EMILY 3000 -polttokennojärjestelmän nimellisteho on 125 W ja päivittäinen latauskapasiteetti 6 kWh. Se voi ladata useita paristoja tai toimia kenttägeneraattorina. Järjestelmä on luotu erityisesti sotilaskäyttöön, mukaan lukien testausskenaariot, joissa tietoja uusista puolustusjärjestelmistä on kerättävä ja arvioitava kentällä.
Viime kädessä hybridivoimalaitokset tarjoavat vertailukelpoisia tai jopa parempia etuja panssaroituihin ajoneuvoihin. Vaikka polttoainetehokkuus ei ainakaan historiallisesti ole ollut panssaroitujen ajoneuvojen pakollisten ominaisuuksien luettelon kärjessä, se kuitenkin lisää kilometrimäärää ja / tai kestoa tietylle polttoainetilavuudelle, lisää hyötykuormaa, suojaa tai tulivoimaa painoa ja yleensä vähentää laivaston kokonaislogistiikkakuormitusta
Hybridi -sähkökäytöllä voi olla tärkeä rooli sotilasajoneuvojen tulevaisuudessa, mutta monien puolustusohjelmien vastaava peruuttaminen ja vähentäminen (unohtamatta kuuluisia FCS- ja FRES -järjestelmiä) ja taistelu suojattuja ajoneuvoja koskevien kiireellisten vaatimusten täyttämiseksi on lykkääntynyt sen täytäntöönpano sotilasajoneuvoissa loputtomiin.
Kuitenkin, kun tammikuussa 2011 julkistettiin hakijat amerikkalaiseen maataisteluajoneuvoon GCV (Ground Combat Vehicle), heidän joukossaan oli BAE Systems / Northrop Grumman -tiimin projekti, jossa oli Qinetiqin E-X-DRIVE-järjestelmällä varustettu hybridi-sähkövoimalaite. Tätä voidaan pitää eräänlaisena uhkapelinä, koska yksikään JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) kevyen taktisen ajoneuvon ohjelman, joka sisälsi myös hybridi -sähkökäyttöisen ohjelman, kilpailijat eivät päässeet finaaliin, koska käytettävissä olevien tietojen perusteella uskotaan, että tämän koneen tekniikka ei ole vielä kypsä tässä vaiheessa. Siitä huolimatta maa -taisteluajoneuvojen hybridi -sähkökäyttöjen historiassa on riittävä määrä ohjelmia tämän tekniikan kehittämiseksi ja demonstroimiseksi. Maailmanlaajuisessa teknologian etsimisessä on jotain anteeksiantamatonta ja väistämätöntä, mikä lupaa säästää polttoainetta, parantaa suorituskykyä ja kestävyyttä ja samalla vastata kasvavaan sähkön kysyntään. Tätä tukevat epäilemättä autoteollisuuden rinnakkainen kehitys, joka perustuu ympäristölainsäädäntöön.
Sotilasajoneuvojen valmistajat ja järjestelmien toimittajat ovat investoineet voimakkaasti tähän tekniikkaan, jota jotkut edellä mainituista kunnianhimoisista hallitusohjelmista usein painostavat, ennen kuin he kohtaavat hallitusten pitkän aikavälin suunnitelmiin liittyvän erityisen epävarmuuden. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks ja Qinetiq ovat kehittäneet hybridi -sähkökäyttöjä Ison -Britannian, Yhdysvaltojen ja Ruotsin ohjelmiin, kun taas Nexter työskentelee raskaiden ajoneuvojen, siviili- ja armeijan ARCHYBALD -teknologian kehittämisohjelman parissa.
