Sistem gorivnih ćelija EMILY 3000 ima nazivnu izlaznu snagu od 125 W i dnevni kapacitet punjenja od 6 kWh. Može puniti više baterija ili djelovati kao generator polja. Sustav je stvoren posebno za vojne primjene, uključujući scenarije testiranja u kojima je potrebno prikupiti i ocijeniti podatke o novim odbrambenim sistemima na terenu.
Na kraju, hibridne elektrane nude slične ili čak bolje prednosti oklopnim vozilima. Iako efikasnost goriva, barem povijesno, nije bila na vrhu liste obaveznih karakteristika oklopnih vozila, ipak povećava kilometražu i / ili trajanje za određeni kapacitet goriva, povećava nosivost, zaštitu ili vatrenu moć za dati ukupni iznos težinu i, općenito, smanjiti ukupno logističko opterećenje flote
Hibridni električni pogon mogao bi imati važnu ulogu u budućnosti vojnih vozila, ali odgovarajuće otkazivanje i smanjenje obima mnogih odbrambenih programa (ne zaboravljajući poznate FCS i FRES) i borba da se ispune hitni zahtjevi za zaštićena vozila su odgođeni njegovu primjenu na vojnim vozilima na neodređeno vrijeme.
Međutim, kada su u januaru 2011. godine najavljeni kandidati za američko kopneno borbeno vozilo GCV (Ground Combat Vehicle), među njima je bio i projekt tima BAE Systems / Northrop Grumman s hibridnom električnom jedinicom sa sistemom E-X-DRIVE iz Qinetiqa. Ovo se može smatrati nekom vrstom kockanja jer se nitko od kandidata za program lakih taktičkih vozila JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), koji je uključivao i hibridni električni pogon, nije kvalificirao za finale zbog činjenice da se, prema Prema dostupnim podacima, vjeruje se da tehnologija za ovu mašinu u ovom trenutku još nije dovoljno sazrela. Ipak, povijest hibridnih električnih pogona u kopnenim borbenim vozilima ima dovoljan broj programa za razvoj i demonstraciju ove tehnologije. Postoji nešto neoprostivo i neizbježno u globalnoj potrazi za tehnologijom koja obećava uštedu goriva, poboljšanje performansi i opstanka, dok istovremeno zadovoljava rastuću potražnju za električnom energijom na brodu. To je nesumnjivo potkrijepljeno paralelnim razvojem u automobilskoj industriji, vođenim ekološkim zakonodavstvom.
Proizvođači vojnih vozila i dobavljači sistema uložili su velika sredstva u ovu tehnologiju, često potisnutu nekim od gore navedenih ambicioznih vladinih programa, prije nego što su se suočili s posebnom neizvjesnošću svojstvenom dugoročnim vladinim planovima. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks i Qinetiq razvili su hibridne električne pogone za programe u Velikoj Britaniji, SAD -u i Švedskoj, dok Nexter radi na programu razvoja tehnologije ARCHYBALD za teška vozila, civilna i vojna.
Prijenos na električni pogon E-X-DRIVE za vozila s gusjenicama iz QinetiQ-a, lagan, kompaktan i efikasan sistem
Hibridni prethodnici
Hibridni pogonski sistemi čvrsto su se etablirali na ratnim brodovima, posebno na podmornicama, vozovima i teškim kamionima koji se koriste u kamenolomima i površinskim kopovima. U ovim aplikacijama, pokretač, poput dizelskog motora, plinske turbine ili čak oboje, pokreće generator koji napaja struju za pogon motora i punjenje baterija. Neki sistemi uključuju mjenjač za prijenos mehaničke snage na krajnje pogone, dok drugi nemaju.
