EMILY 3000 brændselscellesystemet har en nominel udgangseffekt på 125 W og en daglig opladningskapacitet på 6 kWh. Det kan genoplade flere batterier eller fungere som en feltgenerator. Systemet blev skabt specielt til militære applikationer, herunder testscenarier, hvor data om nye forsvarssystemer skal indsamles og evalueres i feltet.
I sidste ende tilbyder hybridkraftværker sammenlignelige eller endnu bedre fordele for pansrede køretøjer. Selvom brændstofeffektivitet, i det mindste historisk set, ikke har været øverst på listen over obligatoriske egenskaber ved pansrede køretøjer, øger det ikke desto mindre kilometertal og / eller varighed for en given brændstofkapacitet, øger nyttelast, beskyttelse eller ildkraft for en given total vægt og generelt reducere den samlede logistikbyrde på flåden
Hybridelektrisk drev kan spille en vigtig rolle i fremtiden for militære køretøjer, men den tilsvarende annullering og reduktion af mængden af mange forsvarsprogrammer (for ikke at forglemme de berømte FCS og FRES) og kampen for at opfylde presserende krav til beskyttede køretøjer har udskudt dens implementering på militære køretøjer på ubestemt tid.
Da ansøgere til det amerikanske terrænkøretøj GCV (Ground Combat Vehicle) blev annonceret i januar 2011, var der imidlertid et projekt fra BAE Systems / Northrop Grumman-teamet med en hybridelektrisk enhed med E-X-DRIVE-systemet fra Qinetiq. Dette kan ses som en slags gamble, fordi ingen af kandidaterne til JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) let taktisk køretøjsprogram, som også omfattede et hybridelektrisk drev, ikke kvalificerede sig til finalen på grund af den kendsgerning, at iflg. tilgængelige data, menes det, at teknologien til denne maskine endnu ikke er moden nok på dette tidspunkt. Ikke desto mindre har historien om elektriske hybriddrev i terrænkøretøjer et tilstrækkeligt antal programmer til at udvikle og demonstrere denne teknologi. Der er noget utilgiveligt og uundgåeligt ved den globale søgen efter teknologi, der lover at spare brændstof, forbedre ydeevnen og overlevelsesevnen, samtidig med at den imødekommer den stigende efterspørgsel efter elektricitet ombord. Dette er utvivlsomt understøttet af parallel udvikling i bilindustrien, drevet af miljølovgivning.
Militære køretøjsfabrikanter og systemudbydere har investeret stort i denne teknologi, ofte skubbet af nogle af de førnævnte ambitiøse regeringsprogrammer, inden de står over for den særlige usikkerhed, der er forbundet med langsigtede regeringsplaner. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks og Qinetiq har udviklet hybride elektriske drev til programmer i Storbritannien, USA og Sverige, mens Nexter arbejder på ARCHYBALD teknologiudviklingsprogram for tunge køretøjer, civile og militære.
Elektrisk drivtransmission E-X-DRIVE til bæltekøretøjer fra QinetiQ, let, kompakt og effektivt system
Hybrid forgængere
Hybride fremdriftssystemer er blevet fast etableret i krigsskibe, især på ubåde, tog og tunge lastbiler, der bruges i stenbrud og åbne miner. I disse applikationer driver en primær motor, såsom en dieselmotor, en gasturbine eller endda begge dele, en generator, der leverer strøm til at drive motorer og oplade batterier. Nogle systemer inkluderer en gearkasse til overførsel af mekanisk kraft til de sidste drev, mens andre ikke gør det.
På krigsskibe tillader hybridkraftværker brug af komplekse og meget varierende hastighedsprofiler, mens drivmotorerne drives i et effektivt hastighedsområde: elmotorer til lydløs fremdrift, dieselmotorer til normal fremdrift, gasturbiner til acceleration osv. En ubåd, der drives af den traditionelle metode, kan ikke lancere sin primære fremdriftsenhed under et dyk (hvis den ikke har en snorkel), og i denne forbindelse skal man hovedsageligt stole på batterier eller andet luftuafhængigt fremdriftssystem. Kæmpe jordflytningsmaskiner er afhængige af et enormt nulomdrejningsmoment genereret af elektriske motorer for at køre, fordi manuelle transmissioner, der kunne udføre denne slags arbejde, ville være enorme, komplekse og dyre. Tog står over for det samme problem endnu mere, da de skal trække flere hundrede tons med dem fra stilstand, i mange tilfælde op til hastigheder på over 150 mph.