Sähkökäyttöinen voimansiirto E-X-DRIVE QinetiQ-tela-autoihin, kevyt, kompakti ja tehokas järjestelmä
Hybridi -edeltäjät
Hybridikäyttöjärjestelmät ovat vakiintuneet sota -aluksiin, erityisesti sukellusveneisiin, juniin ja raskaisiin kuorma -autoihin, joita käytetään louhoksissa ja avolouhoksissa. Näissä sovelluksissa päämoottori, kuten dieselmoottori, kaasuturbiini tai jopa molemmat, käyttää generaattoria, joka syöttää virtaa moottorien käyttämiseen ja akkujen lataamiseen. Joissakin järjestelmissä on vaihdelaatikko, joka siirtää mekaanista voimaa vetolaitteisiin, kun taas toiset eivät.
Sotalaivoissa hybridivoimalaitokset mahdollistavat monimutkaisten ja suuresti vaihtelevien nopeusprofiilien käytön, kun taas päämoottorit toimivat tehokkaalla nopeusalueella: sähkömoottorit hiljaiseen käyttövoimaan, dieselmoottorit normaalikäyttöön, kaasuturbiinit kiihdytykseen jne. Perinteisellä menetelmällä toimiva sukellusvene ei voi käynnistää ensisijaista käyttövoimalaitetta sukelluksen aikana (jos siinä ei ole snorkkelia), ja tässä suhteessa on luotettava pääasiassa akkuihin tai muuhun ilmasta riippumattomaan käyttövoimajärjestelmään. Jättimäiset maansiirtokoneet käyttävät sähkömoottoreiden tuottamaa valtavaa nollan rpm -vääntöä, koska manuaalivaihteistot, jotka voisivat tehdä tällaista työtä, olisivat valtavia, monimutkaisia ja kalliita. Junat kohtaavat saman ongelman vieläkin enemmän, koska niiden on kuljettava mukanaan useita satoja tonneja, monissa tapauksissa jopa yli 150 mph: n nopeuksiin.
Hybridikäyttöjärjestelmä voi säästää polttoainetta sallimalla pienemmän, polttoainetehokkaamman moottorin käytön ilman huonontumista, koska järjestelmä, kun kuljettaja painaa kaasupoljinta kokonaan, täydentää päämoottoria akkukäyttöisillä sähkömoottoreilla. Sähkökäytöt mahdollistavat myös voimansiirron vaimennuksen ajon aikana, kun se voi olla suhteellisen tehotonta. Nykyaikaiset hybridiautot voivat myös tallentaa liike -energiaa (esimerkiksi regeneratiivisesta jarrujärjestelmästä) ja käyttää sitä akkujensa lataamiseen. Lisäsäästöjä saavutetaan käyttämällä moottoria suurimman osan ajasta tehokkaimmalla nopeusalueellaan sekä käyttämällä ylimääräistä energiaa akkujen lataamiseen ja / tai sähkölaitteiden käyttämiseen.
Nykyaikaiset sotilasajoneuvot tarvitsevat yhä enemmän sähköä käyttääkseen viestintäjärjestelmiä, komento- ja ohjauslaitteita, valvonta- ja tiedustelutunnistimia, kuten optoelektroniikkaa ja tutkoja, kauko -ohjattuja aseasemia ja improvisoituja räjähdysainehäiriöitä. Kehittyneet järjestelmät, kuten sähköpanssari, lisäävät kulutusta entisestään. Koko asennetun tehon käyttäminen sähköjärjestelmien käyttämiseen on teoriassa ainakin tehokkaampaa kuin yhden käyttövoimajärjestelmän ja toisen erikoislaitteiston käyttö.
Valvonta- ja tiedustelutietojen keräämismahdollisuuksia korostetaan yhä enemmän kapinallisten vastaisissa tehtävissä, ja tämän seurauksena yhä useammissa panssaroitujen ajoneuvojen ohjelmissa esitetään hiljaisia valvontavaatimuksia. Tämä lisää entisestään sähkönkulutuksen merkitystä ja tekee polttokennoista houkuttelevampia.
