Sustav 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 testne scenarije u kojima je potrebno prikupljati i ocjenjivati podatke o novim obrambenim sustavima na terenu.
U konačnici, hibridne elektrane nude usporedive ili čak bolje prednosti oklopnim vozilima. Iako iskorištenost goriva, barem povijesno, nije bila na vrhu popisa obveznih karakteristika oklopnih vozila, ipak povećava kilometražu i / ili trajanje za određeni kapacitet goriva, povećava nosivost, zaštitu ili vatrenu moć za određeni ukupni iznos težinu i općenito smanjiti ukupni logistički teret za flotu
Hibridni električni pogon mogao bi imati važnu ulogu u budućnosti vojnih vozila, no odgovarajuće otkazivanje i smanjenje obujma mnogih obrambenih programa (ne zaboravljajući poznate FCS i FRES) i borba za ispunjavanje hitnih zahtjeva za zaštićena vozila odgodili su njegova provedba na vojnim vozilima na neodređeno vrijeme.
Međutim, kada su u siječnju 2011. najavljeni podnositelji zahtjeva 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 sustavom E-X-DRIVE iz tvrtke Qinetiq. To se može smatrati svojevrsnim kockanjem 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 dostupnih podataka, vjeruje se da tehnologija za ovaj stroj 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 preživljavanje, a istovremeno zadovoljava rastuću potražnju za električnom energijom na brodu. To je nesumnjivo potkrijepljeno paralelnim razvojem u automobilskoj industriji, potaknutim zakonodavstvom o zaštiti okoliša.
Proizvođači vojnih vozila i dobavljači sustava uložili su velika sredstva u ovu tehnologiju, često potisnutu nekim od gore spomenutih 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 s električnim pogonom E-X-DRIVE za vozila na gusjenicama iz QinetiQ-a, lagani, kompaktni i učinkoviti sustav
Hibridni prethodnici
Hibridni pogonski sustavi čvrsto su se etablirali na ratnim brodovima, osobito na podmornicama, vlakovima i teškim kamionima koji se koriste u kamenolomima i površinskim kopovima. U tim primjenama glavni pokretač, poput dizelskog motora, plinske turbine ili čak oboje, pokreće generator koji napaja struju za pogon motora i punjenje baterija. Neki sustavi uključuju mjenjač za prijenos mehaničke snage na krajnje pogone, dok drugi nemaju.
U ratnim brodovima hibridne elektrane dopuštaju uporabu složenih i široko promjenjivih profila brzina, dok se primarni pogoni rade u učinkovitom rasponu brzina: elektromotori 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 disalicu), pa se u tom pogledu mora oslanjati uglavnom na baterije ili drugi pogonski sustav neovisan o zraku. Divovski strojevi za zemljane radove oslanjaju se na ogroman okretni moment od nula okretaja koji generiraju elektromotori za pogon jer bi ručni mjenjači koji bi mogli obavljati ovu vrstu posla bili ogromni, složeni i skupi. Vlakovi se još više suočavaju s istim problemom jer moraju sa sobom vući nekoliko stotina tona sa mjesta, u mnogim slučajevima i do brzine veće od 150 km / h.
Hibridni pogonski sustav može uštedjeti gorivo dopuštajući da se koristi manji, štedljiviji pogon goriva bez degradacije, jer sustav, kada vozač potpuno pritisne papučicu gasa, nadopunjuje glavni motor elektromotorima na baterije. Električni pogoni također omogućuju prigušenje primarnog pogona pri vožnji pri malim brzinama, kada to može biti relativno neučinkovito. Suvremeni hibridni automobili također mogu pohraniti kinetičku energiju (na primjer, iz sustava regenerativnog kočenja) i koristiti je za punjenje baterija. Dodatne uštede postižu se radom većine vremena u pogonu s najučinkovitijim rasponom brzina, kao i korištenjem dodatne energije za punjenje baterija i / ili napajanje potrošača električne energije.
Suvremena vojna vozila zahtijevaju sve više električne energije za upravljanje komunikacijskim sustavima, komandnom i upravljačkom opremom, nadzornim i obavještajnim senzorima poput optoelektronike i radara, daljinski upravljanih oružnih postaja i ometača improviziranih eksplozivnih naprava (IED). Napredni sustavi poput električnog oklopa dodatno će povećati potrošnju. Korištenje sve instalirane snage za pokretanje električnih sustava 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 protupobunjeničkim misijama, pa se kao rezultat toga u sve većem broju programa oklopnih vozila postavljaju zahtjevi tihog nadzora. To dodatno povećava važnost potrošnje električne energije i čini gorivne ćelije privlačnijima.
