EMILY 3000 -brenselscellesystemet har en utgangseffekt på 125 W og en daglig ladekapasitet på 6 kWh. Den kan lade flere batterier eller fungere som en feltgenerator. Systemet ble laget spesielt for militære applikasjoner, inkludert testscenarier der data om nye forsvarssystemer må samles inn og evalueres i feltet.
Til syvende og sist tilbyr hybridkraftverk sammenlignbare eller enda bedre fordeler med pansrede kjøretøyer. Selv om drivstoffeffektivitet, i det minste historisk sett, ikke har vært øverst på listen over obligatoriske egenskaper for pansrede kjøretøyer, øker det likevel kjørelengde og / eller varighet for en gitt drivstoffkapasitet, øker nyttelast, beskyttelse eller ildkraft for en gitt total vekt og generelt redusere den samlede logistikkbyrden for flåten
Den elektriske hybriddriften kan spille en viktig rolle i fremtiden for militære kjøretøyer, men den tilsvarende avlysningen og reduksjonen av volumet til mange forsvarsprogrammer (for ikke å glemme de berømte FCS og FRES) og kampen for å oppfylle presserende krav til beskyttede kjøretøyer har utsatt implementeringen på militære kjøretøy på ubestemt tid.
Da søkere til det amerikanske bakkekampkjøretøyet GCV (Ground Combat Vehicle) ble kunngjort i januar 2011, var blant dem et prosjekt fra BAE Systems / Northrop Grumman-teamet med en hybrid elektrisk kraftenhet med E-X-DRIVE-systemet fra Qinetiq. Dette kan sees på som en slags gamble fordi ingen av kandidatene til JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) lett taktisk kjøretøyprogram, som også inkluderte en hybrid elektrisk stasjon, ikke kvalifiserte seg til finalen på grunn av det faktum at i henhold til tilgjengelige data, antas det at teknologien for denne maskinen ennå ikke er moden nok på dette tidspunktet. Likevel har historien til hybridelektriske stasjoner i bakkekampbiler et tilstrekkelig antall programmer for å utvikle og demonstrere denne teknologien. Det er noe utilgivelig og uunngåelig med den globale jakten på teknologi som lover å spare drivstoff, forbedre ytelsen og overlevelsesevnen, samtidig som den oppfyller den økende etterspørselen etter strøm ombord. Dette er utvilsomt underbygget av parallelle utviklinger i bilindustrien, drevet av miljølovgivning.
Militære kjøretøyprodusenter og systemleverandører har investert tungt i denne teknologien, ofte presset av noen av de nevnte ambisiøse regjeringsprogrammene, før de møtte den spesielle usikkerheten som ligger i langsiktige regjeringsplaner. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks og Qinetiq har utviklet elektriske hybriddrev for Storbritannia, USA og svenske programmer, mens Nexter jobber med ARCHYBALD teknologiutviklingsprogram for tunge kjøretøyer, sivile og militære.
Elektrisk drivoverføring E-X-DRIVE for beltebiler fra QinetiQ, lett, kompakt og effektivt system
Hybrid forgjengerne
Hybride fremdriftssystemer har blitt godt etablert i krigsskip, spesielt på ubåter, tog og tunge lastebiler som brukes i steinbrudd og gruver. I disse applikasjonene driver en primus motor, for eksempel en dieselmotor, en gassturbin, eller til og med begge deler, en generator som leverer strøm til å drive motorer og lade batterier. Noen systemer inkluderer en girkasse for å overføre mekanisk kraft til de siste stasjonene, mens andre ikke gjør det.
På krigsskip tillater hybridkraftverk bruk av komplekse og vidt varierende hastighetsprofiler, mens drivmotorene drives i et effektivt hastighetsområde: elektriske motorer for stille fremdrift, dieselmotorer for normal fremdrift, gassturbiner for akselerasjon, etc. En ubåt, drevet av den tradisjonelle metoden, kan ikke starte sin primære fremdriftsenhet under et dykk (hvis den ikke har en snorkel), og i denne forbindelse må man hovedsakelig stole på batterier eller annet luftuavhengig fremdriftssystem. Store jordmaskinmaskiner er avhengige av et enormt dreiemoment med null omdreininger generert av elektriske motorer for å kjøre fordi manuelle girkasser som kan utføre denne typen arbeid ville være enorme, komplekse og dyre. Tog står overfor det samme problemet enda mer, ettersom de må hale flere hundre tonn med seg fra stillstand, i mange tilfeller opp til hastigheter på over 150 km / t.
