Systém palivových článkov EMILY 3000 má menovitý výstupný výkon 125 W a dennú nabíjaciu kapacitu 6 kWh. Môže nabíjať viac batérií alebo fungovať ako generátor poľa. Systém bol vytvorený špeciálne pre vojenské aplikácie vrátane testovacích scenárov, v ktorých je potrebné zbierať a vyhodnocovať údaje o nových obranných systémoch v teréne.
Hybridné elektrárne v konečnom dôsledku ponúkajú porovnateľné alebo dokonca lepšie výhody obrneným vozidlám. Aj keď palivová účinnosť, prinajmenšom historicky, nebola na vrchole zoznamu povinných charakteristík obrnených vozidiel, napriek tomu zvyšuje dojazd a / alebo trvanie pre danú kapacitu paliva, zvyšuje užitočné zaťaženie, ochranu alebo palebnú silu pre daný celkový súčet. hmotnosť a vo všeobecnosti znižujú celkové logistické zaťaženie flotily
Hybridný elektrický pohon môže hrať dôležitú úlohu v budúcnosti vojenských vozidiel, ale zodpovedajúce zrušenie a zníženie objemu mnohých obranných programov (nezabúdajúc na slávne FCS a FRES) a boj o splnenie naliehavých požiadaviek na chránené vozidlá odložili jeho implementácia na vojenské vozidlá na neurčito.
Keď však boli v januári 2011 vyhlásení záujemcovia o americké pozemné bojové vozidlo GCV (Ground Combat Vehicle), bol medzi nimi aj projekt tímu BAE Systems / Northrop Grumman s hybridnou elektrickou pohonnou jednotkou so systémom E-X-DRIVE od spoločnosti Qinetiq. Možno to považovať za istý druh hazardu, pretože žiadny z uchádzačov o program ľahkého taktického vozidla JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), ktorý zahŕňal aj hybridný elektrický pohon, sa do finále nekvalifikoval, pretože podľa dostupné údaje, verí sa, že technológia pre tento stroj nie je v tomto časovom okamihu ešte dostatočne vyspelá. Napriek tomu má história hybridných elektrických pohonov v pozemných bojových vozidlách dostatočný počet programov na vývoj a predvádzanie tejto technológie. Globálne pátranie po technológiách, ktoré sľubujú úsporu paliva, zvýšenie výkonu a schopnosti prežitia a zároveň uspokojenie rastúceho dopytu po elektrickej energii na palube, je niečo neodpustiteľné a nevyhnutné. To je nepochybne podporené paralelným vývojom v automobilovom priemysle, ktorý je poháňaný environmentálnou legislatívou.
Výrobcovia vojenských vozidiel a poskytovatelia systémov výrazne investovali do tejto technológie, často tlačenej niektorým z vyššie uvedených ambicióznych vládnych programov, predtým, ako čelili osobitnej neistote spojenej s dlhodobými vládnymi plánmi. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks a Qinetiq vyvinuli hybridné elektrické pohony pre britské, americké a švédske programy, zatiaľ čo Nexter pracuje na programe vývoja technológie ARCHYBALD pre ťažké vozidlá, civilné a vojenské.
Elektrická prevodovka E-X-DRIVE pre pásové vozidlá od QinetiQ, ľahký, kompaktný a efektívny systém
Hybridní predchodcovia
Hybridné pohonné systémy sa pevne etablovali vo vojnových lodiach, najmä na ponorkách, vlakoch a ťažkých nákladných automobiloch používaných v lomových a povrchových baniach. V týchto aplikáciách poháňa hlavný motor, ako je dieselový motor, plynová turbína alebo dokonca oboje, generátor, ktorý dodáva prúd do pohonných motorov a nabíjania batérií. Niektoré systémy obsahujú prevodovku na prenos mechanickej sily na koncové prevody, zatiaľ čo iné nie.
