Системата с горивни клетки EMILY 3000 има номинална изходна мощност 125 W и капацитет на зареждане на ден 6 kWh. Той може да зарежда няколко батерии или да действа като генератор на поле. Системата е създадена специално за военни приложения, включително тестови сценарии, при които трябва да се събират и оценяват данни за новите отбранителни системи на място.
В крайна сметка хибридните електроцентрали предлагат сравними или дори по -добри ползи за бронираните превозни средства. Въпреки че горивната ефективност, поне исторически, не е била начело на списъка със задължителни характеристики на бронираните превозни средства, въпреки това, тя увеличава пробега и / или продължителността за даден капацитет на горивото, увеличава полезния товар, защитата или огневата мощност за дадена сума тегло и като цяло намаляват общата логистична тежест за флота
Хибридното електрическо задвижване може да играе важна роля в бъдещето на военните превозни средства, но съответното отмяна и намаляване на обема на много програми за отбрана (не забравяйки известните FCS и FRES) и борбата за изпълнение на спешните изисквания за защитени превозни средства се отложиха прилагането му на военни превозни средства за неопределено време.
Когато обаче през януари 2011 г. бяха обявени кандидатите за американската наземна бойна машина GCV (Ground Combat Vehicle), сред тях беше проект от екипа на BAE Systems / Northrop Grumman с хибриден електрически агрегат със системата E-X-DRIVE от Qinetiq. Това може да се разглежда като един вид хазарт, тъй като никой от претендентите за програмата за леки тактически превозни средства JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), която включваше и хибридно електрическо задвижване, не се класира за финала поради факта, че според наличните данни, се смята, че технологията за тази машина все още не е достатъчно зряла към този момент. Независимо от това, историята на хибридните електрически задвижвания в наземните бойни превозни средства има достатъчен брой програми за разработване и демонстриране на тази технология. Има нещо непримиримо и неизбежно в глобалното търсене на технологии, което обещава да спести гориво, да подобри производителността и оцеляването, като същевременно задоволи нарастващото търсене на бордова електроенергия. Това несъмнено е подкрепено от паралелните развития в автомобилната индустрия, водени от екологичното законодателство.
Производителите на военни превозни средства и доставчиците на системи са инвестирали значителни средства в тази технология, често тласкана от някои от гореспоменатите амбициозни правителствени програми, преди да се сблъскат с особената несигурност, присъща на дългосрочните правителствени планове. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks и Qinetiq са разработили хибридни електрически задвижвания за британските, американските и шведските програми, докато Nexter работи по програмата за развитие на технологиите ARCHYBALD за тежки превозни средства, граждански и военни.
Трансмисия с електрическо задвижване E-X-DRIVE за гусени превозни средства от QinetiQ, лека, компактна и ефективна система
Хибридни предшественици
Хибридните задвижващи системи са се утвърдили здраво във военните кораби, особено на подводници, влакове и тежкотоварни камиони, използвани в кариери и открити мини. В тези приложения, първоначален двигател, като дизелов двигател, газова турбина или дори и двете, задвижва генератор, който захранва ток за задвижване на двигатели и зареждане на батерии. Някои системи включват скоростна кутия за предаване на механична мощност към крайните задвижвания, докато други не.
Във военните кораби хибридните електроцентрали позволяват използването на сложни и широко вариращи профили на скоростта, докато главните двигатели се експлоатират в ефективен диапазон на скоростите: електрически двигатели за безшумно задвижване, дизелови двигатели за нормално задвижване, газови турбини за ускорение и др. Подводница, задвижвана по традиционния метод, не може да изстреля основното си задвижващо устройство по време на гмуркане (ако няма шнорхел) и в тази връзка трябва да се разчита главно на батерии или друга независима от въздуха задвижваща система. Гигантските земнотранспортни машини разчитат на огромен въртящ момент от нула обороти, генериран от електрически двигатели, за да задвижват, защото ръчните трансмисии, които биха могли да свършат този вид работа, биха били огромни, сложни и скъпи. Влаковете се сблъскват със същия проблем още повече, тъй като те трябва да изтеглят няколко стотин тона с тях от място, в много случаи до скорости над 150 мили в час.
Хибридната задвижваща система може да спести гориво, като позволи да се използва по-малък, по-икономичен горивен двигател без влошаване, тъй като системата, когато водачът натиска напълно педала на газта, допълва основния двигател с електродвигатели, задвижвани от батерии. Електрическите задвижвания също позволяват амортизация на главния двигател при движение с ниски скорости, когато това може да бъде относително неефективно. Съвременните хибридни автомобили също могат да съхраняват кинетична енергия (например от регенеративна спирачна система) и да я използват за зареждане на батериите си. Допълнителни икономии се постигат чрез експлоатация на главния двигател през по -голямата част от времето при най -ефективния му диапазон на скоростите, както и чрез използване на допълнителна енергия за зареждане на батерии и / или захранване на борда на електрическите консуматори.
