Sistem sel bahan bakar EMILY 3000 mempunyai daya output berkadar 125 W dan kapasiti cas harian 6 kWh. Ia boleh mengisi semula banyak bateri atau bertindak sebagai penjana medan. Sistem ini dibuat khusus untuk aplikasi ketenteraan, termasuk senario ujian di mana data mengenai sistem pertahanan baru perlu dikumpulkan dan dinilai di lapangan.
Pada akhirnya, loji kuasa hibrid menawarkan faedah setanding atau lebih baik untuk kenderaan berperisai. Walaupun kecekapan bahan bakar, paling tidak secara historis, belum berada di puncak senarai ciri wajib kenderaan berperisai, namun, peningkatan jarak tempuh dan / atau jangka masa untuk kapasiti bahan bakar tertentu, meningkatkan muatan, perlindungan atau tenaga api untuk jumlah tertentu berat badan dan, secara amnya, mengurangkan beban logistik keseluruhan armada
Pemacu elektrik hibrid mungkin memainkan peranan penting pada masa depan kenderaan tentera, tetapi pembatalan dan pengurangan jumlah program pertahanan yang sama (tidak lupa FCS dan FRES yang terkenal) dan perjuangan untuk memenuhi keperluan mendesak untuk kenderaan yang dilindungi telah ditunda pelaksanaannya pada kenderaan tentera selama-lamanya.
Namun, ketika pemohon kenderaan tempur darat Amerika GCV (Ground Combat Vehicle) diumumkan pada Januari 2011, di antaranya adalah projek dari pasukan BAE Systems / Northrop Grumman dengan unit kuasa elektrik hibrid dengan sistem E-X-DRIVE dari Qinetiq. Ini dapat dilihat sebagai jenis perjudian kerana tidak ada pesaing untuk program kenderaan taktikal ringan JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), yang juga termasuk pemacu elektrik hibrid, tidak lolos ke final kerana fakta bahawa, menurut data yang ada, dipercayai bahawa teknologi untuk mesin ini belum cukup matang pada masa ini. Walaupun begitu, sejarah pemacu elektrik hibrid dalam kenderaan tempur darat mempunyai sejumlah program yang mencukupi untuk mengembangkan dan menunjukkan teknologi ini. Ada sesuatu yang tidak dapat dimaafkan dan tidak dapat dielakkan mengenai pencarian teknologi global yang berjanji untuk menjimatkan bahan bakar, meningkatkan prestasi dan daya tahan, sambil memenuhi permintaan untuk elektrik elektrik yang semakin meningkat. Ini pasti disokong oleh perkembangan selari dalam industri automotif, yang didorong oleh perundangan alam sekitar.
Pembekal kenderaan tentera dan penyedia sistem telah banyak melabur dalam teknologi ini, sering didorong oleh beberapa program pemerintah yang bercita-cita tinggi sebelum ini, sebelum menghadapi ketidakpastian tertentu yang terdapat dalam rancangan pemerintah jangka panjang. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks dan Qinetiq telah membangunkan pemacu elektrik hibrid untuk program UK, AS dan Sweden, sementara Nexter sedang mengerjakan program pengembangan teknologi ARCHYBALD untuk kenderaan berat, orang awam dan tentera.
Transmisi pemacu elektrik E-X-DRIVE untuk kenderaan yang dilacak dari sistem QinetiQ, ringan, padat dan cekap
Pendahuluan hibrid
Sistem penggerak hibrid telah mantap di kapal perang, terutama di kapal selam, kereta api dan trak berat yang digunakan di tambang dan tambang terbuka. Dalam aplikasi ini, penggerak utama, seperti mesin diesel, turbin gas, atau bahkan kedua-duanya, menggerakkan generator yang membekalkan arus untuk menggerakkan motor dan mengecas bateri. Beberapa sistem termasuk kotak gear untuk memindahkan kuasa mekanikal ke pemacu terakhir, sementara yang lain tidak.
