EMILY 3000 yakıt hücresi sistemi, 125 W nominal çıkış gücüne ve 6 kWh günlük şarj kapasitesine sahiptir. Birden fazla pili şarj edebilir veya bir alan jeneratörü görevi görebilir. Sistem, yeni savunma sistemlerine ilişkin verilerin toplanıp sahada değerlendirilmesi gereken test senaryoları da dahil olmak üzere askeri uygulamalar için özel olarak oluşturuldu.
Sonuç olarak, hibrit enerji santralleri, zırhlı araçlara benzer veya daha iyi faydalar sunar. Yakıt verimliliği, en azından tarihsel olarak, zırhlı araçların zorunlu özellikleri listesinin başında yer almasa da, belirli bir yakıt kapasitesi için kilometre ve/veya süreyi artırır, belirli bir toplam için taşıma kapasitesini, korumayı veya ateş gücünü artırır. ağırlık ve genel olarak filo üzerindeki genel lojistik yükü azaltır
Hibrit elektrikli tahrik, askeri araçların geleceğinde önemli bir rol oynayabilir, ancak birçok savunma programının hacminin (ünlü FCS ve FRES'i unutmadan) iptal edilmesi ve azaltılması ve korumalı araçlar için acil gereksinimleri karşılama mücadelesi ertelendi. askeri araçlarda süresiz olarak uygulanması.
Bununla birlikte, Amerikan kara muharebe aracı GCV (Kara Savaş Aracı) için başvuranlar Ocak 2011'de açıklandığında, bunların arasında BAE Systems / Northrop Grumman ekibinden Qinetiq'in E-X-DRIVE sistemine sahip hibrit bir elektrik güç ünitesine sahip bir proje vardı. Bu bir tür kumar olarak görülebilir, çünkü JLTV (Ortak Hafif Taktik Araç) hafif taktik araç programı yarışmacılarından hiçbiri hibrit elektrikli tahriki de içeren yarışmacılardan hiçbiri finale kalamadı. Mevcut veriler, bu makine için teknolojinin henüz bu noktada yeterince olgunlaşmadığına inanılıyor. Bununla birlikte, kara savaş araçlarındaki hibrit elektrikli tahriklerin tarihi, bu teknolojiyi geliştirmek ve göstermek için yeterli sayıda programa sahiptir. Yakıt tasarrufu sağlamayı, performansı ve beka kabiliyetini artırmayı ve aynı zamanda artan gemi elektriği talebini karşılamayı vaat eden küresel teknoloji arayışında affedilmeyen ve kaçınılmaz bir şey var. Bu, şüphesiz, çevre mevzuatı tarafından yönlendirilen otomotiv endüstrisindeki paralel gelişmeler tarafından desteklenmektedir.
Askeri araç üreticileri ve sistem sağlayıcıları, uzun vadeli hükümet planlarının doğasında bulunan belirli belirsizlikle yüzleşmeden önce, genellikle yukarıda bahsedilen iddialı hükümet programlarından bazıları tarafından zorlanan bu teknolojiye büyük yatırımlar yaptılar. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks ve Qinetiq İngiltere, ABD ve İsveç programları için hibrit elektrikli tahrikler geliştirirken Nexter, sivil ve askeri ağır vasıtalar için ARCHYBALD teknoloji geliştirme programı üzerinde çalışıyor.
QinetiQ'dan paletli araçlar için elektrikli tahrik şanzımanı E-X-DRIVE, hafif, kompakt ve verimli sistem
Hibrit öncüller
Hibrit tahrik sistemleri, savaş gemilerinde, özellikle denizaltılarda, trenlerde ve taş ocaklarında ve açık ocaklarda kullanılan ağır kamyonlarda sağlam bir şekilde kurulmuştur. Bu uygulamalarda, dizel motor, gaz türbini veya hatta her ikisi gibi bir ana hareket ettirici, motorları çalıştırmak ve pilleri şarj etmek için akım sağlayan bir jeneratörü çalıştırır. Bazı sistemler, mekanik gücü nihai tahriklere aktarmak için bir dişli kutusu içerirken, diğerleri içermez.