Vo vojnových lodiach hybridné elektrárne umožňujú používať komplexné a veľmi rozdielne rýchlostné profily, zatiaľ čo hnacie motory sú prevádzkované v účinnom rozsahu rýchlostí: elektromotory na tichý pohon, naftové motory na normálny pohon, plynové turbíny na akceleráciu atď. Ponorka poháňaná tradičnou metódou nemôže počas ponoru spustiť svoje primárne pohonné zariadenie (ak nemá šnorchel) a v tomto ohľade sa treba spoliehať hlavne na batérie alebo iný pohonný systém nezávislý na vzduchu. Obrovské stroje na zemné práce sa pri jazde spoliehajú na obrovský krútiaci moment nulových otáčok generovaný elektromotormi, pretože manuálne prevodovky, ktoré by dokázali vykonávať tento druh práce, by boli obrovské, zložité a drahé. Vlaky čelia rovnakému problému ešte viac, pretože musia so sebou ťahať niekoľko stoviek ton z pokoja, v mnohých prípadoch až do rýchlosti presahujúcej 150 mph.
Hybridný pohonný systém môže ušetriť palivo tým, že umožní použitie menšieho, palivovo úspornejšieho hlavného hnacieho motora bez degradácie, pretože systém, keď vodič úplne zošliapne plynový pedál, doplní hlavný motor o akumulátorové elektromotory. Elektrické pohony tiež umožňujú tlmenie hlavného hnacieho motora pri jazde v nízkych rýchlostiach, keď môže byť relatívne neúčinné. Moderné hybridné autá môžu tiež ukladať kinetickú energiu (napríklad z regeneratívneho brzdového systému) a používať ju na nabíjanie batérií. Ďalšie úspory sú dosiahnuté prevádzkou hlavného pohonu väčšinu času v jeho najefektívnejšom rozsahu otáčok a použitím akejkoľvek ďalšej energie na nabíjanie batérií a / alebo napájania palubných elektrických spotrebičov.
Moderné vojenské vozidlá vyžadujú stále viac elektrickej energie na prevádzku komunikačných systémov, riadiacich a riadiacich zariadení, sledovacích a spravodajských senzorov, ako sú optoelektronika a radary, diaľkovo ovládaných zbraňových staníc a rušičiek improvizovaných výbušných zariadení (IED). Pokročilé systémy, ako napríklad elektrické brnenie, budú ďalej zvyšovať spotrebu. Využitie všetkého inštalovaného výkonu na prevádzku elektrických systémov je teoreticky prinajmenšom účinnejšie ako mať jeden systém na pohon a druhý na špecializované zariadenia.
V protipovstaleckých misiách sa kladie stále väčší dôraz na schopnosti dohľadu a zhromažďovania spravodajských informácií, a preto sa v rastúcom počte programov obrnených vozidiel kladú požiadavky na tiché sledovanie. To ďalej zvyšuje dôležitosť spotreby elektrickej energie a robí palivové články atraktívnejšími.
Hybridné elektrické pohonné systémy sa delia na dve široké kategórie: paralelné a sériové. V paralelných systémoch spaľovací motor a elektrický motor (alebo elektromotory) otáčajú kolesá alebo dráhy cez prevodovku, a to buď oddelene alebo spoločne. V sériových hybridných systémoch poháňa hlavný pohon iba generátor. Sekvenčný systém je jednoduchší, všetka hnacia sila v ňom musí prechádzať elektrickými motormi, a preto musia byť väčšie ako elektromotory v paralelnom systéme s rovnakými požiadavkami na výkon stroja. Boli vyvinuté systémy oboch typov.
Inovácie v oblasti hybridných elektrických pohonov a technológie palivových článkov je možné čerpať z komerčnej technológie. Spoločnosť BAE Systems napríklad vyrába hybridné elektrické autobusy, ktorých technológiu je možné použiť na preukázanie energetickej účinnosti a zlepšených vlastností výfukových plynov moderných hybridných elektrických vozidiel určených do ťažkých podmienok.
Zvýšená schopnosť prežitia
Hybridné systémy tiež zvyšujú schopnosť prežitia vďaka flexibilnejšiemu usporiadaniu a eliminácii komponentov prenosu, ktoré by sa pri výbuchu v bani alebo IED mohli stať bočným projektilom. Profitujú z toho najmä kolesové obrnené vozidlá. Integráciou hnacích motorov do nábojov kolies sú všetky hriadeľové hriadele, diferenciály, hnacie hriadele a prevodovky súvisiace s tradičnými manuálnymi prevodovkami eliminované a nahradené silovými káblami, a preto sa nemôžu stať dodatočnými projektilmi. Odstránenie všetkých týchto mechanizmov tiež umožní zdvihnúť priestor pre posádku v danej výške vozidla nad zem, čím sa cestujúci stanú menej zraniteľnými voči výbuchom pod trupom. Tento typ konštrukcie bol použitý v demonštrátore General Dynamics UK AHED 8x8 a kolesovej verzii stroja SEP od BAE Systems / Hagglunds, ktorého pásová verzia bola tiež vyrobená (a následne bezpečne zabudnutá).