Et hybrid fremdriftssystem kan spare drivstoff ved å la en mindre, mer drivstoffeffektiv drivmotor brukes uten forringelse, fordi systemet når føreren trykker gasspedalen helt ut, kompletterer hovedmotoren med batteridrevne elektriske motorer. Elektriske drivenheter tillater også demping av drivmotoren ved kjøring i lave hastigheter, når den kan være relativt ineffektiv. Moderne hybridbiler kan også lagre kinetisk energi (for eksempel fra et regenerativt bremsesystem) og bruke den til å lade batteriene. Ytterligere besparelser oppnås ved å bruke hovedmotoren mesteparten av tiden ved sitt mest effektive hastighetsområde, samt ved å bruke ekstra energi til å lade batterier og / eller bruke elektriske forbrukere ombord.
Moderne militære kjøretøyer krever mer og mer elektrisk kraft for å betjene kommunikasjonssystemer, kommando- og kontrollutstyr, overvåkings- og etterretningssensorer som optoelektronikk og radarer, fjernstyrte våpenstasjoner og improviserte jammere for eksplosive enheter (IED). Avanserte systemer som elektrisk rustning vil øke forbruket ytterligere. Å bruke all installert kraft til å drive elektriske systemer er i teorien i det minste mer effektivt enn å ha et system for fremdrift og et annet for spesialisert utstyr.
Det legges stadig større vekt på overvåking og innsamling av etterretninger i motopprørsoppdrag, og som et resultat stilles stille overvåkningskrav i et økende antall pansrede kjøretøyprogrammer. Dette øker betydningen av elektrisk strømforbruk ytterligere og gjør brenselceller mer attraktive.
Hybride elektriske drivsystemer faller i to brede kategorier: parallell og serie. I parallelle systemer roterer en forbrenningsmotor og en elektrisk motor (eller elektriske motorer) hjulene eller sporene gjennom en girkasse, enten separat eller sammen. I seriehybridsystemer driver primus motoren bare generatoren. Et sekvensielt system er enklere, all drivkraften i det må gå gjennom elektromotorene, og derfor må de være større enn elektromotorene i et parallelt system med de samme maskinkapasitetskravene. Systemer av begge typer er utviklet.
Innovasjoner innen hybridelektriske stasjoner og brenselcelleteknologi kan hentes fra kommersiell teknologi. For eksempel produserer BAE Systems hybrid-elektriske busser, teknologien som kan brukes for å demonstrere energieffektivitet og forbedrede eksosegenskaper for moderne hybrid-elektriske kjøretøyer designet for tunge forhold.
Økt overlevelsesevne
Hybridsystemer øker også overlevelsesevnen gjennom et mer fleksibelt oppsett og eliminering av overføringskomponenter som kan bli et sideprosjekt når detoneres av en gruve eller IED. Pansrede kjøretøyer med hjul har spesielt godt av dette. Ved å integrere drivmotorene i hjulnavene elimineres alle propellaksler, differensialer, drivaksler og girkasser som er knyttet til tradisjonelle manuelle girkasser og erstattes med kraftkabler og kan derfor ikke bli ytterligere prosjektiler. Å eliminere alle disse mekanismene gjør det også mulig å heve besetningsrommet over bakken i en gitt kjøretøyhøyde, noe som gjør passasjerene mindre sårbare for eksplosjoner under skroget. Denne typen design ble brukt i General Dynamics UK AHED 8x8 demonstrator og hjulversjonen av SEP -maskinen fra BAE Systems / Hagglunds, hvis sporversjon også ble produsert (og senere trygt glemt).
De elektriske motorene som er integrert i de enkelte hjulene styrer kraften som leveres til hvert hjul veldig presist, og dette, ifølge GD UK, eliminerer nesten fordelen med spor over hjul når det gjelder terreng.
Det lovende bakkekampkjøretøyet vil bevege seg på spor og BAE Systems / Northrop Grumman-forslaget indikerer at Qinetiqs E-X-DRIVE elektriske girkasse vil være lettere, mer kompakt og mer effektiv enn tradisjonelle girkasser. Det gir også forbedret akselerasjon sammen med feiltoleranse og kan konfigureres for et bredt spekter av maskin- og teknologiprogrammer, sier selskapet.
Selv om systemet inkluderer fire permanente magnetmotorer, er ikke drivlinjen i E-X-DRIVE helt elektrisk; kraftgjenvinning ved svinger og mekanisk girskift, sistnevnte ved hjelp av en kamclutch. Denne designen er en lavrisikoløsning som minimerer belastninger på motorer, tannhjul, aksler og lagre. Bruken av et tverrgående akselarrangement for å regenerere mekanisk kraft i svingemekanismen er et alternativ til bruk av uavhengige drivhjul i en rent elektrisk overføring.