Na ratnim brodovima, hibridne elektrane dopuštaju upotrebu složenih i široko promjenjivih profila brzina, dok se primarni pogoni rade u učinkovitom rasponu brzina: električni motori za tihi pogon, dizelski motori za normalni pogon, plinske turbine za ubrzanje itd. Podmornica, pogonjena tradicionalnom metodom, ne može pokrenuti svoj primarni pogonski uređaj tijekom ronjenja (ako nema ronilačku masku), pa se u tom smislu mora oslanjati uglavnom na baterije ili drugi pogonski sustav neovisan o zraku. Ogromne mašine za zemljane radove oslanjaju se na ogroman okretni moment od nula okretaja koji generiraju električni motori za pogon jer bi ručni mjenjači koji bi mogli obavljati ovu vrstu posla bili ogromni, složeni i skupi. Vozovi se još više suočavaju s istim problemom, jer sa sobom moraju vući nekoliko stotina tona sa mjesta, u mnogim slučajevima do brzine veće od 150 km / h.
Hibridni pogonski sistem može uštedjeti gorivo tako što omogućava korištenje manjeg, štedljivijeg pogona bez oštećenja, jer sistem, kada vozač u potpunosti pritisne papučicu gasa, nadopunjuje glavni motor električnim motorima na baterije. Električni pogoni također omogućuju prigušivanje pokretača pri vožnji pri malim brzinama, kada to može biti relativno neefikasno. Moderni hibridni automobili također mogu pohraniti kinetičku energiju (na primjer, iz sistema regenerativnog kočenja) i koristiti je za punjenje baterija. Dodatne uštede postižu se radom primarnog pogona većinu vremena u najefikasnijem rasponu brzina, kao i korištenjem dodatne energije za punjenje baterija i / ili napajanje potrošača električne energije.
Moderna vojna vozila zahtijevaju sve više električne energije za rad komunikacijskih sistema, opreme za upravljanje i upravljanje, nadzornih i obavještajnih senzora kao što su optoelektronika i radari, daljinski upravljane stanice naoružanja i ometači improvizovanih eksplozivnih naprava (IED). Napredni sistemi, poput električnog oklopa, dodatno će povećati potrošnju. Korištenje sve instalirane snage za pokretanje električnih sistema je, u teoriji, barem učinkovitije nego imati jedan sustav za pogon, a drugi za specijaliziranu opremu.
Sve veći naglasak stavlja se na nadzor i prikupljanje obavještajnih podataka u protu pobunjeničkim misijama, pa se kao rezultat toga u sve većem broju programa oklopnih vozila postavljaju zahtjevi tihog nadzora. Ovo dodatno povećava važnost potrošnje električne energije i čini gorivne ćelije privlačnijim.
Hibridni sistemi s električnim pogonom spadaju u dvije široke kategorije: paralelne i serijske. U paralelnim sistemima, motor s unutrašnjim sagorijevanjem i električni motor (ili elektromotori) rotiraju kotače ili gusjenice kroz mjenjač, odvojeno ili zajedno. U serijskim hibridnim sistemima, primarni pogon pokreće samo generator. Sekvencijalni sistem je jednostavniji, sva pogonska snaga u njemu mora ići kroz elektromotore i stoga moraju biti veći od elektromotora u paralelnom sistemu sa istim zahtjevima performansi mašine. Razvijeni su sistemi oba tipa.
Inovacije u hibridno-električnim pogonima i tehnologiji gorivih ćelija mogu se izvući iz komercijalne tehnologije. Na primjer, BAE Systems proizvodi hibridno-električne autobuse, čija se tehnologija može koristiti za demonstraciju energetske učinkovitosti i poboljšanih ispušnih karakteristika modernih hibridno-električnih vozila dizajniranih za teške uvjete.
Povećana preživljavanje
Hibridni sistemi takođe povećavaju preživljavanje fleksibilnijim rasporedom i eliminacijom komponenti prenosa koje bi mogle postati bočni projektil kada bi ih detonirala mina ili IED. Oklopna oklopna vozila od toga imaju posebnu korist. Integriranjem pogonskih motora u glavčine kotača uklanjaju se sve osovine propelera, diferencijali, pogonska vratila i mjenjači povezani s tradicionalnim ručnim mjenjačima i zamjenjuju ih kabelima za napajanje i stoga ne mogu postati dodatni projektili. Uklanjanjem svih ovih mehanizama omogućava se i podizanje prostora za posadu iznad zemlje na određenoj visini vozila, čineći putnike manje osjetljivim na eksplozije ispod trupa. Ova vrsta dizajna korištena je u demonstratoru General Dynamics UK AHED 8x8 i verziji SEP mašine na točkovima iz BAE Systems / Hagglunds, čija je verzija sa gusjenicama također proizvedena (i naknadno sigurno zaboravljena).
