Hệ thống pin nhiên liệu EMILY 3000 có công suất đầu ra danh định là 125 W và công suất sạc hàng ngày là 6 kWh. Nó có thể sạc lại nhiều pin hoặc hoạt động như một máy phát điện trường. Hệ thống này được tạo ra đặc biệt cho các ứng dụng quân sự, bao gồm các kịch bản thử nghiệm trong đó dữ liệu về các hệ thống phòng thủ mới cần được thu thập và đánh giá trên thực địa.
Cuối cùng, các nhà máy điện hybrid mang lại lợi ích tương đương hoặc thậm chí tốt hơn cho xe bọc thép. Mặc dù hiệu suất nhiên liệu, ít nhất là về mặt lịch sử, không đứng đầu danh sách các đặc tính bắt buộc của xe bọc thép, tuy nhiên, nó làm tăng quãng đường và / hoặc thời gian cho một dung tích nhiên liệu nhất định, tăng trọng tải, khả năng bảo vệ hoặc hỏa lực cho một tổng số nhất định trọng lượng và nói chung, giảm gánh nặng hậu cần tổng thể cho đội tàu
Hệ dẫn động điện hybrid có thể đóng một vai trò quan trọng trong tương lai của các phương tiện quân sự, nhưng việc hủy bỏ và giảm khối lượng tương ứng của nhiều chương trình quốc phòng (không quên FCS và FRES nổi tiếng) và cuộc đấu tranh để đáp ứng các yêu cầu khẩn cấp đối với các phương tiện được bảo vệ đã hoãn lại. việc triển khai nó trên các phương tiện quân sự vô thời hạn.
Tuy nhiên, khi các ứng viên đăng ký phương tiện chiến đấu mặt đất GCV (Ground Combat Vehicle) của Mỹ được công bố vào tháng 1 năm 2011, trong số đó có một dự án của nhóm BAE Systems / Northrop Grumman với một đơn vị năng lượng điện lai với hệ thống E-X-DRIVE của Qinetiq. Đây có thể được coi là một kiểu đánh bạc vì không có ứng cử viên nào cho chương trình xe chiến thuật hạng nhẹ JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), cũng bao gồm hệ dẫn động điện hybrid, không đủ điều kiện tham dự trận chung kết do thực tế là, theo dữ liệu sẵn có, người ta tin rằng công nghệ cho chiếc máy này vẫn chưa đủ trưởng thành vào thời điểm này. Tuy nhiên, lịch sử của hệ thống truyền động điện lai trong các phương tiện chiến đấu trên mặt đất đã có đủ các chương trình để phát triển và trình diễn công nghệ này. Có điều gì đó không thể tha thứ và không thể tránh khỏi trong nhiệm vụ toàn cầu về công nghệ hứa hẹn tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện hiệu suất và khả năng tồn tại, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về điện trên tàu. Điều này chắc chắn được củng cố bởi sự phát triển song song trong ngành công nghiệp ô tô, được thúc đẩy bởi luật môi trường.
Các nhà sản xuất và cung cấp hệ thống xe quân sự đã đầu tư rất nhiều vào công nghệ này, thường được thúc đẩy bởi một số chương trình của chính phủ đầy tham vọng nói trên, trước khi đối mặt với sự không chắc chắn vốn có trong các kế hoạch dài hạn của chính phủ. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks và Qinetiq đã phát triển hệ thống truyền động điện hybrid cho các chương trình của Anh, Mỹ và Thụy Điển, trong khi Nexter đang thực hiện chương trình phát triển công nghệ ARCHYBALD cho xe hạng nặng, dân sự và quân sự.