Di kapal perang, loji kuasa hibrid membenarkan penggunaan profil kelajuan yang kompleks dan berbeza-beza, sementara penggerak utama dikendalikan dalam julat kelajuan yang berkesan: motor elektrik untuk pendorong senyap, enjin diesel untuk pendorong normal, turbin gas untuk pecutan, dll. Kapal selam, yang dikuasakan oleh kaedah tradisional, tidak dapat melancarkan alat pendorong utamanya semasa menyelam (jika tidak mempunyai snorkel) dan, dalam hal ini, seseorang harus bergantung terutamanya pada bateri atau sistem pendorong bebas udara yang lain. Mesin pemindahan tanah raksasa bergantung pada tork rpm sifar yang sangat besar yang dihasilkan oleh motor elektrik untuk memandu kerana transmisi manual yang dapat melakukan pekerjaan semacam ini akan sangat besar, kompleks, dan mahal. Kereta api menghadapi masalah yang sama, kerana terpaksa mengangkut beberapa ratus tan dengan keadaan berhenti, dalam banyak kes sehingga kelajuan melebihi 150 mph.
Sistem penggerak hibrid dapat menjimatkan bahan bakar dengan membiarkan penggerak utama yang lebih kecil dan lebih efisien digunakan tanpa degradasi, kerana sistem, ketika pemandu menekan sepenuhnya pedal pemecut, melengkapi mesin utama dengan motor elektrik berkuasa bateri. Pemacu elektrik juga membenarkan redaman penggerak utama ketika memandu pada kelajuan rendah, apabila ia relatif tidak berkesan. Kereta hibrid moden juga dapat menyimpan tenaga kinetik (contohnya, dari sistem brek regeneratif) dan menggunakannya untuk mengecas baterinya. Penjimatan tambahan dicapai dengan mengoperasikan penggerak utama pada julat kelajuannya yang paling efisien, serta menggunakan tenaga tambahan untuk mengecas bateri dan / atau memberi kuasa kepada pengguna elektrik di atas kapal.
Kenderaan tentera moden memerlukan kekuatan elektrik yang semakin banyak untuk mengendalikan sistem komunikasi, peralatan arahan dan kawalan, pengawasan dan sensor kecerdasan seperti optoelektronik dan radar, stesen senjata terkawal dari jarak jauh, dan jammers alat letupan improvisasi (IED). Sistem canggih seperti perisai elektrik akan meningkatkan penggunaan. Menggunakan semua daya yang dipasang untuk menjalankan sistem elektrik, secara teori, paling tidak lebih efisien daripada mempunyai satu sistem untuk pendorong dan yang lain untuk peralatan khusus.
Peningkatan penekanan diberikan pada kemampuan pengawasan dan pengumpulan intelijen dalam misi pemberontakan, dan sebagai hasilnya, syarat pengawasan diam diajukan dalam peningkatan jumlah program kendaraan lapis baja. Ini meningkatkan lagi kepentingan penggunaan tenaga elektrik dan menjadikan sel bahan bakar lebih menarik.
Sistem pemacu elektrik hibrid tergolong dalam dua kategori luas: selari dan siri. Dalam sistem selari, enjin pembakaran dalaman dan motor elektrik (atau motor elektrik) memutar roda atau trek melalui kotak gear, sama ada secara berasingan atau bersama. Dalam sistem hibrid siri, penggerak utama hanya menggerakkan penjana. Sistem urutan lebih sederhana, semua daya penggerak di dalamnya mesti melalui motor elektrik dan oleh itu ia mesti lebih besar daripada motor elektrik dalam sistem selari dengan keperluan prestasi mesin yang sama. Sistem kedua-dua jenis telah dikembangkan.
Inovasi dalam pemacu elektrik hibrid dan teknologi sel bahan bakar dapat diambil dari teknologi komersial. Sebagai contoh, BAE Systems mengeluarkan bas elektrik-hibrid, teknologi dari mana dapat digunakan untuk menunjukkan kecekapan tenaga dan peningkatan ciri ekzos kenderaan elektrik-hibrid moden yang direka untuk keadaan berat.
Peningkatan daya tahan hidup
Sistem hibrid juga meningkatkan daya tahan melalui susun atur yang lebih fleksibel dan penghapusan komponen transmisi yang dapat menjadi peluru sisi ketika diletupkan oleh lombong atau IED. Kenderaan berperisai beroda terutamanya mendapat manfaat daripada ini. Dengan mengintegrasikan motor pemacu ke hub roda, semua poros baling-baling, pembeza, poros pemacu dan kotak gear yang berkaitan dengan transmisi manual tradisional dihapuskan dan diganti dengan kabel kuasa dan oleh itu tidak dapat menjadi proyektil tambahan. Menghilangkan semua mekanisme ini juga memungkinkan ruang kru dinaikkan di atas tanah pada ketinggian kenderaan tertentu, menjadikan penumpang kurang rentan terhadap letupan di bawah kapal. Jenis reka bentuk ini digunakan dalam demonstrasi General Dynamics UK AHED 8x8 dan versi mesin SEP beroda dari BAE Systems / Hagglunds, versi yang dilacak juga dihasilkan (dan kemudian dilupakan dengan selamat).