Съвременните военни превозни средства се нуждаят от все повече и повече електрическа енергия за работа на комуникационни системи, оборудване за управление и управление, сензори за наблюдение и разузнаване, като оптоелектроника и радари, дистанционно управляеми оръжейни станции и импровизирани взривни устройства (IED). Усъвършенствани системи като електрическа броня допълнително ще увеличат консумацията. Използването на цялата инсталирана мощност за управление на електрически системи е на теория поне по -ефективно от наличието на една система за задвижване и друга за специализирано оборудване.
Все по -голям акцент се поставя върху възможностите за наблюдение и събиране на разузнавателна информация в противопартийните мисии и в резултат на това изискванията за безшумно наблюдение се поставят във все по -голям брой програми за бронирани превозни средства. Това допълнително увеличава значението на консумацията на електрическа енергия и прави горивните клетки по -привлекателни.
Хибридните системи за електрическо задвижване попадат в две широки категории: паралелни и серийни. При паралелни системи двигател с вътрешно горене и електродвигател (или електродвигатели) въртят колелата или коловозите през скоростна кутия, отделно или заедно. В серийните хибридни системи, основният двигател задвижва само генератора. Последователната система е по -проста, цялата задвижваща сила в нея трябва да минава през електрическите двигатели и следователно те трябва да бъдат по -големи от електрическите двигатели в паралелна система със същите изисквания за производителност на машината. Разработени са системи от двата типа.
Иновациите в хибридно-електрическите задвижвания и технологията с горивни клетки могат да се черпят от търговската технология. Например BAE Systems произвежда хибридно-електрически автобуси, чиято технология може да се използва за демонстриране на енергийната ефективност и подобрените характеристики на отработените газове на съвременните хибридно-електрически превозни средства, предназначени за тежки условия.
Повишена преживяемост
Хибридните системи също увеличават жизнеспособността чрез по -гъвкаво разположение и елиминиране на компоненти за предаване, които биха могли да се превърнат в страничен снаряд при взрив от мина или IED. Колесните бронирани превозни средства имат особена полза от това. Чрез интегриране на задвижващите двигатели в главините на колелата, всички гребни валове, диференциали, задвижващи валове и скоростни кутии, свързани с традиционните ръчни трансмисии, се елиминират и се заменят със захранващи кабели и следователно не могат да станат допълнителни снаряди. Премахването на всички тези механизми също позволява отделението за екипажа да бъде издигнато над земята на дадена височина на превозното средство, което прави пътниците по-малко уязвими за експлозии под корпуса. Този тип дизайн е използван в демонстратора на General Dynamics UK AHED 8x8 и колесната версия на машината SEP от BAE Systems / Hagglunds, чиято проследена версия също е произведена (и впоследствие безопасно забравена).
Електрическите двигатели, интегрирани в отделните колела, контролират много точно мощността, предавана на всяко колело и това, според GD UK, почти елиминира предимството на пистите пред колелата по отношение на офроуд терен.
Обещаващата наземна бойна машина ще се движи по коловози и предложението на BAE Systems / Northrop Grumman показва, че електрическата трансмисия E-X-DRIVE на Qinetiq ще бъде по-лека, по-компактна и по-ефективна от традиционните трансмисии. Той също така позволява подобрено ускорение заедно с устойчивостта на грешки и е конфигуриран за широк спектър от програми за въвеждане на машини и технологии, казва компанията.
Въпреки че системата включва четири двигателя с постоянен магнит, задвижването в E-X-DRIVE не е напълно електрическо; възстановяване на мощността при завиване и механично превключване на предавките, като последното използва гърбичен съединител. Този дизайн е решение с нисък риск, което свежда до минимум напреженията върху двигатели, зъбни колела, валове и лагери. Използването на напречно устройство на вала за регенериране на механична мощност в люлеещия механизъм е алтернатива на използването на независими задвижващи колела в чисто електрическа трансмисия.
Едно от новостите в основата на E-X-DRIVE е централната скоростна кутия (известна като регулиращ диференциал), която съчетава въртящия момент на кормилния двигател, основния въртящ момент на двигателя и споменатия по-горе механичен механизъм за рекуперация на управлението. В допълнение към минимизиране на усукващите натоварвания, той елиминира натоварването и теглото на външния напречен вал, използван в традиционните решения и други хибридни системи с електрическо задвижване.
