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HEV Applications
for Military Vehicles
7.1 Why HEVs Can Be Beneficial to Military Applications
There are several motivations, both direct and indirect, for HEVs for military applications. Military applications can include both direct vehicular applications, which are related to vehicular propulsion, and indirect applications in the sense of using electrically operated arms, or interfacing with the vehicular electrical system to create a microgrid to supply power to a military base etc.
One of the most important reasons for considering HEVs for military applications is the cost of fuel. Transporting fuel to the field through risky routes and over long distances can raise the cost of fuel significantly. The cost can rise from $1 in a regular civilian situation to $400 per gallon to carry fuel to the battlefield (http://www.defensesystems. com/Articles/2010/03/11/Defense-IT-3-Greens.aspx), and if an airlift is needed, the cost can rise to even $1000 per gallon. In general, the cost to carry fuel to the field is about
$100 per gallon (http://www.environmentalleader.com/2010/05/28/us-commanders-want-
deployable-renewable-energy-generation). The bottom line is that we can assume that the cost of fuel will be several hundred dollars per gallon in military situations. So, even a small percentage saving in fuel can imply huge cost savings to the tune of billions of dollars per year.
Other issues in military applications involve noise, both acoustic noise and heat signa-
tures in the form of infrared radiation, which can be detected elsewhere. A quiet HEV
can help significantly toward achieving goals of noise elimination.
Some indirect benefits of HEVs are as follows. When the military move to a combat zone, there may be bases and other infrastructures which need stationary applications of electricity at utility-level voltages. With multiple HEVs, when properly connected and interfaced, it becomes possible to create utility-level voltages to run various stationary equipment. This can be achieved by running the HEV battery (and, if necessary, the IC engines in the HEV). Several HEVs can, in fact, form a microgrid with a reasonably robust source of utility power. Of course, when interfacing several HEVs to generate electricity,
Hybrid Electric Vehicles: Principles and Applications with Practical Perspectives, First Edition. Chris Mi, M. Abul Masrur and David Wenzhong Gao.
2011 John Wiley amp; Sons, Ltd. Published 2011 by John Wiley amp; Sons, Ltd.
it will be necessary to do so properly through appropriate control electronics. This kind of utilization of vehicles for power generation can help significantly, in the sense that it can reduce the need for auxiliary power units, thus saving the cost and weight of acquiring them and transporting them to the field.
Depending on the architecture used in the HEV, for example, if it has hub motors in each of the wheels, or even one motor per axle for propulsion, and uses a series HEV (SHEV) architecture, it will have the advantage of redundancy in case one of the motors fails. Then the vehicle can run in a gracefully degradable mode, with a somewhat reduced performance, and moved to a safe zone as needed.
So, it can be seen that there are quite a few advantages in introducing HEVs for
military applications.
7.2 Ground Vehicle Applications
7.2.1 Architecture – Series, Parallel, Complex
As in the regular commercial HEV architectures discussed in other chapters of this book, military vehicles can have similar architectures as well. A very informative research paper by Ucarol et al. [1] has made a comparison between an IC engine, SHEVs, and parallel HEVs. There, based on simulated studies, from the point of view of weight, the IC engine vehicle is lightest and the parallel HEV is slightly heavier. However, the series hybrid vehicle was found to be quite a bit heavier. This analysis, although done for a commercial vehicle, is equally applicable to military vehicles.
If an IC engine vehicle is considered as the baseline, then one can compare other architectures as follows. To match the performance of the baseline vehicle, obviously it is necessary to make the electric motor in a SHEV the same size as the IC engine in the baseline vehicle. The authors of this book believe that it is really not necessary to do this, but rather that the motor should be sized so that over a given drive cycle the average energy going out of the generator would be equal to the average energy consumed by the propulsion motor. The peak power can always be handled by the battery, which should be charged within its bounds. A similar thought process also applies to the decision making while selecting the size of the generator. The decision should be based on studies of different drive cycles and then presenting the worst case scenario. The key to this decision making lies in the battery or other storage and whether they can provide the maximum power needed or not. Only if the battery is kept in a completely floating condition all the time, and the power from the IC engine and generator is fed to the motor in parallel with the battery, will the generator be required to be equal in size to the maximum power demand. But the intent of the battery or any peak power source is in fact to address this eventuality of sudden peaks or higher demands, and hence IC engine size in SHEVs and the generator size could definitely be reduced.