Elektromotory integrované do jednotlivých kolies veľmi presne riadia výkon dodávaný na každé koleso, a to podľa GD UK takmer vylučuje výhodu koľají nad kolesami v teréne.
Sľubné pozemné bojové vozidlo sa bude pohybovať po koľajach a návrh BAE Systems / Northrop Grumman naznačuje, že elektrická prevodovka Qinetiq E-X-DRIVE bude ľahšia, kompaktnejšia a účinnejšia ako tradičné prevodovky. Umožňuje tiež lepšie zrýchlenie spolu s odolnosťou voči poruchám a je konfigurovateľný pre širokú škálu programov na prijatie strojov a technológií, hovorí spoločnosť.
Napriek tomu, že systém obsahuje štyri motory s permanentnými magnetmi, pohonná jednotka v E-X-DRIVE nie je úplne elektrická; rekuperácia energie v zákrutách a mechanické radenie prevodových stupňov, pričom druhé používa vačkovú spojku. Táto konštrukcia je riešením s nízkym rizikom, ktoré minimalizuje namáhanie motorov, prevodov, hriadeľov a ložísk. Použitie usporiadania priečneho hriadeľa na regeneráciu mechanickej sily v kyvnom mechanizme je alternatívou k použitiu nezávislých hnacích kolies v čisto elektrickej prevodovke.
Jednou z noviniek v srdci E-X-DRIVE je stredová prevodovka (známa ako nastavovací diferenciál), ktorá kombinuje krútiaci moment motora riadenia, krútiaci moment hlavného motora a predtým uvedený mechanizmus rekuperácie mechanického riadenia. Okrem minimalizácie torzného zaťaženia eliminuje objem a hmotnosť vonkajšieho priečneho hriadeľa používaného v tradičných riešeniach a iných hybridných elektrických pohonných systémoch.
Pokroky v elektrotechnike
Motory s permanentnými magnetmi sú oblasťou technológie, ktorá v posledných rokoch výrazne zlepšila účinnosť a hustotu výkonu elektrických pohonných systémov vo všetkých aplikáciách. Motory s permanentnými magnetmi sa spoliehajú na vytváranie magnetických polí v súčastiach statora v prirodzene sa vyskytujúcich silných magnetoch vzácnych zemín, a nie na vinutiach prenášajúcich prúd (elektromagnety). Vďaka tomu sú motory efektívnejšie, najmä kvôli skutočnosti, že elektrický prúd musí byť napájaný iba rotorom.
Moderná výkonová elektronika je tiež kľúčovou technológiou pre hybridné elektrické vozidlá všetkých typov. Ovládače motora na báze IGBT napríklad riadia tok energie z batérie, generátora alebo palivových článkov, aby určili otáčky a výstupný krútiaci moment z elektromotorov. Sú oveľa efektívnejšie ako elektromechanické riadiace systémy a výrazne zlepšujú výkon pohonov s premenlivými otáčkami - technológia, ktorá je oveľa menej vyspelá ako pohony s pevnými otáčkami, ktoré sú v priemysle široko používané.
TDI Power so sídlom v New Jersey je príkladom investora, ktorý investuje do kvapalinou chladenej výkonovej elektroniky pre elektrické a hybridné vozidlá pre civilné a vojenské aplikácie. Spoločnosť vyrába štandardné modulárne DC / DC meniče a invertory, ktoré presahujú súčasné štandardy SAE a MIL.
