Sistem gorivnih celic EMILY 3000 ima nazivno izhodno moč 125 W in dnevno zmogljivost polnjenja 6 kWh. Lahko napolni več baterij ali deluje kot generator polja. Sistem je bil ustvarjen posebej za vojaške aplikacije, vključno s preskusnimi scenariji, v katerih je treba zbirati in ocenjevati podatke o novih obrambnih sistemih na terenu.
Konec koncev, hibridne elektrarne ponujajo primerljive ali celo boljše prednosti za oklepna vozila. Učinkovitost porabe goriva, vsaj zgodovinsko gledano, ni bila na vrhu seznama obveznih značilnosti oklepnih vozil, pa kljub temu povečuje kilometrino in / ali trajanje za določeno zmogljivost goriva, povečuje nosilnost, zaščito ali ognjeno moč za določeno skupno količino težo in na splošno zmanjšali splošno logistično breme za floto
Hibridni električni pogon bi lahko imel pomembno vlogo v prihodnosti vojaških vozil, vendar sta se ustrezna odpoved in zmanjšanje obsega številnih obrambnih programov (pri tem ne smemo pozabiti na slavni FCS in FRES) ter boj za izpolnitev nujnih zahtev glede zaščitenih vozil preložili. njegovo izvajanje na vojaških vozilih za nedoločen čas.
Ko pa so bili januarja 2011 razpisani prijavitelji za ameriško kopensko bojno vozilo GCV (Ground Combat Vehicle), je bil med njimi tudi projekt ekipe BAE Systems / Northrop Grumman s hibridno električno enoto s sistemom E-X-DRIVE iz podjetja Qinetiq. To lahko razumemo kot nekakšno igro na srečo, ker se nobeden od kandidatov za program lahkih taktičnih vozil JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), ki je vključeval tudi hibridni električni pogon, ni uvrstil v finale zaradi dejstva, da razpoložljivih podatkov, se domneva, da tehnologija za ta stroj v tem trenutku še ni dovolj zrela. Kljub temu ima zgodovina hibridnih električnih pogonov v kopenskih bojnih vozilih zadostno število programov za razvoj in prikaz te tehnologije. V svetovnem iskanju tehnologije je nekaj neprizanesljivega in neizogibnega, kar obljublja prihranek goriva, izboljšanje zmogljivosti in preživetja, hkrati pa zadovoljuje naraščajoče povpraševanje po električni energiji na vozilu. To nedvomno podpira vzporedni razvoj v avtomobilski industriji, ki ga vodi okoljska zakonodaja.
Proizvajalci vojaških vozil in ponudniki sistemov so veliko vlagali v to tehnologijo, ki so jo pogosto spodbujali nekateri zgoraj omenjeni ambiciozni vladni programi, preden so se soočili s posebno negotovostjo, ki je značilna za dolgoročne vladne načrte. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks in Qinetiq so razvili hibridne električne pogone za programe v Združenem kraljestvu, ZDA in Švedski, medtem ko Nexter dela na programu razvoja tehnologije ARCHYBALD za težka vozila, civilna in vojaška.
Prenos z električnim pogonom E-X-DRIVE za vozila z gosenicami iz QinetiQ, lahek, kompakten in učinkovit sistem
Hibridni predhodniki
Hibridni pogonski sistemi so se trdno uveljavili na vojnih ladjah, zlasti na podmornicah, vlakih in težkih tovornjakih, ki se uporabljajo v kamnolomih in na površinskih kopih. V teh aplikacijah glavni motor, na primer dizelski motor, plinska turbina ali celo oboje, poganja generator, ki napaja tok za pogon motorjev in polnjenje baterij. Nekateri sistemi vključujejo menjalnik za prenos mehanske moči na končne pogone, drugi pa ne.
