System ogniw paliwowych EMILY 3000 ma znamionową moc wyjściową 125 W i dzienną pojemność ładowania 6 kWh. Może ładować wiele akumulatorów lub działać jako generator pola. System został stworzony specjalnie do zastosowań wojskowych, w tym scenariuszy testowych, w których dane dotyczące nowych systemów obronnych muszą być zbierane i oceniane w terenie.
Ostatecznie elektrownie hybrydowe oferują porównywalne lub nawet lepsze korzyści niż pojazdy opancerzone. Chociaż efektywność paliwowa, przynajmniej historycznie, nie znajdowała się na szczycie listy obowiązkowych charakterystyk pojazdów opancerzonych, to jednak zwiększa przebieg i/lub czas trwania dla danej pojemności paliwa, zwiększa ładowność, ochronę lub siłę ognia dla danej sumy. waga i ogólnie zmniejszyć ogólne obciążenie logistyczne floty
Hybrydowy napęd elektryczny może odegrać ważną rolę w przyszłości pojazdów wojskowych, ale związane z tym anulowanie i zmniejszenie wolumenu wielu programów obronnych (nie zapominając o słynnych FCS i FRES) oraz walka o spełnienie pilnych wymagań dla chronionych pojazdów odłożyła się na później jego wdrożenie w pojazdach wojskowych bezterminowo.
Kiedy jednak w styczniu 2011 roku ogłoszono kandydatów na amerykański naziemny pojazd bojowy GCV (Ground Combat Vehicle), wśród nich znalazł się projekt zespołu BAE Systems/Northrop Grumman z hybrydowym zespołem elektrycznym z systemem E-X-DRIVE firmy Qinetiq. Można to potraktować jako swoisty hazard, ponieważ żaden z pretendentów do programu lekkiego pojazdu taktycznego JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), w skład którego wchodził również hybrydowy napęd elektryczny, nie zakwalifikował się do finału ze względu na fakt, że według dostępnych danych, uważa się, że technologia dla tej maszyny nie jest jeszcze wystarczająco dojrzała w tym momencie. Niemniej jednak historia hybrydowych napędów elektrycznych w naziemnych wozach bojowych ma wystarczającą liczbę programów do opracowania i demonstracji tej technologii. Jest coś bezlitosnego i nieuniknionego w globalnym poszukiwaniu technologii, która obiecuje oszczędzać paliwo, poprawiać wydajność i przeżywalność, jednocześnie zaspokajając rosnące zapotrzebowanie na pokładową energię elektryczną. Jest to niewątpliwie poparte równoległymi zmianami w przemyśle motoryzacyjnym, napędzanymi przez przepisy dotyczące ochrony środowiska.
Producenci pojazdów wojskowych i dostawcy systemów zainwestowali znaczne środki w tę technologię, często popychani przez niektóre z wyżej wymienionych ambitnych programów rządowych, zanim staną w obliczu szczególnej niepewności związanej z długoterminowymi planami rządowymi. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks i Qinetiq opracowały hybrydowe napędy elektryczne dla programów w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i Szwecji, natomiast Nexter pracuje nad programem rozwoju technologii ARCHYBALD dla pojazdów ciężkich, cywilnych i wojskowych.
Przekładnia napędu elektrycznego E-X-DRIVE do pojazdów gąsienicowych firmy QinetiQ, lekki, kompaktowy i wydajny system
Hybrydowi poprzednicy
Hybrydowe systemy napędowe zadomowiły się na okrętach wojennych, zwłaszcza na okrętach podwodnych, pociągach i ciężkich samochodach ciężarowych używanych w kamieniołomach i kopalniach odkrywkowych. W tych zastosowaniach główne urządzenie poruszające, takie jak silnik wysokoprężny, turbina gazowa, a nawet oba, napędza generator, który dostarcza prąd do napędzania silników i ładowania akumulatorów. Niektóre systemy zawierają skrzynię biegów do przenoszenia mocy mechanicznej na zwolnice, podczas gdy inne nie.