Elektromotori integrirani u pojedinačne kotače vrlo precizno kontroliraju snagu koja se isporučuje na svaki kotač i to, prema GD UK, gotovo eliminira prednost gusjenica u odnosu na kotače u smislu terenskog terena.
Obećavajuće kopneno borbeno vozilo kretat će se kolosijecima, a prijedlog BAE Systems / Northrop Grumman ukazuje da će Qinetiqov električni prijenos E-X-DRIVE biti lakši, kompaktniji i efikasniji od tradicionalnih mjenjača. Omogućava i poboljšano ubrzanje uz toleranciju grešaka i može se konfigurirati za širok raspon programa za usvajanje mašina i tehnologije, kažu u kompaniji.
Iako sustav uključuje četiri motora s permanentnim magnetima, pogonski sklop u E-X-DRIVE-u nije potpuno električan; povrat energije pri skretanju i mehaničko mijenjanje brzina, pri čemu potonji koristi bregasto kvačilo. Ovaj dizajn je rješenje niskog rizika koje minimizira naprezanja motora, zupčanika, vratila i ležajeva. Korištenje poprečnog rasporeda vratila za regeneraciju mehaničke snage u mehanizmu zakretanja alternativa je upotrebi nezavisnih pogonskih kotača u čisto električnom mjenjaču.
Jedna od inovacija u srcu E-X-DRIVE-a je središnji mjenjač (poznat kao diferencijal za podešavanje), koji kombinira okretni moment motora upravljača, glavni moment motora i prethodno spomenuti mehanički mehanizam za rekuperaciju. Osim što minimizira torzijska opterećenja, eliminira većinu i težinu vanjskog poprečnog vratila koje se koristi u tradicionalnim rješenjima i drugim hibridnim električnim pogonskim sistemima.
Napredak u elektrotehnici
Motori s permanentnim magnetima područje su tehnologije koja je posljednjih godina uvelike poboljšala učinkovitost i gustoću snage električnih pogonskih sustava u svim aplikacijama. Motori sa stalnim magnetima oslanjaju se na prirodne jake magnete rijetkih zemalja koji stvaraju magnetska polja u komponentama statora, a ne na namote pod naponom (elektromagnete). To čini motore efikasnijim, posebno zbog činjenice da samo rotor treba napajati električnom strujom.
Moderna energetska elektronika također je ključna tehnologija za hibridna električna vozila svih vrsta. Kontroleri motora zasnovani na IGBT -u, na primjer, kontroliraju protok energije iz baterije, generatora ili gorivnih ćelija kako bi odredili brzine rotacije i izlazni moment iz elektromotora. Oni su mnogo efikasniji od elektromehaničkih upravljačkih sistema i značajno poboljšavaju performanse pogona promjenjive brzine - tehnologija koja je daleko manje zrela od pogona sa fiksnom brzinom koji se široko koriste u industriji.
TDI Power sa sjedištem u New Jerseyju primjer je ulagača koji ulaže u tekuću hlađenu elektroniku za električna i hibridna vozila za civilne i vojne primjene. Kompanija proizvodi standardne modularne DC / DC pretvarače i pretvarače koji premašuju trenutne SAE i MIL standarde.