In a parallel HEV, the size of the electric motor could even be less than half the size of that in a SHEV. Ucarol et al. [1] assign the balance of power, that is, any deficit between the load demand and the electric propulsion power, to the IC engine
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混合动力在军用汽车上的应用
1.1 为什么混合动力汽车可以有利于军事应用
对于军事应用的混合动力汽车有直接和间接的几个动机，军事应用可以包括与车辆推进相关的车辆应用程序的直接应用，以及在电动操作的武器上的间接应用，或与车辆电气系统连接以创建一个微电网供应电源一个军事基地等。
燃料的成本是混合动力车在军事应用需考虑最重要的因素。通过走冒险的或远距离运输燃料线路会显著提高燃料的成本。向战场运输燃料的成本可以从每加仑1美元的普通民用价格上升到每加仑400美元，如果需要空运,成本甚至可以上升到1000美元每加仑。一般来说,携带燃料成本大致为100美元每加仑。我们可以假设的底线是燃料成本将是几百美元每加仑的军事情况所以，即使是很小的百分比，每年可以节省的大量的燃料的成本意味着节约了数十亿美元。
其他方面在军事应用中涉及噪声,噪声和热量信号以及在其他地方可以被检测到的红外辐射的形式。 一个安静的混合动力车可以帮助朝着消除噪声的目标前行。
混合动力电动汽车的一些间接的好处如下：当向作战区进行军事行动时，可能会有基地或其他基础设施，并且电力应用程序需要稳定的电压。多重混合动力车，当正确连接接口后，就可以创造实用级别的电压来运行各种固定设备。这可以通过运行混合动力电池（并且如果需要的话，将集成电路应用在混合动力汽车发动机）来实现。事实上，一些混合动力汽车有一个相当强大的微电网的电力来源，当然，当连接几个混合动力车时才能发电，有必要通过适当地控制电子设备，以确保正确运行，这种车辆发电利用率显著提高，在某种意义上说，它可以减少对辅助动力装置的依赖，从而节省了将它们运送到战场的成本和并减轻了重量。
根据在混合动力汽车中所使用的结构，例如 ，如果它的每个车轮都有轮毂电机，甚至每轴都有一个电机推进，采用串联式混合动力汽车（SHEV）体系结构，它将有多余的电机的优势以防止其运转失败。那么车辆可以在一个正常可缓解的模式运行，性能有所降低，并根据需要移动到一个安全区。因此，可以看出，在引入混合动力到军事应用有着相当多的优点。
1.2地面车辆上的应用
1.2.1架构——系列、平行、复杂
正如本书其他章节中讨论的常规商业混合动力结构，军车也可以有类似结构。ucarol等人[1]通过在内燃机、串联式混合动力、并联式混合动力汽车上作比较得到了非常翔实的研究论文。在模拟研究的基础上，从重量角度看，内燃机车最轻、并联式混合动力电动汽车稍重。然而，研究发现该系列混合动力车有点重。这一分析，虽然用于商用车，同样适用于军用车辆。如果以集成电路引擎的车辆作为基准，那么可以与其他架构的比较如下：以匹配基准车辆的性能，很明显，有必要使串联式混合动力汽车的电动马达与基准车辆内的内燃机的尺寸相同。这本书的作者认为，真的没有必要做到这一点，而应该是限制电机的大小，以便在一个给定的驱动周期内，发电机发出的平均能量与驱动电机消耗的平均能量相等。峰值功率总是可以通过电池得到，它应该在其范围内进行充电处理。类似的思维过程也适用于作出选择发电机的大小的决定时。这一决定应根据对不同的驱动周期的研究，然后提出最坏的方案，其关键在于电池或其他存储设备是否可以提供所需的最大功率。只有当电池一直保持在一个完全浮动的条件，并从内燃机和发电机得到的功率被馈送到电动机电池的同时，要求发电机尺寸符合最大功率需求。但电池或任何峰值功率源的目的其实是为了解决这突然的峰值或更高要求的情况，因此串联式混合动力发动机的大小和发电机的尺寸可以减小。
在并联混合动力汽车，电动马达的尺寸甚至可以小于串联式混合动力汽车的一半。ucarol等人[1]平衡在并联混合动力电动汽车的内燃机的负载需求和电力推进功率等分配功率。这种机制来分割电机和在IC发动机之间的功率分配并联混合动力，假定在基准车辆的原内燃机选择基于最坏的驱动循环情景下所需的最大功率。也有在研究没有发电机的插电式混合动力汽车上面引用的。然而，在其他一些结构上，像丰田普锐斯和通用的双模式混合动力，其发电机从主推进电机分开（这也可以作为一个发电机）。之所以有这个发电机是非常依赖于战略控制的。根据充电状态（SOC），并用于推进电力需求的一定条件下的电池状态，可能有必要对电池提供额外的充电，这正是这一发电机的用武之地。