Hybridi -sähkökäyttöiset järjestelmät jaetaan kahteen laajaan luokkaan: rinnakkainen ja sarja. Rinnakkaisissa järjestelmissä polttomoottori ja sähkömoottori (tai sähkömoottorit) pyörittävät pyöriä tai teloja vaihteiston läpi joko erikseen tai yhdessä. Sarjahybridijärjestelmissä päämoottori käyttää vain generaattoria. Peräkkäinen järjestelmä on yksinkertaisempi, sen käyttövoiman on läpäistävä sähkömoottorit ja siksi niiden on oltava suurempia kuin rinnakkaisjärjestelmän sähkömoottorit, joilla on samat koneen suorituskykyvaatimukset. Molempia tyyppejä on kehitetty.
Innovaatioita hybridi-sähkökäyttöissä ja polttokennotekniikassa voidaan hyödyntää kaupallisella tekniikalla. Esimerkiksi BAE Systems valmistaa hybridi-sähköbusseja, joiden tekniikkaa voidaan käyttää osoittamaan raskaisiin olosuhteisiin suunniteltujen nykyaikaisten hybridisähköajoneuvojen energiatehokkuus ja pakokaasun ominaisuudet.
Lisääntynyt selviytymiskyky
Hybridijärjestelmät lisäävät myös selviytymiskykyä joustavamman ulkoasun ja eliminoimalla voimansiirtokomponentit, joista voi tulla sivupilvi, kun kaivos tai IED räjäyttää ne. Tästä hyötyvät erityisesti pyörillä varustetut panssaroidut ajoneuvot. Integroimalla käyttömoottorit pyörännapoihin kaikki perinteiseen manuaalivaihteistoon liittyvät potkuriakselit, tasauspyörästöt, vetoakselit ja vaihteistot eliminoidaan ja korvataan virtakaapeleilla, joten niistä ei voi tulla lisä ammuksia. Kaikkien näiden mekanismien poistaminen mahdollistaa myös miehistön nostamisen maanpinnan yläpuolelle tietylle ajoneuvon korkeudelle, mikä tekee matkustajista vähemmän alttiita rungon alapuolisille räjähdyksille. Tämäntyyppistä mallia käytettiin General Dynamics UK AHED 8x8 -esittelyssä ja BAE Systems / Hagglundsin SEP -koneen pyörillä varustetussa versiossa, jonka telakattu versio myös valmistettiin (ja unohdettiin myöhemmin turvallisesti).
Yksittäisiin pyöriin integroidut sähkömoottorit ohjaavat erittäin tarkasti kullekin pyörälle annettavaa voimaa, ja GD UK: n mukaan tämä lähes eliminoi telaketjun edun pyörien suhteen maastossa.
Lupaava maataisteluajoneuvo liikkuu raiteilla ja BAE Systems / Northrop Grumman -ehdotus osoittaa, että Qinetiqin E-X-DRIVE-sähkövaihteisto on kevyempi, pienempi ja tehokkaampi kuin perinteiset vaihteistot. Se mahdollistaa myös paremman kiihtyvyyden yhdessä vikasietoisuuden kanssa ja on konfiguroitavissa monenlaisiin kone- ja teknologiaohjelmiin, yritys sanoo.
Vaikka järjestelmässä on neljä kestomagneettimoottoria, E-X-DRIVE-voimansiirto ei ole täysin sähköinen; tehon talteenotto kaarreajossa ja mekaaninen vaihteenvaihto, jälkimmäinen nokkakytkimen avulla. Tämä rakenne on vähäriskinen ratkaisu, joka minimoi moottorien, hammaspyörien, akselien ja laakereiden rasitukset. Poikittaisen akselijärjestelyn käyttö mekaanisen voiman tuottamiseksi kääntömekanismissa on vaihtoehto itsenäisten vetopyörien käytölle puhtaasti sähköisessä voimansiirrossa.