Na vojnih ladjah hibridne elektrarne dovoljujejo uporabo kompleksnih in zelo različnih hitrostnih profilov, medtem ko primarni motorji delujejo v učinkovitem območju hitrosti: elektromotorji za tihi pogon, dizelski motorji za običajni pogon, plinske turbine za pospeševanje itd. Podmornica, ki jo poganja tradicionalna metoda, med potopom ne more izstreliti svoje primarne pogonske naprave (če nima dihalke), zato se je treba pri tem zanašati predvsem na baterije ali drug zračno neodvisen pogonski sistem. Ogromni stroji za zemeljska dela se za pogon opirajo na velik navor nič vrtljajev, ki ga ustvarijo elektromotorji, saj bi bili ročni menjalniki, ki bi lahko opravljali tovrstno delo, ogromni, zapleteni in dragi. Vlaki se še bolj soočajo z isto težavo, saj morajo s seboj vleči več sto ton, v mnogih primerih do hitrosti nad 150 km / h.
Hibridni pogonski sistem lahko prihrani gorivo, saj omogoča uporabo manjšega in varčnejšega motorja brez poslabšanja, saj sistem, ko voznik popolnoma pritisne stopalko za plin, dopolnjuje glavni motor z elektromotorji na baterijski pogon. Električni pogoni omogočajo tudi dušenje primarnega motorja pri vožnji pri nizkih hitrostih, kadar je to lahko relativno neučinkovito. Sodobni hibridni avtomobili lahko shranjujejo tudi kinetično energijo (na primer iz regenerativnega zavornega sistema) in jo uporabljajo za polnjenje baterij. Dodatni prihranki se dosežejo z delovanjem pogonskega motorja večino časa pri njegovem najučinkovitejšem območju hitrosti, pa tudi z uporabo dodatne energije za polnjenje baterij in / ali napajanje porabnikov električne energije na vozilu.
Sodobna vojaška vozila potrebujejo vse več električne energije za delovanje komunikacijskih sistemov, poveljniške in nadzorne opreme, nadzornih in obveščevalnih senzorjev, kot so optoelektronika in radarji, daljinsko vodene orožne postaje in motilci improviziranih eksplozivnih naprav (IED). Napredni sistemi, kot je električni oklep, bodo dodatno povečali porabo. Uporaba vse vgrajene moči za zagon električnih sistemov je teoretično vsaj učinkovitejša od enega sistema za pogon in drugega za specializirano opremo.
Vse večji poudarek je v misijah proti upornikom na področju nadzora in zbiranja obveščevalnih podatkov, zato se v vedno večjem številu programov oklepnih vozil postavljajo zahteve po tihem nadzoru. To še povečuje pomen porabe električne energije in naredi gorivne celice privlačnejše.
Hibridni sistemi z električnim pogonom spadajo v dve široki kategoriji: vzporedni in serijski. V vzporednih sistemih motor z notranjim zgorevanjem in elektromotor (ali elektromotorji) vrtita kolesa ali gosenice skozi menjalnik, ločeno ali skupaj. V serijskih hibridnih sistemih glavni pogon poganja samo generator. Zaporedni sistem je enostavnejši, vsa pogonska moč v njem mora iti skozi elektromotorje, zato morajo biti večji od elektromotorjev v vzporednem sistemu z enakimi zahtevami glede zmogljivosti stroja. Razvili so se sistemi obeh vrst.
Inovacije v hibridno-električnih pogonih in tehnologiji gorivnih celic je mogoče črpati iz komercialne tehnologije. Na primer, BAE Systems proizvaja hibridno-električne avtobuse, s tehnologijo katerih je mogoče dokazati energetsko učinkovitost in izboljšane lastnosti izpušnih plinov sodobnih hibridno-električnih vozil, zasnovanih za težke razmere.
Povečana preživetje
Hibridni sistemi prav tako povečujejo preživetje s prožnejšo postavitvijo in odpravljanjem komponent prenosa, ki bi lahko postale stranski izstrelek, če bi jih eksplodirala mina ali IED. To imajo še posebej koristna oklepna vozila na kolesih. Z vključitvijo pogonskih motorjev v pesto koles se odstranijo vse gredi, diferenciali, pogonske gredi in menjalniki, povezani s tradicionalnimi ročnimi menjalniki, in jih zamenjajo z napajalnimi kabli, zato ne morejo postati dodatni izstrelki. Odprava vseh teh mehanizmov omogoča tudi dvig prostora za posadko nad tlemi na določeni višini vozila, zaradi česar so potniki manj ranljivi za eksplozije pod trupom. Ta vrsta zasnove je bila uporabljena v demonstratorju General Dynamics UK AHED 8x8 in kolesni različici stroja SEP podjetja BAE Systems / Hagglunds, katere gosenična različica je bila prav tako izdelana (pozneje pa varno pozabljena).
