El sistema de pila de combustible EMILY 3000 té una potència de sortida nominal de 125 W i una capacitat de càrrega diària de 6 kWh. Pot recarregar diverses bateries o actuar com a generador de camp. El sistema es va crear específicament per a aplicacions militars, incloent escenaris de proves en què cal recollir i avaluar sobre el terreny dades sobre nous sistemes de defensa.
En definitiva, les centrals elèctriques híbrides ofereixen avantatges comparables o fins i tot millors als vehicles blindats. Tot i que l’eficiència del combustible, almenys històricament, no ha estat a la part superior de la llista de característiques obligatòries dels vehicles blindats, no obstant això, augmenta el quilometratge i / o la durada d’una determinada capacitat de combustible, augmenta la càrrega útil, la protecció o la potència de foc per a un total determinat pes i, en general, reduir la càrrega logística global de la flota
La transmissió elèctrica híbrida pot jugar un paper important en el futur dels vehicles militars, però la corresponent cancel·lació i reducció del volum de molts programes de defensa (sense oblidar els famosos FCS i FRES) i la lluita per complir els requisits urgents dels vehicles protegits han posposat la seva implementació en vehicles militars indefinidament.
No obstant això, quan es van anunciar els sol·licitants del vehicle nord-americà de combat terrestre GCV (Ground Combat Vehicle) el gener del 2011, entre ells hi havia un projecte de l’equip BAE Systems / Northrop Grumman amb una unitat d’energia elèctrica híbrida amb el sistema E-X-DRIVE de Qinetiq. Això es pot veure com una mena d’aposta perquè cap dels candidats al programa de vehicles tàctics lleugers JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), que també incloïa un motor elèctric híbrid, no es va classificar per a la final a causa del fet que, segons dades disponibles, es creu que la tecnologia d’aquesta màquina encara no està prou madura en aquest moment. No obstant això, la història de les accions elèctriques híbrides en vehicles de combat terrestres té un nombre suficient de programes per desenvolupar i demostrar aquesta tecnologia. Hi ha quelcom imperdonable i inevitable en la recerca mundial de tecnologia que promet estalviar combustible, millorar el rendiment i la supervivència, alhora que satisfà la creixent demanda d’electricitat a bord. Sens dubte, això es basa en desenvolupaments paral·lels de la indústria de l’automòbil, impulsats per la legislació mediambiental.
Els fabricants de vehicles militars i els proveïdors de sistemes han invertit molt en aquesta tecnologia, sovint impulsada per alguns dels ambiciosos programes governamentals esmentats, abans d’afrontar la incertesa particular inherent als plans governamentals a llarg termini. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks i Qinetiq han desenvolupat accionaments elèctrics híbrids per als programes del Regne Unit, Estats Units i Suècia, mentre que Nexter treballa en el programa de desenvolupament de tecnologia ARCHYBALD per a vehicles pesants, civils i militars.
Transmissió elèctrica E-X-DRIVE per a vehicles sobre rastreig de QinetiQ, sistema lleuger, compacte i eficient
Predecessors híbrids
Els sistemes de propulsió híbrids s’han consolidat fermament en vaixells de guerra, especialment en submarins, trens i camions pesats que s’utilitzen a les mines de cantera i a cel obert. En aquestes aplicacions, un motor principal, com ara un motor dièsel, una turbina de gas o fins i tot ambdues, condueix un generador que subministra corrent per accionar motors i carregar bateries. Alguns sistemes inclouen una caixa de canvis per transferir energia mecànica a les unitats finals, mentre que d'altres no.