Et hybridfremdrivningssystem kan spare brændstof ved at tillade en mindre, mere brændstofeffektiv prime mover at blive brugt uden forringelse, fordi systemet, når føreren trykker speederen helt ned, supplerer hovedmotoren med batteridrevne elmotorer. Elektriske drev tillader også dæmpning af drivmotoren ved kørsel ved lave hastigheder, når det kan være relativt ineffektivt. Moderne hybridbiler kan også lagre kinetisk energi (f.eks. Fra et regenerativt bremsesystem) og bruge det til at oplade deres batterier. Yderligere besparelser opnås ved at drive primmotoren det meste af tiden ved sit mest effektive hastighedsinterval, samt ved at bruge yderligere energi til opladning af batterier og / eller strøm ombord på elforbrugere.
Moderne militære køretøjer kræver mere og mere elektrisk strøm til at betjene kommunikationssystemer, kommando- og kontroludstyr, overvågnings- og efterretningssensorer som optoelektronik og radarer, fjernstyrede våbenstationer og improviserede jammere til eksplosive enheder (IED). Avancerede systemer som elektrisk rustning vil øge forbruget yderligere. At bruge al den installerede strøm til at køre elektriske systemer er i teorien i hvert fald mere effektivt end at have et system til fremdrift og et andet til specialudstyr.
Der lægges stadig større vægt på overvågning og efterretningsindsamlingskapacitet i modopkaldsmissioner, og som følge heraf fremsættes stille overvågningskrav i et stigende antal pansrede køretøjsprogrammer. Dette øger betydningen af elektrisk strømforbrug yderligere og gør brændselsceller mere attraktive.
Hybride elektriske drivsystemer falder i to brede kategorier: parallel og serie. I parallelle systemer roterer en forbrændingsmotor og en elektrisk motor (eller elmotorer) hjulene eller sporene gennem en gearkasse, enten separat eller sammen. I seriehybridsystemer driver primærmotoren kun generatoren. Et sekventielt system er enklere, al drivkraft i det skal gå gennem elmotorerne, og derfor skal de være større end elmotorerne i et parallelt system med de samme maskinkrav. Der er udviklet systemer af begge typer.
Innovationer inden for hybridelektriske drev og brændselscelleteknologi kan trækkes på kommerciel teknologi. For eksempel fremstiller BAE Systems hybridelektriske busser, hvis teknologi kan bruges til at demonstrere energieffektivitet og forbedrede udstødningsegenskaber for moderne hybridelektriske køretøjer designet til tunge forhold.
Øget overlevelsesevne
Hybridsystemer øger også overlevelsesevnen gennem et mere fleksibelt layout og eliminering af transmissionskomponenter, der kan blive et sideprojektil, når detoneres af en mine eller IED. Pansrede køretøjer på hjul har især fordel af dette. Ved at integrere drivmotorerne i hjulnavene elimineres alle propelleraksler, differentialer, drivaksler og gearkasser forbundet med traditionelle manuelle gearkasser og erstattes med strømkabler og kan derfor ikke blive yderligere projektiler. Eliminering af alle disse mekanismer tillader også, at besætningsrummet kan hæves over jorden i en given køretøjshøjde, hvilket gør passagererne mindre sårbare over for eksplosioner under skroget. Denne type design blev brugt i General Dynamics UK AHED 8x8 demonstratoren og hjulversionen af SEP -maskinen fra BAE Systems / Hagglunds, hvis sporede version også blev fremstillet (og efterfølgende sikkert glemt).
De elektriske motorer, der er integreret i de enkelte hjul, styrer den kraft, der leveres til hvert hjul meget præcist, og dette eliminerer ifølge GD UK næsten fordelen ved spor frem for hjul med hensyn til terræn.
Det lovende terrænkøretøj vil bevæge sig på spor, og BAE Systems / Northrop Grumman-forslaget indikerer, at Qinetiqs E-X-DRIVE elektriske transmission vil være lettere, mere kompakt og mere effektiv end traditionelle transmissioner. Det giver også mulighed for forbedret acceleration sammen med fejltolerance og kan konfigureres til en bred vifte af programmer til maskine og teknologi, siger virksomheden.
Selvom systemet indeholder fire permanente magnetmotorer, er drivlinjen i E-X-DRIVE ikke fuldt elektrisk; effektgenvinding ved sving og mekanisk gearskift, sidstnævnte ved hjælp af en kamkobling. Dette design er en lavrisiko -løsning, der minimerer belastninger på motorer, tandhjul, aksler og lejer. Anvendelsen af et tværgående akselarrangement til at generere mekanisk kraft i svingemekanismen er et alternativ til brugen af uafhængige drivhjul i en rent elektrisk transmission.
En af de nyskabelser, der er kernen i E-X-DRIVE, er midtergearkassen (kendt som en justeringsdifferentiale), som kombinerer styremotorens drejningsmoment, hovedmotorens drejningsmoment og den tidligere nævnte mekaniske kontrolgenopretningsmekanisme. Ud over at minimere vridningsbelastninger, eliminerer det massen og vægten af den eksterne tværaksel, der bruges i traditionelle løsninger og andre hybrid elektriske drivsystemer.