Električni pogoni u vojnim vozilima će imati koristi od opsežnih istraživanja i razvoja pogona s promjenjivom brzinom u industriji, potaknutih očekivanjem ukupne uštede energije od oko 15-30%, što se može postići ako se strojevi s fiksnim zupčanicima zamijene pogonima promjenjive brzine za većinu industrijskih korisnicima, kao što je navedeno u nedavnoj studiji Univerziteta u Newcastleu koju je naručila britanska Uprava za znanost i inovacije. „Poboljšanje potencijalne efikasnosti pogonskih opterećenja predviđeno je da će Velikoj Britaniji uštedjeti 15 kWh milijardi sati godišnje, a u kombinaciji s poboljšanom efikasnošću motora i pogona, ukupna ušteda od 24 milijarde kWh“, navodi se u studiji.
Jedan od važnih načina za poboljšanje učinkovitosti prijenosa energije u bilo kojem električnom sustavu je povećanje napona, budući da Ohmov zakon nalaže da je za bilo koju snagu, što je veći napon, niža struja. Male struje mogu prolaziti kroz tanke žice, omogućavajući kompaktnim, laganim električnim sistemima da osiguraju potrebna opterećenja. To je razlog zašto nacionalne električne mreže koriste vrlo visoke napone pri prijenosu energije; Britanske električne mreže, na primjer, rade na svojim dalekovodima do 400.000 volti.
Malo je vjerojatno da će električni sistemi vojnih vozila koristiti napone ove veličine, ali čini se da su dani od 28 volti i slični električni sistemi odbrojani. Na primjer, 2009. godine, britansko Ministarstvo obrane odabralo je Qinetiq za istraživanje proizvodnje i distribucije električne energije pomoću tehnologije 610 volti. Qinetiq je predvodio tim koji je uključivao stručnjake za BAE sisteme i električne mašine Provector Ltd, koji je pretvorio WARRIOR 2000 BMP u demonstrator sposoban za napajanje potrošača velike potražnje od 610 volti, kao i postojeću opremu od 28 volti. Mašina je opremljena sa dva generatora od 610 volti, od kojih svaki daje dvostruko veću snagu od originalne mašine, čime se efikasno učetvorostručuje Ratnikova električna snaga.
Energija za vozilo koje koristi gorivne ćelije iz SFC -a
Vojnicima na terenu potreban je pouzdan izvor energije za njihove mašine. On mora napajati struju ugrađenim uređajima poput radija, komunikacione opreme, sistema naoružanja i optičkih elektronskih sistema. No, kad je potrebno, trebao bi djelovati i kao stanica za punjenje vojnika na zadatku.
Često prilikom izvođenja zadatka nije moguće pokrenuti motor radi punjenja baterija, jer to može otkriti lokaciju jedinice. Stoga vojnicima treba način da dobiju električnu struju - tiho, stalno i nezavisno.
SFC -ov sistem EMILY 2200 zasnovan je na uspješnoj tehnologiji gorivih ćelija EFOY. Instalirana na mašini, EMILY jedinica osigurava da baterije ostanu stalno napunjene. Ugrađeni regulator stalno prati napon u baterijama i automatski puni baterije po potrebi. Radi tiho i jedini "ispuh" su mu vodena para i ugljični dioksid u količinama koje se mogu uporediti s disanjem djeteta.
Za velike mašine potrebne su velike baterije. Ovaj paket litij-ionskih ćelija dio je tehnologije pogona hibridnih sabirnica BAE Systems.
Da li su moguće gorivne ćelije?
Gorivne ćelije, koje koriste kemijske procese za direktno pretvaranje goriva u električnu struju s velikom efikasnošću, dugo su se smatrale tehnologijom koja se može široko koristiti u vojnoj oblasti, uključujući pogon automobila i proizvodnju električne energije na brodu. Međutim, postoje značajne tehničke prepreke koje je potrebno prevladati. Prvo, gorivne ćelije rade na vodiku i miješaju ga s kisikom iz zraka za stvaranje električne struje kao nusprodukta. Vodik nije lako dostupan, te ga je teško skladištiti i transportovati.