Na okrętach wojennych elektrownie hybrydowe umożliwiają stosowanie złożonych i bardzo zróżnicowanych profili prędkości, podczas gdy główne silniki działają w efektywnym zakresie prędkości: silniki elektryczne do cichego napędu, silniki Diesla do normalnego napędu, turbiny gazowe do przyspieszania itp. Okręt podwodny napędzany metodą tradycyjną nie może podczas nurkowania uruchomić swojego napędu głównego (jeśli nie ma fajki) i w tym zakresie należy polegać głównie na bateriach lub innym napędzie niezależnym od powietrza. Gigantyczne maszyny do robót ziemnych opierają się na ogromnym momencie obrotowym zerowym generowanym przez silniki elektryczne, ponieważ ręczne skrzynie biegów, które mogłyby wykonywać tego rodzaju prace, byłyby ogromne, złożone i drogie. Z tym samym problemem borykają się pociągi tym bardziej, że muszą ciągnąć ze sobą kilkaset ton z postoju, w wielu przypadkach do prędkości przekraczających 150 mil na godzinę.
Hybrydowy układ napędowy może oszczędzać paliwo, pozwalając na używanie mniejszego, bardziej oszczędnego głównego napędu bez degradacji, ponieważ system, gdy kierowca całkowicie wciska pedał przyspieszenia, uzupełnia główny silnik silnikami elektrycznymi zasilanymi bateriami. Napędy elektryczne umożliwiają również tłumienie siły napędowej podczas jazdy z małą prędkością, kiedy może to być stosunkowo nieefektywne. Nowoczesne samochody hybrydowe potrafią również magazynować energię kinetyczną (na przykład z regeneracyjnego układu hamulcowego) i wykorzystywać ją do ładowania akumulatorów. Dodatkowe oszczędności uzyskuje się, pracując przez większość czasu w najbardziej wydajnym zakresie prędkości, a także wykorzystując dodatkową energię do ładowania akumulatorów i/lub zasilania pokładowych odbiorników elektrycznych.
Współczesne pojazdy wojskowe potrzebują coraz więcej energii elektrycznej do obsługi systemów łączności, sprzętu dowodzenia i kontroli, czujników obserwacyjnych i wywiadowczych, takich jak optoelektronika i radary, zdalnie sterowanych stacji uzbrojenia oraz zakłócaczy improwizowanych urządzeń wybuchowych (IED). Zaawansowane systemy, takie jak pancerz elektryczny, jeszcze bardziej zwiększą zużycie. Wykorzystanie całej zainstalowanej mocy do obsługi systemów elektrycznych jest teoretycznie co najmniej wydajniejsze niż posiadanie jednego systemu do napędu, a drugiego do sprzętu specjalistycznego.
Coraz większy nacisk kładzie się na możliwości obserwacji i zbierania informacji wywiadowczych w misjach przeciwpartyzanckich, w wyniku czego w coraz większej liczbie programów pojazdów opancerzonych stawia się wymagania dotyczące cichego nadzoru. To dodatkowo zwiększa znaczenie zużycia energii elektrycznej i czyni ogniwa paliwowe bardziej atrakcyjnymi.
Hybrydowe systemy napędu elektrycznego dzielą się na dwie szerokie kategorie: równoległe i szeregowe. W układach równoległych silnik spalinowy i silnik elektryczny (lub silniki elektryczne) obracają koła lub gąsienice poprzez skrzynię biegów, oddzielnie lub razem. W szeregowych układach hybrydowych główne urządzenie poruszające napędza tylko generator. System sekwencyjny jest prostszy, cała moc napędowa musi przejść przez silniki elektryczne, a zatem muszą być większe niż silniki elektryczne w systemie równoległym o tych samych wymaganiach dotyczących wydajności maszyny. Opracowano systemy obu typów.
Innowacje w napędach hybrydowo-elektrycznych i technologii ogniw paliwowych można czerpać z technologii komercyjnej. Na przykład BAE Systems produkuje autobusy hybrydowo-elektryczne, których technologia może być wykorzystana do wykazania efektywności energetycznej i ulepszonej charakterystyki spalin nowoczesnych pojazdów hybrydowo-elektrycznych zaprojektowanych do pracy w ciężkich warunkach.
Zwiększona przeżywalność
Systemy hybrydowe zwiększają również przeżywalność poprzez bardziej elastyczny układ i eliminację elementów przekładni, które mogłyby stać się pociskiem bocznym po zdetonowaniu przez minę lub IED. Szczególnie korzystają na tym kołowe pojazdy opancerzone. Dzięki zintegrowaniu silników napędowych z piastami kół, wszystkie wały napędowe, dyferencjały, wały napędowe i skrzynie biegów związane z tradycyjnymi ręcznymi skrzyniami biegów są wyeliminowane i zastąpione kablami zasilającymi, a zatem nie mogą stać się dodatkowymi pociskami. Wyeliminowanie wszystkich tych mechanizmów umożliwia również podniesienie przedziału załogi nad ziemię na danej wysokości pojazdu, dzięki czemu pasażerowie są mniej narażeni na eksplozje pod kadłubem. Tego typu konstrukcja została wykorzystana w demonstratorze General Dynamics UK AHED 8x8 oraz w kołowej wersji maszyny SEP firmy BAE Systems / Hagglunds, której wersja gąsienicowa również została wyprodukowana (a następnie bezpiecznie zapomniana).