Elektromotorji, ki so integrirani v posamezna kolesa, zelo natančno nadzorujejo moč, ki se odda vsakemu kolesu, kar po mnenju GD UK skoraj odpravlja prednost gosenic pred kolesi v smislu terenskega terena.
Obetavno zemeljsko bojno vozilo se bo premikalo po tirih in predlog BAE Systems / Northrop Grumman kaže, da bo električni prenos Qinetiq E-X-DRIVE lažji, kompaktnejši in učinkovitejši od tradicionalnih menjalnikov. Omogoča tudi izboljšan pospešek skupaj z odpornostjo na napake in je nastavljiv za široko paleto programov za strojno in tehnološko uporabo, pravijo v podjetju.
Čeprav sistem vključuje štiri motorje s trajnimi magneti, pogonski sklop v E-X-DRIVE ni popolnoma električen; obnovitev moči pri zavijanju in mehansko prestavljanje, slednja z odmično sklopko. Ta zasnova je rešitev z nizkim tveganjem, ki zmanjšuje obremenitve motorjev, zobnikov, gredi in ležajev. Uporaba prečne gredi za regeneracijo mehanske moči v nihalnem mehanizmu je alternativa uporabi neodvisnih pogonskih koles v povsem električnem menjalniku.
Ena od novosti v središču E-X-DRIVE je sredinski menjalnik (znan kot nastavitveni diferencial), ki združuje navor krmilnega motorja, navor glavnega motorja in prej omenjeni mehanski mehanizem za rekuperacijo krmiljenja. Poleg zmanjšanja torzijskih obremenitev odpravlja večino in težo zunanje prečne gredi, ki se uporablja v tradicionalnih rešitvah in drugih hibridnih sistemih z električnim pogonom.
Napredek v elektrotehniki
Motorji s trajnimi magneti so področje tehnologije, ki je v zadnjih letih močno izboljšalo učinkovitost in gostoto moči električnih pogonskih sistemov v vseh aplikacijah. Motorji s trajnimi magneti se za ustvarjanje magnetnih polj v sestavnih delih statorja zanašajo na naravno prisotne močne magnete iz redkih zemelj in ne na tokove (elektromagnete). Zaradi tega so motorji učinkovitejši, zlasti zaradi dejstva, da je treba samo rotor napajati z električnim tokom.
Sodobna energetska elektronika je tudi ključna tehnologija za hibridna električna vozila vseh vrst. Krmilniki motorjev, ki temeljijo na IGBT, na primer nadzorujejo pretok energije iz baterije, generatorja ali gorivnih celic za določanje hitrosti vrtenja in izhodnega navora elektromotorjev. So veliko učinkovitejši od elektromehanskih krmilnih sistemov in bistveno izboljšajo delovanje pogonov s spremenljivo hitrostjo - tehnologija, ki je veliko manj zrela od pogonov s fiksno hitrostjo, ki se pogosto uporabljajo v industriji.
TDI Power iz New Jerseyja je primer vlagatelja, ki vlaga v tekočinsko hlajeno elektroniko za električna in hibridna vozila za civilne in vojaške namene. Podjetje proizvaja standardne modularne DC / DC pretvornike in pretvornike, ki presegajo trenutne standarde SAE in MIL.
Električni pogoni v vojaških vozilih bodo imeli koristi od obsežnih raziskav in razvoja pogonov s spremenljivo hitrostjo v industriji, ki jih spodbuja možnost skupnega prihranka energije v višini približno 15-30%, kar je mogoče uresničiti, če stroje s fiksno prestavo zamenjamo s pogoni s spremenljivo hitrostjo za večino industrij uporabnikov, kot je opisano v nedavni študiji Univerze v Newcastlu, ki jo je naročila Uprava Združenega kraljestva za znanost in inovacije. "Z izboljšanjem potencialne učinkovitosti pogonskih obremenitev naj bi Združeno kraljestvo prihranilo 15 kWh milijard ur letno, v kombinaciji z izboljšanim izkoristkom motorja in pogona pa skupni prihranek 24 milijard kWh," je zapisano v študiji.