串联或并联式混合动力汽车的一个重要组成部分是电池或任何其他存储设备如电容器。ucarol等人[ 1 ]使用电池的容量单位，即安培每小时作为电池的度量。但事实上，安培每小时本身是不足以用于描述一个电池的。此外，有必要知道电池在额定功率下的电流，使得在推进马达的最大功率需求期间与发电机相结合时，其电池能够提供此电流。这些都是在创建一个混合动力电动汽车的设计规范时的重要的决策过程。
上述讨论适用于汽油和柴油车辆，军用车辆大多基于是柴油发动机的，改进柴油机技术总会帮助到这些车辆。但是，无论柴油机技术的发展如何，交互技术都能更好地实现燃油经济性并且带来其他好处。
将要解决的问题是，在军用车辆中以交互为目的的进行无论是串联、并联或复杂的结构上的选择。这个问题最好的答案这取决于优先考虑的是什么？它的燃料经济、大小、重量或者可靠性？如果燃油经济性是最优先考虑的，那么应该选择一个平行式混合动力汽车；如果因为要用飞机来运输汽车，则尺寸和重量应最先考虑等等，那么并联式混合动力汽车将比串联式要好。一般的串联式混合动力将在某种程度上比插电式混合汽车更重，因此这可能会稍微影响到燃油经济性。另一方面，如果汽车性能最受关注，即输出功率，那么使用串联结构更为有利，这将有助于消除较重的传输装置，并迅速提供较高功率，而且能够控制电机的速度远远超过内燃机。考虑可靠性的问题一般利用平行混合动力可能会得到更好地解决，因为内燃机和电机在推进过程中动力会有冗余。在军用车辆可靠性不被低估。然而，并联混合动力电动汽车是更复杂的控制的术语，并介绍了其机械耦合的复杂性。在对这些设备的失效模式最终做出决定之前，有必要对这个问题的可靠性做一次彻底的研究。
陪随军用车辆系统可靠性的另一个问题是汽车维护。很明显维护串联式混合动力汽车比较简单是有几个原因的。它的控制更简单，它的机械联动，不同于并联式混合动力汽车，也非常简单。如果有推进毂电机，它们可以很快地进行更换以防止故障产生。以上讨论表明了并联式混合动力汽车与串联式混合动力汽车各自的利弊。但整体的可靠性，更具体的生存需求，可以更好地服务于一个并联式混合动力汽车。可以这么说，应该指出的是，该决定可能在很大程度上取决于应用程序和驱动周期。军事后勤或支援型车辆（或非战斗类型的车辆）的行进距离更远，由于所涉及的驱动循环，可能会更多地受益于并行混合动力汽车。另一方面，对于一个战斗车辆而言，电力的需求的快速反应是最重要的，串联式混合动力将更加有利。对这样的情形，最终的决定是相当复杂的、对其表现作出系统的比较和研究，对结果进行整合，考虑燃油经济性、可靠性等，最终确定最佳决策。
1.3 非地面车辆军事应用
军用车辆也包括非汽车应用。这可以包括空中和水上的车辆，即船舶和飞机。此外，一些应用程序不是直接应用在自然的车辆上。例如，车辆可能使用枪或其他类似的设备，其中一些可能由更好的电力来驱动。一个例子可能是电磁炮。有些设备可能需要一个内燃机或燃料电池等，可以给电池或超级电容器充电。这些设备（枪或其他）本身可以被电力直接激活或者利用内燃机或燃料电池来补充能量。交互，虽然不是在某种意义上的车辆，但可以包括事项有接口与公用事业网或微网，在一些车辆可以通过一些共同的总线来交换功率。有可能有以集成电路发动机为基础的发电机，一些燃料电池，和车辆适当的同步，然后交流电源。这种情况的系统级图如图1.3所示。
车辆# 2
电 池
载 荷
车辆# 1
微型智能电网'(可以
是一个实用程序网格)
燃料电池
内燃机
电 容
图1.3 一种通用的混合电力系统结构图
请注意，混合动力汽车仅是在上述混合动力系统中的内部车辆级别的一个特例，这里说的交互是指系统扩展到一个更高的水平。图表中的车辆1和2 可以是混合动力汽车或电动汽车，可以与系统的其他部分交换电力。同样，如果车辆是基于内燃机的，也可以在其稳定时来运转发动机和发电，并且它可以为另一辆缺乏动力的汽车提供动力。
地面车辆的非推进类型的应用实例如下：
1.3.1 电磁发射器
可以使用电磁力，以很大的加速度来达到极高速度来推进这些设备。在普通枪支中，化学物质的燃烧会引起爆炸，并产生一个加速的力。而基于燃烧系统的高性能枪，速度可以是约2千米/秒，电磁枪可以被加速到约6-7千米/秒。这是相当壮观的，是以燃烧系统为基础的速度的三倍以上，大致为把卫星送入地球低轨道所需要的速度。