En els vaixells de guerra, les centrals elèctriques híbrides permeten l’ús de perfils de velocitat complexos i molt variables, mentre que els motors principals funcionen en un rang de velocitats efectiu: motors elèctrics per a propulsió silenciosa, motors dièsel per a propulsió normal, turbines de gas per a l’acceleració, etc. Un submarí, alimentat pel mètode tradicional, no pot llançar el seu dispositiu de propulsió principal durant una immersió (si no té snorkel) i, en aquest sentit, s’ha de confiar principalment en bateries o en un altre sistema de propulsió independent de l’aire. Les màquines de moviment de terres gegants es basen en un enorme parell de zero rpm generat pels motors elèctrics per accionar, ja que les transmissions manuals que podrien fer aquest tipus de treball serien enormes, complexes i costoses. Els trens afronten el mateix problema encara més, ja que han de transportar diversos centenars de tones amb ells des de la parada, en molts casos fins a velocitats superiors a 150 mph.
Un sistema de propulsió híbrid pot estalviar combustible permetent utilitzar un motor principal més petit i més eficient en consum sense degradació, perquè el sistema, quan el conductor està pressionant completament el pedal de l’accelerador, complementa el motor principal amb motors elèctrics que funcionen amb bateries. Les accions elèctriques també permeten amortir el motor principal quan es circula a velocitats baixes, quan pot ser relativament ineficaç. Els cotxes híbrids moderns també poden emmagatzemar energia cinètica (per exemple, des d’un sistema de frenat regeneratiu) i utilitzar-la per carregar les bateries. S’aconsegueix un estalvi addicional operant el motor principal la major part del temps al seu rang de velocitat més eficient, a més d’utilitzar qualsevol energia addicional per carregar bateries i / o alimentar els consumidors elèctrics a bord.
Els vehicles militars moderns requereixen cada vegada més energia elèctrica per operar sistemes de comunicacions, equips de comandament i control, sensors de vigilància i intel·ligència com optoelectrònica i radars, estacions d’armes controlades remotament i interferències de dispositius explosius improvisats (IED). Els sistemes avançats com l’armadura elèctrica augmentaran encara més el consum. Utilitzar tota la potència instal·lada per fer funcionar sistemes elèctrics és, en teoria, almenys més eficient que tenir un sistema de propulsió i un altre per a equips especialitzats.
S’està fent un èmfasi creixent en les capacitats de vigilància i recopilació d’intel·ligència en les missions de contrainsurgència i, en conseqüència, es plantegen requisits de vigilància silenciosa en un nombre creixent de programes de vehicles blindats. Això augmenta encara més la importància del consum d’energia elèctrica i fa que les piles de combustible siguin més atractives.
Els sistemes d’accionament elèctric híbrids es divideixen en dues grans categories: paral·lela i sèrie. En sistemes paral·lels, un motor de combustió interna i un motor elèctric (o motors elèctrics) giren les rodes o les vies a través d’una caixa de canvis, ja sigui per separat o junts. En sistemes híbrids de sèrie, el motor principal només condueix el generador. Un sistema seqüencial és més senzill, tota la potència motriu que hi ha ha de passar pels motors elèctrics i, per tant, han de ser més grans que els motors elèctrics d’un sistema paral·lel amb els mateixos requisits de rendiment de la màquina. S'han desenvolupat sistemes d'ambdós tipus.
Les innovacions en accionaments híbrids-elèctrics i tecnologia de piles de combustible es poden treure de la tecnologia comercial. Per exemple, BAE Systems fabrica autobusos híbrids elèctrics, la tecnologia a partir dels quals es pot utilitzar per demostrar l’eficiència energètica i les millors característiques d’escapament dels vehicles híbrids elèctrics moderns dissenyats per a condicions pesades.
Augment de la supervivència
Els sistemes híbrids també augmenten la capacitat de supervivència mitjançant un disseny més flexible i l'eliminació de components de transmissió que podrien convertir-se en un projectil lateral quan fossin detonats per una mina o un IED. Els vehicles blindats de rodes es beneficien especialment d’això. En integrar els motors de tracció als cubs de les rodes, tots els eixos de l'hèlix, els diferencials, els eixos de transmissió i les caixes de canvis associades a les transmissions manuals tradicionals s'eliminen i se substitueixen per cables d'alimentació i, per tant, no es poden convertir en projectils addicionals. L'eliminació de tots aquests mecanismes també permet elevar el compartiment de la tripulació per sobre del terra a una alçada determinada del vehicle, cosa que fa que els passatgers siguin menys vulnerables a les explosions sota el casc. Aquest tipus de disseny es va utilitzar al demostrador General Dynamics UK AHED 8x8 i a la versió amb rodes de la màquina SEP de BAE Systems / Hagglunds, la versió seguida de la qual també es va fabricar (i posteriorment es va oblidar de forma segura).
