Systém palivových článků EMILY 3000 má jmenovitý výstupní výkon 125 W a denní nabíjecí kapacitu 6 kWh. Může nabíjet více baterií nebo fungovat jako generátor pole. Systém byl vytvořen speciálně pro vojenské aplikace, včetně testovacích scénářů, ve kterých je třeba sbírat a vyhodnocovat data o nových obranných systémech v terénu.
Hybridní elektrárny nabízejí obrněným vozidlům srovnatelné nebo dokonce lepší výhody. I když palivová účinnost, alespoň historicky, nebyla na vrcholu seznamu povinných charakteristik obrněných vozidel, přesto zvyšuje kilometrový výkon a / nebo dobu trvání pro danou kapacitu paliva, zvyšuje užitečné zatížení, ochranu nebo palebnou sílu pro daný celkový součet hmotnost a obecně snížení celkové logistické zátěže vozového parku
Hybridní elektrický pohon může hrát důležitou roli v budoucnosti vojenských vozidel, ale odpovídající zrušení a snížení objemu mnoha obranných programů (nezapomíná na slavné FCS a FRES) a boj o splnění naléhavých požadavků na chráněná vozidla odložily jeho implementace na vojenská vozidla na neurčito.
Když však byli v lednu 2011 vyhlášeni žadatelé o americké pozemní bojové vozidlo GCV (Ground Combat Vehicle), byl mezi nimi i projekt týmu BAE Systems / Northrop Grumman s hybridní elektrickou pohonnou jednotkou se systémem E-X-DRIVE od Qinetiq. To lze považovat za určitý druh hazardu, protože žádný z uchazečů o program lehkého taktického vozidla JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), který zahrnoval také hybridní elektrický pohon, se do finále nekvalifikoval, protože podle dostupná data, věří se, že technologie pro tento stroj není v tuto chvíli ještě dostatečně vyspělá. Přesto má historie hybridních elektrických pohonů v pozemních bojových vozidlech dostatečný počet programů na vývoj a předvádění této technologie. Globální hledání technologie je něco nemilosrdného a nevyhnutelného, co slibuje úsporu paliva, zlepšení výkonu a schopnosti přežití při současném uspokojování rostoucí poptávky po palubní elektřině. To je nepochybně podpořeno souběžným vývojem v automobilovém průmyslu, poháněným legislativou v oblasti životního prostředí.
Výrobci a poskytovatelé vojenských vozidel do této technologie investovali značné prostředky, často tlačeni některými z výše uvedených ambiciózních vládních programů, než čelili zvláštní nejistotě, která je vlastní dlouhodobým vládním plánům. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks a Qinetiq vyvinuly hybridní elektrické pohony pro britské, americké a švédské programy, zatímco Nexter pracuje na programu vývoje technologie ARCHYBALD pro těžká vozidla, civilní i vojenská.
Elektrický pohon E-X-DRIVE pro pásová vozidla od QinetiQ, lehký, kompaktní a účinný systém
Hybridní předchůdci
Hybridní pohonné systémy se pevně usadily ve válečných lodích, zejména na ponorkách, vlacích a těžkých nákladních automobilech používaných v lomech a povrchových dolech. V těchto aplikacích hlavní hybatel, jako je dieselový motor, plynová turbína nebo dokonce obojí, pohání generátor, který dodává proud pro pohon motorů a nabíjení baterií. Některé systémy obsahují převodovku pro přenos mechanické síly na koncové převody, zatímco jiné ne.
Ve válečných lodích umožňují hybridní elektrárny použití složitých a velmi proměnlivých rychlostních profilů, zatímco hnací síly jsou provozovány v účinném rozsahu otáček: elektromotory pro tichý pohon, dieselové motory pro normální pohon, plynové turbíny pro akceleraci atd. Ponorka poháněná tradiční metodou nemůže během ponoru spustit své primární pohonné zařízení (pokud nemá šnorchl) a v tomto ohledu se musí spoléhat hlavně na baterie nebo jiný pohonný systém nezávislý na vzduchu. Obří stroje na zemní práce se při jízdě spoléhají na enormní točivý moment nulových otáček generovaný elektromotory, protože manuální převodovky, které by mohly provádět tento druh práce, by byly obrovské, složité a drahé. Vlaky se se stejným problémem potýkají ještě více, protože s nimi musí z klidu vozit několik set tun, v mnoha případech až do rychlosti přesahující 150 mph.