Yksi innovaatioista E-X-DRIVEn ytimessä on keskivaihteisto (tunnetaan säätöerotuksena), joka yhdistää ohjausmoottorin vääntömomentin, päämoottorin vääntömomentin ja aiemmin mainitun mekaanisen ohjauksen talteenottomekanismin. Vääntökuormitusten minimoinnin lisäksi se poistaa perinteisissä ratkaisuissa ja muissa hybridi -sähkökäyttöjärjestelmissä käytetyn ulkoisen poikkiakselin irtotavaran ja painon.
Sähkötekniikan kehitys
Kestomagneettimoottorit ovat tekniikan ala, joka on parantanut huomattavasti sähkökäyttöisten järjestelmien tehokkuutta ja tehotiheyttä kaikissa sovelluksissa viime vuosina. Kestomagneettimoottorit luottavat magneettikenttiin staattorikomponentteihin luonnossa esiintyvien voimakkaiden harvinaisten maametallien magneettien sijasta virransiirtokäämien (sähkömagneettien) sijasta. Tämä tekee moottoreista tehokkaampia erityisesti siksi, että vain roottoriin on syötettävä sähkövirtaa.
Moderni tehoelektroniikka on myös keskeinen tekniikka kaikentyyppisille hybridiajoneuvoille. IGBT -pohjaiset moottorinohjaimet ohjaavat esimerkiksi akun, generaattorin tai polttokennojen virrankulutusta sähkömoottoreiden pyörimisnopeuksien ja vääntömomentin määrittämiseksi. Ne ovat paljon tehokkaampia kuin sähkömekaaniset ohjausjärjestelmät ja parantavat merkittävästi vaihtelevien nopeuksien taajuusmuuttajien suorituskykyä.
New Jerseyssä sijaitseva TDI Power on esimerkki sijoittajasta, joka sijoittaa nestejäähdytteiseen sähkö- ja hybridiajoneuvoihin siviili- ja sotilaskäyttöön. Yhtiö valmistaa modulaarisia DC / DC -muuntimia ja inverttereitä, jotka ylittävät nykyiset SAE- ja MIL -standardit.
Sotilasajoneuvojen sähkökäytöt hyötyvät teollisuuden vaihtelevien nopeuskäyttöjen laajasta T & K-toiminnasta, joka perustuu noin 15–30 prosentin kokonaissäästöön, mikä voidaan saavuttaa, jos kiinteävaihteiset koneet korvataan useimmilla teollisuudenaloilla käyttäjille, kuten Newcastlen yliopiston äskettäisessä Yhdistyneen kuningaskunnan tiede- ja innovointiviranomaisen tilaamassa tutkimuksessa esitettiin. "Käyttökuormien potentiaalisen tehokkuuden parantamisen arvioidaan säästävän Yhdistyneessä kuningaskunnassa 15 kWh miljardia tuntia vuodessa, ja kun siihen yhdistetään parempi moottorin ja voimansiirron tehokkuus, kokonaissäästöjä 24 miljardia kWh", tutkimus sanoo.
Yksi tärkeistä tavoista parantaa voimansiirron tehokkuutta missä tahansa sähköjärjestelmässä on lisätä jännitettä, koska Ohmin laki määrää, että mitä korkeampi jännite on, sitä pienempi virta on kullekin teholle. Pienet virrat voivat kulkea ohuiden johtojen läpi, jolloin pienikokoiset, kevyet sähköjärjestelmät voivat tarjota tarvittavat kuormat. Siksi kansalliset sähköverkot käyttävät erittäin korkeita jännitteitä sähkön siirtämisessä; Esimerkiksi brittiläiset sähköverkot käyttävät voimalinjojaan 400 000 voltin jännitteellä.