Eden od pomembnih načinov za izboljšanje učinkovitosti prenosa energije v katerem koli električnem sistemu je povečanje napetosti, saj Ohmov zakon narekuje, da je za vsako moč večja napetost, manjši je tok. Majhni tokovi lahko prehajajo skozi tanke žice, kar kompaktnim in lahkim električnim sistemom omogoča zahtevane obremenitve. Zato nacionalna električna omrežja pri oddajanju energije uporabljajo zelo visoke napetosti; Britanska električna omrežja, na primer, vodijo svoje daljnovode do 400.000 voltov.
Malo je verjetno, da bodo električni sistemi vojaških vozil uporabljali takšne napetosti, vendar se zdi, da so dnevi 28 voltov in podobni električni sistemi oštevilčeni. Leta 2009 je na primer britansko obrambno ministrstvo izbralo Qinetiq za raziskovanje proizvodnje in distribucije električne energije s tehnologijo 610 voltov. Qinetiq je vodil skupino, ki je vključevala strokovnjake BAE Systems in strokovnjake za električne stroje Provector Ltd, ki je WARRIOR 2000 BMP spremenila v demonstratorja, ki je sposoben napajati 610 -voltne odjemalce z visokim povpraševanjem in obstoječo 28 -voltno opremo. Stroj je opremljen z dvema generatorjema 610 voltov, od katerih vsak zagotavlja dvakratno moč prvotnega stroja, kar učinkovito štirikrat poveča električno moč Warriorja.
Energija za vozilo, ki uporablja gorivne celice iz SFC
Vojaki na terenu potrebujejo zanesljiv vir energije za svoje stroje. Napajalne naprave, kot so radijski sprejemniki, komunikacijska oprema, orožni sistemi in optični elektronski sistemi, morajo dovajati tok. Toda po potrebi bi moral delovati tudi kot polnilna postaja za vojake po opravljeni nalogi.
Pogosto pri opravljanju naloge ni mogoče zagnati motorja, da bi napolnil baterije, ker lahko to razkrije lokacijo enote. Zato vojaki potrebujejo način za pridobivanje električnega toka - tiho, stalno in neodvisno.
SFC -jev sistem EMILY 2200 temelji na uspešni tehnologiji gorivnih celic EFOY. Enota EMILY, nameščena na stroju, zagotavlja, da so baterije nenehno napolnjene. Vgrajen regulator nenehno spremlja napetost v baterijah in po potrebi samodejno napolni baterije. Deluje tiho in njegov edini "izpuh" sta vodna para in ogljikov dioksid v količinah, ki so primerljive z dihanjem otroka.
Veliki stroji zahtevajo velike baterije. Ta paket litij-ionskih celic je del hibridne pogonske tehnologije vodila BAE Systems.
Ali so možne gorivne celice?
Gorivne celice, ki uporabljajo kemične procese za neposredno pretvorbo goriva v električni tok z veliko učinkovitostjo, so že dolgo veljale za tehnologijo, ki se lahko široko uporablja na vojaškem področju, vključno z pogonom avtomobila in proizvodnjo električne energije na krovu. Vendar pa obstajajo velike tehnične ovire, ki jih je treba premagati. Najprej gorivne celice delujejo na vodiku in ga zmešajo s kisikom iz zraka, da ustvarijo električni tok kot stranski produkt. Vodik ni na voljo, težko ga je skladiščiti in prevažati.
