车载取力自发电技术研究与应用

2021-03-04张太林

汽车文摘 2021年3期

张太林

（辽宁陆平机器股份有限公司，铁岭 112001）

主题词：取力自发电调速通信形式噪声控制软硬件配置越野车

1 前言

越野装备在特定的野战环境下工作，需要对上装设备提供电源保障，满足装备的作战使用需求。越野车载取力自发电技术在此背景下迅速发展，主要应用于方舱和特种车领域，充分解决了野外或无电力供应的情况下，装备电源保障问题。车载取力自发电系统利用汽车发动机的动力，采用合适的取力形式，通过机械传动装置驱动发电机发电，由电子调速系统控制、调节，进行驻车发电或行车发电，能够驱动较大功率的发电机，提供较大发电量[1]。

车载取力自发电系统研发之前，所有野外作业车辆均采用发电机组供电方式为设备供电。用电设备功率小时，可以在方舱的某个位置预留发电机组安装空间；用电设备功率较大时，需在车载平台上单独预留发电机组安装空间；用电设备功率过大时，需单独配备电源车。车载取力自发电系统，不占用或较少占用方舱及平台的空间[2]，增大了整车的空间利用率，安装效果见图1。整个系统只需配置一台发电机及少量附件即可，大大减轻整个发电系统的重量，提高装备的机动性，同时也减少装车成本，各构件和器件简单，安装、维修方便。

图1 取力自发电安装效果

2 关键技术形式及指标

2.1 创新和改进

2.1.1 调速系统

系统早期选型、安装的调速器为模拟电子调速器，后期经过与电子调速器厂家的联合研发、试验、调试，改进为数字电子调速器，不同型号数字电子调速器见图2。这2 种电子调速器采用的是机械式结构，即力矩电机拉油门形式，能够实现基本功能，没有实现喷油量、喷油压力和喷射正时按最佳工况的精确控制。

图2 数字电子调速器

近年来，随着计算机技术、通信技术的发展，电子控制燃油喷射技术得到了广泛的发展，能够对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制；其中，ECU是电子控制单元，是底盘控制系统的核心部件，又被称为“行车电脑”、“车载电脑”等，各个底盘厂家使用的名称略有不同，但本质相同。对于取力发电的调速系统，充分利用此技术，采用转速、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度传感器，将实时检测的参数同时输入ECU，与已储存的设定参数值或参数图谱（Map 图）进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量（供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间）和喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点），同时对废气再循环阀(EGR)、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。

2.1.2 互锁双调速独立控制系统

某些车载装备，在进行底盘改装时，加装取力自发电或液压泵，实现单一恒定转速，即可满足功能需要。随着上装设备对底盘动力需求的变化，有些特殊的车载装备，需要同时加装取力自发电和液压泵，因此，研发了基于底盘发动机的互锁双调速独立控制系统，并已成功应用，车载双调速取力原理见图3。

图3 双调速取力原理

互锁双调速独立控制系统，在底盘变速器和分动器均加装取力器，2个取力器之间能够互锁，通过驾驶室内的翘板开关进行控制和选择。变速器加装的取力器，旋向与发动机旋向相同且不受变速器挡位（含倒车）的影响，驻车、行车和倒车状态，均可取力。分动器加装的取力器，能与手刹制动互锁，可进行驻车状态取力，手刹制动解除时选择分动器取力无效。

根据取力自发电或液压泵的载荷及工况，计算发动机的工作转速。为实现2种转速独立控制，对电子调速器进行创新和改进，电子调速器预留2 个回路，为发动机设定2 种额定转速，并分别预留接口。一路接通后为取力自发电调速，实现发动机的一种额定转速；另一路接通后为液压泵调速，实现发动机的另一种额定转速；从而实现底盘发动机的双转速独立控制。

2.1.3 通信形式

随着车载自发电技术的发展，新型的自发电技术已经引入各种通信功能，其中比较典型的是CAN总线通信形式。

系统设有CAN 总线通信接口，接口采用ADM 3054收发芯片，芯片符合ISO 11898：2003[3]，传输效率达到1Mbit/s，有较强的抗电磁干扰能力，高温工作特性好，环境适应性强，不但降低设计难度，而且提高系统的可靠性。