On epätodennäköistä, että sotilasajoneuvojen sähköjärjestelmät käyttävät tämän suuruisia jännitteitä, mutta 28 voltin ja vastaavien sähköjärjestelmien päivät näyttävät olevan numeroituja. Esimerkiksi vuonna 2009 Ison -Britannian puolustusministeriö valitsi Qinetiqin tutkimaan sähköntuotantoa ja -jakelua 610 voltin tekniikalla. Qinetiq johti tiimiä, johon kuului BAE Systems ja sähkökoneiden asiantuntija Provector Ltd. Kone on varustettu kahdella 610 voltin generaattorilla, joista jokainen tuottaa kaksinkertaisen tehon alkuperäiseen koneeseen verrattuna ja nelinkertaistaa Warriorin sähkötehon.
Energiaa ajoneuvoon, joka käyttää SFC: n polttokennoja
Kentällä olevat sotilaat tarvitsevat luotettavan energialähteen koneilleen. Sen on syötettävä virtaa laitteisiin, kuten radioihin, viestintälaitteisiin, asejärjestelmiin ja optisiin elektronisiin järjestelmiin. Mutta tarvittaessa sen pitäisi toimia myös latausasemana tehtävään sijoitetuille sotilaille.
Usein ei ole mahdollista käynnistää moottoria lataamaan akkuja tehtävän suorittamisen aikana, koska tämä voi paljastaa laitteen sijainnin. Siksi sotilaat tarvitsevat keinon saada sähkövirtaa - hiljaa, jatkuvasti ja itsenäisesti.
SFC: n EMILY 2200 -järjestelmä perustuu onnistuneeseen EFOY -polttokennotekniikkaan. Koneeseen asennettu EMILY -yksikkö varmistaa, että akut ovat jatkuvasti ladattuja. Sen sisäänrakennettu säädin valvoo jatkuvasti akkujen jännitettä ja lataa akut automaattisesti tarvittaessa. Se toimii hiljaa ja sen ainoa "pakokaasu" on vesihöyryä ja hiilidioksidia määrinä, jotka ovat verrattavissa lapsen hengitykseen.
Suuret koneet vaativat suuria paristoja. Tämä litiumionikennopaketti on osa BAE Systemsin hybridibussien käyttövoimatekniikkaa.
Ovatko polttokennot mahdollisia?
Polttokennoja, jotka käyttävät kemiallisia prosesseja polttoaineen muuttamiseen suoraan sähkövirtaksi suurella tehokkuudella, on pitkään pidetty tekniikana, jota voidaan käyttää laajasti armeijan alalla, mukaan lukien auton vetäminen ja sähkön tuottaminen laivalla. On kuitenkin huomattavia teknisiä esteitä, jotka on voitettava. Ensinnäkin polttokennot käyttävät vetyä ja sekoittavat sen ilman hapen kanssa tuottamaan sähkövirtaa sivutuotteena. Vetyä ei ole helposti saatavilla, ja sitä on vaikea varastoida ja kuljettaa.
Sähköajoneuvoja käyttävistä polttokennoista on monia esimerkkejä, mutta ne ovat kaikki kokeellisia. Automaailmassa Hondan FCX CLARITY on luultavasti lähin saatavuus kaupalliseen tuotteeseen, mutta silloinkin se on saatavilla vain alueilla, joilla on jonkin verran vedyn tankkausinfrastruktuuria, ja vain vuokrasopimusten mukaisesti. Jopa johtavat polttokennojen valmistajat, kuten Ballard Power, tunnistavat tämän tekniikan nykyiset rajoitukset käytettäväksi autoissa. Yhtiö sanoo, että”polttokennoajoneuvojen massatuotanto on pitkällä aikavälillä. Nykyään useimmat autovalmistajat uskovat, että polttokennoajoneuvojen sarjatuotanto ei ole mahdollista ennen vuotta 2020, koska teollisuudella on ongelmia vedyn jakelun, kestävyyden, energiatiheyden, kuumakäynnistyskyvyn ja polttokennokustannusten kanssa.”
