車載取力自發電技術研究與應用

張太林

（遼寧陸平機器股份有限公司，鐵嶺 112001）

主題詞：取力自發電 調速 通信形式 噪聲控制 軟硬件配置 越野車

1 前言

越野裝備在特定的野戰環境下工作，需要對上裝設備提供電源保障，滿足裝備的作戰使用需求。越野車載取力自發電技術在此背景下迅速發展，主要應用于方艙和特種車領域，充分解決了野外或無電力供應的情況下，裝備電源保障問題。車載取力自發電系統利用汽車發動機的動力，采用合適的取力形式，通過機械傳動裝置驅動發電機發電，由電子調速系統控制、調節，進行駐車發電或行車發電，能夠驅動較大功率的發電機，提供較大發電量[1]。

車載取力自發電系統研發之前，所有野外作業車輛均采用發電機組供電方式為設備供電。用電設備功率小時，可以在方艙的某個位置預留發電機組安裝空間；用電設備功率較大時，需在車載平臺上單獨預留發電機組安裝空間；用電設備功率過大時，需單獨配備電源車。車載取力自發電系統，不占用或較少占用方艙及平臺的空間[2]，增大了整車的空間利用率，安裝效果見圖1。整個系統只需配置一臺發電機及少量附件即可，大大減輕整個發電系統的重量，提高裝備的機動性，同時也減少裝車成本，各構件和器件簡單，安裝、維修方便。

圖1 取力自發電安裝效果

2 關鍵技術形式及指標

2.1 創新和改進

2.1.1 調速系統

系統早期選型、安裝的調速器為模擬電子調速器，后期經過與電子調速器廠家的聯合研發、試驗、調試，改進為數字電子調速器，不同型號數字電子調速器見圖2。這2 種電子調速器采用的是機械式結構，即力矩電機拉油門形式，能夠實現基本功能，沒有實現噴油量、噴油壓力和噴射正時按最佳工況的精確控制。

圖2 數字電子調速器

近年來，隨著計算機技術、通信技術的發展，電子控制燃油噴射技術得到了廣泛的發展，能夠對噴油系統進行電子控制，實現對噴油量以及噴油定時隨運行工況的實時控制；其中，ECU是電子控制單元，是底盤控制系統的核心部件，又被稱為“行車電腦”、“車載電腦”等，各個底盤廠家使用的名稱略有不同，但本質相同。對于取力發電的調速系統，充分利用此技術，采用轉速、噴油時刻、進氣溫度、進氣壓力、燃油溫度、冷卻水溫度傳感器，將實時檢測的參數同時輸入ECU，與已儲存的設定參數值或參數圖譜（Map 圖）進行比較，經過處理計算按照最佳值或計算后的目標值把指令送到執行器。執行器根據ECU指令控制噴油量（供油齒條位置或電磁閥關閉持續時間）和噴油正時（正時控制閥開閉或電磁閥關閉始點），同時對廢氣再循環閥(EGR)、預熱塞等執行機構進行控制，使柴油機運行狀態達到最佳。

2.1.2 互鎖雙調速獨立控制系統

某些車載裝備，在進行底盤改裝時，加裝取力自發電或液壓泵，實現單一恒定轉速，即可滿足功能需要。隨著上裝設備對底盤動力需求的變化，有些特殊的車載裝備，需要同時加裝取力自發電和液壓泵，因此，研發了基于底盤發動機的互鎖雙調速獨立控制系統，并已成功應用，車載雙調速取力原理見圖3。

圖3 雙調速取力原理

互鎖雙調速獨立控制系統，在底盤變速器和分動器均加裝取力器，2個取力器之間能夠互鎖，通過駕駛室內的翹板開關進行控制和選擇。變速器加裝的取力器，旋向與發動機旋向相同且不受變速器擋位（含倒車）的影響，駐車、行車和倒車狀態，均可取力。分動器加裝的取力器，能與手剎制動互鎖，可進行駐車狀態取力，手剎制動解除時選擇分動器取力無效。

根據取力自發電或液壓泵的載荷及工況，計算發動機的工作轉速。為實現2種轉速獨立控制，對電子調速器進行創新和改進，電子調速器預留2 個回路，為發動機設定2 種額定轉速，并分別預留接口。一路接通后為取力自發電調速，實現發動機的一種額定轉速；另一路接通后為液壓泵調速，實現發動機的另一種額定轉速；從而實現底盤發動機的雙轉速獨立控制。