Sustavi hibridnih električnih pogona spadaju u dvije široke kategorije: paralelne i serijske. U paralelnim sustavima, motor s unutarnjim izgaranjem i elektromotor (ili elektromotori) rotiraju kotače ili gusjenice kroz mjenjač, odvojeno ili zajedno. U serijskim hibridnim sustavima primarni pogon pokreće samo generator. Sekvencijski sustav je jednostavniji, sva pogonska snaga u njemu mora proći kroz elektromotore i stoga moraju biti veći od elektromotora u paralelnom sustavu s istim zahtjevima performansi stroja. Razvijeni su sustavi 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 dokazivanje energetske učinkovitosti i poboljšanih ispušnih karakteristika modernih hibridno-električnih vozila dizajniranih za teške uvjete.
Povećana preživljavanje
Hibridni sustavi također povećavaju preživljavanje fleksibilnijim rasporedom i eliminacijom prijenosnih komponenti koje bi mogle postati bočni projektil kad bi ih detonirala mina ili IED. Oklopna vozila na kotačima od toga imaju posebnu korist. Integriranjem pogonskih motora u glavčine kotača eliminiraju se sve osovine propelera, diferencijali, pogonska vratila i mjenjači povezani s tradicionalnim ručnim mjenjačima i zamjenjuju ih kabelima za napajanje pa stoga ne mogu postati dodatni projektili. Uklanjanjem svih ovih mehanizama također se može podići odjeljak za posadu iznad zemlje na određenoj visini vozila, čineći putnike manje osjetljivima na eksplozije ispod trupa. Ova vrsta dizajna korištena je u demonstratoru General Dynamics UK AHED 8x8 i verziji SEP stroja na kotačima iz tvrtke BAE Systems / Hagglunds, čija je verzija s gusjenicama također proizvedena (i naknadno sigurno zaboravljena).
Elektromotori integrirani u pojedinačne kotače vrlo precizno upravljaju snagom koja se isporučuje na svaki kotač i to, prema GD UK-u, 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 učinkovitiji od tradicionalnih mjenjača. Također omogućuje poboljšano ubrzanje uz toleranciju grešaka i može se konfigurirati za širok raspon programa za usvajanje strojeva i tehnologije, kažu u tvrtki.
Iako sustav uključuje četiri motora s permanentnim magnetom, pogonski sklop u E-X-DRIVE-u nije potpuno električan; povrat energije pri skretanju i mehaničko mijenjanje stupnjeva prijenosa, pri čemu potonji koristi bregastu spojku. 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 uporabi neovisnih 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 povrat energije. Osim što umanjuje torzijska opterećenja, uklanja i glavninu i težinu vanjskog poprečnog vratila koje se koristi u tradicionalnim rješenjima i drugim hibridnim sustavima električnog pogona.
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 primjenama. Motori s stalnim magnetima oslanjaju se na prirodne snažne magnete rijetkih zemalja za generiranje magnetskih polja u komponentama statora, a ne na namote koji nose struju (elektromagnete). To čini motore učinkovitijima, osobito zbog činjenice da samo rotor mora biti opskrbljen električnom strujom.
Suvremena energetska elektronika također je ključna tehnologija za hibridna električna vozila svih vrsta. Kontroleri motora temeljeni na IGBT -u, na primjer, kontroliraju protok energije iz baterije, generatora ili gorivnih ćelija kako bi odredili brzine vrtnje i izlazni moment iz elektromotora. Oni su mnogo učinkovitiji od elektromehaničkih upravljačkih sustava i značajno poboljšavaju performanse pogona s promjenjivom brzinom - tehnologija koja je daleko manje zrela od pogona s 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. Tvrtka proizvodi standardne modularne DC / DC pretvarače i pretvarače koji premašuju trenutne SAE i MIL standarde.
Električni pogoni u vojnim vozilima imat će 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 nepokretnim zupčanicima zamijene pogonima promjenjive brzine za većinu industrijskih korisnicima, kako je navedeno u nedavnoj studiji Sveučilišta Newcastle koju je naručilo britansko Uprava za znanost i inovacije. "Predviđa se da će poboljšanje potencijalne učinkovitosti pogonskih opterećenja uštedjeti Velikoj Britaniji 15 kWh milijardi sati godišnje, a u kombinaciji s poboljšanom učinkovitošću 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 zadanu snagu veći napon manja struja. Male struje mogu prolaziti kroz tanke žice, dopuštajući kompaktnim, laganim električnim sustavima da osiguraju potrebna opterećenja. To je razlog zašto nacionalne elektroenergetske 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 sustavi vojnih vozila koristiti napone ove veličine, ali čini se da su dani od 28 volti i slični električni sustavi odbrojani. Na primjer, 2009. godine britansko ministarstvo obrane odabralo je Qinetiq za istraživanje proizvodnje i distribucije električne energije pomoću tehnologije 610 volti. Qinetiq je vodio tim koji je uključivao stručnjake za BAE sustave i električne strojeve Provector Ltd, koji je pretvorio WARRIOR 2000 BMP u demonstrator sposoban za napajanje kupaca velike potražnje od 610 V, kao i postojeću opremu od 28 volti. Stroj je opremljen s dva generatora od 610 volti, od kojih svaki pruža dvostruko veću snagu od izvornog stroja, čime se učinkovito učetverostručuje Ratnikova električna snaga.
