Bränslecellsystemet EMILY 3000 har en nominell uteffekt på 125 W och en daglig laddningskapacitet på 6 kWh. Den kan ladda flera batterier eller fungera som en fältgenerator. Systemet skapades speciellt för militära applikationer, inklusive testscenarier där data om nya försvarssystem måste samlas in och utvärderas på fältet.
Ytterst erbjuder hybridkraftverk jämförbara eller ännu bättre fördelar med pansarfordon. Även om bränsleeffektiviteten, åtminstone historiskt sett, inte har varit högst upp på listan över pansarfordonens obligatoriska egenskaper, ökar den ändå körsträckan och / eller varaktigheten för en given bränslekapacitet, ökar nyttolast, skydd eller eldkraft för en viss total vikt och i allmänhet minska den totala logistikbördan på flottan
Hybriddrivenheten kan spela en viktig roll i framtiden för militära fordon, men motsvarande avbokning och minskning av volymen för många försvarsprogram (för att inte glömma de berömda FCS och FRES) och kampen för att uppfylla brådskande krav på skyddade fordon har skjutit upp dess genomförande på militära fordon på obestämd tid.
När sökande till det amerikanska markstridsfordonet GCV (Ground Combat Vehicle) tillkännagavs i januari 2011, var emellertid ett projekt från BAE Systems / Northrop Grumman-teamet med en hybridelektrisk enhet med E-X-DRIVE-systemet från Qinetiq. Detta kan ses som ett slags spel eftersom ingen av kandidaterna till JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) lätta taktiska fordonsprogram, som också inkluderade en hybridelektrisk drivning, inte kvalificerade sig för finalen på grund av att, enligt tillgängliga data, tror man att tekniken för denna maskin ännu inte är tillräckligt mogen vid denna tidpunkt. Ändå har historien om hybridelektriska drivenheter i markstridsfordon ett tillräckligt antal program för att utveckla och demonstrera denna teknik. Det finns något oförlåtande och oundvikligt med det globala sökandet efter teknik som lovar att spara bränsle, förbättra prestanda och överlevnadsförmåga, samtidigt som den möter den ökande efterfrågan på el ombord. Detta är utan tvekan underbyggt av parallell utveckling inom bilindustrin, driven av miljölagstiftning.
Militära fordonstillverkare och systemleverantörer har investerat kraftigt i denna teknik, ofta drivna av några av de ovannämnda ambitiösa regeringsprogrammen, innan de möter den särskilda osäkerhet som finns i långsiktiga regeringsplaner. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks och Qinetiq har utvecklat hybridelektriska drivenheter för Storbritannien, USA och svenska program, medan Nexter arbetar med ARCHYBALD teknikutvecklingsprogram för tunga fordon, civila och militära.
Elöverföring E-X-DRIVE för bandbilar från QinetiQ, lätt, kompakt och effektivt system
Hybrid föregångare
Hybridframdrivningssystem har fast etablerats i krigsfartyg, särskilt på ubåtar, tåg och tunga lastbilar som används i stenbrott och gruvor. I dessa applikationer driver en drivkraft, till exempel en dieselmotor, en gasturbin eller till och med båda, en generator som levererar ström för att driva motorer och ladda batterier. Vissa system inkluderar en växellåda för att överföra mekanisk kraft till de slutliga drivenheterna, medan andra inte gör det.
I krigsfartyg tillåter hybridkraftverk användning av komplexa och mycket varierande hastighetsprofiler, medan drivkraften drivs i ett effektivt hastighetsintervall: elmotorer för tyst framdrivning, dieselmotorer för normal framdrivning, gasturbiner för acceleration etc. En ubåt, som drivs av den traditionella metoden, kan inte starta sin primära framdrivningsanordning under ett dyk (om den inte har en snorkel) och i detta avseende måste man i huvudsak lita på batterier eller annat luftoberoende framdrivningssystem. Jätte jordmaskiner förlitar sig på ett enormt noll varvtal som genereras av elmotorer för att köra eftersom manuella växellådor som kan utföra denna typ av arbete skulle vara enorma, komplexa och dyra. Tåg står inför samma problem ännu mer, eftersom de måste dra flera hundra ton med sig från stillastående, i många fall upp till hastigheter över 150 km / h.