Hệ thống truyền động điện E-X-DRIVE cho xe bánh xích QinetiQ, hệ thống nhẹ, nhỏ gọn và hiệu quả
Người tiền nhiệm lai
Hệ thống động cơ hybrid đã trở nên vững chắc trên tàu chiến, đặc biệt là trên tàu ngầm, tàu hỏa và xe tải hạng nặng được sử dụng trong các mỏ khai thác đá và mỏ lộ thiên. Trong các ứng dụng này, một động cơ chính, chẳng hạn như động cơ diesel, tuabin khí hoặc thậm chí cả hai, điều khiển máy phát điện cung cấp dòng điện để truyền động cơ và sạc pin. Một số hệ thống bao gồm một hộp số để truyền sức mạnh cơ học đến các ổ đĩa cuối cùng, trong khi những hệ thống khác thì không.
Trên tàu chiến, các nhà máy điện hỗn hợp cho phép sử dụng các cấu hình tốc độ phức tạp và thay đổi rộng rãi, trong khi các động cơ chính được vận hành trong phạm vi tốc độ hiệu quả: động cơ điện để đẩy không ồn, động cơ diesel cho động cơ đẩy bình thường, tuabin khí để tăng tốc, v.v. Tàu ngầm, được cung cấp năng lượng theo phương pháp truyền thống, không thể khởi động thiết bị đẩy chính của nó trong khi lặn (nếu nó không có ống thở) và về mặt này, người ta phải dựa chủ yếu vào pin hoặc các hệ thống đẩy không phụ thuộc vào không khí khác. Những cỗ máy làm đất khổng lồ dựa vào mô-men xoắn cực lớn bằng 0 vòng / phút do động cơ điện tạo ra để truyền động vì hộp số tay có thể thực hiện loại công việc này sẽ rất lớn, phức tạp và đắt tiền. Các đoàn tàu thậm chí còn phải đối mặt với vấn đề tương tự, vì chúng phải vận chuyển vài trăm tấn từ trạng thái dừng, trong nhiều trường hợp có thể đạt tốc độ vượt quá 150 dặm / giờ.
Hệ thống động cơ hybrid có thể tiết kiệm nhiên liệu bằng cách cho phép sử dụng động cơ chính nhỏ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn mà không bị xuống cấp, bởi vì hệ thống này, khi người lái nhấn hết bàn đạp ga, sẽ bổ sung cho động cơ chính bằng động cơ điện chạy bằng pin. Hệ thống truyền động điện cũng cho phép giảm xóc động cơ chính khi lái xe ở tốc độ thấp, khi nó có thể tương đối kém hiệu quả. Những chiếc xe hybrid hiện đại cũng có thể tích trữ động năng (ví dụ, từ hệ thống phanh tái tạo) và sử dụng nó để sạc pin. Bạn có thể tiết kiệm thêm bằng cách vận hành động cơ chính hầu hết thời gian ở dải tốc độ hiệu quả nhất của nó, cũng như sử dụng bất kỳ năng lượng bổ sung nào để sạc pin và / hoặc cấp nguồn cho các thiết bị tiêu thụ điện trên bo mạch.
Các phương tiện quân sự hiện đại ngày càng đòi hỏi nhiều năng lượng điện hơn để vận hành các hệ thống thông tin liên lạc, thiết bị chỉ huy và điều khiển, các cảm biến giám sát và tình báo như quang điện tử và radar, các trạm vũ khí được điều khiển từ xa và thiết bị gây nhiễu ứng biến (IED). Các hệ thống tiên tiến như áo giáp điện sẽ làm tăng lượng tiêu thụ hơn nữa. Về lý thuyết, sử dụng tất cả nguồn điện được lắp đặt để chạy các hệ thống điện, ít nhất là hiệu quả hơn so với việc có một hệ thống cho động cơ và một hệ thống khác cho thiết bị chuyên dụng.
Ngày càng chú trọng đến khả năng giám sát và thu thập thông tin tình báo trong các nhiệm vụ chống nổi dậy, và do đó, các yêu cầu giám sát im lặng đang được đưa ra trong một số chương trình xe bọc thép ngày càng tăng. Điều này càng làm tăng tầm quan trọng của việc tiêu thụ năng lượng điện và làm cho pin nhiên liệu trở nên hấp dẫn hơn.