En av nyvinningene i hjertet av E-X-DRIVE er sentergirkassen (kjent som en justeringsdifferensial), som kombinerer styremotorens dreiemoment, hovedmotormomentet og den tidligere nevnte mekaniske kontrollgjenopprettingsmekanismen. I tillegg til å minimere vridningsbelastninger, eliminerer den bulk og vekt av den eksterne tverrakselen som brukes i tradisjonelle løsninger og andre hybrid elektriske drivsystemer.
Fremskritt innen elektroteknikk
Permanente magnetmotorer er et teknologiområde som har forbedret effektiviteten og effekttettheten til elektriske drivsystemer i alle applikasjoner de siste årene. Permanente magnetmotorer er avhengige av naturlig forekommende kraftige sjeldne jordartsmagneter for å generere magnetfelt i statorkomponentene, snarere enn på strømførende viklinger (elektromagneter). Dette gjør motorene mer effektive, spesielt på grunn av at bare rotoren trenger å få elektrisk strøm.
Moderne kraftelektronikk er også en nøkkelteknologi for alle typer hybridbiler. IGBT -baserte motorstyringer, for eksempel, styrer strømmen fra et batteri, generator eller brenselceller for å bestemme rotasjonshastigheter og utgangsmoment fra elektriske motorer. De er mye mer effektive enn elektromekaniske kontrollsystemer og forbedrer ytelsen til frekvensomformere betydelig - en teknologi som er langt mindre moden enn frekvensomformere som er mye brukt i industrien.
New Jersey-baserte TDI Power er et eksempel på at en investor investerer i væskekjølt kraftelektronikk for elektriske og hybridbiler for sivile og militære applikasjoner. Selskapet produserer standard modulære DC / DC -omformere og omformere som overskrider gjeldende SAE- og MIL -standarder.
Elektriske stasjoner i militære kjøretøyer vil dra fordel av omfattende FoU på frekvensomformere for industrien, drevet av utsiktene til en samlet energibesparelse på rundt 15-30%, noe som kan realiseres hvis faste girmaskiner erstattes av frekvensomformere for de fleste industrielle brukere, som skissert i en nylig studie av University of Newcastle på oppdrag fra UK Science and Innovation Authority. "Forbedring av potensiell effektivitet for drivlast forventes å spare Storbritannia 15 kWh milliarder timer i året, og når det kombineres med forbedret motor- og driveffektivitet, totale besparelser på 24 milliarder kWh," sa studien.
En av de viktige måtene å forbedre effektiviteten til kraftoverføring i ethvert elektrisk system er å øke spenningen, siden Ohms lov tilsier at for enhver gitt effekt, jo høyere spenning, jo lavere strøm. Små strømmer kan passere gjennom tynne ledninger, slik at kompakte, lette elektriske systemer kan levere den nødvendige belastningen. Det er derfor nasjonale strømnett bruker svært høye spenninger ved overføring av strøm; Britiske kraftnett opererer for eksempel transmisjonslinjene sine med opptil 400 000 volt.
Det er usannsynlig at de elektriske systemene til militære kjøretøyer vil bruke spenninger av denne størrelsen, men dagene på 28 volt og lignende elektriske systemer ser ut til å være nummererte. I 2009 ble Qinetiq for eksempel valgt av det britiske forsvarsdepartementet for å forske på produksjon og distribusjon av elektrisk kraft ved bruk av 610 volt teknologi. Qinetiq ledet et team som inkluderte BAE Systems og spesialist på elektriske maskiner Provector Ltd, som konverterte WARRIOR 2000 BMP til en demonstrator som var i stand til å drive 610 volt høye etterspørselskunder samt eksisterende 28 volt utstyr. Maskinen er utstyrt med to 610 volt generatorer, som hver gir to ganger kraften til den opprinnelige maskinen, og firedobler effektivt Warriors elektriske effekt.
Energi til et kjøretøy som bruker brenselceller fra SFC
Soldater i feltet trenger en pålitelig energikilde for maskinene sine. Den må levere strøm til innebygde enheter som radioer, kommunikasjonsutstyr, våpensystemer og optiske elektroniske systemer. Men når det er nødvendig, bør det også fungere som en ladestasjon for soldater på oppdrag.
Ofte er det ikke mulig å starte motoren for å lade batteriene når du utfører oppgaven, på grunn av at dette kan avsløre plasseringen av enheten. Derfor trenger soldatene en måte å få elektrisk strøm - stille, konstant og uavhengig av hverandre.
SFCs EMILY 2200 -system er basert på den vellykkede EFOY -brenselcelleteknologien. EMILY -enheten er installert på maskinen og sørger for at batteriene forblir konstant ladet. Den innebygde regulatoren overvåker konstant spenningen i batteriene og lader automatisk batteriene ved behov. Den fungerer stille og den eneste "eksosen" er vanndamp og karbondioksid i mengder som kan sammenlignes med pusten til et barn.