Ett hybriddrivsystem kan spara bränsle genom att låta en mindre, mer bränsleeffektiv drivmotor användas utan nedbrytning, eftersom systemet, när föraren trycker ner gaspedalen, kompletterar huvudmotorn med batteridrivna elmotorer. Elektriska drivenheter tillåter också dämpning av drivkraften vid körning i låga hastigheter, när det kan vara relativt ineffektivt. Moderna hybridbilar kan också lagra rörelseenergi (till exempel från ett regenerativt bromssystem) och använda den för att ladda sina batterier. Ytterligare besparingar uppnås genom att driva drivkraften för det mesta vid dess mest effektiva hastighetsintervall, samt använda eventuell extra energi för att ladda batterier och / eller driva elektriska förbrukare ombord.
Moderna militära fordon kräver mer och mer elektrisk kraft för att driva kommunikationssystem, lednings- och styrutrustning, övervaknings- och intelligenssensorer som optoelektronik och radar, fjärrstyrda vapenstationer och improviserade jammers (IED). Avancerade system som elektrisk rustning kommer att öka förbrukningen ytterligare. Att använda all installerad effekt för att driva elektriska system är i teorin åtminstone mer effektivt än att ha ett system för framdrivning och ett annat för specialutrustning.
Allt större vikt läggs vid övervakning och insamling av underrättelser vid uppror mot uppror, och som ett resultat ställs tysta övervakningskrav i ett ökande antal pansarfordonsprogram. Detta ökar betydelsen av elektrisk strömförbrukning ytterligare och gör bränsleceller mer attraktiva.
Hybridelektriska drivsystem faller i två stora kategorier: parallell och serie. I parallella system roterar en förbränningsmotor och en elmotor (eller elmotorer) hjulen eller spåren genom en växellåda, antingen separat eller tillsammans. I seriehybridsystem driver primmotorn bara generatorn. Ett sekventiellt system är enklare, all drivkraft i det måste gå genom elmotorerna och därför måste de vara större än elmotorerna i ett parallellt system med samma maskinkapacitetskrav. System av båda typerna har utvecklats.
Innovationer inom hybridelektriska drivenheter och bränslecellsteknik kan hämtas från kommersiell teknik. Till exempel tillverkar BAE Systems hybridelektriska bussar, vars teknik kan användas för att demonstrera energieffektivitet och förbättrade avgasegenskaper hos moderna hybridelektriska fordon avsedda för tunga förhållanden.
Ökad överlevnad
Hybridsystem ökar också överlevnadsförmågan genom en mer flexibel layout och eliminering av överföringskomponenter som kan bli en sidoprojektil när detoneras av en gruva eller IED. Pansarfordon på hjul drar särskilt nytta av detta. Genom att integrera drivmotorerna i hjulnaven elimineras alla propelleraxlar, differentialer, drivaxlar och växellådor i samband med traditionella manuella växellådor och ersätts med kraftkablar och kan därför inte bli ytterligare projektiler. Genom att eliminera alla dessa mekanismer kan besättningsfacket också höjas över marken vid en given fordonshöjd, vilket gör passagerarna mindre sårbara för explosioner under skrovet. Denna typ av design användes i General Dynamics UK AHED 8x8 demonstrator och hjulversionen av SEP -maskinen från BAE Systems / Hagglunds, vars spårversion också tillverkades (och sedan glömdes bort säkert).
De elmotorer som är integrerade i de enskilda hjulen styr effekten som levereras till varje hjul mycket exakt och detta, enligt GD UK, eliminerar nästan fördelen med spår framför hjul när det gäller terräng.
Det lovande markstridsfordonet kommer att röra sig på spår och BAE Systems / Northrop Grumman-förslaget indikerar att Qinetiqs E-X-DRIVE elektriska växellåda blir lättare, mer kompakt och effektivare än traditionella transmissioner. Det möjliggör också förbättrad acceleration tillsammans med feltolerans och är konfigurerbar för ett brett utbud av maskin- och teknikadoptionsprogram, säger företaget.
Även om systemet innehåller fyra permanentmagnetmotorer är drivlinan i E-X-DRIVE inte helt elektrisk; kraftåtervinning vid kurvtagning och mekanisk växling, den senare använder en kamkoppling. Denna design är en lågrisklösning som minimerar påfrestningar på motorer, växlar, axlar och lager. Användningen av ett tvärgående axelarrangemang för att regenerera mekanisk kraft i svängmekanismen är ett alternativ till användning av oberoende drivhjul i en rent elektrisk transmission.
En av innovationerna i hjärtat av E-X-DRIVE är mittväxellådan (känd som en justeringsdifferential), som kombinerar styrmotorns vridmoment, huvudmotorns vridmoment och den tidigare nämnda mekaniska kontrollåtervinningsmekanismen. Förutom att minimera vridbelastningar, eliminerar den massan och vikten av den externa tväraxeln som används i traditionella lösningar och andra hybridelektriska drivsystem.