Hệ thống truyền động điện lai được chia thành hai loại lớn: song song và nối tiếp. Trong các hệ thống song song, động cơ đốt trong và động cơ điện (hoặc động cơ điện) quay các bánh xe hoặc đường ray thông qua hộp số, riêng rẽ hoặc cùng nhau. Trong các hệ thống hybrid nối tiếp, động cơ chính chỉ dẫn động máy phát điện. Hệ thống tuần tự thì đơn giản hơn, tất cả công suất truyền động trong nó phải đi qua các động cơ điện và do đó chúng phải lớn hơn các động cơ điện trong hệ thống song song có cùng yêu cầu về hiệu suất máy. Hệ thống của cả hai loại đã được phát triển.
Những đổi mới trong công nghệ truyền động hybrid-điện và pin nhiên liệu có thể được rút ra từ công nghệ thương mại. Ví dụ, BAE Systems sản xuất xe buýt hybrid-điện, công nghệ mà từ đó có thể được sử dụng để chứng minh hiệu quả năng lượng và cải thiện đặc tính khí thải của các loại xe hybrid-điện hiện đại được thiết kế cho các điều kiện nặng.
Tăng khả năng sống sót
Hệ thống hybrid cũng tăng khả năng sống sót thông qua cách bố trí linh hoạt hơn và loại bỏ các bộ phận truyền động có thể trở thành đạn phụ khi kích nổ bằng mìn hoặc IED. Xe bọc thép bánh lốp đặc biệt được hưởng lợi từ điều này. Bằng cách tích hợp động cơ truyền động vào trung tâm bánh xe, tất cả trục các đăng, bộ vi sai, trục truyền động và hộp số liên quan đến hộp số tay truyền thống đều bị loại bỏ và thay thế bằng cáp điện và do đó không thể trở thành đạn bổ sung. Việc loại bỏ tất cả các cơ chế này cũng cho phép khoang phi hành đoàn được nâng lên trên mặt đất ở một độ cao nhất định của phương tiện, giúp hành khách ít bị ảnh hưởng bởi các vụ nổ dưới thân tàu hơn. Kiểu thiết kế này đã được sử dụng trong trình diễn AHED 8x8 của General Dynamics UK và phiên bản có bánh xe của cỗ máy SEP của BAE Systems / Hagglunds, phiên bản có bánh xích cũng đã được sản xuất (và sau đó bị lãng quên một cách an toàn).
Các động cơ điện được tích hợp vào các bánh xe riêng biệt kiểm soát sức mạnh truyền đến từng bánh xe rất chính xác và điều này, theo GD UK, gần như loại bỏ lợi thế của các bánh xe so với các bánh xe trong điều kiện địa hình off-road.
Phương tiện chiến đấu mặt đất hứa hẹn sẽ di chuyển trên đường ray và đề xuất của BAE Systems / Northrop Grumman chỉ ra rằng hộp số điện E-X-DRIVE của Qinetiq sẽ nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn và hiệu quả hơn so với hộp số truyền thống. Nó cũng cho phép cải thiện khả năng tăng tốc cùng với khả năng chịu lỗi và có thể cấu hình cho một loạt các chương trình áp dụng máy móc và công nghệ, công ty cho biết.
Mặc dù hệ thống bao gồm bốn động cơ nam châm vĩnh cửu, hệ thống truyền động trong E-X-DRIVE không hoàn toàn chạy bằng điện; phục hồi lực khi vào cua và chuyển số cơ học, sau này sử dụng ly hợp cam. Thiết kế này là một giải pháp rủi ro thấp giúp giảm thiểu ứng suất lên động cơ, bánh răng, trục và ổ trục. Việc sử dụng bố trí trục ngang để tái tạo cơ năng trong cơ cấu quay vòng là một giải pháp thay thế cho việc sử dụng các bánh xe dẫn động độc lập trong một hệ truyền động hoàn toàn bằng điện.
