从山猫4x4无人驾驶技术验证车研判小型扁线电机应用方向

2021年早些时候,在内蒙古沙漠腹地举办了“跨越险阻2020”地面无人装备挑战赛。此次赛事相对以往的“跨越险阻201X”系列赛事,出现了多款针对现代化无人作战场景中,集成耗电量更大的光电侦查上装无人驾驶/无人作战轮履装备。

相对以往“跨越险阻20XX”赛事,采用全电驱动或增程式油电混合驱动的轮履装备占比明显提升。尤其使用增程式油电混合驱动方案的轮履装备展现了强大通过性,以及对耗电量激增的环境感知/光电侦察上装模块的供电能力十分显著。

新能源情报分析网评测组将对参加“跨越险阻2020”地面无人装备挑战赛,基于嘉陵集团CSV/P11型山猫4x4全域高机动车和改型的无人驾驶技术验证车重点介绍,并对换装PHEV动力系统研判小型扁线电机应用方向。

备注:最终车辆技术状态,以制造商、改进方发布信息为准

1、老旧履带装备动力总成“纵改横”,换装增程式油电混合驱动系统,匹配大型大功率发电用扁线电机技术优势:

在2020年12月刊发的《从63式增程混动无人驾驶装甲技术验证车研判扁线电机应用方向》一文中,“预判了适配增程式油电混合动力系统,换装“1槽8线”扁线绕组电机,达成更高级别的隐蔽机动性战术优势,以及支持后期加装耗电量更大的作战/环境感知上装模块可能性。

上图为63式增程混动无人驾驶装甲技术验证车后部动力舱,各分系统细节特写。

白色箭头:横置直列四缸2.8T柴油机

蓝色箭头:与柴油发动机直接关联的发电机

绿色箭头:发电机控制模组

需要注意的是(1),原型车的前端纵置传统动力总成修改为后端横置增程混动总成,与发动机关联的发电机尺寸和自重可以设定的更大,以获得更高的发电功率。

“纵改横”后,有更大的空间可以布设“1槽8/10线”扁线绕组技术的发电机,使得最大发电功率可以延伸至200-300千瓦!凸显了经过电动化改造后的载具高机动性的技战术优势。

2、全新轮式装备标配增程式油电混合驱动系统,标定中型发电用中功率扁线电机技术优势:

在2021年10月刊发的《独家:增程混动?研判2代6轮驱动山车族技战术状态》一文中,“预判”了标配增程式油电混合动力系统,换装以发均衡发电功率和驱动功率的扁线绕组启发电一体机,所获得的的高机动性与伺服丰富的侦查、电子、火力、补给功能上装模块的战术优势。

由于采用正向开发的车型平台,2代6轮驱动山猫可以较为轻松的布置柴油机-发电机以及扭矩分配模块。但是,总体尺寸被严格限定,主打轻型高机动技战术优势的2代6轮驱动山猫动力舱的空间仍然十分局促。

需要注意的是(2),定型后的2代6轮驱动山猫车族标配的中后置动力总成与横置扭矩分配模块,所配置的电机可以做到直径与长度处于均衡状态。而应用“1槽6线”扁线绕组技术的中功率发电机,最大发电功率可以保持在40-60千瓦,可以更好的满足这种正向开发的轻型轮式载具对机动性与上装发电的均衡需求。

3、山猫4x4无人驾驶技术验证车纵置动力总成,原装位加装小型发电/驱动用扁线电机技术优势:

在2021年珠海航展上,山猫4x4全域高机动车进行了涉水、加速、翻越等动态展示。这款山猫4x4全域高机动车搭载1台直列四缸1.3排量涡轮增压柴油发动机、模拟4前速CVT变速器,适配1台电控分时四驱系统并配置了后差速锁。

山猫4x4全域高机动车采用前后双A型独立悬架+断开式驱动桥,为了应对复杂路况具备更优异的通过性,设定长行程螺旋弹簧。

上图为山猫4x4无人驾驶技术验证车最新状态的侧向特写。可见顶置3组固态激光雷达(红\黄\蓝色箭头所指),2组北斗导航系统接收天线(白色箭头所指)。

上图为而参加“跨越险阻2020”赛事的山猫4x4无人驾驶技术验证车后部特写。可见顶置1组固态激光雷达(白色箭头所指)、2组北斗导航系统接收天线(绿色箭头所指)、设定在车体前后左右4组白光视频采集系统(黄色箭头所指)、车体前后设定2组毫米波雷达。