Motor elektrik yang disatukan ke dalam roda individu mengawal daya yang dihantar ke setiap roda dengan sangat tepat dan ini, menurut GD UK, hampir menghilangkan kelebihan trek berbanding roda dari segi kawasan luar jalan.
Kenderaan tempur darat yang menjanjikan akan bergerak di landasan dan cadangan BAE Systems / Northrop Grumman menunjukkan bahawa transmisi elektrik E-X-DRIVE Qinetiq akan lebih ringan, lebih padat dan lebih efisien daripada transmisi tradisional. Ia juga memungkinkan untuk mempercepat peningkatan bersama dengan toleransi kesalahan dan dapat dikonfigurasi untuk berbagai program penggunaan mesin dan teknologi, kata syarikat itu.
Walaupun sistem ini merangkumi empat motor magnet kekal, powertrain di E-X-DRIVE tidak elektrik sepenuhnya; pemulihan kuasa ketika menikung dan pergeseran gear mekanikal, yang terakhir menggunakan klac cam. Reka bentuk ini adalah penyelesaian berisiko rendah yang mengurangkan tekanan pada motor, gear, poros dan galas. Penggunaan susunan poros melintang untuk menjana semula kekuatan mekanik dalam mekanisme ayunan adalah alternatif daripada penggunaan roda pemacu bebas dalam transmisi elektrik semata-mata.
Salah satu inovasi di tengah-tengah E-X-DRIVE adalah kotak gear tengah (dikenali sebagai pembeza penyesuaian), yang menggabungkan tork motor stereng, tork motor utama dan mekanisme pemulihan kawalan mekanikal yang disebutkan sebelumnya. Selain meminimumkan beban kilas, ia menghilangkan sebahagian besar dan berat poros silang luaran yang digunakan dalam penyelesaian tradisional dan sistem pemacu elektrik hibrid yang lain.
Kemajuan dalam bidang kejuruteraan elektrik
Motor magnet kekal adalah bidang teknologi yang telah meningkatkan kecekapan dan ketumpatan kuasa sistem pemacu elektrik dalam semua aplikasi dalam beberapa tahun terakhir. Motor magnet kekal bergantung pada magnet nadir bumi yang kuat secara semula jadi untuk menghasilkan medan magnet dalam komponen stator, dan bukannya pada belitan yang membawa arus (elektromagnet). Ini menjadikan motor lebih cekap, terutama kerana fakta bahawa hanya rotor yang perlu dibekalkan dengan arus elektrik.
Elektronik kuasa moden juga merupakan teknologi utama untuk kenderaan elektrik hibrid dari semua jenis. Pengawal motor berasaskan IGBT, misalnya, mengawal aliran daya dari bateri, penjana, atau sel bahan bakar untuk menentukan kelajuan putaran dan tork output dari motor elektrik. Mereka jauh lebih cekap daripada sistem kawalan elektromekanik dan secara signifikan meningkatkan prestasi pemacu kelajuan berubah - teknologi yang jauh lebih matang daripada pemacu kelajuan tetap yang banyak digunakan dalam industri.
TDI Power yang berpangkalan di New Jersey adalah contoh pelabur yang melabur dalam elektronik kuasa sejuk-cair untuk kenderaan elektrik dan hibrid untuk aplikasi awam dan ketenteraan. Syarikat ini mengeluarkan penukar dan penyongsang modular DC / DC standard yang melebihi standard SAE dan MIL semasa.
Pemacu elektrik dalam kenderaan tentera akan mendapat keuntungan dari R&D yang luas pada pemacu kelajuan berubah untuk industri, didorong oleh prospek penjimatan tenaga keseluruhan sekitar 15-30%, yang dapat direalisasikan jika mesin gear tetap digantikan oleh pemacu kelajuan berubah untuk kebanyakan industri pengguna, seperti yang digariskan dalam kajian baru-baru ini oleh University of Newcastle yang ditugaskan oleh Lembaga Sains dan Inovasi UK. "Meningkatkan potensi kecekapan beban pemacu diproyeksikan dapat menjimatkan UK 15 kWh miliar jam per tahun, dan apabila digabungkan dengan peningkatan kecekapan motor dan pemacu, jumlah penjimatan 24 miliar kWh," kata kajian itu.