2.1.3 通信形式

隨著車載自發電技術的發展，新型的自發電技術已經引入各種通信功能，其中比較典型的是CAN總線通信形式。

系統設有CAN 總線通信接口，接口采用ADM 3054收發芯片，芯片符合ISO 11898：2003[3]，傳輸效率達到1Mbit/s，有較強的抗電磁干擾能力，高溫工作特性好，環境適應性強，不但降低設計難度，而且提高系統的可靠性。

2.1.4 新型底盤上加裝

近幾年，輕型高機動性和中型高機動性通用戰術車輛快速發展，是我國第三代越野底盤，將是未來幾十年內的主導車輛[4-6]。針對第三代越野底盤，車載取力自發電系統與整車和設備的供配電系統進行集成研發和設計，在滿足剛強度的前提下，對結構進行創新、改進和輕量化設計，在不同型號的底盤上安裝后，經過調試和各項性能的比測試驗，驗證了系統的性能指標和可靠性，第三代底盤取力自發電見圖4。同時，做好產品的“三化”設計，提高了通用化、系列化和組合化水平。

圖4 第三代底盤取力自發電

2.2 技術優勢

2.2.1 良好的燃油經濟性

車載取力自發電系統，可以保證無論車輛到達何種地域環境，都能為裝備提供有效的電源保障。經過調速系統的調控，動力的傳遞能夠控制在底盤發動機的彈性運行范圍內，發動機在經濟轉速下運行，轉速較低，負荷率較高，可以獲得良好的燃油經濟性。不斷優化的發動機性能和燃油效率，使排放污染物也明顯降低，汽車發動機消聲系統的減振、降噪效果更有效，因此，車載取力自發電系統在移動發電用途上表現更佳、更可靠和更高效。

2.2.2 較低的噪聲

常用的發電機組有普通型和靜音型，配有油路、水路、排煙、散熱等系統，組成較為復雜，機組中的機油、火花塞、管路等需要經常維護和保養。機組工作時，會產生額外較大的噪聲及振動，直接影響方艙內設備的穩定性和人員的舒適性。為解決此類問題，一些機組生產廠家相繼研發了超靜音型和極超靜音型機組，雖然噪音和振動明顯降低，但機組的重量和外形尺寸卻明顯增大。

車載取力自發電系統通過簡單的減振措施，直接將發電機安裝在車輛底盤上，大大減小工作時的噪聲和振動對艙內設備和人員的影響，而且，系統進行簡單的維護即可有效運行。

2.2.3 簡單的結構

車載取力自發電系統只需對汽車底盤進行適當改裝，改進發電機安裝形式，安裝于汽車底盤的合適位置，結構簡單，故障率低。中小功率發電機，可以充分利用底盤自身空間，大中功率發電機，所占用的空間，也比同功率的發電機組小很多。車載平臺安裝的12 kW 三相靜音發電機組，外形尺寸（長×寬×高）：1400 mm×700 mm×1100 mm，重量：450 kg；加裝的12 kW 三相永磁取力發電機，外形尺寸（長×寬×高）：466/416 mm×280 mm×315 mm，重量：76 kg；發電機組和取力發電機的比較見圖5。

圖5 發電機組和取力發電機比較

當發電機出現故障，需要維修和更換時，僅需拆卸安裝架，發電機即可拆卸下來，提高了維修性，發電機拆裝見圖6。現在裝備都要求進行輕量化設計，提高裝備的機動性和可靠性，車載取力自發電的體積小、重量輕、可靠性高、維修性高的特點，便可得到充分發揮和利用。

圖6 發電機拆裝

2.3 主要性能指標

車載取力自發電的電源品質可達到SJ 20979——2007《軍用汽車自發電系統通用規范》[7]和GJB 235A——1997《軍用交流移動電站通用規范》[8]的相關技術標準，主要指標如表1：

表1 交流移動電站通用技術標準

3 技術成熟度

3.1 加裝取力發電的底盤

20世紀80年代，隨著我國方艙和特種車的發展，各企業陸續開始車載取力自發電技術的研發，90年代末，安裝車載取力自發電系統的底盤主要是東風系EQ1108/EQ1118/EQ1141/EQ2081/EQ2082/EQ2100/EQ2102 等；進入21世紀，逐步發展出依維柯2045/2046 系列、陜汽 SX2150/SX2190 系列、北奔 1926//2629系列、重汽HOWO系列等。

經過近二十幾年的技術積累、發展和完善，該技術已日趨成熟，針對東風輕型高機動性猛士系列底盤、一汽中型高機動性MV3 系列底盤，也成功研發了車載取力自發電系統。

3.2 采用的取力形式

目前，車載取力自發電系統可以采用變速器取力、分動器取力、傳動軸取力和發動機取力4種取力方式[1,9-10]，取力形式見圖7。變速器取力，是在汽車底盤的變速器取力口加裝取力器。對于全驅動汽車，有時變速器取力口的輸出功率難以滿足發電機的動力要求，可以在汽車底盤的分動器取力口加裝取力器，以取得更大的功率和扭矩。