Hybridní pohonný systém může ušetřit palivo tím, že umožní použití menšího, úspornějšího primárního pohonu bez degradace, protože systém, když řidič plně sešlápne plynový pedál, doplňuje hlavní motor o elektromotory poháněné bateriemi. Elektrické pohony také umožňují tlumení hlavního tahače při jízdě v nízkých rychlostech, kdy může být relativně neúčinné. Moderní hybridní automobily mohou také ukládat kinetickou energii (například z regenerativního brzdového systému) a používat ji k nabíjení baterií. Další úspory jsou dosaženy provozováním hlavního tahače po většinu času v jeho nejefektivnějším rozsahu otáček a využitím jakékoli další energie k nabíjení baterií a / nebo napájení palubních elektrických spotřebičů.
Moderní vojenská vozidla vyžadují stále více elektrické energie k provozu komunikačních systémů, velitelského a řídicího zařízení, sledovacích a zpravodajských senzorů, jako jsou optoelektronika a radary, dálkově ovládaných zbraňových stanic a rušiček improvizovaných výbušných zařízení (IED). Pokročilé systémy, jako je elektrické brnění, dále zvýší spotřebu. Využití veškerého instalovaného výkonu k provozu elektrických systémů je teoreticky přinejmenším účinnější než mít jeden systém pro pohon a druhý pro specializovaná zařízení.
V protipovstaleckých misích je stále větší důraz kladen na schopnosti dohledu a shromažďování zpravodajských informací, a proto jsou ve stále větším počtu programů obrněných vozidel předkládány požadavky na tiché sledování. To dále zvyšuje důležitost spotřeby elektrické energie a činí palivové články atraktivnějšími.
Hybridní elektrické pohonné systémy spadají do dvou širokých kategorií: paralelní a sériové. V paralelních systémech spalovací motor a elektromotor (nebo elektromotory) otáčejí kola nebo dráhy přes převodovku, a to buď samostatně, nebo společně. V sériových hybridních systémech hlavní pohon pohání pouze generátor. Sekvenční systém je jednodušší, veškerá hnací síla v něm musí procházet elektromotory, a proto musí být větší než elektromotory v paralelním systému se stejnými požadavky na výkon stroje. Byly vyvinuty systémy obou typů.
Inovace hybridních elektrických pohonů a technologie palivových článků lze čerpat z komerční technologie. Společnost BAE Systems například vyrábí hybridní elektrické autobusy, jejichž technologii lze použít k prokázání energetické účinnosti a zlepšených charakteristik výfukových plynů moderních hybridních elektrických vozidel určených do těžkých podmínek.
Zvýšená schopnost přežití
Hybridní systémy také zvyšují schopnost přežití díky flexibilnějšímu uspořádání a eliminaci přenosových komponent, které by se mohly při výbuchu miny nebo IED stát bočním projektilem. Z toho těží zejména kolová obrněná vozidla. Integrováním hnacích motorů do nábojů kol jsou odstraněny všechny vrtulové hřídele, diferenciály, hnací hřídele a převodovky spojené s tradičními manuálními převodovkami a nahrazeny silovými kabely, a proto se nemohou stát dalšími projektily. Odstranění všech těchto mechanismů také umožní zvednout prostor pro posádku nad zemí v dané výšce vozidla, což činí cestující méně náchylné k výbuchům pod trupem. Tento typ konstrukce byl použit v demonstrátoru General Dynamics UK AHED 8x8 a kolové verzi stroje SEP od BAE Systems / Hagglunds, jejíž pásová verze byla také vyrobena (a následně bezpečně zapomenuta).
Elektromotory integrované do jednotlivých kol velmi přesně řídí výkon dodávaný na každé kolo, a to podle GD UK téměř eliminuje výhodu kolejí nad koly v terénu.
Slibný pozemní bojový vůz se bude pohybovat po kolejích a návrh BAE Systems / Northrop Grumman naznačuje, že elektrická převodovka Qinetiq E-X-DRIVE bude lehčí, kompaktnější a účinnější než tradiční převodovky. Umožňuje také lepší zrychlení spolu s odolností proti chybám a je konfigurovatelný pro širokou škálu programů pro přijetí strojů a technologií, říká společnost.
Přestože systém obsahuje čtyři motory s permanentními magnety, pohonné ústrojí v E-X-DRIVE není plně elektrické; rekuperace energie při zatáčení a mechanickém řazení, to druhé pomocí vačkové spojky. Tato konstrukce je řešením s nízkým rizikem, které minimalizuje namáhání motorů, ozubených kol, hřídelí a ložisek. Použití uspořádání příčného hřídele k regeneraci mechanické energie v kyvném mechanismu je alternativou k použití nezávislých hnacích kol v čistě elektrickém převodu.
Jednou z novinek v srdci E-X-DRIVE je středová převodovka (známá jako nastavovací diferenciál), která kombinuje točivý moment motoru řízení, točivý moment hlavního motoru a dříve zmíněný mechanismus rekuperace mechanického ovládání. Kromě minimalizace torzního zatížení eliminuje objem a hmotnost vnějšího křížového hřídele používaného v tradičních řešeních a jiných hybridních elektrických pohonných systémech.
