سیستم پیل سوختی EMILY 3000 دارای توان خروجی 125 وات و ظرفیت شارژ روزانه 6 کیلووات ساعت است. می تواند چندین باتری را شارژ کند یا به عنوان مولد میدان عمل کند. این سیستم به طور خاص برای کاربردهای نظامی ایجاد شده است ، از جمله سناریوهای آزمایشی که در آنها داده های مربوط به سیستم های دفاعی جدید باید جمع آوری و در میدان ارزیابی شوند.
در نهایت ، نیروگاه های ترکیبی مزایای قابل مقایسه یا حتی بهتری برای خودروهای زرهی ارائه می دهند. در حالی که بهره وری سوخت ، حداقل از لحاظ تاریخی ، در بالای لیست ویژگی های اجباری وسایل نقلیه زرهی قرار نگرفته است ، با این وجود ، مسافت پیموده شده و / یا مدت زمان را برای یک ظرفیت سوخت معین افزایش می دهد ، بار ، حفاظت یا قدرت آتش را در مجموع افزایش می دهد. وزن و به طور کلی ، بار تدارکات کلی ناوگان را کاهش می دهد
محرک برقی هیبریدی ممکن است نقش مهمی در آینده خودروهای نظامی ایفا کند ، اما لغو و کاهش حجم بسیاری از برنامه های دفاعی (بدون فراموش کردن FCS و FRES معروف) و مبارزه برای برآوردن الزامات فوری برای خودروهای محافظت شده به تعویق افتاده است. اجرای آن بر روی خودروهای نظامی به طور نامحدود.
با این حال ، هنگامی که متقاضیان خودروی رزمی زمینی GCV (Ground Combat Vehicle) آمریکایی در ژانویه 2011 اعلام شد ، در میان آنها پروژه ای از تیم BAE Systems / Northrop Grumman با یک واحد برق برقی ترکیبی با سیستم E-X-DRIVE از Qinetiq بود. این می تواند نوعی قمار تلقی شود زیرا هیچ یک از مدعیان برنامه خودروهای سبک تاکتیکی JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) ، که شامل یک درایو برقی هیبریدی نیز می شد ، به دلیل این واقعیت که بر اساس داده های موجود ، اعتقاد بر این است که فناوری این دستگاه هنوز به اندازه کافی بالغ نشده است. با این وجود ، تاریخچه موتورهای برقی هیبریدی در خودروهای رزمی زمینی دارای تعداد کافی برنامه برای توسعه و نشان دادن این فناوری است. چیزی ناامیدکننده و اجتناب ناپذیر در جستجوی جهانی برای فناوری وجود دارد که نوید صرفه جویی در سوخت ، بهبود عملکرد و قابلیت بقا را می دهد ، در حالی که تقاضای روزافزون برای برق در کشتی را برآورده می کند. این بدون شک با تحولات موازی در صنعت خودرو ، که توسط قوانین زیست محیطی رانده می شود ، پایه گذاری می شود.
تولیدکنندگان و ارائه دهندگان سیستم های خودروهای نظامی سرمایه گذاری زیادی بر روی این فناوری کرده اند ، که اغلب تحت تأثیر برخی از برنامه های بلندپروازانه دولت فوق الذکر قرار گرفته است ، قبل از اینکه با عدم قطعیت خاصی که در برنامه های بلندمدت دولت وجود دارد روبرو شوند. AM General ، BAE Systems ، General Dynamics ، Hagglunds ، MillenWorks و Qinetiq درایوهای برقی هیبریدی را برای برنامه های انگلستان ، ایالات متحده و سوئد توسعه داده اند ، در حالی که Nexter در حال توسعه برنامه توسعه فناوری ARCHYBALD برای وسایل نقلیه سنگین ، غیرنظامی و نظامی است.
سیستم انتقال قدرت برقی E-X-DRIVE برای خودروهای ردیابی شده از QinetiQ ، سیستم سبک وزن ، جمع و جور و کارآمد
پیشینیان ترکیبی
سیستم های پیشران ترکیبی در کشتی های جنگی ، به ویژه در زیردریایی ها ، قطارها و کامیون های سنگین مورد استفاده در معادن معدن و روباز ، کاملاً استقرار یافته است. در این کاربردها ، یک موتور اصلی مانند موتور دیزل ، توربین گازی یا حتی هر دو ، ژنراتوری را هدایت می کند که جریان را برای حرکت موتورها و شارژ باتری ها تامین می کند.برخی از سیستم ها شامل گیربکس برای انتقال قدرت مکانیکی به درایوهای نهایی هستند ، در حالی که برخی دیگر این کار را نمی کنند.
