Sistemul cu pile de combustie EMILY 3000 are o putere nominală de ieșire de 125 W și o capacitate de încărcare zilnică de 6 kWh. Poate reîncărca mai multe baterii sau poate acționa ca un generator de câmp. Sistemul a fost creat special pentru aplicații militare, inclusiv scenarii de testare în care datele despre noile sisteme de apărare trebuie colectate și evaluate pe teren.
În cele din urmă, centralele hibride oferă avantaje comparabile sau chiar mai bune vehiculelor blindate. Deși eficiența consumului de combustibil, cel puțin istoric, nu a fost în fruntea listei caracteristicilor obligatorii ale vehiculelor blindate, totuși, crește kilometrajul și / sau durata pentru o anumită capacitate de combustibil, crește sarcina utilă, protecția sau puterea de foc pentru un anumit total greutatea și, în general, reduce sarcina logistică generală asupra flotei
Acționarea electrică hibridă poate juca un rol important în viitorul vehiculelor militare, dar anularea și reducerea corespunzătoare a volumului multor programe de apărare (fără a uita celebrele FCS și FRES) și lupta pentru îndeplinirea cerințelor urgente pentru vehiculele protejate au amânat implementarea sa pe vehicule militare pe termen nelimitat.
Cu toate acestea, când solicitanții pentru vehiculul american de luptă la sol GCV (Ground Combat Vehicle) au fost anunțați în ianuarie 2011, printre aceștia se număra și un proiect al echipei BAE Systems / Northrop Grumman cu o unitate electrică hibridă cu sistemul E-X-DRIVE de la Qinetiq. Acest lucru poate fi văzut ca un fel de pariu, deoarece niciunul dintre concurenții pentru programul de vehicule tactice ușoare JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), care a inclus și un motor electric hibrid, nu s-a calificat în finală din cauza faptului că, potrivit datele disponibile, se crede că tehnologia pentru această mașină nu este încă suficient de matură în acest moment. Cu toate acestea, istoria acționărilor electrice hibride în vehiculele de luptă la sol are un număr suficient de programe pentru a dezvolta și demonstra această tehnologie. Există ceva de neiertat și de inevitabil în căutarea globală a tehnologiei care promite să economisească combustibil, să îmbunătățească performanța și capacitatea de supraviețuire, satisfăcând în același timp cererea tot mai mare de electricitate de la bord. Acest lucru este susținut, fără îndoială, de evoluțiile paralele din industria auto, determinate de legislația de mediu.
Producătorii de vehicule militare și furnizorii de sisteme au investit mult în această tehnologie, adesea împinsă de unele dintre programele guvernamentale ambițioase menționate anterior, înainte de a se confrunta cu incertitudinea particulară inerentă planurilor guvernamentale pe termen lung. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks și Qinetiq au dezvoltat motoare electrice hibride pentru programele din Marea Britanie, SUA și Suedia, în timp ce Nexter lucrează la programul de dezvoltare a tehnologiei ARCHYBALD pentru vehicule grele, civile și militare.
Transmisie electrică E-X-DRIVE pentru vehicule pe șenile de la QinetiQ, sistem ușor, compact și eficient
Predecesori hibrizi
Sistemele de propulsie hibridă au devenit ferm stabilite pe navele de război, în special pe submarine, trenuri și camioane grele utilizate în minele de carieră și în aer liber. În aceste aplicații, un motor principal, cum ar fi un motor diesel, o turbină cu gaz sau chiar ambele, acționează un generator care furnizează curent pentru acționarea motoarelor și încărcarea bateriilor. Unele sisteme includ o cutie de viteze pentru a transfera puterea mecanică către unitățile finale, în timp ce altele nu.