2.1.4 新型底盘上加装

近几年，轻型高机动性和中型高机动性通用战术车辆快速发展，是我国第三代越野底盘，将是未来几十年内的主导车辆[4-6]。针对第三代越野底盘，车载取力自发电系统与整车和设备的供配电系统进行集成研发和设计，在满足刚强度的前提下，对结构进行创新、改进和轻量化设计，在不同型号的底盘上安装后，经过调试和各项性能的比测试验，验证了系统的性能指标和可靠性，第三代底盘取力自发电见图4。同时，做好产品的“三化”设计，提高了通用化、系列化和组合化水平。

图4 第三代底盘取力自发电

2.2 技术优势

2.2.1 良好的燃油经济性

车载取力自发电系统，可以保证无论车辆到达何种地域环境，都能为装备提供有效的电源保障。经过调速系统的调控，动力的传递能够控制在底盘发动机的弹性运行范围内，发动机在经济转速下运行，转速较低，负荷率较高，可以获得良好的燃油经济性。不断优化的发动机性能和燃油效率，使排放污染物也明显降低，汽车发动机消声系统的减振、降噪效果更有效，因此，车载取力自发电系统在移动发电用途上表现更佳、更可靠和更高效。

2.2.2 较低的噪声

常用的发电机组有普通型和静音型，配有油路、水路、排烟、散热等系统，组成较为复杂，机组中的机油、火花塞、管路等需要经常维护和保养。机组工作时，会产生额外较大的噪声及振动，直接影响方舱内设备的稳定性和人员的舒适性。为解决此类问题，一些机组生产厂家相继研发了超静音型和极超静音型机组，虽然噪音和振动明显降低，但机组的重量和外形尺寸却明显增大。

车载取力自发电系统通过简单的减振措施，直接将发电机安装在车辆底盘上，大大减小工作时的噪声和振动对舱内设备和人员的影响，而且，系统进行简单的维护即可有效运行。

2.2.3 简单的结构

车载取力自发电系统只需对汽车底盘进行适当改装，改进发电机安装形式，安装于汽车底盘的合适位置，结构简单，故障率低。中小功率发电机，可以充分利用底盘自身空间，大中功率发电机，所占用的空间，也比同功率的发电机组小很多。车载平台安装的12 kW 三相静音发电机组，外形尺寸（长×宽×高）：1400 mm×700 mm×1100 mm，重量：450 kg；加装的12 kW 三相永磁取力发电机，外形尺寸（长×宽×高）：466/416 mm×280 mm×315 mm，重量：76 kg；发电机组和取力发电机的比较见图5。

图5 发电机组和取力发电机比较

当发电机出现故障，需要维修和更换时，仅需拆卸安装架，发电机即可拆卸下来，提高了维修性，发电机拆装见图6。现在装备都要求进行轻量化设计，提高装备的机动性和可靠性，车载取力自发电的体积小、重量轻、可靠性高、维修性高的特点，便可得到充分发挥和利用。

图6 发电机拆装

2.3 主要性能指标

车载取力自发电的电源品质可达到SJ 20979——2007《军用汽车自发电系统通用规范》[7]和GJB 235A——1997《军用交流移动电站通用规范》[8]的相关技术标准，主要指标如表1：

表1 交流移动电站通用技术标准

3 技术成熟度

3.1 加装取力发电的底盘

20世纪80年代，随着我国方舱和特种车的发展，各企业陆续开始车载取力自发电技术的研发，90年代末，安装车载取力自发电系统的底盘主要是东风系EQ1108/EQ1118/EQ1141/EQ2081/EQ2082/EQ2100/EQ2102 等；进入21世纪，逐步发展出依维柯2045/2046 系列、陕汽 SX2150/SX2190 系列、北奔 1926//2629系列、重汽HOWO系列等。

经过近二十几年的技术积累、发展和完善，该技术已日趋成熟，针对东风轻型高机动性猛士系列底盘、一汽中型高机动性MV3 系列底盘，也成功研发了车载取力自发电系统。

3.2 采用的取力形式

目前，车载取力自发电系统可以采用变速器取力、分动器取力、传动轴取力和发动机取力4种取力方式[1,9-10]，取力形式见图7。变速器取力，是在汽车底盘的变速器取力口加装取力器。对于全驱动汽车，有时变速器取力口的输出功率难以满足发电机的动力要求，可以在汽车底盘的分动器取力口加装取力器，以取得更大的功率和扭矩。