Savaş gemilerinde, hibrit enerji santralleri, karmaşık ve çok çeşitli hız profillerinin kullanılmasına izin verirken, ana taşıyıcılar etkin bir hız aralığında çalıştırılır: sessiz tahrik için elektrik motorları, normal tahrik için dizel motorlar, hızlanma için gaz türbinleri, vb. Geleneksel yöntemle çalışan bir denizaltı, dalış sırasında (şnorkeli yoksa) birincil tahrik cihazını çalıştıramaz ve bu bağlamda, esas olarak pillere veya havadan bağımsız başka bir tahrik sistemine güvenmek zorundadır. Dev hafriyat makineleri, sürmek için elektrik motorları tarafından üretilen muazzam sıfır rpm torkuna güveniyor çünkü bu tür işleri yapabilen manuel şanzımanlar çok büyük, karmaşık ve pahalı olurdu. Trenler aynı sorunla daha da fazla karşılaşıyor, çünkü çoğu durumda 150 mil/saat'i aşan hızlara kadar, durma durumundan birkaç yüz ton yük taşımak zorunda kalıyorlar.
Bir hibrit tahrik sistemi, sürücü gaz pedalına tam olarak basarken sistem, pille çalışan elektrik motorlarıyla ana motoru tamamladığı için, daha küçük, yakıt açısından daha verimli bir ana hareket ettiricinin bozulma olmadan kullanılmasına izin vererek yakıt tasarrufu sağlayabilir. Elektrikli tahrikler ayrıca, nispeten etkisiz olabileceği düşük hızlarda sürerken ana hareket ettiricinin sönümlenmesine de izin verir. Modern hibrit otomobiller ayrıca kinetik enerjiyi (örneğin, rejeneratif bir fren sisteminden) depolayabilir ve pillerini şarj etmek için kullanabilir. Ana hareket ettiriciyi çoğu zaman en verimli hız aralığında çalıştırarak ve ayrıca pilleri ve/veya yerleşik elektrik tüketicilerini şarj etmek için herhangi bir ek enerjiyi kullanarak ek tasarruf sağlanır.
Modern askeri araçlar, iletişim sistemlerini, komuta ve kontrol ekipmanlarını, optoelektronik ve radarlar gibi gözetleme ve istihbarat sensörlerini, uzaktan kumandalı silah istasyonlarını ve el yapımı patlayıcı cihaz (IED) bozucularını çalıştırmak için giderek daha fazla elektrik gücüne ihtiyaç duyuyor. Elektrikli zırh gibi gelişmiş sistemler tüketimi daha da artıracak. Elektrik sistemlerini çalıştırmak için kurulu gücün tamamını kullanmak, teorik olarak, en azından bir sistemin sevk ve diğerinin özel ekipman için kullanılmasından daha verimlidir.
Ayaklanmayı bastırma görevlerinde gözetleme ve istihbarat toplama yeteneklerine artan bir önem verilmekte ve bunun sonucu olarak, zırhlı araç programlarının sayısı giderek artan sessiz gözetleme gereklilikleri ortaya konulmaktadır. Bu, elektrik enerjisi tüketiminin önemini daha da artırmakta ve yakıt hücrelerini daha çekici hale getirmektedir.
Hibrit elektrikli tahrik sistemleri iki geniş kategoriye ayrılır: paralel ve seri. Paralel sistemlerde, içten yanmalı bir motor ve bir elektrik motoru (veya elektrik motorları), tekerlekleri veya paletleri ayrı ayrı veya birlikte bir dişli kutusu aracılığıyla döndürür. Seri hibrit sistemlerde, ana taşıyıcı yalnızca jeneratörü çalıştırır. Sıralı bir sistem daha basittir, içindeki tüm tahrik gücü elektrik motorlarından geçmelidir ve bu nedenle aynı makine performans gereksinimlerine sahip paralel bir sistemdeki elektrik motorlarından daha büyük olmalıdır. Her iki tipte sistemler geliştirilmiştir.
Hibrit elektrikli sürücülerdeki ve yakıt hücresi teknolojisindeki yenilikler ticari teknolojiden alınabilir. Örneğin, BAE Systems, ağır koşullar için tasarlanmış modern hibrit-elektrikli araçların enerji verimliliğini ve gelişmiş egzoz özelliklerini göstermek için kullanılabilecek teknoloji olan hibrit-elektrikli otobüsler üretmektedir.
Artan hayatta kalma
Hibrit sistemler ayrıca, daha esnek bir yerleşim düzeni ve bir mayın veya IED tarafından patlatıldığında yan mermi haline gelebilecek iletim bileşenlerinin ortadan kaldırılması yoluyla beka kabiliyetini artırır. Bundan özellikle tekerlekli zırhlı araçlar yararlanmaktadır. Tahrik motorlarının tekerlek göbeklerine entegre edilmesiyle, geleneksel manuel şanzımanlarla ilişkili tüm kardan milleri, diferansiyeller, tahrik milleri ve dişli kutuları ortadan kaldırılır ve güç kabloları ile değiştirilir ve bu nedenle ek mermi olamaz. Tüm bu mekanizmaların ortadan kaldırılması, aynı zamanda, mürettebat bölmesinin belirli bir araç yüksekliğinde yerden yükseltilmesine izin vererek yolcuları gövde altı patlamalara karşı daha az savunmasız hale getirir. Bu tür tasarım, General Dynamics UK AHED 8x8 göstericisinde ve paletli versiyonu da üretilen (ve daha sonra güvenle unutulan) BAE Systems / Hagglunds'un SEP makinesinin tekerlekli versiyonunda kullanıldı.