Một trong những cải tiến trọng tâm của E-X-DRIVE là hộp số trung tâm (được gọi là bộ vi sai điều chỉnh), kết hợp mô-men xoắn của động cơ lái, mô-men xoắn của động cơ chính và cơ chế hồi phục điều khiển cơ học đã đề cập trước đó. Ngoài việc giảm thiểu tải trọng xoắn, nó còn loại bỏ khối lượng và trọng lượng của trục chữ thập bên ngoài được sử dụng trong các giải pháp truyền thống và các hệ thống truyền động điện lai khác.
Những tiến bộ trong kỹ thuật điện
Động cơ nam châm vĩnh cửu là một lĩnh vực công nghệ đã cải thiện đáng kể hiệu suất và mật độ công suất của hệ thống truyền động điện trong tất cả các ứng dụng trong những năm gần đây. Động cơ nam châm vĩnh cửu dựa vào các nam châm đất hiếm mạnh xuất hiện tự nhiên để tạo ra từ trường trong các thành phần của stato, chứ không phải trên các cuộn dây mang dòng điện (nam châm điện). Điều này làm cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn, đặc biệt là do chỉ cần cung cấp dòng điện cho rôto.
Điện tử công suất hiện đại cũng là một công nghệ then chốt cho các loại xe điện hybrid. Ví dụ, bộ điều khiển động cơ dựa trên IGBT điều khiển dòng điện từ pin, máy phát điện hoặc tế bào nhiên liệu để xác định tốc độ quay và mô-men xoắn đầu ra từ động cơ điện. Chúng hiệu quả hơn nhiều so với các hệ thống điều khiển cơ điện và cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ truyền động tốc độ thay đổi - một công nghệ chưa trưởng thành hơn nhiều so với bộ truyền động tốc độ cố định đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
TDI Power có trụ sở tại New Jersey là một ví dụ về một nhà đầu tư đầu tư vào thiết bị điện tử công suất làm mát bằng chất lỏng cho xe điện và xe hybrid cho các ứng dụng dân dụng và quân sự. Công ty sản xuất các bộ chuyển đổi và biến tần DC / DC mô-đun tiêu chuẩn vượt quá các tiêu chuẩn SAE và MIL hiện hành.
Hệ thống truyền động điện trong xe quân sự sẽ được hưởng lợi từ quá trình nghiên cứu và phát triển rộng rãi về bộ truyền động tốc độ thay đổi cho ngành công nghiệp, được thúc đẩy bởi triển vọng tiết kiệm năng lượng tổng thể khoảng 15-30%, có thể thành hiện thực nếu các máy bánh răng cố định được thay thế bằng bộ truyền động tốc độ thay đổi cho hầu hết các ngành công nghiệp người dùng, như được nêu trong một nghiên cứu gần đây của Đại học Newcastle do Cơ quan Khoa học và Đổi mới Vương quốc Anh ủy quyền. Nghiên cứu cho biết: “Cải thiện hiệu suất tiềm năng của tải truyền động dự kiến sẽ tiết kiệm cho Vương quốc Anh 15 tỷ kWh mỗi năm, và khi kết hợp với cải thiện hiệu suất của động cơ và truyền động, tổng tiết kiệm được là 24 tỷ kWh.
Một trong những cách quan trọng để nâng cao hiệu suất truyền tải điện trong bất kỳ hệ thống điện nào là tăng điện áp, vì định luật Ohm quy định rằng đối với bất kỳ công suất nào, điện áp càng cao thì dòng điện càng giảm. Các dòng điện nhỏ có thể đi qua các dây dẫn mỏng, cho phép các hệ thống điện nhỏ gọn, nhẹ cung cấp các tải cần thiết. Đây là lý do tại sao lưới điện quốc gia sử dụng điện áp rất cao khi truyền tải điện năng; Ví dụ, các lưới điện của Anh vận hành đường dây tải điện của họ lên đến 400.000 vôn.