Silniki elektryczne zintegrowane z poszczególnymi kołami bardzo precyzyjnie kontrolują moc dostarczaną do każdego koła, co według GD UK prawie eliminuje przewagę gąsienic nad kołami pod względem terenu.
Obiecujący naziemny pojazd bojowy będzie poruszał się po torach, a propozycja BAE Systems / Northrop Grumman wskazuje, że elektryczna skrzynia biegów E-X-DRIVE firmy Qinetiq będzie lżejsza, bardziej kompaktowa i wydajniejsza niż tradycyjne skrzynie biegów. Pozwala również na lepsze przyspieszenie wraz z odpornością na błędy i jest konfigurowalny dla szerokiej gamy programów wdrażania maszyn i technologii, mówi firma.
Chociaż system obejmuje cztery silniki z magnesami trwałymi, układ napędowy w E-X-DRIVE nie jest w pełni elektryczny; odzyskiwanie mocy podczas pokonywania zakrętów i mechanicznej zmiany biegów, ta ostatnia za pomocą sprzęgła krzywkowego. Ta konstrukcja jest rozwiązaniem niskiego ryzyka, które minimalizuje naprężenia silników, przekładni, wałów i łożysk. Zastosowanie poprzecznego układu wałów do regeneracji mocy mechanicznej w mechanizmie wychylnym jest alternatywą dla zastosowania niezależnych kół napędowych w czysto elektrycznej skrzyni biegów.
Jedną z innowacji w sercu E-X-DRIVE jest centralna skrzynia biegów (znana jako mechanizm różnicowy), która łączy moment obrotowy silnika kierowniczego, moment obrotowy silnika głównego i wspomniany wcześniej mechaniczny mechanizm rekuperacji sterowania. Oprócz minimalizacji obciążeń skręcających, eliminuje masywność i wagę zewnętrznej belki poprzecznej stosowanej w tradycyjnych rozwiązaniach i innych hybrydowych układach napędowych elektrycznych.
Postępy w elektrotechnice
Silniki z magnesami trwałymi to obszar technologii, który w ostatnich latach znacznie poprawił sprawność i gęstość mocy elektrycznych układów napędowych we wszystkich zastosowaniach. Silniki z magnesami trwałymi opierają się na naturalnie występujących silnych magnesach ziem rzadkich do generowania pól magnetycznych w elementach stojana, a nie na uzwojeniach przewodzących prąd (elektromagnesach). To sprawia, że silniki są bardziej wydajne, w szczególności ze względu na fakt, że tylko wirnik musi być zasilany prądem elektrycznym.
Nowoczesna elektronika mocy jest również kluczową technologią dla wszystkich typów hybrydowych pojazdów elektrycznych. Na przykład sterowniki silników oparte na tranzystorach IGBT kontrolują przepływ energii z akumulatora, generatora lub ogniw paliwowych w celu określenia prędkości obrotowych i wyjściowego momentu obrotowego z silników elektrycznych. Są znacznie bardziej wydajne niż elektromechaniczne systemy sterowania i znacznie poprawiają wydajność napędów o zmiennej prędkości - technologii, która jest znacznie mniej dojrzała niż powszechnie stosowane w przemyśle napędy o stałej prędkości.
TDI Power z siedzibą w New Jersey jest przykładem inwestora inwestującego w chłodzoną cieczą energoelektronikę do pojazdów elektrycznych i hybrydowych do zastosowań cywilnych i wojskowych. Firma produkuje standardowe modułowe przetwornice DC/DC oraz falowniki, które przewyższają obecne standardy SAE i MIL.