Bireysel tekerleklere entegre edilen elektrik motorları, her bir tekerleğe iletilen gücü çok hassas bir şekilde kontrol ediyor ve bu, GD UK'ye göre, arazi arazisi açısından paletlerin tekerleklere göre avantajını neredeyse ortadan kaldırıyor.
Gelecek vaat eden kara muharebe aracı pistlerde hareket edecek ve BAE Systems / Northrop Grumman önerisi, Qinetiq'in E-X-DRIVE elektrik şanzımanının geleneksel şanzımanlardan daha hafif, daha kompakt ve daha verimli olacağını gösteriyor. Şirket ayrıca, hata toleransı ile birlikte daha iyi hızlanmaya izin verdiğini ve çok çeşitli makine ve teknoloji benimseme programları için yapılandırılabildiğini söylüyor.
Sistem dört sabit mıknatıslı motor içermesine rağmen, E-X-DRIVE'daki güç aktarma sistemi tamamen elektrikli değildir; viraj alırken ve mekanik vites değiştirirken güç geri kazanımı, ikincisi bir kam kavraması kullanır. Bu tasarım, motorlar, dişliler, miller ve yataklar üzerindeki baskıları en aza indiren düşük riskli bir çözümdür. Salınım mekanizmasında mekanik gücü yeniden oluşturmak için enine şaft düzenlemesinin kullanılması, tamamen elektrikli bir şanzımanda bağımsız tahrik tekerleklerinin kullanımına bir alternatiftir.
E-X-DRIVE'ın kalbindeki yeniliklerden biri, direksiyon motoru torkunu, ana motor torkunu ve daha önce bahsedilen mekanik kontrol geri kazanım mekanizmasını birleştiren merkez dişli kutusudur (ayarlama diferansiyeli olarak bilinir). Burulma yüklerini en aza indirmenin yanı sıra, geleneksel çözümlerde ve diğer hibrit elektrikli tahrik sistemlerinde kullanılan harici çapraz şaftın hacmini ve ağırlığını ortadan kaldırır.
Elektrik mühendisliğindeki gelişmeler
Kalıcı mıknatıslı motorlar, son yıllarda tüm uygulamalarda elektrikli tahrik sistemlerinin verimliliğini ve güç yoğunluğunu büyük ölçüde iyileştiren bir teknoloji alanıdır. Kalıcı mıknatıslı motorlar, akım taşıyan sargılardan (elektromıknatıslar) ziyade stator bileşenlerinde manyetik alanlar oluşturmak için doğal olarak oluşan güçlü nadir toprak mıknatıslarına güvenir. Bu, özellikle sadece rotorun elektrik akımı ile beslenmesi gerektiğinden, motorları daha verimli hale getirir.
Modern güç elektroniği, her türden hibrit elektrikli araç için de önemli bir teknolojidir. Örneğin, IGBT tabanlı motor kontrolörleri, elektrik motorlarından dönme hızlarını ve çıkış torkunu belirlemek için bir batarya, jeneratör veya yakıt hücrelerinden gelen güç akışını kontrol eder. Elektromekanik kontrol sistemlerinden çok daha verimlidirler ve endüstride yaygın olarak kullanılan sabit hızlı sürücülerden çok daha az olgun olan bir teknoloji olan değişken hızlı sürücülerin performansını önemli ölçüde artırırlar.
New Jersey merkezli TDI Power, sivil ve askeri uygulamalar için elektrikli ve hibrit araçlar için sıvı soğutmalı güç elektroniğine yatırım yapan bir yatırımcı örneğidir. Şirket, mevcut SAE ve MIL standartlarını aşan standart modüler DC / DC dönüştürücüler ve inverterler üretmektedir.