Postoji mnogo primjera gorivnih ćelija koje pokreću električna vozila, ali svi su eksperimentalni. U automobilskom svijetu, Hondin FCX CLARITY vjerovatno je najbliža dostupnost komercijalnom proizvodu, ali čak i tada je dostupan samo u područjima gdje postoji neka infrastruktura za punjenje vodonika i samo prema ugovorima o zakupu. Čak i vodeći proizvođači gorivnih ćelija kao što je Ballard Power prepoznaju trenutna ograničenja ove tehnologije za upotrebu u automobilima. Kompanija kaže da je „masovna proizvodnja vozila na gorivne ćelije dugoročna. Danas većina proizvođača automobila vjeruje da serijska proizvodnja vozila na gorivne ćelije nije izvediva do 2020. godine, zbog industrije koja se suočava s problemima distribucije vodika, optimizacije trajnosti, gustoće energije, mogućnosti vrućeg pokretanja i cijene gorivnih ćelija.”
Međutim, svi najveći svjetski proizvođači automobila ulažu velika sredstva u istraživanje i razvoj gorivih ćelija, često zajedno s proizvođačima gorivnih ćelija. Ballard je, na primjer, dio Automotive Fuel Cell Cooperation, zajedničkog ulaganja između Forda i Daimler AG -a. Vojska postavlja još jednu prepreku usvajanju gorivnih ćelija u obliku svog zahtjeva da sve mora raditi na "logističkim" gorivima. Gorivne ćelije mogu raditi na dizel ili petrolej, ali se prvo moraju modificirati kako bi se ekstrahirao vodik koji im je potreban. Ovaj proces zahtijeva složenu i glomaznu opremu koja utječe na veličinu, težinu, cijenu, složenost i efikasnost cjelokupnog sistema.
Drugo ograničenje gorivih ćelija kada rade kao pokretač vojnog vozila je činjenica da one najbolje rade pri konstantnim postavkama snage i ne mogu brzo reagirati na potrebne promjene. To znači da se moraju nadopuniti baterijama i / ili superkondenzatorima i pripadajućom elektronikom za regulaciju snage kako bi se ispunila maksimalna opterećenja snage.
U području "superkondenzatora", estonska kompanija Skeleton Industries razvila je liniju najsuvremenijih SkelCap superkondenzatora koji su pet puta snažniji po litri zapremine ili četiri puta snažniji po kilogramu od vrhunskih vojnih baterija. U praksi to znači 60 posto veću snagu i četiri puta veću struju u odnosu na najbolje vojne baterije. SkelCapovi "superkondenzatori" pružaju trenutni nalet snage i koriste se za širok spektar primjena, od kontrole vatre do tenkova kupole. Kao dio United Armaments International (UAI) grupe, SkelCap ispunjava različite specijalizirane narudžbe, kao i proširene programe putem UAI grupe sa sjedištem u Tallinnu.
Superkondenzatori iz kompanije Skeleton Industries
Međutim, to ne znači da gorivne ćelije neće pronaći mjesto u hibridnim i električnim vojnim vozilima. Neposredna primjena koja najviše obećava su pomoćne pogonske jedinice (APU) u vozilima koja izvode zadatke tihog nadzora tipa ISTAR (prikupljanje informacija, označavanje cilja i izviđanje)."U načinu tihog nadzora motori vozila ne moraju raditi, a same baterije ne mogu osigurati dovoljno energije za dugotrajne operacije", kaže Centar za inženjering američke vojske koji vodi razvoj generatora čvrstih oksidnih gorivnih ćelija i APU-a koji može raditi na vojnim gorivima, dizel gorivu i petroleju.
Ova organizacija se trenutno fokusira na sisteme do 10 kW sa naglaskom na potpunu integraciju sistema goriva sa radnim potrebama kompleta gorivih ćelija. Zadaci koje je potrebno riješiti pri projektiranju praktičnih sistema uključuju kontrolu isparavanja i zagađenja, posebno kontrolu sumpora kroz odsumporavanje (odsumporavanje) i upotrebu materijala otpornih na sumpor, kao i izbjegavanje stvaranja naslaga ugljika u sistemu.
Hibridni električni pogoni imaju mnogo toga za ponuditi vojnim vozilima, ali proći će još neko vrijeme prije nego što prednosti ove tehnologije postanu opipljive.