Framsteg inom elteknik
Permanenta magnetmotorer är ett teknikområde som kraftigt har förbättrat effektiviteten och effekttätheten för elektriska drivsystem i alla applikationer under de senaste åren. Permanenta magnetmotorer förlitar sig på naturligt förekommande kraftfulla sällsynta jordartsmagneter för att generera magnetfält i statorkomponenterna, snarare än på strömbärande lindningar (elektromagneter). Detta gör motorerna mer effektiva, särskilt på grund av att endast rotorn behöver förses med elektrisk ström.
Modern kraftelektronik är också en nyckelteknologi för hybridelektriska fordon av alla slag. IGBT -baserade motorstyrenheter styr till exempel strömmen från ett batteri, generator eller bränsleceller för att bestämma rotationshastigheter och utgångsmoment från elmotorer. De är mycket effektivare än elektromekaniska styrsystem och förbättrar prestandan för frekvensomriktare avsevärt - en teknik som är mycket mindre mogen än enheter med fast hastighet som ofta används i industrin.
New Jersey-baserade TDI Power är ett exempel på en investerare som investerar i vätskekyld kraftelektronik för el- och hybridfordon för civila och militära applikationer. Företaget tillverkar standardmodulära DC / DC -omvandlare och växelriktare som överstiger nuvarande SAE- och MIL -standarder.
Elektriska drivenheter i militära fordon kommer att dra nytta av omfattande FoU för variabla hastigheter för industrin, som drivs av utsikterna till en total energibesparing på cirka 15-30%, vilket kan realiseras om fasta växelmaskiner ersätts med frekvensomriktare för de flesta industriella användare, som beskrivs i en ny studie av University of Newcastle på uppdrag av den brittiska vetenskapliga och innovativa myndigheten. "Att förbättra den potentiella effektiviteten hos drivlaster beräknas spara Storbritannien 15 kWh miljarder timmar per år, och i kombination med förbättrad motor- och driveffektivitet, totala besparingar på 24 miljarder kWh", säger studien.
Ett av de viktiga sätten att förbättra effektiviteten för kraftöverföring i alla elektriska system är att öka spänningen, eftersom Ohms lag föreskriver att för varje given effekt, ju högre spänning, desto lägre ström. Små strömmar kan passera genom tunna trådar, vilket gör att kompakta, lätta elektriska system kan leverera den belastning som krävs. Det är därför nationella elnät använder mycket höga spänningar vid överföring av ström; Brittiska elnät driver till exempel sina överföringsledningar med upp till 400 000 volt.
Det är osannolikt att de elektriska systemen i militära fordon kommer att använda spänningar av denna storlek, men dagarna på 28 volt och liknande elektriska system verkar vara räknade. År 2009 valdes till exempel Qinetiq av det brittiska försvarsdepartementet för att undersöka produktion och distribution av elkraft med hjälp av 610 volt teknik. Qinetiq ledde ett team som inkluderade BAE Systems och specialist på elektriska maskiner Provector Ltd, som konverterade WARRIOR 2000 BMP till en demonstrator som kunde driva 610 volt höga efterfrågade kunder samt befintlig 28 volt utrustning. Maskinen är utrustad med två generatorer på 610 volt, var och en som ger dubbelt så mycket effekt som den ursprungliga maskinen, vilket effektivt fyrdubblar Warriors elektriska effekt.
Energi för ett fordon som använder bränsleceller från SFC
Soldater på fältet behöver en pålitlig energikälla för sina maskiner. Den måste leverera ström till inbyggda enheter som radioapparater, kommunikationsutrustning, vapensystem och optiska elektroniska system. Men vid behov bör den också fungera som en laddstation för soldater på uppdrag.
Ofta är det inte möjligt att starta motorn för att ladda batterierna när du utför uppgiften, på grund av att detta kan avslöja enhetens placering. Därför behöver soldaterna ett sätt att få elektrisk ström - tyst, konstant och oberoende.
SFC: s EMILY 2200 -system är baserat på den framgångsrika EFOY -bränslecellstekniken. EMILY -enheten är installerad på maskinen och säkerställer att batterierna förblir konstant laddade. Den inbyggda regulatorn övervakar ständigt spänningen i batterierna och laddar automatiskt batterierna vid behov. Det fungerar tyst och dess enda "avgaser" är vattenånga och koldioxid i mängder som kan jämföras med ett barns andning.