Elektrické pohony vo vojenských vozidlách budú ťažiť z rozsiahleho výskumu a vývoja v oblasti pohonov s premenlivými otáčkami pre priemysel, poháňaného perspektívou celkovej úspory energie okolo 15-30%, čo je možné dosiahnuť, ak sú stroje s pevnými prevodmi nahradené pohonmi s premenlivými otáčkami pre väčšinu priemyselných odvetví. používateľov, ako sa uvádza v nedávnej štúdii University of Newcastle, ktorú nechal vypracovať britský úrad pre vedu a inovácie. "Predpokladá sa, že zlepšenie potenciálnej účinnosti zaťažení pohonov ušetrí Veľkej Británii 15 kWh miliárd hodín ročne a v kombinácii so zlepšenou účinnosťou motora a pohonu celkové úspory 24 miliárd kWh," uvádza sa v štúdii.
Jeden z dôležitých spôsobov, ako zlepšiť účinnosť prenosu energie v každom elektrickom systéme, je zvýšiť napätie, pretože Ohmov zákon určuje, že pre akýkoľvek daný výkon platí, že čím vyššie napätie, tým nižší prúd. Malé prúdy môžu prechádzať tenkými drôtmi, čo umožňuje kompaktným a ľahkým elektrickým systémom poskytovať požadované zaťaženie. Preto národné energetické siete používajú pri prenose energie veľmi vysoké napätie; Napríklad britské energetické siete prevádzkujú svoje prenosové vedenia až do 400 000 voltov.
Je nepravdepodobné, že elektrické systémy vojenských vozidiel budú používať napätie tohto rozsahu, ale dni 28 voltov a podobných elektrických systémov sa zdajú byť zrátané. V roku 2009 bol napríklad Qinetiq vybraný britským ministerstvom obrany na výskum výroby a distribúcie elektrickej energie pomocou technológie 610 voltov. Qinetiq viedol tím, ktorý zahŕňal spoločnosť BAE Systems a špecialistu na elektrické stroje Provector Ltd, ktorá premenila BMP WARRIOR 2000 na demonštrátor schopný napájať 610 voltových zákazníkov s vysokým dopytom, ako aj existujúce 28 voltové zariadenia. Stroj je vybavený dvoma 610 voltovými generátormi, z ktorých každý poskytuje dvojnásobný výkon oproti pôvodnému stroju, čím sa účinne zoštvornásobuje elektrický výkon bojovníka.
Energia pre vozidlo používajúce palivové články od SFC
Vojaci v teréne potrebujú pre svoje stroje spoľahlivý zdroj energie. Musí dodávať prúd do palubných zariadení, ako sú rádiá, komunikačné zariadenia, zbraňové systémy a optické elektronické systémy. V prípade potreby by však mal slúžiť aj ako nabíjacia stanica pre vojakov pri pridelení.
Pri vykonávaní úlohy často nie je možné naštartovať motor na nabitie batérií, pretože to môže odhaliť polohu jednotky. Vojaci preto potrebujú spôsob, ako získať elektrický prúd - potichu, neustále a nezávisle.
Systém SFC EMILY 2200 je založený na úspešnej technológii palivových článkov EFOY. Jednotka EMILY, nainštalovaná v zariadení, zaisťuje, že batérie zostanú neustále nabité. Vstavaný regulátor neustále monitoruje napätie v batériách a v prípade potreby batérie automaticky dobíja. Pracuje potichu a jeho jediným „výfukom“sú vodné pary a oxid uhličitý v množstvách porovnateľných s dýchaním dieťaťa.
Veľké stroje vyžadujú veľké batérie. Tento balík lítium-iónových článkov je súčasťou technológie hybridného autobusu BAE Systems.
Sú palivové články možné?
Palivové články, ktoré využívajú chemické procesy na priamu premenu paliva na elektrický prúd s veľkou účinnosťou, sa už dlho považujú za technológiu, ktorá sa môže vo vojenskej oblasti široko používať, vrátane pohonu automobilu a výroby elektriny na palube. Existujú však značné technické prekážky, ktoré je potrebné prekonať. Po prvé, palivové články poháňajú vodík a miešajú ho so vzdušným kyslíkom, aby ako vedľajší produkt vytvorili elektrický prúd. Vodík nie je ľahko dostupný a je ťažké ho skladovať a prepravovať.