În navele de război, centralele hibride permit utilizarea unor profile de viteză complexe și cu variații mari, în timp ce motoarele primare sunt operate într-un interval de viteză eficient: motoare electrice pentru propulsie silențioasă, motoare diesel pentru propulsie normală, turbine cu gaz pentru accelerație etc. Un submarin, alimentat prin metoda tradițională, nu își poate lansa dispozitivul de propulsie primar în timpul unei scufundări (dacă nu are snorkel) și, în acest sens, trebuie să se bazeze în principal pe baterii sau alt sistem de propulsie independent de aer. Mașinile uriașe de mișcare a pământului se bazează pe un cuplu enorm de zero rpm generat de motoarele electrice pentru a acționa, deoarece transmisiile manuale care ar putea face acest lucru ar fi uriașe, complexe și costisitoare. Trenurile se confruntă cu aceeași problemă și mai mult, întrucât trebuie să transporte cu ele câteva sute de tone din staționare, în multe cazuri până la viteze de peste 150 mph.
Un sistem hibrid de propulsie poate economisi combustibil, permițând utilizarea unui motor principal mai mic, mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil, fără degradare, deoarece sistemul, când șoferul apasă complet pedala de accelerație, completează motorul principal cu motoare electrice alimentate cu baterii. Acționările electrice permit, de asemenea, amortizarea motorului principal atunci când conduceți la viteze mici, atunci când poate fi relativ ineficient. Mașinile hibride moderne pot, de asemenea, stoca energie cinetică (de exemplu, dintr-un sistem de frânare regenerativă) și o pot folosi pentru a-și încărca bateriile. Economii suplimentare se realizează prin operarea primului motor de cele mai multe ori la cea mai eficientă gamă de viteză, precum și prin utilizarea oricărei energii suplimentare pentru a încărca baterii și / sau alimenta consumatorii electrici de la bord.
Vehiculele militare moderne necesită din ce în ce mai multă putere electrică pentru a opera sisteme de comunicații, echipamente de comandă și control, senzori de supraveghere și informații, cum ar fi optoelectronică și radare, stații de arme controlate de la distanță și dispozitive de blocare a dispozitivelor explozive improvizate (IED). Sistemele avansate precum armura electrică vor crește și mai mult consumul. Folosirea întregii puteri instalate pentru funcționarea sistemelor electrice este, în teorie, cel puțin mai eficientă decât a avea un sistem pentru propulsie și altul pentru echipamente specializate.
Se pune un accent din ce în ce mai mare pe capacitățile de supraveghere și colectare a informațiilor în misiunile de contrainsurgență și, ca rezultat, sunt prezentate cerințe de supraveghere silențioasă într-un număr tot mai mare de programe de vehicule blindate. Acest lucru crește și mai mult importanța consumului de energie electrică și face celulele de combustibil mai atractive.
Sistemele de acționare electrică hibridă se împart în două mari categorii: paralele și seriale. În sistemele paralele, un motor cu ardere internă și un motor electric (sau motoare electrice) rotesc roțile sau șinele printr-o cutie de viteze, fie separat, fie împreună. În sistemele hibride de serie, motorul principal acționează doar generatorul. Un sistem secvențial este mai simplu, toată puterea de acționare din el trebuie să treacă prin motoarele electrice și, prin urmare, acestea trebuie să fie mai mari decât motoarele electrice dintr-un sistem paralel cu aceleași cerințe de performanță ale mașinii. Au fost dezvoltate sisteme de ambele tipuri.
Inovațiile în acționările hibrid-electrice și în tehnologia celulei de combustibil pot fi extrase din tehnologia comercială. De exemplu, BAE Systems produce autobuze hibrid-electrice, tehnologia din care poate fi utilizată pentru a demonstra eficiența energetică și caracteristicile îmbunătățite ale evacuării vehiculelor hibrid-electrice moderne concepute pentru condiții grele.
Supraviețuire crescută
Sistemele hibride cresc, de asemenea, capacitatea de supraviețuire printr-un aspect mai flexibil și prin eliminarea componentelor de transmisie care ar putea deveni un proiectil lateral atunci când sunt detonate de o mină sau IED. Vehiculele blindate cu roți beneficiază în special de acest lucru. Prin integrarea motoarelor de acționare în butucii roților, toți arborii elicei, diferențialele, arborii de acționare și cutiile de viteze asociate cu transmisii manuale tradiționale sunt eliminate și înlocuite cu cabluri de alimentare și, prin urmare, nu pot deveni proiectile suplimentare. Eliminarea tuturor acestor mecanisme permite, de asemenea, compartimentul echipajului să fie ridicat deasupra solului la o anumită înălțime a vehiculului, făcând pasagerii mai puțin vulnerabili la exploziile sub carenă. Acest tip de design a fost utilizat în demonstratorul General Dynamics UK AHED 8x8 și în versiunea pe roți a mașinii SEP de la BAE Systems / Hagglunds, a cărei versiune urmărită a fost fabricată (și ulterior uitată în siguranță).