Napędy elektryczne w pojazdach wojskowych skorzystają z szeroko zakrojonych prac badawczo-rozwojowych nad napędami o zmiennej prędkości dla przemysłu, napędzanych perspektywą ogólnych oszczędności energii na poziomie około 15-30%, które można osiągnąć, jeśli maszyny o stałej przekładni zostaną zastąpione napędami o zmiennej prędkości w większości przypadków przemysłowych użytkowników, jak przedstawiono w niedawnym badaniu przeprowadzonym przez Uniwersytet w Newcastle na zlecenie brytyjskiego Urzędu ds. Nauki i Innowacji. „Przewiduje się, że poprawa potencjalnej wydajności obciążeń napędów pozwoli zaoszczędzić Wielkiej Brytanii 15 miliardów kWh godzin rocznie, a w połączeniu z lepszą wydajnością silnika i napędu, całkowite oszczędności wynoszą 24 miliardy kWh” – czytamy w badaniu.
Jednym z ważnych sposobów poprawy sprawności przesyłu energii w dowolnym systemie elektrycznym jest zwiększenie napięcia, ponieważ prawo Ohma mówi, że dla danej mocy im wyższe napięcie, tym niższy prąd. Małe prądy mogą przepływać przez cienkie przewody, dzięki czemu kompaktowe, lekkie systemy elektryczne zapewniają wymagane obciążenia. Dlatego krajowe sieci energetyczne wykorzystują bardzo wysokie napięcia podczas przesyłania energii; Na przykład brytyjskie sieci energetyczne zasilają swoje linie przesyłowe napięciem do 400 000 woltów.
Jest mało prawdopodobne, aby systemy elektryczne pojazdów wojskowych wykorzystywały napięcia tej wielkości, ale dni 28 woltów i podobnych systemów elektrycznych wydają się policzone. Na przykład w 2009 r. firma Qinetiq została wybrana przez brytyjski Departament Obrony do prowadzenia badań nad wytwarzaniem i dystrybucją energii elektrycznej przy użyciu technologii 610 woltów. Qinetiq kierował zespołem, w skład którego wchodzili BAE Systems i specjalista od maszyn elektrycznych Provector Ltd, który przekształcił WARRIOR 2000 BMP w demonstrator zdolny do zasilania 610-woltowych klientów o wysokim napięciu, a także istniejącego sprzętu 28-woltowego. Maszyna jest wyposażona w dwa generatory 610 V, z których każdy zapewnia dwukrotnie większą moc niż oryginalna maszyna, skutecznie zwiększając czterokrotnie moc wyjściową Warriora.
Energia dla pojazdu wykorzystującego ogniwa paliwowe firmy SFC
Żołnierze w terenie potrzebują niezawodnego źródła energii dla swoich maszyn. Musi dostarczać prąd do urządzeń pokładowych, takich jak radia, sprzęt komunikacyjny, systemy uzbrojenia i optyczne systemy elektroniczne. Ale w razie potrzeby powinien również służyć jako stacja ładująca dla żołnierzy na oddelegowaniu.
Często nie jest możliwe uruchomienie silnika w celu naładowania akumulatorów podczas wykonywania zadania, ponieważ może to ujawnić lokalizację jednostki. Dlatego żołnierze potrzebują sposobu na pozyskiwanie prądu - cicho, stale i niezależnie.
System EMILY 2200 firmy SFC jest oparty na udanej technologii ogniw paliwowych EFOY. Zainstalowana na maszynie jednostka EMILY zapewnia stałe naładowanie akumulatorów. Wbudowany regulator stale monitoruje napięcie w akumulatorach i automatycznie ładuje akumulatory w razie potrzeby. Pracuje cicho, a jego jedynym „wydechem” jest para wodna i dwutlenek węgla w ilościach porównywalnych z oddychaniem dziecka.
Duże maszyny wymagają dużych akumulatorów. Ten pakiet ogniw litowo-jonowych jest częścią hybrydowej technologii napędu autobusów firmy BAE Systems.
Czy możliwe są ogniwa paliwowe?
Ogniwa paliwowe, które wykorzystują procesy chemiczne do bezpośredniego przekształcania paliwa w prąd elektryczny z dużą wydajnością, od dawna są postrzegane jako technologia, która może być szeroko stosowana w dziedzinie wojskowości, w tym napędzanie samochodów i generowanie energii elektrycznej na pokładzie. Istnieją jednak istotne przeszkody techniczne, które należy pokonać. Po pierwsze, ogniwa paliwowe działają na wodór i mieszają go z tlenem z powietrza, aby jako produkt uboczny generować prąd elektryczny. Wodór nie jest łatwo dostępny i trudny do przechowywania i transportu.