Fremskridt inden for elektroteknik
Permanente magnetmotorer er et teknologisk område, der har forbedret effektiviteten og effekttætheden af elektriske drivsystemer i alle applikationer i de seneste år. Permanente magnetmotorer er afhængige af naturligt forekommende kraftfulde sjældne jordartsmagneter for at generere magnetfelter i statorkomponenterne frem for strømførende viklinger (elektromagneter). Dette gør motorerne mere effektive, især fordi det kun er rotoren, der skal forsynes med elektrisk strøm.
Moderne kraftelektronik er også en nøgleteknologi for hybridelektriske køretøjer af alle typer. IGBT -baserede motorstyringer styrer for eksempel strømmen fra et batteri, generator eller brændselsceller for at bestemme rotationshastigheder og outputmoment fra elektriske motorer. De er meget mere effektive end elektromekaniske kontrolsystemer og forbedrer ydeevnen på drev med variabel hastighed betydeligt - en teknologi, der er langt mindre moden end drev med fast hastighed, der er meget udbredt i industrien.
New Jersey-baserede TDI Power er et eksempel på en investor, der investerer i væskekølet kraftelektronik til elektriske og hybridbiler til civile og militære applikationer. Virksomheden producerer standard modulære DC / DC -omformere og invertere, der overstiger de nuværende SAE- og MIL -standarder.
Elektriske drev i militære køretøjer vil drage fordel af omfattende F & U på variabler med hastighed til industrien, drevet af udsigten til en samlet energibesparelse på omkring 15-30%, som kan realiseres, hvis faste gearmaskiner erstattes af variabler med hastighed til de fleste industrielle brugere, som skitseret i en nylig undersøgelse af University of Newcastle bestilt af den britiske videnskabs- og innovationsmyndighed. "Forbedring af den potentielle effektivitet af drivbelastninger forventes at spare 15 kWh milliarder timer om året, og når det kombineres med forbedret motor- og dreveffektivitet, samlede besparelser på 24 milliarder kWh," siger undersøgelsen.
En af de vigtige måder at forbedre effektiviteten af kraftoverførsel i ethvert elektrisk system er at øge spændingen, da Ohms lov dikterer, at for enhver given effekt, jo højere spænding, jo lavere strøm. Små strømme kan passere gennem tynde ledninger, så kompakte, lette elektriske systemer kan levere den nødvendige belastning. Det er derfor, nationale strømnet anvender meget høje spændinger ved overførsel af strøm; Britiske elnet, for eksempel, driver deres transmissionsledninger med op til 400.000 volt.
Det er usandsynligt, at de elektriske systemer i militære køretøjer vil bruge spændinger af denne størrelse, men dagene på 28 volt og lignende elektriske systemer ser ud til at være nummererede. I 2009 blev Qinetiq f.eks. Udvalgt af det britiske forsvarsministerium til at undersøge produktion og distribution af elektrisk kraft ved hjælp af 610 volt teknologi. Qinetiq ledede et team, der omfattede BAE Systems og specialist i elektriske maskiner Provector Ltd, som konverterede WARRIOR 2000 BMP til en demonstrator, der kunne drive 610 volt store efterspørgselskunder samt eksisterende 28 volt udstyr. Maskinen er udstyret med to generatorer på 610 volt, der hver leverer dobbelt så stor effekt som den originale maskine, og effektivt firedobler Warriors elektriske ydelse.
Energi til et køretøj, der bruger brændselsceller fra SFC
Soldater i marken har brug for en pålidelig energikilde til deres maskiner. Den skal levere strøm til indbyggede enheder såsom radioer, kommunikationsudstyr, våbensystemer og optiske elektroniske systemer. Men når det er nødvendigt, bør det også fungere som en ladestation for soldater på opgave.
Ofte er det ikke muligt at starte motoren for at oplade batterierne, når opgaven udføres, fordi dette kan afsløre placeringen af enheden. Derfor har soldaterne brug for en måde at få elektrisk strøm - stille og roligt, konstant og uafhængigt.
SFC's EMILY 2200 -system er baseret på den succesfulde EFOY -brændselscelleteknologi. Installeret på maskinen sikrer EMILY -enheden, at batterierne forbliver konstant opladet. Den indbyggede regulator overvåger konstant spændingen i batterierne og oplader automatisk batterierne, når det er nødvendigt. Det fungerer lydløst, og dets eneste "udstødning" er vanddamp og kuldioxid i mængder, der kan sammenlignes med et barns vejrtrækning.