Motoarele electrice integrate în roțile individuale controlează puterea livrată fiecărei roți foarte precis și acest lucru, potrivit GD UK, aproape elimină avantajul șinelor față de roți în ceea ce privește terenul off-road.
Promițătorul vehicul de luptă la sol se va deplasa pe șine, iar propunerea BAE Systems / Northrop Grumman indică faptul că transmisia electrică E-X-DRIVE de la Qinetiq va fi mai ușoară, mai compactă și mai eficientă decât transmisiile tradiționale. De asemenea, permite accelerarea îmbunătățită, împreună cu toleranța la erori și este configurabil pentru o gamă largă de programe de adoptare a mașinilor și a tehnologiei, spune compania.
Deși sistemul include patru motoare cu magnet permanent, sistemul de propulsie din E-X-DRIVE nu este complet electric; recuperarea puterii la virare și schimbarea mecanică a vitezelor, acesta din urmă folosind un ambreiaj cu came. Acest design este o soluție cu risc scăzut, care minimizează eforturile asupra motoarelor, angrenajelor, arborilor și rulmenților. Utilizarea unui aranjament transversal al arborelui pentru a regenera puterea mecanică în mecanismul de oscilație este o alternativă la utilizarea roților motoare independente într-o transmisie pur electrică.
Una dintre inovațiile din centrul E-X-DRIVE este cutia de viteze centrală (cunoscută sub numele de diferențial de reglare), care combină cuplul motorului de direcție, cuplul motorului principal și mecanismul de recuperare a controlului mecanic menționat anterior. În plus față de minimizarea sarcinilor de torsiune, elimină volumul și greutatea arborelui transversal extern utilizat în soluțiile tradiționale și alte sisteme hibride de acționare electrică.
Progrese în domeniul ingineriei electrice
Motoarele cu magnet permanent sunt o zonă a tehnologiei care a îmbunătățit mult eficiența și densitatea de putere a sistemelor de acționare electrică în toate aplicațiile în ultimii ani. Motoarele cu magneți permanenți se bazează pe magneți puternici din pământuri rare pentru a genera câmpuri magnetice în componentele statorului, mai degrabă decât pe înfășurări care transportă curent (electromagneti). Acest lucru face motoarele mai eficiente, în special datorită faptului că numai rotorul trebuie să fie alimentat cu curent electric.
Electronica modernă de putere este, de asemenea, o tehnologie cheie pentru vehiculele electrice hibride de toate tipurile. Controlerele de motor bazate pe IGBT, de exemplu, controlează fluxul de energie de la o baterie, generator sau celule de combustibil pentru a determina viteza de rotație și cuplul de ieșire de la motoarele electrice. Acestea sunt mult mai eficiente decât sistemele de control electromecanice și îmbunătățesc semnificativ performanța unităților de viteză variabilă - o tehnologie care este mult mai puțin matură decât unitățile de viteză fixă care sunt utilizate pe scară largă în industrie.
TDI Power din New Jersey este un exemplu de investitor care investește în electronice de putere răcite cu lichid pentru vehicule electrice și hibride pentru aplicații civile și militare. Compania produce convertoare și invertoare modulare standard DC / DC care depășesc standardele actuale SAE și MIL.
Acționările electrice în vehiculele militare vor beneficia de cercetare-dezvoltare extinsă pe acționările cu viteză variabilă pentru industrie, alimentate de perspectiva unei economii generale de energie de aproximativ 15-30%, care se poate realiza dacă mașinile cu angrenaj fix sunt înlocuite cu acționări cu viteză variabilă pentru majoritatea industriilor. utilizatorii, așa cum este subliniat într-un studiu recent al Universității din Newcastle comandat de Autoritatea pentru Știință și Inovare din Marea Britanie. „Îmbunătățirea eficienței potențiale a sarcinilor de acționare este proiectată pentru a economisi Marea Britanie cu 15 kWh miliarde de ore pe an și, combinată cu o eficiență îmbunătățită a motorului și acționării, economii totale de 24 de miliarde de kWh”, a spus studiul.