Pokroky v elektrotechnice
Motory s permanentními magnety jsou technologickou oblastí, která v posledních letech výrazně zlepšila účinnost a hustotu výkonu elektrických pohonných systémů ve všech aplikacích. Motory s permanentními magnety spoléhají na přirozeně se vyskytující silné magnety vzácných zemin ke generování magnetických polí v součástech statoru, spíše než na vinutí nesoucí proud (elektromagnety). Díky tomu jsou motory účinnější, zejména díky tomu, že elektrický proud musí být napájen pouze rotorem.
Moderní výkonová elektronika je také klíčovou technologií pro hybridní elektrická vozidla všech typů. Řadiče motorů založené na IGBT například řídí tok energie z baterie, generátoru nebo palivových článků a určují otáčky a výstupní točivý moment z elektromotorů. Jsou mnohem efektivnější než elektromechanické řídicí systémy a výrazně zlepšují výkon pohonů s proměnnými otáčkami - technologie, která je mnohem méně vyspělá než pohony s pevnými otáčkami, které jsou v průmyslu široce používány.
TDI Power se sídlem v New Jersey je příkladem investora investujícího do kapalinou chlazené výkonové elektroniky pro elektrická a hybridní vozidla pro civilní a vojenské aplikace. Společnost vyrábí standardní modulární DC / DC měniče a měniče, které překračují současné standardy SAE a MIL.
Elektrické pohony ve vojenských vozidlech budou těžit z rozsáhlého výzkumu a vývoje pohonů s proměnnými otáčkami pro průmysl, poháněných vyhlídkou na celkovou úsporu energie kolem 15-30%, což lze dosáhnout, pokud jsou stroje s pevným převodem nahrazeny pohony s proměnnými otáčkami pro většinu průmyslových uživatelé, jak je uvedeno v nedávné studii University of Newcastle zadané britským úřadem pro vědu a inovace. „Zlepšení potenciální účinnosti zatížení pohonů by mělo ve Velké Británii ušetřit 15 kWh miliard hodin ročně a v kombinaci se zlepšenou účinností motoru a pohonu celkové úspory 24 miliard kWh,“uvádí studie.
Jedním z důležitých způsobů, jak zlepšit účinnost přenosu energie v jakémkoli elektrickém systému, je zvýšit napětí, protože Ohmův zákon diktuje, že pro jakýkoli daný výkon platí, že čím vyšší napětí, tím nižší proud. Malé proudy mohou procházet tenkými dráty, což umožňuje kompaktním a lehkým elektrickým systémům zajistit požadované zatížení. To je důvod, proč národní energetické sítě používají při přenosu energie velmi vysoké napětí; Například britské energetické sítě provozují své přenosové vedení až na 400 000 voltů.
Je nepravděpodobné, že elektrické systémy vojenských vozidel budou používat napětí takové velikosti, ale dny 28 voltů a podobné elektrické systémy se zdají být sečteny. V roce 2009 byl například Qinetiq vybrán britským ministerstvem obrany k výzkumu výroby a distribuce elektrické energie pomocí 610voltové technologie. Qinetiq vedl tým, který zahrnoval společnost BAE Systems a specialistu na elektrické stroje Provector Ltd, která přeměnila BMP WARRIOR 2000 na demonstrátor schopný napájet 610 voltové zákazníky s vysokou poptávkou i stávající 28 voltové zařízení. Stroj je vybaven dvěma generátory 610 voltů, z nichž každý poskytuje dvojnásobný výkon oproti původnímu stroji a účinně tak čtyřnásobně zvyšuje elektrický výkon bojovníka.
Energie pro vozidlo využívající palivové články od SFC
Vojáci v poli potřebují pro své stroje spolehlivý zdroj energie. Musí dodávat proud do palubních zařízení, jako jsou rádia, komunikační zařízení, zbraňové systémy a optické elektronické systémy. V případě potřeby by ale měl fungovat i jako nabíjecí stanice pro vojáky na úkolu.
Při plnění úkolu často není možné nastartovat motor k nabíjení baterií, protože to může odhalit umístění jednotky. Vojáci proto potřebují způsob, jak získat elektrický proud - tiše, neustále a nezávisle.
Systém SFC EMILY 2200 je založen na úspěšné technologii palivových článků EFOY. Jednotka EMILY, nainstalovaná na stroji, zajišťuje, že baterie zůstanou neustále nabité. Jeho vestavěný regulátor neustále monitoruje napětí v bateriích a v případě potřeby baterie automaticky dobíjí. Pracuje tiše a jeho jediným „výfukem“jsou vodní páry a oxid uhličitý v množství srovnatelném s dýcháním dítěte.