Els motors elèctrics integrats a les rodes individuals controlen amb molta precisió la potència subministrada a cada roda i, segons GD UK, gairebé elimina l'avantatge de les pistes sobre les rodes en termes de terreny fora de carretera.
El prometedor vehicle de combat terrestre es mourà per pistes i la proposta de BAE Systems / Northrop Grumman indica que la transmissió elèctrica E-X-DRIVE de Qinetiq serà més lleugera, compacta i eficaç que les transmissions tradicionals. També permet millorar l'acceleració juntament amb la tolerància a fallades i és configurable per a una àmplia gamma de programes d'adopció de màquines i tecnologia, segons la companyia.
Tot i que el sistema inclou quatre motors d’imant permanent, el tren motriu de l’E-X-DRIVE no és completament elèctric; recuperació de potència en viratge i canvi mecànic d’engranatges, aquest darrer amb embragatge de lleva. Aquest disseny és una solució de baix risc que minimitza les tensions en motors, engranatges, eixos i coixinets. L’ús d’una disposició d’eix transversal per regenerar la potència mecànica del mecanisme de gir és una alternativa a l’ús de rodes motrius independents en una transmissió purament elèctrica.
Una de les innovacions al centre de l’E-X-DRIVE és la caixa de canvis central (coneguda com a diferencial d’ajust), que combina el parell del motor de direcció, el parell principal del motor i el mecanisme de recuperació de control mecànic esmentat anteriorment. A més de minimitzar les càrregues torsionals, elimina la massa i el pes de l’eix transversal extern utilitzat en solucions tradicionals i altres sistemes d’accionament elèctric híbrid.
Avenços en enginyeria elèctrica
Els motors d’imant permanent són una àrea de tecnologia que ha millorat molt l’eficiència i la densitat de potència dels sistemes d’acció elèctrica en totes les aplicacions en els darrers anys. Els motors d’imant permanent es basen en imants de terres rares de gran abast natural que generen camps magnètics en els components de l’estator, en lloc de bobinatges que transporten corrent (electroimants). Això fa que els motors siguin més eficients, sobretot perquè només cal subministrar corrent elèctric al rotor.
L’electrònica de potència moderna també és una tecnologia clau per a vehicles elèctrics híbrids de tot tipus. Els controladors de motors basats en IGBT, per exemple, controlen el flux d'energia d'una bateria, generador o cèl·lules de combustible per determinar la velocitat de rotació i el parell de sortida dels motors elèctrics. Són molt més eficients que els sistemes de control electromecànic i milloren significativament el rendiment de les unitats de velocitat variable, una tecnologia molt menys madura que les unitats de velocitat fixa que s’utilitzen àmpliament a la indústria.
TDI Power, amb seu a Nova Jersey, és un exemple d’un inversor que inverteix en productes electrònics de potència refrigerats per líquids per a vehicles elèctrics i híbrids per a aplicacions civils i militars. L’empresa fabrica convertidors i inversors modulars CC / CC estàndard que superen els estàndards SAE i MIL actuals.
Les accions elèctriques en vehicles militars es beneficiaran d’una àmplia investigació i desenvolupament en accionaments de velocitat variable per a la indústria, alimentat per la possibilitat d’un estalvi d’energia global d’aproximadament un 15-30%, que es pot aconseguir si les màquines d’engranatges fixos se substitueixen per accionaments de velocitat variable per a la majoria dels industrials. usuaris, tal com es va esbossar en un estudi recent de la Universitat de Newcastle encarregat per la Science and Innovation Authority del Regne Unit. "La previsió de millorar l'eficiència potencial de les càrregues de transmissió estalviarà al Regne Unit 15 kWh mil milions d'hores a l'any i, combinada amb una millora de l'eficiència del motor i de la transmissió, estalviarà 24.000 milions de kWh", va dir l'estudi.