圖7 車載發電取力形式

傳動軸取力，是將連接汽車底盤變速器或分動器與驅動橋之間的傳動軸斷開[11-12]，在斷開的2 個傳動軸之間加裝取力器，一個輸出口用于取力，另一個輸出口用于連接分動器或驅動橋。發動機取力，是在汽車發動機的前部曲軸處獲取動力，通常用于行車發電的工況，由于要分配部分動力給行車發電機，因此，需要綜合評估、論證對整車動力和機動性的影響，以確定可以驅動的發電機功率等級。

3.3 選擇的發電機形式

軸帶發電機是車載取力自發電系統的核心部件，主要有無刷勵磁同步發電機和稀土永磁同步發電機2種形式，防護等級達到了IP57。

2005年以前的車輛中，多數選用無刷勵磁發電機，突出優點是可以利用自動電壓調節器（A.V.R）對電壓進行調節。當負載、轉速或溫度等有變化時，發電機的電壓有升高或降低的趨勢時，自動電壓調節器能夠根據這一微小的電壓偏差，迅速地減少或增加勵磁電流，維持發電機的電壓近似不變。稀土永磁同步發電機的突出優點是體積小、重量輕，結構簡單，隨著我國稀土技術的快速發展，輸出電壓問題得到了解決，同樣得到了廣泛應用。

肺栓塞是指內源性或外源性栓子堵塞肺動脈或分支引起肺循環和呼吸功能障礙的臨床和病理生理綜合征，臨床表現多樣化，缺乏特異性，具有誤診率高、發病率高、致死率高、致殘率高的特點[1-2]。為了研究細節護理對肺栓塞患者治療效果的實際意義，將我院86例肺栓塞患者隨機分為觀察組與對照組，對觀察組43例肺栓塞患者實施了細節護理，同時對照組43例肺栓塞患者實施常規護理，對比兩組患者的治療護理效果，現將研究結果報告如下。

目前，行業內會根據具體使用情況，適應性選擇發電機形式，2種發電機起到互補的作用。

3.4 互鎖和保護

對于駐車取力發電系統，為了防止觸碰油門踏板或調速系統開關而產生誤動作，設置聲光報警提示及互鎖電路，電子調速器工作時油門踏板控制暫時失效，當電子調速器不工作時，油門踏板控制功能恢復。

取力裝置掛擋成功后，調速系統開關才能正常供電。當取力裝置脫擋后，調速系統開關斷電。調速系統同時還具有其他自動保護功能，當出現發動機超速、發動機低速、電源失電或傳感器信號消失等故障時發動機均可自動恢復為怠速狀態。

3.5 發電噪聲控制

車載取力自發電的動力源為底盤柴油發動機，設計時必須考慮噪聲對工作人員的身體和健康等方面的影響，相關標準進行了規定，例如：GJB 1777——1993《軍用專用汽車通用規范》規定了專用車工作艙的噪聲等級[13]；GJB 2225A——2008《地面電子對抗設備通用規范》規定了不同類型設備工作間的噪聲等級[14]；GJB 50A——2011《軍事作業噪聲容許限值及測量》規定了每日連續暴露8 h，穩態噪聲的容許限值范圍[15]。

根據測試，當底盤柴油發動機轉速在1500～2 000 r/min 以上時，發動機的噪聲一般在90～97 dB（A）以上，會嚴重影響工作人員的身體和健康，因此，綜合考慮系統噪聲、發電品質等因素，在保證額定輸出功率及性能指標的前提下，盡量降低發動機的工作轉速，發動機轉速設置見圖8[16]。經過多年來的技術積累和改進，以及我國底盤技術和調速技術的發展，發動機能夠控制在彈性運行范圍內，轉速較低（1500 r/min以下），負荷率較高，燃油經濟性良好，減振、降噪效果更有效，底盤加裝方艙后，完全滿足上述標準中規定的噪聲指標要求。

圖8 發動機轉速設置

4 技術可行性和前景

4.1 已有技術基礎

車載取力自發電技術在陸軍、海軍、空軍等各軍兵種的多種型號項目和產品上得到了應用，按國家軍用標準和行業標準的要求，隨項目和產品在實驗室和試驗場進行了各項定型試驗，已實現通用化、系列化和組合化的標準化要求。系統中的構件和器件簡單，安裝方便，根據不同的使用要求和底盤類型，可選取需要的取力形式，設計合理的傳動結構和安裝結構；根據不同用電設備的電源品質和功率等級，選取發電機形式和調速系統。系統安裝后，進行基本性能的調試和試驗，即可正常使用。