红色箭头:山猫4x4无人驾驶技术验证车后部断开式驱动桥

需要注意的是(3),山猫4x4无人驾驶技术验证车保留了原型车全部动力、传动、四驱和悬架系统。原型车的电控分时四驱系统与后差速锁匹配,可以保证车辆的通过性处于最强状态。而在铺装路面行驶,可以选择后轮驱动模式。

红色箭头:电控四驱开关

蓝色箭头:后差速锁开关

需要注意的是(4),作为一台军用无人驾驶技术验证车,满足后加装的多组激光雷达、毫米波雷达、视频采集系统、车载通讯系统以及高低压控制系统的供电,全部依靠载具端的发电/储电系统。然而,山猫4x4全域高机动车适配的12伏低压用电系统,仅能够满足车辆启动和小功率外放电需求。

为了满足耗电量大幅增加的环境感知上装的正常使用需求,必须为车辆加装大功率发电系统。

为了满足军用无人驾驶技术而进化的线控底盘的使用需求,必须为车辆进行全电驱动的改进。

需要注意的是(5),在传统动力基础上也可以进化为线控底盘。但是采用PHEV\EREV\EV驱动技术改进的线控底盘,具备更高效的计算/反馈/执行效率,且运行精度更加精准。

备注:2020年之后的民用线控底盘技术,以EREV\EV驱动架构为基础,具备全电加速、全电制动以及高精度全电转向功能。

山猫4x4全域高机动车在纵置发动机和CVT之间,串联1台发电/驱动电机的相对位置与电/扭矩分配策略流程简图。

红色区域:保留原车状态的纵置发动机;

绿色区域:后加装的发电/驱动电机;

黄色区域:保留原车的CVT;

蓝色区域:由发电/驱动电机输出的电量,用于驱动环境感知上装模块;

白色区域:由发电/驱动电机输出的电量,用于动力电池系统存储;

红色箭头:发动机与发电/驱动电机配合,输出的动力经过CVT,为四驱分动器输出扭矩;

黄色箭头:经过分动器二次分配,将扭矩传递至前后驱动桥

山猫4x4无人驾驶技术验证车,如在原车状态的纵置发动机和CVT之间,“塞入”1台发电/驱动电机并加装动力电池系统,则兼顾了PHEV车型的高性能和传统越野车的通过性。

根据山猫4x4全域高机动车采用的纵置发动机-CVT变速器-四驱分动器以及前后驱动桥的架构比对,在纵置发动机和CVT变速器之间串联一组400V电压的兼顾发电和驱动需求的电机可以达成如下功能:

1、在怠速发电模式,来自发动机的全部功率转化为电量,或用于环境感知上装用电需求、或将电量存储至动力电池;

2、在行车发电模式,匹配适合的电控技术进行功率分流,在行车发电基础上调节环境感知上装用电、驱动系统用电、动力电池储电比例;

3、在油电混合驱动模式满功率输出,与分动器配合将最大扭矩被均衡的分配至前后驱动桥,大幅提升整车通过性;

4、在全电驱动模式,仍然可以在2驱和4驱模式间切换,达成对静谧环境下的隐蔽自身热辐射信号的战术需求;

对山猫4x4类高机动车,纵置的动力、传动和四驱系统被被严格限定在一定范围内。在发动机和传动(变速器)之间加装一组与发动机动力输出端直径相当,但是高度被尽量压缩的发电/驱动用扁线电机,使得整套载具和上装得更多的技战术优势,是唯一的改进路径。

出于最大程度保留原车的动力、传动和四驱系统需求,在发动机和变速器之间“塞入”1台270系列-PHEV专用的P2电机十分合适。采用集中绕组工艺,最大输出功率可以在45-85千瓦设定、最大输出扭矩可以在180-250扭矩设定,对于AT\CVT\DCT变速器兼容性较好。

应用扁线绕组技术的电机用于纵置动力系统轴间驱动时,对传统动力驱动条载具改进最小,最大程度保留原车最初的通过性与可靠性设定,改装后的风险小、投入少以及成本少。

#1,基于扁线绕组技术的电机用于ISG启动发一体机时,可以充分减小电机定子端部尺寸,缩短整机长度,便于横置于载具前后动力舱,提升了空间利用率,便于搭载更大尺寸的上装模块。

