加驾驶难度。

图注：国产100KW级电机电控模块，如今已缩小到一台智能手机的体积

为实现国产混合动力坦克的平稳行驶，研发人员一方面通过布置于电传动系统各处的传感器实时监测电机转矩、转速及系统效率；另一方面，借助大量硬件在环仿真与实车试验，开发出一种基于多算法协同的功率流控制算法，以精准预估驱动电机的总功率需求。驾驶员在行驶过程中向车载运动控制器输入操控信号，系统结合实时状态反馈自动调节电机输出转矩，实现两侧牵引力的协调控制，从而保障车辆稳定行驶。

图注：电传动系统结构及功率流控制方案示意图。

四

如何让“混动”能量收放自如

如今，混动汽车为提升发电机能量的利用效率，普遍采用高能量密度电池组作为辅助动力源。然而在坦克装甲车辆的混动发展进程中，电池“拖了很长一段后腿”：无论是上世纪末欧美、还是本世纪初我国的验证车，均采用多组铅酸电池串联，配合发动机/发电机与电动机协同工作。这种构型导致电池组几乎占据车内全部可用空间，对本就“寸土寸金”的坦克，显然过于庞大和沉重。

图注：正在进行阅兵演练中的某新型主战坦克与99A主战坦克

电动汽车用电池的发展则为如今混合动力坦克提供了更多电源选项：例如已在广泛应用的三元锂电池。但三元锂电池在安全性方面的表现始终存在争议，而国内日趋成熟的磷酸铁锂电池，因其热失控起始温度高、耐挤压和撞击性能好，不易迅速起火，安全性显著，成为“混动”坦克更靠谱的储能担当。

图注：国内正在进行穿刺实验的磷酸铁锂电池弹匣电池系统。

国产磷酸铁锂电池的能量密度虽略低于三元锂电池，但对于不完全依赖电池持续高速运行的混合动力坦克而言已完全够用：其能量密度可达130 Wh/kg以上；在高功率输出场景下，比铅酸电池具备更强的放电能力，尤其适合用作坦克装甲车辆的动力源——仅配备不足1吨的该类型电池，便可支持40吨级混动坦克以纯电模式实现约10公里的静默突击续航；电池循环寿命达2000次以上，是铅酸电池的6倍。结合智能电池管理系统，可在长途行军过程中依托内燃机驱动发电机频繁为电池充电，并根据实时动力需求调控充放电功率与模式切换，显著提升战术灵活性。

对于国产“混动”坦克，调节电流脉动的不仅仅是电池 ：由于较大车体质量让车辆制动时会产生较大瞬时再生能量，对电池而言，此刻的尖峰电流不仅难以“消化”，也会对动力电池寿命造成影响。为此国内军工科研团队还采用动力电池与超级电容联合供电的方式，结合了动力电池高能量密度和超级电容的高功率密度的特点，使储能系统的负载适应能力有较大的提高，从而不浪费“每一度电”。

图注：正在试车的机电复合传动实验平台。

结语

作为全球首款正式列装的混合动力主战坦克，不仅是“油改电”那么简单，更标志着我国装甲车辆技术演进进入新阶段——与汽车"家电化"发展趋势相似，坦克“混动化”仅是上半场，“信息化”才是下半场，在现代战场"信火一体"的背景下越来越多新型电子装备正加速集成至装甲平台。在未来若干年内，我们也或许将看到更多军事强国的地面装甲载具跟随它的步伐。

从图纸到现实

“新能源”坦克动力澎湃

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