Напредък в електротехниката
Двигателите с постоянен магнит са област на технологията, която значително подобри ефективността и плътността на мощността на системите за електрическо задвижване във всички приложения през последните години. Двигателите с постоянни магнити разчитат на естествено срещащи се мощни редкоземни магнити, за да генерират магнитни полета в компонентите на статора, а не на намотки с ток (електромагнити). Това прави двигателите по -ефективни, по -специално поради факта, че само роторът трябва да бъде захранван с електрически ток.
Съвременната силова електроника също е ключова технология за хибридни електрически превозни средства от всички видове. Контролерите за двигатели, базирани на IGBT, например, контролират потока на енергия от батерия, генератор или горивни клетки, за да определят скоростите на въртене и изходния въртящ момент от електрически двигатели. Те са много по -ефективни от електромеханичните системи за управление и значително подобряват работата на задвижванията с променлива скорост - технология, която е далеч по -малко зряла от задвижванията с фиксирана скорост, които се използват широко в промишлеността.
Базираната в Ню Джърси TDI Power е пример за инвеститор, инвестиращ в силова електроника с течно охлаждане за електрически и хибридни превозни средства за граждански и военни приложения. Компанията произвежда стандартни модулни DC / DC преобразуватели и инвертори, които надвишават настоящите стандарти SAE и MIL.
Електрическите задвижвания във военни превозни средства ще се възползват от обширни научноизследователски и развойни дейности за индустриални задвижвания с променлива скорост, подхранвани от перспективата за обща икономия на енергия от около 15-30%, което може да се реализира, ако машините с фиксирана предавка се заменят с задвижвания с променлива скорост за повечето индустриални потребители, както е посочено в скорошно проучване на Университета в Нюкасъл, поръчано от Обединеното кралство по наука и иновации. „Подобряването на потенциалната ефективност на товарните натоварвания се очаква да спести на Великобритания 15 kWh милиарда часа годишно, а когато се комбинира с подобрена ефективност на двигателя и задвижването, обща икономия от 24 милиарда kWh“, се казва в проучването.
Един от важните начини за подобряване на ефективността на предаването на енергия във всяка електрическа система е да се увеличи напрежението, тъй като законът на Ом диктува, че за всяка дадена мощност, колкото по -високо е напрежението, толкова по -нисък е токът. Малки токове могат да преминават през тънки проводници, което позволява на компактните, леки електрически системи да осигурят необходимите товари. Ето защо националните електропреносни мрежи използват много високо напрежение при предаване на мощност; Британските електроенергийни мрежи например експлоатират своите преносни линии с до 400 000 волта.
Малко вероятно е електрическите системи на военните превозни средства да използват напрежения с такава величина, но дните от 28 волта и подобни електрически системи изглежда са преброени. През 2009 г. например Qinetiq беше избран от британското министерство на отбраната за изследване на генерирането и разпределението на електрическа енергия, използвайки технология 610 волта. Qinetiq ръководи екип, включващ специалист BAE Systems и електрически машини Provector Ltd, който преобразува WARRIOR 2000 BMP в демонстратор, способен да захранва 610 волта клиенти с високо търсене, както и съществуващо 28 -волтово оборудване. Машината е оборудвана с два генератора с напрежение 610 волта, всеки от които осигурява двойно по -голяма мощност от оригиналната машина, което ефективно увеличава четирикратно електрическата мощност на воина.
Енергия за превозно средство, използващо горивни клетки от SFC
Войниците на полето се нуждаят от надежден източник на енергия за своите машини. Той трябва да подава ток към бордови устройства, като радиостанции, комуникационно оборудване, оръжейни системи и оптични електронни системи. Но когато е необходимо, той трябва да действа и като станция за зареждане на войници по назначение.
Често не е възможно да стартирате двигателя, за да заредите батериите при изпълнение на задачата, поради факта, че това може да разкрие местоположението на устройството. Следователно войниците се нуждаят от начин да получат електрически ток - тихо, постоянно и независимо.
Системата EMILY 2200 на SFC се основава на успешната технология на горивните клетки EFOY. Инсталиран на машината, устройството EMILY гарантира, че батериите остават постоянно заредени. Вграденият му регулатор постоянно следи напрежението в батериите и автоматично презарежда батериите, когато е необходимо. Той работи безшумно и единственият му „отработен газ“е водна пара и въглероден диоксид в количества, сравними с дишането на дете.