Una de les maneres importants de millorar l’eficiència de la transmissió de potència en qualsevol sistema elèctric és augmentar el voltatge, ja que la llei d’Ohm determina que per a qualsevol potència donada, com més alta sigui la tensió, menor serà el corrent. Els petits corrents poden passar a través de cables fins, cosa que permet als sistemes elèctrics compactes i lleugers proporcionar les càrregues necessàries. És per això que les xarxes elèctriques nacionals utilitzen tensions molt altes quan transmeten energia; Les xarxes elèctriques britàniques, per exemple, operen les seves línies de transmissió fins a 400.000 volts.
És poc probable que els sistemes elèctrics dels vehicles militars utilitzin tensions d'aquesta magnitud, però sembla que els dies de 28 volts i sistemes elèctrics similars estan numerats. El 2009, per exemple, Qinetiq va ser seleccionat pel Departament de Defensa britànic per investigar la generació i distribució d'energia elèctrica mitjançant tecnologia de 610 volts. Qinetiq va dirigir un equip que incloïa BAE Systems i l’especialista en màquines elèctriques Provector Ltd, que va convertir el WARRIOR 2000 BMP en un demostrador capaç d’alimentar clients de 610 volts d’alta demanda, així com equips de 28 volts existents. La màquina està equipada amb dos generadors de 610 volts, que proporcionen cadascun el doble de potència que la màquina original, multiplicant efectivament la sortida elèctrica del guerrer.
Energia per a un vehicle que utilitza piles de combustible de SFC
Els soldats del camp necessiten una font d'energia fiable per a les seves màquines. Ha de subministrar corrent a dispositius de bord com ara ràdios, equips de comunicacions, sistemes d’armes i sistemes electrònics òptics. Però quan sigui necessari, també hauria d’actuar com a estació de recàrrega per als soldats assignats.
Sovint no és possible arrencar el motor per carregar les bateries en realitzar la tasca, ja que això pot revelar la ubicació de la unitat. Per tant, els soldats necessiten una manera d’obtenir corrent elèctric, de manera silenciosa, constant i independent.
El sistema EMILY 2200 de SFC es basa en l’èxit de la tecnologia de piles de combustible EFOY. Instal·lada a la màquina, la unitat EMILY garanteix que les bateries es mantinguin carregades constantment. El seu regulador integrat controla constantment el voltatge de les bateries i recarrega automàticament les bateries quan sigui necessari. Funciona en silenci i el seu únic "escape" és el vapor d'aigua i el diòxid de carboni en quantitats comparables a la respiració d'un nen.
Les màquines grans requereixen bateries grans. Aquest paquet de cèl·lules de ions de liti forma part de la tecnologia de propulsió de bus híbrid de BAE Systems.
Són possibles les piles de combustible?
Les cèl·lules de combustible, que utilitzen processos químics per convertir directament el combustible en corrent elèctric amb una gran eficiència, han estat considerades des de fa temps com una tecnologia que es pot utilitzar àmpliament en el camp militar, inclosa la propulsió d’un cotxe i la generació d’electricitat a bord. No obstant això, hi ha importants obstacles tècnics que cal superar. En primer lloc, les cèl·lules de combustible funcionen amb hidrogen i es barregen amb l'oxigen de l'aire per generar corrent elèctric com a subproducte. L’hidrogen no està fàcilment disponible i és difícil d’emmagatzemar i transportar.