در کشتی های جنگی ، نیروگاه های ترکیبی امکان استفاده از پروفیل های پیچیده و متفاوت سرعت را فراهم می کنند ، در حالی که موتورهای اصلی در محدوده سرعت موثر عمل می کنند: موتورهای الکتریکی برای پیشرانه های بی صدا ، موتورهای دیزلی برای پیشرانه های معمولی ، توربین های گازی برای شتاب و غیره. یک زیردریایی که از روش سنتی استفاده می کند ، نمی تواند پیشرانه اولیه خود را در هنگام غواصی (در صورت نداشتن اسنورکل) به فضا پرتاب کند و در این راستا ، باید عمدتا به باتری ها یا سایر پیشرانه های مستقل از هوا تکیه کرد. ماشینهای غول پیکر خاکی بر گشتاور عظیم صفر در دقیقه تولید شده توسط موتورهای الکتریکی برای رانندگی متکی هستند زیرا گیربکس های دستی که می توانند این نوع کارها را انجام دهند عظیم ، پیچیده و گران خواهند بود. قطارها حتی بیشتر با همین مشکل روبرو می شوند ، زیرا مجبورند چند صد تن را از حالت سکون با خود حمل کنند ، در بسیاری موارد تا سرعت بیش از 150 مایل در ساعت.
یک سیستم محرکه هیبریدی می تواند با استفاده از یک موتور متحرک کوچک کوچکتر و با صرفه بیشتر در مصرف سوخت بدون خراب شدن ، در مصرف سوخت صرفه جویی کند ، زیرا سیستم ، هنگامی که راننده به طور کامل پدال گاز را فشار می دهد ، موتور اصلی را با موتورهای الکتریکی باتری شارژ می کند. درایوهای برقی همچنین می توانند هنگام حرکت با سرعت کم ، میراگر اصلی را مهار کنند ، در حالی که می تواند نسبتاً بی اثر باشد. خودروهای هیبریدی مدرن همچنین می توانند انرژی جنبشی (به عنوان مثال ، از سیستم ترمز احیا کننده) را ذخیره کرده و از آن برای شارژ باتری های خود استفاده کنند. با صرفه جویی بیشتر در بیشتر مواقع در کارآمدترین محدوده سرعت و همچنین استفاده از هرگونه انرژی اضافی برای شارژ باتری ها و / یا تغذیه مصرف کنندگان برقی ، پس اندازهای بیشتری حاصل می شود.
وسایل نقلیه مدرن نظامی برای کار با سیستم های ارتباطی ، تجهیزات فرماندهی و کنترل ، حسگرهای نظارتی و اطلاعاتی مانند نوری و رادارها ، ایستگاه های تسلیحاتی از راه دور و دستگاه های منفجره دست ساز (IED) به نیروی الکتریکی بیشتری نیاز دارند. سیستم های پیشرفته مانند زره برقی مصرف را بیشتر افزایش می دهد. استفاده از تمام توان نصب شده برای اجرای سیستم های الکتریکی حداقل از نظر داشتن یک سیستم برای پیشرانه و دیگری برای تجهیزات تخصصی کارآمدتر است.
تأکید فزاینده ای بر قابلیت نظارت و جمع آوری اطلاعات در ماموریت های ضد شورش است و در نتیجه ، الزامات نظارت بی سر و صدا در تعداد فزاینده ای از برنامه های خودروهای زرهی مطرح می شود. این امر اهمیت مصرف برق را بیشتر می کند و سلول های سوختی را جذاب تر می کند.
سیستم های برقی هیبریدی به دو دسته گسترده تقسیم می شوند: موازی و سری. در سیستم های موازی ، یک موتور احتراق داخلی و یک موتور الکتریکی (یا موتورهای الکتریکی) چرخ ها یا ریل ها را از طریق یک گیربکس ، جداگانه یا با هم می چرخانند. در سیستم های ترکیبی سری ، حرکت دهنده اصلی فقط ژنراتور را هدایت می کند. یک سیستم متوالی ساده تر است ، تمام نیروی محرکه در آن باید از طریق موتورهای الکتریکی عبور کند و بنابراین باید از موتورهای الکتریکی در یک سیستم موازی با الزامات عملکرد یکسانی بزرگتر باشند. سیستم های هر دو نوع توسعه یافته اند.
نوآوری در محرک های هیبرید الکتریکی و فناوری سلول های سوختی را می توان از فناوری تجاری استخراج کرد.به عنوان مثال ، BAE Systems اتوبوس های برقی هیبریدی تولید می کند که از فناوری آنها می توان برای نشان دادن بهره وری انرژی و بهبود ویژگی های اگزوز خودروهای مدرن هیبرید الکتریکی طراحی شده برای شرایط سنگین استفاده کرد.