Store maskiner krever store batterier. Denne litiumioncellepakken er en del av BAE Systems 'hybridbussfremdriftsteknologi.
Er brenselceller mulig?
Drivstoffceller, som bruker kjemiske prosesser for å direkte konvertere drivstoff til elektrisk strøm med stor effektivitet, har lenge blitt sett på som en teknologi som kan brukes mye på militærområdet, inkludert å drive en bil og generere elektrisitet om bord. Det er imidlertid betydelige tekniske hindringer som må overvinnes. For det første kjører drivstoffceller på hydrogen og blander det med oksygen fra luften for å generere elektrisk strøm som et biprodukt. Hydrogen er ikke lett tilgjengelig og vanskelig å lagre og transportere.
Det er mange eksempler på brenselceller som driver elektriske kjøretøyer, men de er alle eksperimentelle. I bilverdenen er Hondas FCX CLARITY sannsynligvis den nærmeste tilgjengeligheten til et kommersielt produkt, men selv da er det bare tilgjengelig i områder der det er noen hydrogenpåfyllingsinfrastruktur og bare under leieavtaler. Selv ledende brenselcelleprodusenter som Ballard Power gjenkjenner de nåværende begrensningene for denne teknologien for bruk i biler. Selskapet sier at masseproduksjon av brenselcellebiler er på lang sikt. I dag tror de fleste bilprodusenter at serieproduksjon av brenselcellebiler ikke er mulig før rundt 2020, på grunn av industrien som står overfor problemer med hydrogendistribusjon, optimalisering av holdbarhet, energitetthet, varmstart og brenselcellkostnader.
Imidlertid investerer alle verdens største bilprodusenter tungt i FoU for brenselceller, ofte i samarbeid med produsenter av brenselceller. Ballard er for eksempel en del av Automotive Fuel Cell Cooperation, et joint venture mellom Ford og Daimler AG. Militæret setter en annen hindring for adopsjon av brenselceller i form av sitt krav om at alt må gå på "logistisk" drivstoff. Drivstoffceller kan kjøres på diesel eller parafin, men de må først modifiseres for å trekke ut hydrogenet de trenger. Denne prosessen krever komplekst og omfangsrikt utstyr, som påvirker størrelsen, vekten, kostnaden, kompleksiteten og effektiviteten til det generelle systemet.
En annen begrensning av brenselceller når de fungerer som primus motor for et militært kjøretøy, er det faktum at de yter best ved konstante effektinnstillinger og ikke kan svare raskt på nødvendige endringer. Dette betyr at de må suppleres med batterier og / eller superkondensatorer og tilhørende effektreguleringselektronikk for å møte toppeffektbelastninger.
Innen "superkapasitorer" har det estiske selskapet Skeleton Industries utviklet en serie med topp moderne SkelCap-superkapasitorer som er fem ganger kraftigere per liter volum eller mer enn fire ganger kraftigere per kilo enn premium militære batterier. I praksis betyr dette 60 prosent mer kraft og fire ganger strømmen sammenlignet med de beste militære batteriene. SkelCaps "superkapasitorer" gir et øyeblikkelig utbrudd av strøm og brukes til en rekke bruksområder, fra brannkontroll til tårnstanker. Som en del av United Armaments International (UAI) -gruppen, oppfyller SkelCap ulike spesialiserte ordrer samt utvidede programmer gjennom UAI -gruppen med base i Tallinn.
Superkondensatorer fra Skeleton Industries
Dette betyr imidlertid ikke at brenselceller ikke finner plass i hybrid- og elektriske militære kjøretøyer. Den mest lovende umiddelbare applikasjonen er hjelpekraftenheter (APU) i kjøretøyer som utfører stille overvåkingsoppgaver av typen ISTAR (informasjonsinnhenting, målbetegnelse og rekognosering)."I stille overvåkingsmodus trenger ikke bilmotorer å kjøre, og batterier alene kan ikke gi nok strøm til langsiktige operasjoner," sier US Army Engineering Research Center, som leder utviklingen av brenselcellegeneratorer og APUer for fast oksid som kan operere på militært drivstoff, diesel og parafin.
Denne organisasjonen fokuserer for tiden på systemer opp til 10 kW med vekt på å fullt integrere drivstoffsystemer med driftsbehovet til et brenselcellesett. Oppgaver som må tas opp i utformingen av praktiske systemer inkluderer kontroll av fordampning og forurensning, spesielt kontroll av svovel gjennom avsvovling (avsvovling) og bruk av svovelresistente materialer, samt å unngå dannelse av karbonforekomster i systemet.
Hybride elektriske stasjoner har mye å tilby for militære kjøretøyer, men det vil ta en stund før fordelene med denne teknologien blir håndgripelige.