Hi ha molts exemples de piles de combustible que alimenten vehicles elèctrics, però tots són experimentals. Al món de l’automoció, FCX CLARITY d’Honda és probablement la disponibilitat més propera a un producte comercial, però fins i tot només està disponible a les zones on hi ha alguna infraestructura d’abastiment d’hidrogen i només sota contractes d’arrendament. Fins i tot els principals fabricants de piles de combustible com Ballard Power reconeixen les limitacions actuals d’aquesta tecnologia per a l’ús en automòbils. L’empresa diu que “la producció massiva de vehicles amb pila de combustible és a llarg termini. Avui en dia, la majoria dels fabricants d’automòbils creuen que la producció en sèrie de vehicles amb pila de combustible no és factible fins al 2020, a causa de la indústria que té problemes de distribució d’hidrogen, que optimitza la durabilitat, la densitat d’energia, la capacitat d’arrencada en calent i el cost de les piles de combustible”.
Tot i això, tots els principals fabricants d’automòbils del món inverteixen molt en R + D de piles de combustible, sovint juntament amb els fabricants de piles de combustible. Ballard, per exemple, forma part de la Automotive Fuel Cell Cooperation, una empresa conjunta entre Ford i Daimler AG. L’exèrcit posa un altre obstacle a l’adopció de piles de combustible en la forma que exigeix que tot funcioni amb combustibles “logístics”. Les piles de combustible poden funcionar amb gasoil o querosè, però primer s’han de modificar per extreure l’hidrogen que necessiten. Aquest procés requereix equips complexos i voluminosos que afecten la mida, el pes, el cost, la complexitat i l'eficiència del sistema general.
Una altra limitació de les cèl·lules de combustible quan actua com a motor principal d'un vehicle militar és el fet que funcionen millor a una potència constant i no poden respondre ràpidament als canvis necessaris. Això significa que s'han de complementar amb bateries i / o supercondensadors i sistemes electrònics de regulació de potència associats per satisfer les càrregues màximes de potència.
En el camp dels “supercondensadors”, l’empresa estoniana Skeleton Industries ha desenvolupat una línia de supercondensadors SkelCap d’última generació que són cinc vegades més potents per litre de volum o més de quatre vegades més potents per quilogram que les bateries militars de primera qualitat.. A la pràctica, això significa un 60% més de potència i quatre vegades la corrent en comparació amb les millors bateries militars. Els "supercondensadors" de SkelCap proporcionen una explosió instantània de potència i s'utilitzen per a una àmplia varietat d'aplicacions, des del control de foc fins als tancs de torretes. Com a part del grup United Armaments International (UAI), SkelCap compleix diverses comandes especialitzades, així com programes ampliats a través del grup UAI amb seu a Tallinn.
Supercondensadors de Skeleton Industries
Tot i això, això no vol dir que les piles de combustible no trobin lloc en vehicles militars híbrids i elèctrics. L’aplicació immediata més prometedora són les unitats d’alimentació auxiliar (APU) en vehicles que realitzen tasques de vigilància silenciosa del tipus ISTAR (recopilació d’informació, designació d’objectius i reconeixement)."En mode de vigilància silenciosa, els motors del vehicle no han de funcionar i les bateries per si soles no poden proporcionar prou energia per a operacions a llarg termini", afirma el Centre de Recerca en Enginyeria de l'Exèrcit dels Estats Units, que lidera el desenvolupament de generadors de piles de combustible d'òxid sòlid i APU que pot utilitzar combustibles militars, dièsel i querosè.
Actualment, aquesta organització se centra en sistemes de fins a 10 kW, amb èmfasi en la integració total dels sistemes de combustible amb les necessitats operatives d’un kit de piles de combustible. Les tasques que s’han d’abordar en el disseny de sistemes pràctics inclouen el control de la vaporització i la contaminació, especialment el control del sofre mitjançant la desulfuració (desulfuració) i l’ús de materials resistents al sofre, així com evitar la formació de dipòsits de carboni al sistema..
Les accions elèctriques híbrides tenen molt a oferir per als vehicles militars, però passarà un temps abans que els beneficis d’aquesta tecnologia siguin tangibles.