Energija za vozilo koje koristi gorivne ćelije iz SFC -a
Vojnici na terenu trebaju pouzdan izvor energije za svoje strojeve. On mora napajati struju ugrađenim uređajima poput radija, komunikacijske opreme, naoružanja i optičkih elektroničkih sustava. No, kad je potrebno, trebao bi djelovati i kao stanica za punjenje vojnika po zadatku.
Često prilikom izvođenja zadatka nije moguće pokrenuti motor radi punjenja baterija, jer to može otkriti mjesto jedinice. Stoga vojnicima treba način da dobiju električnu struju - tiho, stalno i neovisno.
SFC -ov sustav EMILY 2200 temelji se na uspješnoj tehnologiji gorivnih ćelija EFOY. Ugrađena na stroj, EMILY jedinica osigurava da baterije ostanu stalno napunjene. Ugrađeni regulator neprestano prati napon u baterijama i po potrebi automatski puni baterije. Radi tiho, a jedini "ispuh" su mu vodena para i ugljični dioksid u količinama usporedivim s disanjem djeteta.
Za velike strojeve potrebne su velike baterije. Ovaj paket litij-ionskih ćelija dio je tehnologije pogona hibridnih sabirnica BAE Systems.
Jesu li moguće gorivne ćelije?
Gorivne ćelije, koje kemijskim procesima izravno pretvaraju gorivo u električnu struju s velikom učinkovitošću, dugo su se promatrale kao tehnologija koja se može široko koristiti u vojnom području, 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 kako bi generirale električnu struju kao nusprodukt. Vodik nije lako dostupan te ga je teško skladištiti i transportirati.
Postoji mnogo primjera gorivnih ćelija koje pokreću električna vozila, ali svi su eksperimentalni. U automobilskom svijetu, Hondin FCX CLARITY vjerojatno je najbliža dostupnost komercijalnom proizvodu, ali čak i tada dostupan je samo u područjima gdje postoji neka infrastruktura za opskrbu gorivom vodika i samo prema ugovorima o najmu. Čak i vodeći proizvođači gorivnih ćelija, poput Ballard Power, prepoznaju trenutna ograničenja ove tehnologije za uporabu u automobilima. Tvrtka kaže da je „dugoročna masovna proizvodnja vozila na gorivne ćelije. 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 toplog 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 pothvata između Forda i Daimler AG -a. Vojska postavlja još jednu prepreku usvajanju gorivnih ćelija u obliku zahtjeva da sve mora raditi na "logističkim" gorivima. Gorivne ćelije mogu raditi na dizelskom gorivu ili petroleju, no najprije se moraju izmijeniti kako bi se izvukao vodik koji im je potreban. Ovaj proces zahtijeva složenu i glomaznu opremu koja utječe na veličinu, težinu, cijenu, složenost i učinkovitost cjelokupnog sustava.
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 zadovoljila vršna opterećenja snage.
U području "superkondenzatora", estonska tvrtka Skeleton Industries razvila je liniju najsuvremenijih superkondenzatora SkelCap koji su pet puta snažniji po litri volumena ili četiri puta snažniji po kilogramu od vrhunskih vojnih baterija. U praksi to znači 60 posto više snage i četiri puta veću struju u odnosu na najbolje vojne baterije. SkelCapovi "superkondenzatori" pružaju trenutni nalet snage i koriste se za širok raspon primjena, od upravljanja vatrom do tenkova kupole. Kao dio United Armaments International (UAI) grupe, SkelCap ispunjava razne specijalizirane narudžbe, kao i proširene programe putem UAI grupe sa sjedištem u Tallinnu.
Superkondenzatori iz 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 inženjeringa američke vojske koji vodi razvoj generatora krutih oksidnih gorivnih ćelija i APU-a koji može raditi na vojnim gorivima, dizel gorivu i petroleju.
Ova se organizacija trenutno fokusira na sustave do 10 kW s naglaskom na potpunu integraciju sustava goriva s radnim potrebama kompleta gorivih ćelija. Zadaci koje je potrebno rješavati pri projektiranju praktičnih sustava uključuju kontrolu isparavanja i zagađenja, posebno kontrolu sumpora kroz odsumporavanje (odsumporavanje) i upotrebu materijala otpornih na sumpor, kao i izbjegavanje stvaranja naslaga ugljika u sustavu.
Hibridni električni pogoni imaju mnogo za ponuditi vojnim vozilima, no proći će još neko vrijeme prije nego što će prednosti ove tehnologije postati opipljive.