Velké stroje vyžadují velké baterie. Tento balíček lithium-iontových článků je součástí technologie hybridního autobusového pohonu společnosti BAE Systems.
Jsou palivové články možné?
Palivové články, které používají chemické procesy k přímé přeměně paliva na elektrický proud s velkou účinností, jsou již dlouho považovány za technologii, která může být široce používána ve vojenské oblasti, včetně pohonu automobilu a výroby elektřiny na palubě. Existují však značné technické překážky, které je třeba překonat. Nejprve palivové články běží na vodík a mísí jej s kyslíkem ze vzduchu, aby generovaly elektrický proud jako vedlejší produkt. Vodík není snadno dostupný a obtížně se skladuje a přepravuje.
Existuje mnoho příkladů palivových článků, které pohánějí elektrická vozidla, ale všechny jsou experimentální. V automobilovém světě je Honda FCX CLARITY pravděpodobně nejbližší dostupností ke komerčnímu produktu, ale i tak je k dispozici pouze v oblastech, kde existuje infrastruktura pro tankování vodíku, a pouze na základě nájemních smluv. I přední výrobci palivových článků, jako je Ballard Power, uznávají současná omezení této technologie pro použití v automobilech. Společnost říká, že „sériová výroba vozidel s palivovými články je dlouhodobá. Většina automobilek se dnes domnívá, že sériová výroba vozidel s palivovými články je uskutečnitelná až kolem roku 2020, a to z důvodu toho, že průmysl čelí problémům s distribucí vodíku, optimalizací trvanlivosti, hustoty energie, schopností horkého startu a náklady na palivové články. “
Všechny hlavní světové automobilky však výrazně investují do výzkumu a vývoje palivových článků, často ve spojení s výrobci palivových článků. Ballard je například součástí spolupráce Automobile Fuel Cell Cooperation, společného podniku Ford a Daimler AG. Armáda klade na přijetí palivových článků další překážku v podobě svého požadavku, aby vše běželo na „logistická“paliva. Palivové články mohou běžet na naftu nebo petrolej, ale ty musí být nejprve upraveny tak, aby extrahovaly potřebný vodík. Tento proces vyžaduje složité a objemné vybavení, které ovlivňuje velikost, hmotnost, náklady, složitost a účinnost celého systému.
Dalším omezením palivových článků, které působí jako hlavní hybná síla vojenského vozidla, je skutečnost, že nejlépe fungují při konstantním nastavení výkonu a nemohou rychle reagovat na požadované změny. To znamená, že musí být doplněny bateriemi a / nebo superkondenzátory a související elektronikou regulace výkonu, aby byly splněny zátěže špičkového výkonu.
V oblasti „superkondenzátorů“vyvinula estonská společnost Skeleton Industries řadu nejmodernějších superkondenzátorů SkelCap, které jsou pětkrát výkonnější na litr objemu nebo více než čtyřikrát silnější na kilogram než prémiové vojenské baterie. V praxi to znamená o 60 procent větší výkon a čtyřnásobek proudu ve srovnání s nejlepšími vojenskými bateriemi. „Superkondenzátory“SkelCap poskytují okamžitý výbuch energie a používají se v celé řadě aplikací, od řízení palby až po věžové tanky. Jako součást skupiny United Armements International (UAI) plní SkelCap různé specializované zakázky i rozšířené programy prostřednictvím skupiny UAI se sídlem v Tallinnu.
Superkondenzátory od Skeleton Industries
To však neznamená, že palivové články nenajdou místo v hybridních a elektrických vojenských vozidlech. Nejslibnější okamžitou aplikací jsou pomocné energetické jednotky (APU) ve vozidlech provádějících úkoly tichého dohledu typu ISTAR (shromažďování informací, určení cíle a průzkum).„V režimu tichého dohledu nemusí motory vozidel běžet a baterie samy o sobě nemohou poskytnout dostatek energie pro dlouhodobé operace,“říká americké výzkumné centrum americké armády, které vede vývoj generátorů palivových článků na tuhé oxidy a APU, které může fungovat na vojenská paliva, motorovou naftu a petrolej.
Tato organizace se v současné době zaměřuje na systémy do 10 kW s důrazem na plně integrující palivové systémy s provozními potřebami sady palivových článků. Mezi úkoly, které je třeba při navrhování praktických systémů řešit, patří kontrola odpařování a znečištění, zejména kontrola síry odsiřováním (odsíření) a používání materiálů odolných vůči síře, jakož i zamezení tvorby uhlíkových usazenin v systému.
Hybridní elektrické pohony mají co nabídnout pro vojenská vozidla, ale bude nějakou dobu trvat, než se výhody této technologie stanou hmatatelnými.