图7 车载发电取力形式

传动轴取力，是将连接汽车底盘变速器或分动器与驱动桥之间的传动轴断开[11-12]，在断开的2 个传动轴之间加装取力器，一个输出口用于取力，另一个输出口用于连接分动器或驱动桥。发动机取力，是在汽车发动机的前部曲轴处获取动力，通常用于行车发电的工况，由于要分配部分动力给行车发电机，因此，需要综合评估、论证对整车动力和机动性的影响，以确定可以驱动的发电机功率等级。

3.3 选择的发电机形式

轴带发电机是车载取力自发电系统的核心部件，主要有无刷励磁同步发电机和稀土永磁同步发电机2种形式，防护等级达到了IP57。

2005年以前的车辆中，多数选用无刷励磁发电机，突出优点是可以利用自动电压调节器（A.V.R）对电压进行调节。当负载、转速或温度等有变化时，发电机的电压有升高或降低的趋势时，自动电压调节器能够根据这一微小的电压偏差，迅速地减少或增加励磁电流，维持发电机的电压近似不变。稀土永磁同步发电机的突出优点是体积小、重量轻，结构简单，随着我国稀土技术的快速发展，输出电压问题得到了解决，同样得到了广泛应用。

肺栓塞是指内源性或外源性栓子堵塞肺动脉或分支引起肺循环和呼吸功能障碍的临床和病理生理综合征，临床表现多样化，缺乏特异性，具有误诊率高、发病率高、致死率高、致残率高的特点[1-2]。为了研究细节护理对肺栓塞患者治疗效果的实际意义，将我院86例肺栓塞患者随机分为观察组与对照组，对观察组43例肺栓塞患者实施了细节护理，同时对照组43例肺栓塞患者实施常规护理，对比两组患者的治疗护理效果，现将研究结果报告如下。

目前，行业内会根据具体使用情况，适应性选择发电机形式，2种发电机起到互补的作用。

3.4 互锁和保护

对于驻车取力发电系统，为了防止触碰油门踏板或调速系统开关而产生误动作，设置声光报警提示及互锁电路，电子调速器工作时油门踏板控制暂时失效，当电子调速器不工作时，油门踏板控制功能恢复。

取力装置挂挡成功后，调速系统开关才能正常供电。当取力装置脱挡后，调速系统开关断电。调速系统同时还具有其他自动保护功能，当出现发动机超速、发动机低速、电源失电或传感器信号消失等故障时发动机均可自动恢复为怠速状态。

3.5 发电噪声控制

车载取力自发电的动力源为底盘柴油发动机，设计时必须考虑噪声对工作人员的身体和健康等方面的影响，相关标准进行了规定，例如：GJB 1777——1993《军用专用汽车通用规范》规定了专用车工作舱的噪声等级[13]；GJB 2225A——2008《地面电子对抗设备通用规范》规定了不同类型设备工作间的噪声等级[14]；GJB 50A——2011《军事作业噪声容许限值及测量》规定了每日连续暴露8 h，稳态噪声的容许限值范围[15]。

根据测试，当底盘柴油发动机转速在1500～2 000 r/min 以上时，发动机的噪声一般在90～97 dB（A）以上，会严重影响工作人员的身体和健康，因此，综合考虑系统噪声、发电品质等因素，在保证额定输出功率及性能指标的前提下，尽量降低发动机的工作转速，发动机转速设置见图8[16]。经过多年来的技术积累和改进，以及我国底盘技术和调速技术的发展，发动机能够控制在弹性运行范围内，转速较低（1500 r/min以下），负荷率较高，燃油经济性良好，减振、降噪效果更有效，底盘加装方舱后，完全满足上述标准中规定的噪声指标要求。