Askeri araçlardaki elektrikli tahrikler, sabit dişli makinelerin çoğu endüstriyel için değişken hızlı tahriklerle değiştirilmesi durumunda gerçekleştirilebilecek yaklaşık %15-30'luk bir toplam enerji tasarrufu beklentisiyle desteklenen, endüstri için değişken hızlı tahrikler üzerine kapsamlı Ar-Ge'den faydalanacaktır. Birleşik Krallık Bilim ve Yenilik Kurumu tarafından görevlendirilen Newcastle Üniversitesi tarafından yakın zamanda yapılan bir çalışmada ana hatlarıyla belirtildiği gibi kullanıcılar. Çalışmada, "Tahrik yüklerinin potansiyel verimliliğinin artırılmasının Birleşik Krallık'ta yılda 15 kWh milyar saat tasarruf sağlaması ve iyileştirilmiş motor ve sürücü verimliliği ile birleştirildiğinde toplam 24 milyar kWh tasarruf sağlaması bekleniyor" dedi.
Herhangi bir elektrik sisteminde güç iletiminin verimliliğini artırmanın önemli yollarından biri, voltajı artırmaktır, çünkü Ohm yasası, herhangi bir güç için voltaj ne kadar yüksekse, akım o kadar düşük olur. Küçük akımlar ince tellerden geçebilir, bu da kompakt, hafif elektrik sistemlerinin gerekli yükleri sağlamasına izin verir. Bu nedenle ulusal elektrik şebekeleri, güç iletirken çok yüksek voltajlar kullanır; Örneğin İngiliz elektrik şebekeleri, iletim hatlarını 400.000 volta kadar çalıştırıyor.
Askeri araçların elektrik sistemlerinin bu büyüklükteki voltajları kullanması pek olası değil ancak 28 volt ve benzeri elektrik sistemlerinin günlerinin sayılı olduğu görülüyor. Örneğin, 2009 yılında Qinetiq, İngiliz Savunma Bakanlığı tarafından 610 volt teknolojisi kullanılarak elektrik enerjisinin üretimi ve dağıtımını araştırmak üzere seçildi. Qinetiq, WARRIOR 2000 BMP'yi mevcut 28 volt ekipmanın yanı sıra 610 volt yüksek talepli müşterilere güç verebilen bir göstericiye dönüştüren BAE Systems ve elektrikli makine uzmanı Provector Ltd'yi içeren bir ekibi yönetti. Makine, her biri orijinal makinenin iki katı güç sağlayan ve Warrior'ın elektrik çıkışını etkin bir şekilde dört katına çıkaran iki adet 610 voltluk jeneratör ile donatılmıştır.
SFC'den yakıt hücrelerini kullanan bir araç için enerji
Sahadaki askerler, makineleri için güvenilir bir enerji kaynağına ihtiyaç duyarlar. Telsizler, iletişim ekipmanları, silah sistemleri ve optik elektronik sistemler gibi yerleşik cihazlara akım sağlamalıdır. Ancak gerektiğinde, görevdeki askerler için bir şarj istasyonu görevi de görmelidir.
Ünitenin yerini ortaya çıkarabileceğinden, görevi gerçekleştirirken pilleri şarj etmek için motoru çalıştırmak çoğu zaman mümkün değildir. Bu nedenle, askerlerin elektrik akımı almanın bir yoluna ihtiyacı var - sessiz, sürekli ve bağımsız.
SFC'nin EMILY 2200 sistemi, başarılı EFOY yakıt hücresi teknolojisine dayanmaktadır. Makineye takılan EMILY ünitesi, pillerin sürekli şarjlı kalmasını sağlar. Dahili regülatörü, akülerdeki voltajı sürekli olarak izler ve gerektiğinde aküleri otomatik olarak şarj eder. Sessiz çalışır ve tek "egzozu" bir çocuğun nefes almasıyla karşılaştırılabilir miktarlarda su buharı ve karbondioksittir.
Büyük makineler büyük piller gerektirir. Bu lityum iyon hücre paketi, BAE Systems'in hibrit veri yolu tahrik teknolojisinin bir parçasıdır.
Yakıt hücreleri mümkün mü?
Yakıtı büyük bir verimlilikle doğrudan elektrik akımına dönüştürmek için kimyasal işlemler kullanan yakıt pilleri, uzun süredir, bir arabayı sürmek ve gemide elektrik üretmek de dahil olmak üzere askeri alanda yaygın olarak kullanılabilecek bir teknoloji olarak görülüyor. Ancak, aşılması gereken önemli teknik engeller var. İlk olarak, yakıt hücreleri hidrojenle çalışır ve yan ürün olarak elektrik akımı üretmek için onu havadaki oksijenle karıştırır. Hidrojen hazır değildir ve depolanması ve taşınması zordur.