車載取力自發電系統，具有體積小、重量輕等特點，使用時不需考慮發電機組供電方式經常發生的振動、熱源、通風量、廢氣排放、易燃物安全等問題，能夠與車輛有機結合，不受車輛方艙/車廂空間或承載能力限制，占用車廂的空間小，對安裝的要求較低，單人即可拆裝檢修。從歷年部隊的各種裝備的使用情況反饋來看，車載取力自發電系統故障率低，使用、維護方便。

4.2 軟件、硬件配置

經過多年的生產實踐，不斷探索、總結，已經形成了一整套完善的車載取力自發電的技術規范和檢驗調試規程。有能力的企業，已經規劃合適的試驗場地，根據產品的產量、批量的需要，建設車載取力自發電調試場，配備計算機、發電機專用測量儀、發電機輔助測控儀、負載室、信息采集終端、高精度傳感器和測試工位等一整套硬件設備，形成發電機性能參數自動化測試系統。

測試系統配置專用測試軟件和自動控制線路，能將測量數據顯示在屏幕上，不僅可以繪制各種參數曲線，還可以計算穩態指標和瞬態指標，測試、檢驗發電系統指標。調試場可以配備幾套測試軟件，用于承擔不同的測試任務；發電機電性能測試軟件可以全面測試發電機的電氣性能指標，作為發電系統性能指標判定的數據依據；測試工位循環檢測軟件可檢測發電機長時間滿載工作的可靠性，測試過程中出現故障會及時報警；數字式轉速控制器調試軟件負責轉速控制器PID參數的調整，保證發電機頻率穩定，取力自發電調試見圖9。

圖9 取力自發電調試試驗

4.3 當前研發成果

車載取力自發電系統主要用于野外或無外接電源情況下的設備供電，經多年研制，已經研發、設計多品種、多類型的駐車發電和行車發電產品，積累了大量的車載自發電設計、工藝經驗，形成了3～100 kW等系列產品和一整套成熟的設計、安裝、調試、檢驗技術，為在各種新型底盤、新型發動機上開發新型車載取力自發電系統奠定了堅實的基礎，不同功率等級取力自發電見圖10。

圖10 不同功率等級取力發電

經過幾十年的技術改進和完善，該技術已日趨成熟，南汽依維柯系列、一汽解放系列、二汽東風系列、陜汽系列、北奔系列、重汽系列等底盤，都已成功加裝車載取力自發電系統。

4.4 前景展望

裝備在不斷發展變化，部隊未來對各種車型的機動及越野性能要求越來越高，配備的車載設備也隨之越來越先進，設備對電源的種類和品質的要求也越來越嚴格。

在“十二五”裝備底盤車輛技術基礎上，“十三五”以后裝備重點發展高機動汽車運載底盤，高機動性是第三代底盤的硬性指標要求，是未來發展趨勢，對于第三代輕型、中型、重型高機動性系列底盤，也成功研發了車載取力自發電系統。尤其對輕型和中型高機動裝備，在空間有限和輕量化的情況下，裝備還必須配置電源保障，車載取力自發電就具備較強的競爭力，是電源形式的首選。

在方艙和特種車領域，行業內的各廠家相繼推出含有車載取力自發電系統的產品，應用范圍較為廣泛。軍隊體制改革對特種車輛生產企業影響主要體現在“軍轉民”和“民參軍”2 個方面，在軍民融合政策引導下，國家逐漸降低了軍品的準入門檻，給“民參軍”特種車輛企業帶來了新的機遇，隨著國家政策對軍民融合的大力支持，大量民營企業從事相關軍工產品的研制、生產，也將加速軍用車載自發電技術向民用領域的轉化、融合。

社會各行業在不斷發展，各種相關行業對車載自發電系統的需求也越來越多，包括通信、指揮、電力、建筑、環境、維修、搶修、維穩、安保、救援、醫療等各種涉及到野外作業的行業和領域，將軍用車輛的車載自發電系統進行適當的改進及改裝，完全可以應用到各種民用車輛上，大大增強相關電源需求的機動性，促進相關行業快速發展。

5 結束語

隨著新的控制技術的不斷應用，車載取力自發電系統的控制技術也在逐漸向模塊化、一鍵式操作模式、一體化方向發展，整套系統的可靠性、維修性更高。隨著發電機向小型化，大功率方向的不斷演進，車載取力自發電的額定功率等級也會越來越高，應用領域也會越來越廣泛。