Kaikki maailman suuret autovalmistajat investoivat kuitenkin voimakkaasti polttokennojen tutkimukseen ja kehitykseen, usein yhdessä polttokennojen valmistajien kanssa. Esimerkiksi Ballard on osa Fordin ja Daimler AG: n yhteisyritystä Automotive Fuel Cell Cooperation. Armeija asettaa toisen esteen polttokennojen käyttöönotolle vaatimuksensa mukaisesti, että kaiken on toimittava "logistisilla" polttoaineilla. Polttokennot voivat käyttää dieseliä tai kerosiinia, mutta niitä on ensin muutettava tarvittavan vedyn poistamiseksi. Tämä prosessi vaatii monimutkaisia ja suuria laitteita, jotka vaikuttavat koko järjestelmän kokoon, painoon, hintaan, monimutkaisuuteen ja tehokkuuteen.
Toinen polttokennojen rajoitus, kun se toimii sotilasajoneuvon päämoottorina, on se, että ne toimivat parhaiten jatkuvilla tehoasetuksilla eivätkä pysty reagoimaan nopeasti vaadittuihin muutoksiin. Tämä tarkoittaa, että ne on täydennettävä paristoilla ja / tai superkondensaattoreilla ja niihin liittyvällä tehonsäätöelektroniikalla, jotta ne kestävät huipputehoa.
"Superkondensaattoreiden" alalla virolainen Skeleton Industries on kehittänyt linjan huippuluokan SkelCap-superkondensaattoreita, jotka ovat viisi kertaa tehokkaampia litraa kohti tai yli neljä kertaa tehokkaampia kilogrammaa kohden kuin premium-sotilasakut. Käytännössä tämä tarkoittaa 60 prosenttia enemmän tehoa ja neljä kertaa nykyistä parempaa sotilasakkua. SkelCapin "superkondensaattorit" tarjoavat hetkellisen tehon, ja niitä käytetään monenlaisiin sovelluksiin palontorjunnasta tornitankkeihin. Osana United Armaments International (UAI) -ryhmää SkelCap täyttää erilaisia erikoistilauksia ja laajennettuja ohjelmia Tallinnassa sijaitsevan UAI -ryhmän kautta.
Superkondensaattorit Skeleton Industriesilta
Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että polttokennot eivät löydä paikkaa hybridi- ja sähkökäyttöisissä sotilasajoneuvoissa. Lupaavin välitön sovellus on apuvoimayksiköt (APU) ajoneuvoissa, jotka suorittavat ISTAR -tyyppisiä hiljaisia valvontatehtäviä (tiedonkeruu, kohteen nimeäminen ja tiedustelu)."Hiljaisessa valvontatilassa ajoneuvojen moottoreiden ei tarvitse käydä, eivätkä akut yksin pysty tarjoamaan tarpeeksi virtaa pitkäaikaiseen toimintaan", sanoo Yhdysvaltain armeijan insinööritutkimuskeskus, joka johtaa kiinteiden oksidien polttokennigeneraattoreiden ja APU-laitteiden kehittämistä. voi käyttää sotilaspolttoaineilla, dieselpolttoaineella ja kerosiinilla.
Tämä organisaatio keskittyy tällä hetkellä jopa 10 kW: n järjestelmiin painottaen polttoainejärjestelmien täydellistä integrointia polttokennosarjan käyttötarpeisiin. Tehtäviä, joita on käsiteltävä käytännön järjestelmiä suunniteltaessa, ovat höyrystymisen ja pilaantumisen hallinta, erityisesti rikin hallinta rikinpoiston avulla (rikinpoisto) ja rikin kestävien materiaalien käyttö sekä hiilikerrostumien muodostumisen välttäminen järjestelmään.
Hybridi -sähkökäyttöillä on paljon tarjottavaa sotilasajoneuvoille, mutta kestää jonkin aikaa, ennen kuin tämän tekniikan hyödyt tulevat konkreettisiksi.