Големите машини изискват големи батерии. Този пакет от литиево-йонни клетки е част от хибридната задвижваща технология на BAE Systems.
Възможни ли са горивни клетки?
Горивните клетки, които използват химични процеси за директно преобразуване на горивото в електрически ток с голяма ефективност, отдавна се разглеждат като технология, която може да се използва широко във военната област, включително задвижване на автомобил и генериране на електричество на борда. Съществуват обаче значителни технически пречки, които трябва да бъдат преодолени. Първо, горивните клетки работят на водород и го смесват с кислород от въздуха, за да генерират електрически ток като страничен продукт. Водородът не е лесно достъпен и е труден за съхранение и транспортиране.
Има много примери за горивни клетки, които задвижват електрически превозни средства, но всички те са експериментални. В автомобилния свят FCX CLARITY на Honda вероятно е най -близката наличност до търговски продукт, но дори и тогава тя е достъпна само в райони, където има инфраструктура за зареждане с водород и само по договори за лизинг. Дори водещи производители на горивни клетки като Ballard Power признават настоящите ограничения на тази технология за използване в автомобили. Компанията казва, че „масовото производство на превозни средства с горивни клетки е в дългосрочен план. Днес повечето автомобилни производители смятат, че серийното производство на превозни средства с горивни клетки е невъзможно до около 2020 г., поради индустрията, изправена пред проблеми с разпределението на водород, оптимизиране на издръжливостта, енергийната плътност, възможността за горещ старт и цената на горивните клетки.
Въпреки това, всички големи автомобилни производители в света инвестират сериозно в научноизследователска и развойна дейност на горивни клетки, често заедно с производителите на горивни клетки. Ballard например е част от Automotive Fuel Cell Cooperation, съвместно предприятие между Ford и Daimler AG. Военните поставят още една пречка пред приемането на горивни клетки под формата на изискването си всичко да работи с „логистични“горива. Горивните клетки могат да работят на дизелово гориво или керосин, но първо трябва да бъдат модифицирани, за да извлекат нужния водород. Този процес изисква сложно и обемисто оборудване, което влияе върху размера, теглото, цената, сложността и ефективността на цялостната система.
Друго ограничение на горивните клетки, когато работят като основен двигател на военно превозно средство, е фактът, че те се представят най -добре при постоянни настройки на мощността и не могат да реагират бързо на необходимите промени. Това означава, че те трябва да бъдат допълнени с батерии и / или суперкондензатори и свързана с тях електроника за регулиране на мощността, за да отговорят на пиковите натоварвания на мощността.
В областта на „суперкондензаторите“, естонската компания Skeleton Industries е разработила линия от най-съвременни суперкондензатори SkelCap, които са пет пъти по-мощни на литър обем или повече от четири пъти по-мощни на килограм от първокласните военни батерии. На практика това означава 60 процента по -голяма мощност и четири пъти повече ток в сравнение с най -добрите военни батерии. „Суперкондензаторите“на SkelCap осигуряват незабавен прилив на енергия и се използват за голямо разнообразие от приложения, от управление на огъня до резервоари с кули. Като част от групата на United Armaments International (UAI), SkelCap изпълнява различни специализирани поръчки, както и разширени програми чрез групата UAI със седалище в Талин.
Суперкондензатори от Skeleton Industries
Това обаче не означава, че горивните клетки няма да намерят място в хибридни и електрически военни превозни средства. Най -обещаващото незабавно приложение са спомагателните енергийни блокове (APU) в превозни средства, изпълняващи задачи за безшумно наблюдение от тип ISTAR (събиране на информация, обозначаване на цел и разузнаване).„В режим на безшумно наблюдение двигателите на превозните средства не трябва да работят и само батериите не могат да осигурят достатъчно енергия за дългосрочни операции“, казва Центъра за инженерни изследвания на армията на САЩ, който ръководи разработването на генератори на твърди оксидни горивни клетки и APU, които може да работи с военни горива, дизелово гориво и керосин.
Тази организация в момента се фокусира върху системи с мощност до 10 kW с акцент върху пълното интегриране на горивните системи с експлоатационните нужди на комплект горивни клетки. Задачите, които трябва да бъдат разгледани при проектирането на практически системи, включват контрол на изпаряването и замърсяването, особено контрола на сярата чрез десулфуризация (десулфуризация) и използването на устойчиви на сяра материали, както и избягване на образуването на въглеродни отлагания в системата.
Хибридните електрически задвижвания могат да предложат много за военните превозни средства, но ще мине известно време преди ползите от тази технология да станат осезаеми.