Store maskiner kræver store batterier. Denne litiumioncellepakke er en del af BAE Systems 'hybridbusfremdrivningsteknologi.
Er brændselsceller mulige?
Brændselsceller, der bruger kemiske processer til direkte at omdanne brændstof til elektrisk strøm med stor effektivitet, har længe været betragtet som en teknologi, der kan bruges i vid udstrækning på det militære område, herunder at drive en bil og generere elektricitet om bord. Der er imidlertid betydelige tekniske forhindringer, der skal overvindes. For det første kører brændselsceller på brint og blander det med ilt fra luften for at generere elektrisk strøm som et biprodukt. Brint er ikke let tilgængeligt og svært at opbevare og transportere.
Der er mange eksempler på brændselsceller, der driver elektriske køretøjer, men de er alle eksperimentelle. I bilverdenen er Hondas FCX CLARITY sandsynligvis den nærmeste tilgængelighed for et kommercielt produkt, men selv da er det kun tilgængeligt i områder, hvor der er en brintpåfyldningsinfrastruktur og kun under lejeaftaler. Selv førende brændselscelleproducenter som Ballard Power anerkender de nuværende begrænsninger for denne teknologi til brug i biler. Virksomheden siger, at masseproduktion af brændselscellekøretøjer er på lang sigt. I dag mener de fleste bilproducenter, at serieproduktion af brændselscellebiler ikke er mulig før omkring 2020 på grund af industrien, der står over for brintdistributionsproblemer, optimering af holdbarhed, energitæthed, hot start -kapacitet og brændselscelleomkostninger.”
Alle verdens største bilproducenter investerer imidlertid stort i brændselscelle -F & U, ofte i samarbejde med brændselscelleproducenter. Ballard er for eksempel en del af Automotive Fuel Cell Cooperation, et joint venture mellem Ford og Daimler AG. Militæret sætter endnu en hindring for vedtagelsen af brændselsceller i form af sit krav om, at alt skal køre på "logistiske" brændstoffer. Brændselsceller kan køre på diesel eller petroleum, men de skal først modificeres for at udvinde det brint, de har brug for. Denne proces kræver komplekst og omfangsrigt udstyr, der påvirker størrelsen, vægten, omkostningerne, kompleksiteten og effektiviteten af det overordnede system.
En anden begrænsning af brændselsceller, når de fungerer som primær motor for et militært køretøj, er det faktum, at de klarer sig bedst ved konstante effektindstillinger og ikke kan reagere hurtigt på nødvendige ændringer. Det betyder, at de skal suppleres med batterier og / eller superkapacitorer og tilhørende effektreguleringselektronik for at imødekomme spidsbelastninger.
Inden for "superkapacitorer" har den estiske virksomhed Skeleton Industries udviklet en serie af topmoderne SkelCap-superkapacitorer, der er fem gange mere kraftfulde pr. Liter volumen eller mere end fire gange mere kraftfuld pr. Kilogram end førsteklasses militære batterier. I praksis betyder det 60 procent mere strøm og fire gange strømmen sammenlignet med de bedste militære batterier. SkelCaps "superkapacitorer" giver et øjeblikkeligt strømudbrud og bruges til en lang række forskellige applikationer, lige fra brandstyring til tårnetanke. Som en del af gruppen United Armaments International (UAI) opfylder SkelCap forskellige specialiserede ordrer samt udvidede programmer gennem UAI -gruppen med base i Tallinn.
Superkapacitorer fra Skeleton Industries
Det betyder dog ikke, at brændselsceller ikke finder plads i hybrid- og elektriske militære køretøjer. Den mest lovende umiddelbare anvendelse er hjælpekraftenheder (APU) i køretøjer, der udfører lydløse overvågningsopgaver af typen ISTAR (indsamling af information, målbetegnelse og rekognoscering)."I lydløs overvågningstilstand behøver køretøjsmotorer ikke at køre, og batterier alene kan ikke levere nok strøm til langsigtede operationer," siger US Army Engineering Research Center, der leder udviklingen af brændselscellegeneratorer til fastoxid og APU'er, der kan operere. på militære brændstoffer, dieselolie og petroleum.
Denne organisation fokuserer i øjeblikket på systemer op til 10 kW med vægt på fuldt ud at integrere brændstofsystemer med driftsbehovet for et brændselscellesæt. Opgaver, der skal behandles i udformningen af praktiske systemer, omfatter kontrol af fordampning og forurening, især bekæmpelse af svovl gennem afsvovling (afsvovling) og brug af svovlresistente materialer samt undgå dannelse af kuldepoter i systemet.
Hybride elektriske drev har meget at tilbyde til militære køretøjer, men det vil tage noget tid, før fordelene ved denne teknologi bliver håndgribelige.