Obstaja veliko primerov gorivnih celic, ki poganjajo električna vozila, vendar so vsi eksperimentalni. V avtomobilskem svetu je Hondin FCX CLARITY verjetno najbližje komercialnemu izdelku, a tudi takrat je na voljo le na območjih, kjer obstaja nekaj infrastrukture za dolivanje vodika, in le v skladu z najemnimi pogodbami. Tudi vodilni proizvajalci gorivnih celic, kot je Ballard Power, priznavajo trenutne omejitve te tehnologije za uporabo v avtomobilih. Družba pravi, da je »množična proizvodnja vozil na gorivne celice dolgoročna. Danes večina proizvajalcev avtomobilov meni, da je serijska proizvodnja vozil na gorivne celice izvedljiva šele okoli leta 2020, saj se industrija sooča z vprašanji distribucije vodika, optimizacije trajnosti, gostote energije, zmogljivosti vročega zagona in stroškov gorivnih celic."
Vendar pa vsi največji svetovni proizvajalci avtomobilov veliko vlagajo v raziskave in razvoj gorivnih celic, pogosto v povezavi s proizvajalci gorivnih celic. Ballard je na primer del Automotive Fuel Cell Cooperation, skupnega podjetja Forda in Daimler AG. Vojska postavlja drugo oviro pri sprejetju gorivnih celic v obliki zahteve, da mora vse delovati na "logističnih" gorivih. Gorivne celice lahko delujejo na osnovi dizelskega goriva ali kerozina, vendar jih je treba najprej spremeniti, da ekstrahirajo vodik, ki ga potrebujejo. Ta postopek zahteva zapleteno in obsežno opremo, ki vpliva na velikost, težo, stroške, kompleksnost in učinkovitost celotnega sistema.
Druga omejitev gorivnih celic, ki delujejo kot glavni pogon vojaškega vozila, je dejstvo, da se najbolje obnesejo pri stalnih nastavitvah moči in se ne morejo hitro odzvati na zahtevane spremembe. To pomeni, da jih je treba dopolniti z baterijami in / ali superkondenzatorji ter pripadajočo elektroniko za regulacijo moči, da ustrezajo največjim obremenitvam.
Na področju "superkondenzatorjev" je estonsko podjetje Skeleton Industries razvilo linijo najsodobnejših superkondenzatorjev SkelCap, ki so petkrat močnejši na liter prostornine ali več kot štirikrat močnejši na kilogram kot vrhunske vojaške baterije. V praksi to pomeni 60 odstotkov več energije in štirikrat večji tok v primerjavi z najboljšimi vojaškimi baterijami. SkelCapovi "superkondenzatorji" zagotavljajo takojšen izbruh energije in se uporabljajo za najrazličnejše aplikacije, od nadzora ognja do tankov. SkelCap kot del skupine United Armaments International (UAI) izpolnjuje različna specializirana naročila in razširjene programe prek skupine UAI s sedežem v Talinu.
Superkondenzatorji podjetja Skeleton Industries
Vendar to ne pomeni, da gorivne celice ne bodo našle prostora v hibridnih in električnih vojaških vozilih. Najbolj obetavna takojšnja uporaba so pomožne enote (APU) v vozilih, ki izvajajo naloge tihega nadzora tipa ISTAR (zbiranje informacij, označevanje ciljev in izvidništvo)."V načinu tihega nadzora motorjem vozil ni treba delovati in samo baterije ne morejo zagotoviti dovolj energije za dolgotrajno delovanje," pravi ameriški vojaški inženirski center za vojsko, ki vodi razvoj generatorjev trdnih oksidnih gorivnih celic in APU, ki lahko deluje na vojaška goriva, dizelsko gorivo in petrolej.
Ta organizacija se trenutno osredotoča na sisteme do 10 kW s poudarkom na popolni integraciji sistemov za gorivo z obratovalnimi potrebami kompleta gorivnih celic. Naloge, ki jih je treba obravnavati pri načrtovanju praktičnih sistemov, vključujejo nadzor uparjanja in onesnaževanja, zlasti nadzor žvepla z razžveplanjem (razžveplanje) in uporabo materialov, odpornih na žveplo, ter preprečevanje nastajanja ogljikovih usedlin v sistemu.
Hibridni električni pogoni lahko veliko ponudijo za vojaška vozila, vendar bo minilo še nekaj časa, preden bodo prednosti te tehnologije postale oprijemljive.