Salah satu cara penting untuk meningkatkan kecekapan penghantaran kuasa di mana-mana sistem elektrik adalah dengan meningkatkan voltan, kerana undang-undang Ohm menetapkan bahawa untuk kuasa yang diberikan, semakin tinggi voltan, semakin rendah arus. Arus kecil dapat melalui wayar nipis, yang memungkinkan sistem elektrik yang ringkas dan ringan untuk menyediakan beban yang diperlukan. Inilah sebabnya mengapa grid kuasa nasional menggunakan voltan yang sangat tinggi semasa menghantar kuasa; Jaringan kuasa Inggeris, misalnya, mengendalikan saluran penghantarannya hingga 400,000 volt.
Tidak mungkin sistem elektrik kenderaan ketenteraan akan menggunakan voltan sebesar ini, tetapi hari-hari 28 volt dan sistem elektrik yang serupa nampaknya dihitung. Sebagai contoh, pada tahun 2009, Qinetiq dipilih oleh Jabatan Pertahanan Inggeris untuk meneliti penjanaan dan pengedaran tenaga elektrik menggunakan teknologi 610 volt. Qinetiq mengetuai pasukan yang merangkumi BAE Systems dan pakar mesin elektrik Provector Ltd, yang mengubah WARRIOR 2000 BMP menjadi demonstrator yang mampu memberi kuasa kepada pelanggan permintaan tinggi 610 volt serta peralatan 28 volt yang ada. Mesin ini dilengkapi dengan dua generator 610 volt, masing-masing memberikan kuasa dua kali ganda dari mesin asli, dengan berkesan empat kali ganda output elektrik Warrior.
Tenaga untuk kenderaan yang menggunakan sel bahan bakar dari SFC
Askar di lapangan memerlukan sumber tenaga yang boleh dipercayai untuk mesin mereka. Ia mesti membekalkan arus ke peranti on-board seperti radio, peralatan komunikasi, sistem senjata, dan sistem elektronik optik. Tetapi apabila diperlukan, ia juga harus berfungsi sebagai stesen pengisian tentera yang ditugaskan.
Selalunya tidak dapat menghidupkan mesin untuk mengecas bateri semasa menjalankan tugas, kerana fakta bahawa ini dapat mendedahkan lokasi unit. Oleh itu, tentera memerlukan kaedah untuk mendapatkan arus elektrik - secara senyap, berterusan dan bebas.
Sistem EMILY 2200 SFC didasarkan pada teknologi sel bahan bakar EFOY yang berjaya. Dipasang pada mesin, unit EMILY memastikan bateri sentiasa dicas. Pengaturnya yang terpasang sentiasa memantau voltan dalam bateri dan secara automatik mengisi semula bateri apabila diperlukan. Ia berfungsi dengan senyap dan satu-satunya "ekzos" adalah wap air dan karbon dioksida dalam jumlah yang setanding dengan pernafasan kanak-kanak.
Mesin besar memerlukan bateri yang besar. Pakej sel lithium-ion ini adalah sebahagian daripada teknologi pendorong bas hibrid BAE Systems.
Adakah sel bahan api boleh dilakukan?
Sel bahan bakar, yang menggunakan proses kimia untuk secara langsung mengubah bahan bakar menjadi arus elektrik dengan kecekapan besar, telah lama dianggap sebagai teknologi yang dapat digunakan secara meluas di bidang ketenteraan, termasuk mendorong kereta dan menghasilkan elektrik di atas kapal. Walau bagaimanapun, terdapat banyak rintangan teknikal yang perlu diatasi. Pertama, sel bahan bakar menggunakan hidrogen dan mencampurkannya dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan arus elektrik sebagai produk sampingan. Hidrogen tidak tersedia dan sukar disimpan dan diangkut.