Elektrikli araçlara güç sağlayan birçok yakıt hücresi örneği vardır, ancak hepsi deneyseldir. Otomotiv dünyasında, Honda'nın FCX CLARITY'si muhtemelen ticari bir ürüne en yakın bulunabilirliktir, ancak o zaman bile yalnızca hidrojen yakıt ikmali altyapısının olduğu alanlarda ve yalnızca kira sözleşmeleri kapsamında mevcuttur. Ballard Power gibi önde gelen yakıt hücresi üreticileri bile, otomobillerde kullanım için bu teknolojinin mevcut sınırlamalarının farkındadır. Şirket, “yakıt hücreli araçların seri üretiminin uzun vadede olduğunu söylüyor. Günümüzde çoğu otomobil üreticisi, endüstrinin hidrojen dağıtımı, dayanıklılığı optimize etme, enerji yoğunluğu, sıcak çalıştırma kabiliyeti ve yakıt hücresi maliyeti gibi sorunlarla karşı karşıya kalması nedeniyle 2020 yılına kadar yakıt hücreli araçların seri üretiminin mümkün olmadığına inanıyor.”
Bununla birlikte, dünyanın önde gelen tüm otomobil üreticileri, genellikle yakıt hücresi üreticileriyle birlikte, yakıt hücresi Ar-Ge'sine büyük yatırımlar yapmaktadır. Örneğin Ballard, Ford ve Daimler AG arasındaki bir ortak girişim olan Automotive Fuel Cell Cooperation'ın bir parçasıdır. Ordu, her şeyin "lojistik" yakıtlarla çalışması zorunluluğu biçiminde, yakıt hücrelerinin benimsenmesine başka bir engel koyuyor. Yakıt hücreleri dizel veya gazyağı ile çalışabilir, ancak önce ihtiyaç duydukları hidrojeni çıkarmak için değiştirilmeleri gerekir. Bu süreç, genel sistemin boyutunu, ağırlığını, maliyetini, karmaşıklığını ve verimliliğini etkileyen karmaşık ve hacimli ekipman gerektirir.
Bir askeri aracın ana taşıyıcısı olarak çalışırken yakıt hücrelerinin bir diğer sınırlaması, sabit güç ayarlarında en iyi performansı göstermeleri ve gerekli değişikliklere hızlı yanıt verememeleridir. Bu, tepe güç yüklerini karşılamak için piller ve/veya süper kapasitörler ve ilgili güç düzenleme elektroniği ile desteklenmeleri gerektiği anlamına gelir.
"Süper kapasitörler" alanında, Estonyalı şirket Skeleton Industries, birinci sınıf askeri pillerden litre hacim başına beş kat veya kilogram başına dört kat daha güçlü olan son teknoloji SkelCap süper kapasitörleri geliştirdi.. Pratikte bu, en iyi askeri pillere kıyasla yüzde 60 daha fazla güç ve akımın dört katı anlamına gelir. SkelCap'in "süper kapasitörleri" anında bir güç patlaması sağlar ve atış kontrolünden taret tanklarına kadar çok çeşitli uygulamalar için kullanılır. United Armaments International (UAI) grubunun bir parçası olarak SkelCap, Tallinn merkezli UAI grubu aracılığıyla çeşitli özel siparişlerin yanı sıra genişletilmiş programları yerine getirir.
Skeleton Industries'den süper kapasitörler
Ancak bu, yakıt hücrelerinin hibrit ve elektrikli askeri araçlarda yer bulmayacağı anlamına gelmiyor. En umut verici acil uygulama, ISTAR tipi sessiz gözetleme görevlerini (bilgi toplama, hedef belirleme ve keşif) gerçekleştiren araçlardaki yardımcı güç üniteleridir (APU). Katı oksit yakıt hücresi jeneratörlerinin ve APU'ların geliştirilmesine öncülük eden ABD Ordu Mühendislik Araştırma Merkezi, "Sessiz gözetim modunda, araç motorlarının çalışması gerekmez ve piller tek başına uzun vadeli operasyonlar için yeterli gücü sağlayamaz" diyor. askeri yakıtlar, dizel yakıt ve gazyağı ile çalışabilir.
Bu organizasyon şu anda yakıt sistemlerini bir yakıt hücresi kitinin çalışma ihtiyaçları ile tam olarak entegre etmeye vurgu yaparak 10 kW'a kadar olan sistemlere odaklanmaktadır. Pratik sistemlerin tasarımında ele alınması gereken görevler arasında buharlaşma ve kirliliğin kontrolü, özellikle kükürt giderme (kükürt giderme) yoluyla kükürtün kontrolü ve kükürte dayanıklı malzemelerin kullanılması ve ayrıca sistemde karbon birikintilerinin oluşmasının önlenmesi yer alır..
Hibrit elektrikli tahriklerin askeri araçlar için sunacağı çok şey var, ancak bu teknolojinin faydalarının somut hale gelmesi biraz zaman alacak.