Existuje mnoho príkladov palivových článkov, ktoré poháňajú elektrické vozidlá, ale všetky sú experimentálne. V automobilovom svete je Honda FCX CLARITY pravdepodobne najbližšou dostupnosťou ku komerčnému produktu, ale aj tak je k dispozícii iba v oblastiach, kde existuje infraštruktúra na dopĺňanie vodíka, a iba na základe nájomných zmlúv. Dokonca aj poprední výrobcovia palivových článkov, ako je Ballard Power, uznávajú súčasné obmedzenia tejto technológie pre použitie v automobiloch. Spoločnosť hovorí, že „sériová výroba automobilov s palivovými článkami je dlhodobá. Väčšina automobiliek sa dnes domnieva, že sériová výroba automobilov s palivovými článkami je uskutočniteľná až okolo roku 2020, pretože priemysel čelí problémom s distribúciou vodíka, optimalizáciou trvanlivosti, hustoty energie, schopnosťou horúceho štartu a nákladmi na palivové články. “
Všetky významné svetové automobilky však výrazne investujú do výskumu a vývoja palivových článkov, často v spojení s výrobcami palivových článkov. Spoločnosť Ballard je napríklad súčasťou spolupráce v oblasti automobilových palivových článkov, spoločného podniku spoločností Ford a Daimler AG. Armáda kladie ďalšej prekážke prijatia palivových článkov v podobe svojej požiadavky, že všetko musí fungovať na „logistické“palivá. Palivové články môžu poháňať naftu alebo petrolej, ale musia byť najskôr upravené tak, aby extrahovali potrebný vodík. Tento proces vyžaduje zložité a objemné zariadenie, ktoré ovplyvňuje veľkosť, hmotnosť, náklady, zložitosť a účinnosť celého systému.
Ďalším obmedzením palivových článkov pri prevádzke ako hnacieho motora vojenského vozidla je skutočnosť, že najlepšie fungujú pri konštantnom výkonovom nastavení a nedokážu rýchlo reagovať na požadované zmeny. To znamená, že musia byť doplnené batériami a / alebo superkondenzátormi a súvisiacou elektronikou regulácie výkonu, aby spĺňali špičkové výkonové záťaže.
V oblasti „superkondenzátorov“estónska spoločnosť Skeleton Industries vyvinula rad najmodernejších superkondenzátorov SkelCap, ktoré sú päťkrát výkonnejšie na liter objemu alebo viac ako štyrikrát výkonnejšie na kilogram ako prémiové vojenské batérie.. V praxi to znamená o 60 percent viac energie a štyrikrát viac prúdu v porovnaní s najlepšími vojenskými batériami. „Superkondenzátory“spoločnosti SkelCap poskytujú okamžitú dávku energie a používajú sa v širokej škále aplikácií, od riadenia paľby po tanky s vežami. Ako súčasť skupiny United Armements International (UAI), SkelCap plní rôzne špecializované objednávky, ako aj rozšírené programy prostredníctvom skupiny UAI so sídlom v Talline.
Superkondenzátory od Skeleton Industries
To však neznamená, že si palivové články nenájdu miesto v hybridných a elektrických vojenských vozidlách. Najsľubnejšou okamžitou aplikáciou sú pomocné energetické jednotky (APU) vo vozidlách vykonávajúcich úlohy tichého sledovania typu ISTAR (zhromažďovanie informácií, určenie cieľa a prieskum).„V tichom režime sledovania nemusia motory automobilov bežať a samotné batérie nedokážu poskytnúť dostatok energie na dlhodobé operácie,“hovorí Americké armádne inžinierske výskumné centrum, ktoré vedie vývoj generátorov palivových článkov na tuhé oxidy a APU, ktoré môže fungovať. na vojenské palivá, naftu a petrolej.
Táto organizácia sa v súčasnosti zameriava na systémy do 10 kW s dôrazom na úplnú integráciu palivových systémov s prevádzkovými potrebami súpravy palivových článkov. Medzi úlohy, ktoré je potrebné pri návrhu praktických systémov riešiť, patrí kontrola odparovania a znečisťovania, najmä kontrola síry prostredníctvom odsírenia (desulfurizácia) a používanie materiálov odolných voči síre, ako aj predchádzanie tvorbe uhlíkových usadenín v systéme..
Hybridné elektrické pohony majú veľa čo ponúknuť pre vojenské vozidlá, ale bude nejaký čas trvať, kým sa výhody tejto technológie stanú hmatateľnými.