#2, 基于扁线绕组技术的电机用于ISG启动发一体机时,相对相同尺寸圆线绕组电机,发电效率更大,满足更大耗电量上装模块的用电需求。

#3, 基于扁线绕组技术的电机用于轮边驱动用时,相对传统动力多驱动桥载具,取掉主传动轴、分动器、差速器和传动半轴,腾出的大量空间或降低自重增加机动性,或用于承载更大尺寸的上装模块。

#4,采用铜材质的扁线绕组电机结构与常规电机差异较大,内部热分布更为均匀,可大比例过载,增大持续功率和峰值功率亮相重要参数。将扁线绕组技术的电机全面应用在增程混动轮履装备,可以降低对降低散热系统需求,更好的纳入整车层面热管理控制系统,直接提高整车层面的高效率,或增加机动续航里程、或增加战斗半径。

4、基于扁线绕组技术的发电/驱动用电机及控制系统,全面应用军用轮履装备改进以及正向开发的新装备的时代已经来临:

在“跨越险阻2014”地面无人装备挑战赛中,最初代的山猫4x4无人驾驶技术验证车(红色箭头所指),与第2代63式无人驾驶技术验证车(黄色箭头所指),采用某型4x4中型安全车为载具的无人驾驶验证车,完成全部赛事。

此时,这三款超轻型轮式、中型轮式和中型履带式无人驾驶技术验证车没有进行任何电动化的改进,还是采用机械类线控底盘技术。

在“跨越险阻2016”地面无人装备挑战赛中,第2代山猫4x4无人驾驶技术验证车的环境感知上装模块的到了扩展,应用了更优秀的360度周视激光雷达和相对完善的机械类线控底盘技术。

在“跨越险阻2018”地面无人装备挑战赛中,更多的采用增程式油电混合驱动技术和全电驱动技术的无人驾驶装备露出,甚至应用更加多种火力投射上装模块的无人驾驶/无人作战装备也出现在赛事队列中。第3代山猫4x4无人驾驶技术验证车(白色箭头所指),为了满足更多传感器材的应用,加强了行车发电效率。

在“跨越险阻2020”地面无人装备挑战赛中,最新款山猫4x4无人驾驶技术验证车基于更加精准线控底盘技术,达成了单车领队-其他车辆以实时通联编队方式-无人驾驶至指定目的地的战术能力。

没错!由不同功率/尺寸扁线绕组电机为中心的线控底盘,满足了500伏电压平台的军用轮履的用电需求同时,带来的电动加速、电动制动、高精度电动转向的技术优势,为无人作战的战术能力达成提供的全面的技术保障。

某些中国本土扁线电机供应商已经在2022年,批量制造用于轮履装备平台适配的纵置\横置动力系统的ISG启发电一体机、轴间发电/驱动电机、轴间驱动电机和轮边驱动电机,并且逐步装车应用。

全系列扁线电机的研发、性能、试制和量产环节,已经不再困扰整车制造厂商。整车制造厂商可以根据扁线电机供应商的在用型号系列,寻找最接近己方需求的型号并加以改进,在最短的周期、面对最少的风险以及用最少的成本,推出性能优异的电动化装备。

我们的征途是星辰大海:

最新的科学技术往往都抢先用于军用装备。用电动化技术提升军用装备驱动系统的高效率和增加更具实战意义的战术能力。在中国新能源全产业链发展仅8年时间,就达成了民用电驱动、动力电池及全部的高压电控系统已经完成了全部自主研发和量产的能力。体系化、成熟的民用扁线电驱动系统,完全可以反向用于军事装备领域。

就在民用车停留在350-400伏电压平台、军用轮履装备进入500伏电压平台的时代,中国本土扁线电机专业供应商已经向800伏高电压平台迈入。可以量产覆盖转速13000-18000转/分、最大输出功率160千瓦-500千瓦,针对EV\HEV\PHEV\EREV多种电动驱动形式的油冷扁线电驱动系统。

就在其他电机厂商陷入投资-立项-试制-量产-成本的死循环时,一些优秀的厂家已经拿出体系化的产品和应用的案例,第一时间可以根据需求改进与量产最新型号,大幅度降低了前期开发成本,保证新技术应用可以更广泛。

新能源情报分析网评测组出品

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