图8 发动机转速设置

4 技术可行性和前景

4.1 已有技术基础

车载取力自发电技术在陆军、海军、空军等各军兵种的多种型号项目和产品上得到了应用，按国家军用标准和行业标准的要求，随项目和产品在实验室和试验场进行了各项定型试验，已实现通用化、系列化和组合化的标准化要求。系统中的构件和器件简单，安装方便，根据不同的使用要求和底盘类型，可选取需要的取力形式，设计合理的传动结构和安装结构；根据不同用电设备的电源品质和功率等级，选取发电机形式和调速系统。系统安装后，进行基本性能的调试和试验，即可正常使用。

车载取力自发电系统，具有体积小、重量轻等特点，使用时不需考虑发电机组供电方式经常发生的振动、热源、通风量、废气排放、易燃物安全等问题，能够与车辆有机结合，不受车辆方舱/车厢空间或承载能力限制，占用车厢的空间小，对安装的要求较低，单人即可拆装检修。从历年部队的各种装备的使用情况反馈来看，车载取力自发电系统故障率低，使用、维护方便。

4.2 软件、硬件配置

经过多年的生产实践，不断探索、总结，已经形成了一整套完善的车载取力自发电的技术规范和检验调试规程。有能力的企业，已经规划合适的试验场地，根据产品的产量、批量的需要，建设车载取力自发电调试场，配备计算机、发电机专用测量仪、发电机辅助测控仪、负载室、信息采集终端、高精度传感器和测试工位等一整套硬件设备，形成发电机性能参数自动化测试系统。

测试系统配置专用测试软件和自动控制线路，能将测量数据显示在屏幕上，不仅可以绘制各种参数曲线，还可以计算稳态指标和瞬态指标，测试、检验发电系统指标。调试场可以配备几套测试软件，用于承担不同的测试任务；发电机电性能测试软件可以全面测试发电机的电气性能指标，作为发电系统性能指标判定的数据依据；测试工位循环检测软件可检测发电机长时间满载工作的可靠性，测试过程中出现故障会及时报警；数字式转速控制器调试软件负责转速控制器PID参数的调整，保证发电机频率稳定，取力自发电调试见图9。

图9 取力自发电调试试验

4.3 当前研发成果

车载取力自发电系统主要用于野外或无外接电源情况下的设备供电，经多年研制，已经研发、设计多品种、多类型的驻车发电和行车发电产品，积累了大量的车载自发电设计、工艺经验，形成了3～100 kW等系列产品和一整套成熟的设计、安装、调试、检验技术，为在各种新型底盘、新型发动机上开发新型车载取力自发电系统奠定了坚实的基础，不同功率等级取力自发电见图10。

图10 不同功率等级取力发电

经过几十年的技术改进和完善，该技术已日趋成熟，南汽依维柯系列、一汽解放系列、二汽东风系列、陕汽系列、北奔系列、重汽系列等底盘，都已成功加装车载取力自发电系统。

4.4 前景展望

装备在不断发展变化，部队未来对各种车型的机动及越野性能要求越来越高，配备的车载设备也随之越来越先进，设备对电源的种类和品质的要求也越来越严格。

在“十二五”装备底盘车辆技术基础上，“十三五”以后装备重点发展高机动汽车运载底盘，高机动性是第三代底盘的硬性指标要求，是未来发展趋势，对于第三代轻型、中型、重型高机动性系列底盘，也成功研发了车载取力自发电系统。尤其对轻型和中型高机动装备，在空间有限和轻量化的情况下，装备还必须配置电源保障，车载取力自发电就具备较强的竞争力，是电源形式的首选。

在方舱和特种车领域，行业内的各厂家相继推出含有车载取力自发电系统的产品，应用范围较为广泛。军队体制改革对特种车辆生产企业影响主要体现在“军转民”和“民参军”2 个方面，在军民融合政策引导下，国家逐渐降低了军品的准入门槛，给“民参军”特种车辆企业带来了新的机遇，随着国家政策对军民融合的大力支持，大量民营企业从事相关军工产品的研制、生产，也将加速军用车载自发电技术向民用领域的转化、融合。

社会各行业在不断发展，各种相关行业对车载自发电系统的需求也越来越多，包括通信、指挥、电力、建筑、环境、维修、抢修、维稳、安保、救援、医疗等各种涉及到野外作业的行业和领域，将军用车辆的车载自发电系统进行适当的改进及改装，完全可以应用到各种民用车辆上，大大增强相关电源需求的机动性，促进相关行业快速发展。