电磁发射器的原理如图1.3.1。此应用程序的一个相关的可实现的技术是产生非常高的可用性电流和短时间内的瞬时功率。一个简单的电力系统不能提供这些，因此非常高的脉冲功率是必要的。在每一个高脉冲功率形成后，有必要通过一些混合动力系统，如前面提到的系统来充电。如果较小规模的发射器被部署在一个移动的车辆为基础的系统中，那么使用混合动力系统车辆几乎是必须的。举个例子，它可能不是一辆直接使用混合动力推进系统的汽车，但绝对是应用了混合动力系统。
1.3.2混合动力船
我们讨论了广义的电动推进船，这里不再重复，这种系统的优点会在这一章中清楚地显示出。美国海军有一个特别的尝试，通过某些化学过程将柴油直接改造成氢，这种氢可以在燃料电池中使用，以产生电能，可用于驱动电动机。它已表示[ 3 ]船舶在相对较低的速度行驶时，峰值功率可能不需要，这意味着像电池一样的一个额外的峰值功率源可能是没有必要的。这种系统的优点是：集成电路发动机是不需要的，所以不会产生任何污染。即使峰值功率是必要的，它可能会使用一个超级电容器或大功率电池补充燃料电池，而不是在船上安装内燃机。因为船上比车内有着更大的空间，所以峰值功率存在的可能性不应被排除。此外，而涡轮机为基础的船舶发动机效率约为16%至18%，燃料电池有37%至52%的效率，后者显然更高，从而具有更好的燃油经济性。当然，其他的好处在于燃料电池系统具有安静的操作能力以及可以在各种不同的位置放置大量的这样的系统，该系统起到通过电缆来连接推进电机的作用。这不同于基于内燃机系统的发动机，其在位置方面具有机械刚性。如上所述，在此意义上，基于柴油机重整器的混合电源系统是电化学系统的一个典型例子。这种电化学系统可能需要通过一些的相对较小的型号的试点电气系统来实现初步启动，但一旦启动，燃料电池本身就可以维持柴油重整系统而不介入启动系统。初始启动系统可以是一个相对较小的电池组。
在柴油重整系统，柴油、空气和水作为输入物。这些组分反应后与30％左右的氢气和其它惰性气体如二氧化碳、蒸汽和氮气等组成的混合气体作为输出物。然后气体的混合物被送入到催化燃烧器来启动燃料电池系统。催化燃烧器的产生约80%的氢与添加的空气反应，并产生热和水作为副产物。这就像是一个燃料电池的转化率约为80%。下一步，另一个催化燃烧器是用来使剩余的氢与额外的空气反应，并将所有的氢转化为蒸汽。在这个特殊的系统中，氢不在中间过程中被储存，重整过程产生的氢气只存在很短的时间（约15秒）。这种无氢气储存增加了系统的安全性，因为氢是一种可燃气体。系统层次图1.3.2所示。
图1.3.2 柴油重整燃料电池
电气输出
燃料电池
燃烧器
重整器
空气
柴油
水
1.3.3 飞机上的应用
在前面章节中已经指出，由于高功率和推力的需要，应用电力推进飞机的推进力是非常有限的，这种情形下，需考虑其他轻量飞机像某些无人机和非常小型的飞机。对于商用飞机，这是很合理的假设，由于该技术（包括能源存储）尚未在这一领域有一个可行的应用程序。关于这个主题的具体细节已经在第6章中给出，这里不再赘述。
1.4 耐用性问题
在军事应用上，在一般情况下设备都坚固耐用。从机械的意义上说，这意味着与相同的商用车相比，任何零部件的实物件或盒子是非常坚固的。因此，任何形式的接触碰撞均不易损坏设备。此外，该设备在电气和其他方面的设计也是非常重要的。由于军事应用可能面临着非常多的极端温度，无论是热的和冷，事实上，在一般情况下，高温是不利于电力电子和电池等设备的。这些设备必须减少相应的军事用途。，如果其性能要求在这些极端条件下实现。这意味着它们将具有更庞大的体型和重量。事实上，这些考虑的因素可能会导致混合动力电动汽车在该领域的延迟部署。可以预计，在未来军方可以部署和派遣耐高温和机械强大的电力电子或混合动力汽车。
基本的耐用性和坚固性问题，涉及到机械振动和温度。不仅是电力电子，而且正常的电子回路都会遇到这些问题。在电力电子领域，可以预计到使用碳化硅半导体材料将显着解决温度问题，但是存在额外的冷却需求。即使一个冷却系统增强了其可承受的极端温度，其增强自身也受到足够多的耐用性问题考验。对于使用高电压和高功率电池组的混合动力电动汽车，冷却和加热的问题是非常重要的，否则混合动力性能会受到显着的损害。坚固耐用的军用电池的例子如图1.4a所示:
图1.4a 坚固耐用的电池和
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