Không chắc hệ thống điện của các phương tiện quân sự sẽ sử dụng điện áp có cường độ này, nhưng ngày 28 vôn và các hệ thống điện tương tự dường như đã được đánh số. Ví dụ, vào năm 2009, Qinetiq đã được Bộ Quốc phòng Anh lựa chọn để nghiên cứu sản xuất và phân phối năng lượng điện sử dụng công nghệ 610 volt. Qinetiq đã dẫn đầu một nhóm bao gồm BAE Systems và chuyên gia máy điện Provector Ltd, đã chuyển đổi WARRIOR 2000 BMP thành một thiết bị trình diễn có khả năng cung cấp năng lượng cho khách hàng có nhu cầu cao 610 volt cũng như thiết bị 28 volt hiện có. Máy được trang bị hai máy phát điện 610 vôn, mỗi máy cung cấp năng lượng gấp đôi so với máy ban đầu, tăng gấp bốn lần sản lượng điện của Warrior.
Năng lượng cho xe sử dụng pin nhiên liệu từ SFC
Những người lính trên chiến trường cần một nguồn năng lượng đáng tin cậy cho máy móc của họ. Nó phải cung cấp dòng điện cho các thiết bị trên tàu như radio, thiết bị thông tin liên lạc, hệ thống vũ khí và hệ thống điện tử quang học. Nhưng khi cần, nó cũng nên đóng vai trò như một trạm thu phí cho binh lính được giao nhiệm vụ.
Thường thì không thể khởi động động cơ để sạc pin khi thực hiện nhiệm vụ, do điều này có thể làm lộ vị trí của thiết bị. Vì vậy, những người lính cần một cách để có được dòng điện - một cách lặng lẽ, liên tục và độc lập.
Hệ thống EMILY 2200 của SFC dựa trên công nghệ pin nhiên liệu EFOY thành công. Được lắp đặt trên máy, bộ EMILY đảm bảo rằng pin vẫn được sạc liên tục. Bộ điều chỉnh tích hợp của nó liên tục theo dõi điện áp trong pin và tự động sạc pin khi cần thiết. Nó hoạt động âm thầm và "khí thải" duy nhất của nó là hơi nước và carbon dioxide với số lượng tương đương với hơi thở của một đứa trẻ.
Máy lớn yêu cầu pin lớn. Gói pin lithium-ion này là một phần của công nghệ động cơ đẩy xe buýt lai của BAE Systems.
Pin nhiên liệu có được không?
Pin nhiên liệu, sử dụng các quá trình hóa học để chuyển đổi trực tiếp nhiên liệu thành dòng điện với hiệu suất lớn, từ lâu đã được xem như một công nghệ có thể được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự, bao gồm đẩy xe hơi và tạo ra điện trên tàu. Tuy nhiên, có những rào cản kỹ thuật đáng kể cần được khắc phục. Đầu tiên, pin nhiên liệu chạy bằng hydro và trộn nó với oxy từ không khí để tạo ra dòng điện như một sản phẩm phụ. Hydro không có sẵn và khó bảo quản và vận chuyển.
Có rất nhiều ví dụ về pin nhiên liệu cung cấp năng lượng cho xe điện, nhưng chúng đều là thử nghiệm. Trong thế giới ô tô, FCX CLARITY của Honda có lẽ là sản phẩm có sẵn gần nhất với một sản phẩm thương mại, nhưng thậm chí sau đó nó chỉ có sẵn ở những khu vực có một số cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro và chỉ theo hợp đồng cho thuê. Ngay cả các nhà sản xuất pin nhiên liệu hàng đầu như Ballard Power cũng nhận ra những hạn chế hiện tại của công nghệ này trong việc sử dụng cho ô tô. Công ty nói rằng “việc sản xuất hàng loạt xe chạy bằng pin nhiên liệu là trong dài hạn. Ngày nay, hầu hết các nhà sản xuất ô tô đều tin rằng việc sản xuất hàng loạt xe chạy bằng pin nhiên liệu là không khả thi cho đến khoảng năm 2020, do ngành công nghiệp phải đối mặt với các vấn đề về phân phối hydro, tối ưu hóa độ bền, mật độ năng lượng, khả năng khởi động nóng và chi phí pin nhiên liệu”.