Stora maskiner kräver stora batterier. Detta litiumjoncellspaket är en del av BAE Systems hybridbussdrivningsteknik.
Är bränsleceller möjliga?
Bränsleceller, som använder kemiska processer för att direkt omvandla bränsle till elektrisk ström med stor effektivitet, har länge betraktats som en teknik som kan användas i stor utsträckning inom det militära området, inklusive att driva en bil och generera el ombord. Det finns dock betydande tekniska hinder som måste övervinnas. Först körs bränsleceller på väte och blandar det med syre från luften för att generera elektrisk ström som en biprodukt. Väte är inte lättillgängligt och svårt att lagra och transportera.
Det finns många exempel på bränsleceller som driver elfordon, men de är alla experimentella. I bilvärlden är Hondas FCX CLARITY förmodligen den närmaste tillgängligheten till en kommersiell produkt, men även då är den bara tillgänglig i områden där det finns lite vätepåfyllningsinfrastruktur och endast enligt hyresavtal. Även ledande bränslecellstillverkare som Ballard Power inser de nuvarande begränsningarna för denna teknik för användning i bilar. Företaget säger att "massproduktion av bränslecellsfordon sker på lång sikt. Idag tror de flesta biltillverkare att serieproduktion av bränslecellsfordon inte är möjlig förrän runt 2020, på grund av att industrin står inför frågor om vätefördelning, optimering av hållbarhet, energitäthet, varmstartskapacitet och bränslecellkostnad."
Alla världens stora biltillverkare investerar dock stort i bränslecells -FoU, ofta i samarbete med bränslecellstillverkare. Ballard är till exempel en del av Automotive Fuel Cell Cooperation, ett joint venture mellan Ford och Daimler AG. Militären sätter ytterligare ett hinder för antagandet av bränsleceller i form av sitt krav att allt måste köras på "logistiska" bränslen. Bränsleceller kan köras på diesel eller fotogen, men de måste först modifieras för att extrahera det väte de behöver. Denna process kräver komplex och skrymmande utrustning som påverkar det övergripande systemets storlek, vikt, kostnad, komplexitet och effektivitet.
En annan begränsning av bränsleceller när de fungerar som drivkraft för ett militärt fordon är det faktum att de fungerar bäst vid konstanta effektinställningar och inte kan reagera snabbt på nödvändiga förändringar. Detta innebär att de måste kompletteras med batterier och / eller superkondensatorer och tillhörande effektregleringselektronik för att möta toppeffektbelastningar.
Inom”superkondensatorer” har det estniska företaget Skeleton Industries utvecklat en serie toppmoderna SkelCap-superkondensatorer som är fem gånger mer kraftfulla per liter volym eller mer än fyra gånger mer kraftfulla per kilogram än premium militära batterier. I praktiken innebär detta 60 procent mer effekt och fyra gånger strömmen jämfört med de bästa militära batterierna. SkelCaps "superkondensatorer" ger en omedelbar utbrott av kraft och används för en mängd olika applikationer, från brandkontroll till tornstankar. Som en del av gruppen United Armaments International (UAI) uppfyller SkelCap olika specialiserade order samt utökade program genom UAI -gruppen baserad i Tallinn.
Superkondensatorer från Skeleton Industries
Detta betyder dock inte att bränsleceller inte kommer att hitta en plats i hybrid- och elektriska militära fordon. Den mest lovande omedelbara tillämpningen är hjälpenheter (APU) i fordon som utför tysta övervakningsuppgifter av typen ISTAR (informationsinsamling, målbeteckning och spaning)."I tyst övervakningsläge behöver fordonsmotorer inte gå, och batterierna ensamma kan inte ge tillräckligt med kraft för långsiktiga operationer", säger US Army Engineering Research Center, som leder utvecklingen av fastoxidbränslecellgeneratorer och APU: er kan användas på militära bränslen, diesel och fotogen.
Denna organisation fokuserar för närvarande på system upp till 10 kW med tonvikt på att helt integrera bränslesystem med driftsbehovet för ett bränslecellsats. Uppgifter som måste tas upp i utformningen av praktiska system inkluderar kontroll av förångning och föroreningar, särskilt kontroll av svavel genom avsvavling (avsvavling) och användning av svavelresistenta material, samt att undvika bildning av kolavlagringar i systemet.
Hybridelektriska drivenheter har mycket att erbjuda för militära fordon, men det kommer att dröja innan fördelarna med denna teknik blir påtagliga.