Una dintre modalitățile importante de îmbunătățire a eficienței transmiterii puterii în orice sistem electric este creșterea tensiunii, deoarece legea lui Ohm dictează că pentru orice putere dată, cu cât este mai mare tensiunea, cu atât este mai mic curentul. Curenții mici pot trece prin fire subțiri, permițând sistemelor electrice compacte și ușoare să asigure sarcinile necesare. Acesta este motivul pentru care rețelele electrice naționale utilizează tensiuni foarte mari atunci când transmit energie; Rețelele electrice britanice, de exemplu, își operează liniile de transmisie cu până la 400.000 de volți.
Este puțin probabil ca sistemele electrice ale vehiculelor militare să utilizeze tensiuni de această magnitudine, dar zilele de 28 de volți și sistemele electrice similare par a fi numerotate. În 2009, de exemplu, Qinetiq a fost selectat de Departamentul Britanic al Apărării pentru a cerceta generarea și distribuția energiei electrice folosind tehnologia de 610 volți. Qinetiq a condus o echipă care a inclus BAE Systems și specialistul în mașini electrice Provector Ltd, care a transformat WARRIOR 2000 BMP într-un demonstrator capabil să alimenteze clienții cu cerere mare de 610 volți, precum și echipamentele existente de 28 volți. Mașina este echipată cu două generatoare de 610 volți, fiecare furnizând de două ori puterea mașinii originale, cvadruplând efectiv puterea electrică a Războinicului.
Energia pentru un vehicul care utilizează pilele de combustibil de la SFC
Soldații din domeniu au nevoie de o sursă fiabilă de energie pentru mașinile lor. Trebuie să furnizeze curent dispozitivelor de la bord, precum radiouri, echipamente de comunicații, sisteme de arme și sisteme electronice optice. Dar, atunci când este necesar, ar trebui să acționeze și ca o stație de încărcare pentru soldații aflați în misiune.
De multe ori nu este posibil să porniți motorul pentru a încărca bateriile atunci când efectuați sarcina, datorită faptului că acest lucru poate dezvălui locația unității. Prin urmare, soldații au nevoie de o modalitate de a obține curent electric - în liniște, în mod constant și independent.
Sistemul SFC EMILY 2200 se bazează pe tehnologia de succes a celulelor de combustibil EFOY. Instalată pe aparat, unitatea EMILY asigură că bateriile rămân încărcate constant. Regulatorul său încorporat monitorizează constant tensiunea din baterii și reîncarcă automat bateriile atunci când este necesar. Funcționează în tăcere și singura sa „evacuare” este vapori de apă și dioxid de carbon în cantități comparabile cu respirația unui copil.
Mașinile mari necesită baterii mari. Acest pachet de celule litiu-ion face parte din tehnologia hibridă de propulsie a magistralei BAE Systems.
Sunt posibile pilele de combustibil?
Celulele de combustibil, care utilizează procese chimice pentru a converti direct combustibilul în curent electric cu o eficiență mare, au fost mult timp văzute ca o tehnologie care poate fi utilizată pe scară largă în domeniul militar, inclusiv propulsarea unei mașini și generarea de energie electrică la bord. Cu toate acestea, există obstacole tehnice semnificative care trebuie depășite. În primul rând, celulele de combustibil funcționează cu hidrogen și se amestecă cu oxigenul din aer pentru a genera curent electric ca produs secundar. Hidrogenul nu este disponibil și este greu de depozitat și transportat.