Terdapat banyak contoh sel bahan bakar yang menggerakkan kenderaan elektrik, tetapi semuanya eksperimen. Dalam dunia automotif, FCX CLARITY Honda mungkin merupakan ketersediaan paling dekat dengan produk komersial, tetapi walaupun ia hanya tersedia di kawasan di mana terdapat beberapa infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen dan hanya berdasarkan perjanjian sewa. Malah pengeluar sel bahan api terkemuka seperti Ballard Power menyedari batasan semasa teknologi ini untuk digunakan dalam kenderaan. Syarikat itu mengatakan bahawa "pengeluaran besar-besaran kenderaan sel bahan bakar dalam jangka panjang. Hari ini, kebanyakan pembuat kenderaan percaya bahawa pengeluaran bersiri kenderaan sel bahan bakar tidak dapat dilaksanakan hingga sekitar tahun 2020, kerana industri menghadapi masalah pengedaran hidrogen, mengoptimumkan ketahanan, ketumpatan tenaga, keupayaan permulaan panas dan kos sel bahan bakar."
Walau bagaimanapun, semua pengeluar automotif utama dunia banyak melabur dalam R&D sel bahan bakar, sering bekerjasama dengan pengeluar sel bahan bakar. Ballard, misalnya, adalah bahagian dari Kerjasama Sel Bahan Bakar Automotif, usaha sama antara Ford dan Daimler AG. Tentera meletakkan satu lagi halangan untuk penggunaan sel bahan bakar dalam bentuk keperluannya agar semuanya mesti berjalan dengan menggunakan bahan bakar "logistik". Sel bahan bakar boleh berjalan di diesel atau minyak tanah, tetapi mereka mesti terlebih dahulu diubahsuai untuk mengekstrak hidrogen yang mereka perlukan. Proses ini memerlukan peralatan yang kompleks dan besar, yang mempengaruhi ukuran, berat, kos, kerumitan dan kecekapan keseluruhan sistem.
Batasan sel bahan bakar lain ketika beroperasi sebagai penggerak utama kenderaan tentera adalah hakikat bahawa ia berfungsi paling baik pada tetapan daya tetap dan tidak dapat bertindak balas dengan cepat terhadap perubahan yang diperlukan. Ini bermaksud bahawa mereka mesti dilengkapi dengan bateri dan / atau superkapasitor dan elektronik peraturan kuasa yang berkaitan untuk memenuhi beban daya puncak.
Dalam bidang "supercapacitors", syarikat Estonia Skeleton Industries telah mengembangkan rangkaian superkapasitor SkelCap canggih yang lima kali lebih kuat per liter volume atau lebih dari empat kali lebih kuat per kilogram daripada bateri tentera premium. Dalam praktiknya, ini bermaksud 60 peratus lebih banyak kuasa dan empat kali arus berbanding bateri ketenteraan terbaik. "Supercapacitors" SkelCap memberikan tenaga cepat dan digunakan untuk berbagai aplikasi, dari kontrol kebakaran hingga tangki turet. Sebagai sebahagian daripada kumpulan United Armaments International (UAI), SkelCap memenuhi pelbagai pesanan khusus serta mengembangkan program melalui kumpulan UAI yang berpusat di Tallinn.
Supercapacitors dari Skeleton Industries
Walau bagaimanapun, ini tidak bermaksud bahawa sel bahan bakar tidak akan mendapat tempat di kenderaan tentera hibrid dan elektrik. Aplikasi segera yang paling menjanjikan adalah unit kuasa tambahan (APU) pada kenderaan yang melakukan tugas pengawasan senyap dari jenis ISTAR (pengumpulan maklumat, penentuan sasaran dan pengintaian)."Dalam mod pengawasan senyap, enjin kenderaan tidak perlu berjalan, dan bateri saja tidak dapat memberikan tenaga yang cukup untuk operasi jangka panjang," kata Pusat Penyelidikan Kejuruteraan Tentera Darat AS, yang memimpin pengembangan generator sel bahan bakar oksida padat dan APU yang boleh beroperasi pada bahan api ketenteraan, bahan bakar diesel dan minyak tanah.
Organisasi ini pada masa ini memfokuskan pada sistem hingga 10 kW dengan penekanan pada pengintegrasian sistem bahan bakar sepenuhnya dengan keperluan operasi kit sel bahan bakar. Tugas-tugas yang perlu ditangani dalam reka bentuk sistem praktikal termasuklah kawalan pengewapan dan pencemaran, terutama pengawalan sulfur melalui desulfurisasi (desulfurisasi) dan penggunaan bahan tahan sulfur, serta menghindari terbentuknya simpanan karbon dalam sistem.
Pemacu elektrik hibrid banyak ditawarkan untuk kenderaan ketenteraan, tetapi akan ada beberapa saat sebelum manfaat teknologi ini menjadi nyata.