Tuy nhiên, tất cả các nhà sản xuất ô tô lớn trên thế giới đang đầu tư rất nhiều vào R&D về pin nhiên liệu, thường là sự kết hợp với các nhà sản xuất pin nhiên liệu. Ballard, chẳng hạn, là một phần của Hợp tác Tế bào Nhiên liệu Ô tô, một liên doanh giữa Ford và Daimler AG. Quân đội đang đặt ra một trở ngại khác đối với việc áp dụng pin nhiên liệu dưới dạng yêu cầu của họ rằng mọi thứ phải chạy bằng nhiên liệu "hậu cần". Pin nhiên liệu có thể chạy bằng dầu diesel hoặc dầu hỏa, nhưng trước tiên chúng phải được sửa đổi để chiết xuất hydro mà chúng cần. Quá trình này đòi hỏi thiết bị phức tạp và cồng kềnh, ảnh hưởng đến kích thước, trọng lượng, chi phí, độ phức tạp và hiệu quả của hệ thống tổng thể.
Một hạn chế khác của pin nhiên liệu khi hoạt động như động cơ chính của xe quân sự là chúng hoạt động tốt nhất ở cài đặt công suất không đổi và không thể phản ứng nhanh với những thay đổi cần thiết. Điều này có nghĩa là chúng phải được bổ sung pin và / hoặc siêu tụ điện và thiết bị điện tử điều chỉnh công suất liên quan để đáp ứng tải công suất cao nhất.
Trong lĩnh vực “siêu tụ điện”, công ty Skeleton Industries của Estonia đã phát triển một dòng siêu tụ điện SkelCap hiện đại có công suất mạnh gấp 5 lần mỗi lít thể tích hoặc mạnh hơn 4 lần trên mỗi kg so với pin quân sự cao cấp.. Trên thực tế, điều này có nghĩa là tăng thêm 60% năng lượng và gấp 4 lần dòng điện so với các loại pin quân sự tốt nhất. Các "siêu tụ điện" của SkelCap cung cấp năng lượng bùng nổ tức thì và được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ điều khiển hỏa lực đến xe tăng tháp pháo. Là một phần của nhóm United Armaments International (UAI), SkelCap thực hiện các đơn đặt hàng chuyên biệt khác nhau cũng như các chương trình mở rộng thông qua nhóm UAI có trụ sở tại Tallinn.
Siêu tụ điện từ Skeleton Industries
Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là pin nhiên liệu sẽ không tìm được chỗ đứng trong các loại xe quân sự hybrid và xe điện. Ứng dụng trước mắt hứa hẹn nhất là các đơn vị năng lượng phụ (APU) trên các phương tiện thực hiện nhiệm vụ giám sát im lặng kiểu ISTAR (thu thập thông tin, chỉ định mục tiêu và trinh sát)."Ở chế độ giám sát im lặng, động cơ xe không cần phải chạy và chỉ riêng pin không thể cung cấp đủ năng lượng cho các hoạt động lâu dài", Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Quân đội Hoa Kỳ, nơi đang dẫn đầu việc phát triển các máy phát pin nhiên liệu oxit rắn và APU cho biết. có thể hoạt động trên nhiên liệu quân sự, nhiên liệu diesel và dầu hỏa.
Tổ chức này hiện đang tập trung vào các hệ thống lên đến 10 kW với trọng tâm là tích hợp đầy đủ các hệ thống nhiên liệu với nhu cầu vận hành của một bộ pin nhiên liệu. Các nhiệm vụ cần được giải quyết trong quá trình thiết kế các hệ thống thực tế bao gồm kiểm soát quá trình hóa hơi và ô nhiễm, đặc biệt là kiểm soát lưu huỳnh thông qua khử lưu huỳnh (khử lưu huỳnh) và sử dụng các vật liệu kháng lưu huỳnh, cũng như tránh hình thành cặn cacbon trong hệ thống.
Hệ thống truyền động điện hybrid có rất nhiều thứ để cung cấp cho các phương tiện quân sự, nhưng sẽ phải mất một thời gian trước khi những lợi ích của công nghệ này trở nên hữu hình.