Există multe exemple de celule de combustibil care alimentează vehiculele electrice, dar toate sunt experimentale. În lumea automobilelor, FCX CLARITY de la Honda este probabil cea mai apropiată disponibilitate față de un produs comercial, dar chiar și atunci este disponibilă numai în zonele în care există o anumită infrastructură de alimentare cu hidrogen și numai în cadrul contractelor de închiriere. Chiar și producătorii de celule de combustie de renume precum Ballard Power recunosc limitările actuale ale acestei tehnologii pentru utilizarea în automobile. Compania spune că „producția în masă a vehiculelor cu pile de combustie este pe termen lung. Astăzi, majoritatea producătorilor de automobile consideră că producția în serie a vehiculelor cu pilă de combustibil nu este fezabilă decât în jurul anului 2020, din cauza industriei care se confruntă cu probleme de distribuție a hidrogenului, optimizând durabilitatea, densitatea energiei, capacitatea de pornire la cald și costul pilelor de combustibil.”
Cu toate acestea, toți cei mai mari producători de autovehicule din lume investesc puternic în cercetarea și dezvoltarea celulelor de combustibil, adesea împreună cu producătorii de pile de combustibil. Ballard, de exemplu, face parte din Automotive Fuel Cell Cooperation, o societate mixtă între Ford și Daimler AG. Armata pune un alt obstacol în calea adoptării pilelor de combustibil sub forma cerinței sale ca totul să funcționeze pe combustibili „logistici”. Celulele de combustibil pot funcționa cu motorină sau kerosen, dar mai întâi trebuie modificate pentru a extrage hidrogenul de care au nevoie. Acest proces necesită echipamente complexe și voluminoase, care afectează dimensiunea, greutatea, costul, complexitatea și eficiența sistemului general.
O altă limitare a pilelor de combustibil atunci când funcționează ca motor principal al unui vehicul militar este faptul că acestea au cel mai bun randament la puteri constante și nu pot răspunde rapid la modificările necesare. Aceasta înseamnă că trebuie să fie suplimentate cu baterii și / sau supercondensatoare și electronice de reglare a puterii asociate pentru a satisface sarcinile de vârf.
În domeniul „supercondensatorilor”, compania estonă Skeleton Industries a dezvoltat o linie de supercondensatori SkelCap de ultimă generație, care sunt de cinci ori mai puternici pe litru de volum sau de peste patru ori mai puternici pe kilogram decât bateriile militare premium. În practică, acest lucru înseamnă cu 60% mai multă putere și de patru ori mai mare decât curentul comparativ cu cele mai bune baterii militare. „Supercondensatoarele” SkelCap oferă o explozie instantanee de putere și sunt utilizate pentru o gamă largă de aplicații, de la controlul focului la rezervoarele de turelă. Ca parte a grupului United Armaments International (UAI), SkelCap îndeplinește diverse comenzi specializate, precum și programe extinse prin intermediul grupului UAI cu sediul în Tallinn.
Supercondensatoare de la Skeleton Industries
Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că pilele de combustibil nu își vor găsi un loc în vehiculele militare hibride și electrice. Cea mai promițătoare aplicație imediată este unitățile de alimentare auxiliare (APU) la vehiculele care efectuează sarcini de supraveghere silențioasă de tip ISTAR (colectarea informațiilor, desemnarea țintei și recunoașterea).„În modul de supraveghere silențioasă, motoarele vehiculelor nu trebuie să funcționeze, iar bateriile singure nu pot furniza suficientă energie pentru operațiuni pe termen lung”, spune Centrul de Cercetare Inginerie a Armatei SUA, care conduce dezvoltarea generatoarelor de celule de combustibil cu oxid solid și a APU-urilor care poate funcționa cu combustibili militari, motorină și kerosen.
Această organizație se concentrează în prezent pe sisteme de până la 10 kW, cu accent pe integrarea completă a sistemelor de combustibil cu necesitățile de funcționare ale unui kit de celule de combustibil. Sarcinile care trebuie abordate în proiectarea sistemelor practice includ controlul vaporizării și poluării, în special controlul sulfului prin desulfurare (desulfurare) și utilizarea materialelor rezistente la sulf, precum și evitarea formării depozitelor de carbon în sistem.
Acționările electrice hibride au multe de oferit pentru vehiculele militare, dar va trece ceva timp până când beneficiile acestei tehnologii vor deveni tangibile.