Istnieje wiele przykładów ogniw paliwowych, które zasilają pojazdy elektryczne, ale wszystkie są eksperymentalne. W świecie motoryzacji Honda FCX CLARITY jest prawdopodobnie najbliższa produktowi komercyjnemu, ale nawet wtedy jest dostępna tylko w obszarach, w których istnieje infrastruktura do tankowania wodoru i tylko na podstawie umów dzierżawy. Nawet wiodący producenci ogniw paliwowych, tacy jak Ballard Power, zdają sobie sprawę z obecnych ograniczeń tej technologii w zastosowaniu w samochodach. Firma twierdzi, że „masowa produkcja pojazdów z ogniwami paliwowymi jest długofalowa. Obecnie większość producentów samochodów uważa, że seryjna produkcja pojazdów z ogniwami paliwowymi nie jest możliwa do około 2020 r., ze względu na problemy branży związane z dystrybucją wodoru, optymalizacją trwałości, gęstością energii, możliwością rozruchu na gorąco i kosztami ogniw paliwowych”.
Jednak wszyscy najwięksi światowi producenci samochodów intensywnie inwestują w badania i rozwój ogniw paliwowych, często we współpracy z producentami ogniw paliwowych. Ballard, na przykład, jest częścią Automotive Fuel Cell Cooperation, joint venture pomiędzy Fordem i Daimler AG. Wojsko stawia kolejną przeszkodę w stosowaniu ogniw paliwowych w postaci wymogu, aby wszystko działało na paliwach „logistycznych”. Ogniwa paliwowe mogą być zasilane olejem napędowym lub naftą, ale najpierw muszą zostać zmodyfikowane, aby wydobyć potrzebny im wodór. Proces ten wymaga złożonego i nieporęcznego sprzętu, który wpływa na wielkość, wagę, koszt, złożoność i wydajność całego systemu.
Kolejnym ograniczeniem ogniw paliwowych działających jako główne źródło napędu pojazdu wojskowego jest fakt, że działają najlepiej przy stałych ustawieniach mocy i nie mogą szybko reagować na wymagane zmiany. Oznacza to, że muszą być uzupełnione bateriami i / lub superkondensatorami i powiązaną elektroniką regulacji mocy, aby sprostać szczytowym obciążeniom mocy.
W dziedzinie „superkondensatorów” estońska firma Skeleton Industries opracowała linię najnowocześniejszych superkondensatorów SkelCap, które są pięciokrotnie mocniejsze na litr objętości lub ponad czterokrotnie mocniejsze na kilogram niż akumulatory wojskowe klasy premium. W praktyce oznacza to o 60 proc. więcej mocy i czterokrotnie większy prąd w porównaniu z najlepszymi bateriami wojskowymi. „Superkondensatory” SkelCap zapewniają natychmiastowy wzrost mocy i są wykorzystywane do wielu różnych zastosowań, od kontroli ognia po czołgi z wieżami. Jako część grupy United Armaments International (UAI), SkelCap realizuje różne specjalistyczne zamówienia, a także rozszerzone programy za pośrednictwem grupy UAI z siedzibą w Tallinie.
Superkondensatory firmy Skeleton Industries
Nie oznacza to jednak, że ogniwa paliwowe nie znajdą miejsca w wojskowych pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Najbardziej obiecującym natychmiastowym zastosowaniem są pomocnicze jednostki zasilania (APU) w pojazdach wykonujących zadania cichego dozorowania typu ISTAR (zbieranie informacji, wyznaczanie celów i rozpoznanie).„W trybie cichego nadzoru silniki pojazdów nie muszą działać, a same akumulatory nie mogą zapewnić wystarczającej mocy do długotrwałych operacji”, mówi Centrum Badań Inżynierii Armii USA, które jest liderem w opracowywaniu generatorów ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i układów APU, które może pracować na paliwach wojskowych, oleju napędowym i nafcie.
Organizacja ta koncentruje się obecnie na systemach do 10 kW, z naciskiem na pełną integrację systemów paliwowych z potrzebami operacyjnymi zestawu ogniw paliwowych. Zadania, które należy uwzględnić przy projektowaniu praktycznych systemów, obejmują kontrolę parowania i zanieczyszczeń, zwłaszcza kontrolę siarki poprzez odsiarczanie (odsiarczanie) i stosowanie materiałów odpornych na siarkę, a także unikanie tworzenia się osadów węgla w systemie.
Hybrydowe napędy elektryczne mają wiele do zaoferowania dla pojazdów wojskowych, ale minie jeszcze trochę czasu, zanim korzyści z tej technologii staną się namacalne.