افزایش قابلیت بقا
سیستمهای ترکیبی همچنین قابلیت بقا را از طریق یک طرح انعطاف پذیرتر و حذف اجزای انتقال که می توانند در صورت منفجر شدن توسط مین یا IED به یک پرتابه جانبی تبدیل شوند ، افزایش می دهند. خودروهای زرهی چرخ دار به ویژه از این امر سود می برند. با ادغام موتورهای محرکه در توپی های چرخ ، همه محورها ، دیفرانسیل ها ، محورهای محرک و گیربکس های مربوط به گیربکس های دستی معمولی حذف شده و با کابل های برق جایگزین می شوند و بنابراین نمی توانند پرتابه های اضافی شوند. از بین بردن همه این مکانیزم ها همچنین باعث می شود که قسمت خدمه در ارتفاع مشخصی از خودرو از سطح زمین بلند شود و مسافران در برابر انفجارهای زیر بدنه آسیب پذیری کمتری داشته باشند. این نوع طراحی در نمایشگر General Dynamics UK AHED 8x8 و نسخه چرخدار دستگاه SEP از BAE Systems / Hagglunds استفاده شد ، نسخه ردیابی شده آن نیز تولید شد (و بعداً با خیال راحت فراموش شد).
موتورهای الکتریکی ادغام شده در چرخ های جداگانه ، قدرت تحویل داده شده به هر چرخ را به طور دقیق کنترل می کند و این ، به گفته GD UK ، تقریبا مزیت پیست ها نسبت به چرخ ها را از نظر زمین خارج از جاده حذف می کند.
خودروی جنگی زمینی امیدوارکننده در مسیرها حرکت می کند و پیشنهاد BAE Systems / Northrop Grumman نشان می دهد که گیربکس برقی E-X-DRIVE Qinetiq سبک تر ، جمع و جورتر و کارآمدتر از گیربکس های سنتی است. این شرکت همچنین می گوید شتاب را در کنار تحمل خطا افزایش می دهد و برای طیف گسترده ای از برنامه های پذیرش ماشین و فناوری قابل تنظیم است.
اگرچه این سیستم شامل چهار موتور آهنربای دائمی است ، اما پیشرانه در E-X-DRIVE کاملاً برقی نیست. بازیابی قدرت هنگام پیچ خوردن و تعویض دنده مکانیکی ، دومی از کلاچ بادامک استفاده می کند. این طرح یک راه حل کم خطر است که فشارهای موتورها ، چرخ دنده ها ، شفت ها و یاطاقان را به حداقل می رساند. استفاده از آرایش شفت عرضی برای بازسازی توان مکانیکی در مکانیسم چرخش جایگزینی برای استفاده از چرخ های محرک مستقل در یک گیربکس کاملاً الکتریکی است.
یکی از نوآوری هایی که در قلب E-X-DRIVE قرار دارد گیربکس مرکزی (معروف به دیفرانسیل تنظیم کننده) است که ترکیبی از گشتاور موتور فرمان ، گشتاور اصلی موتور و مکانیسم بازیابی کنترل مکانیکی است که قبلاً ذکر شد. علاوه بر به حداقل رساندن بارهای پیچشی ، حجم و وزن شفت عرضی خارجی مورد استفاده در محلول های سنتی و دیگر سیستم های برقی هیبریدی برقی را حذف می کند.
پیشرفت در مهندسی برق
موتورهای مغناطیسی دائمی حوزه ای از فناوری هستند که در سالهای اخیر کارایی و چگالی توان سیستم های محرک الکتریکی را در همه کاربردها بسیار افزایش داده است. موتورهای مغناطیسی دائمی برای ایجاد میدان مغناطیسی در اجزای استاتور به جای آهن رباهای الکتریکی (آهنرباهای الکتریکی) به آهنرباهای طبیعی کمیاب قوی متکی هستند. این امر باعث می شود موتورها کارآمدتر شوند ، به ویژه به این دلیل که فقط روتور نیاز به جریان الکتریکی دارد.
الکترونیک قدرت مدرن همچنین یک فناوری کلیدی برای خودروهای برقی هیبریدی در همه نوع است. به عنوان مثال ، کنترل کننده های موتور مبتنی بر IGBT ، جریان برق باتری ، ژنراتور یا سلول های سوختی را برای تعیین سرعت چرخش و گشتاور خروجی از موتورهای الکتریکی کنترل می کنند. آنها بسیار کارآمدتر از سیستم های کنترل الکترومکانیکی هستند و عملکرد درایوهای با سرعت متغیر را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشند - فناوری ای که به مراتب کمتر از درایوهای سرعت ثابت که به طور گسترده در صنعت استفاده می شوند ، بالغ است.
TDI Power مستقر در نیوجرسی نمونه ای از سرمایه گذار است که در زمینه الکترونیک قدرت خنک کننده مایع برای خودروهای برقی و هیبریدی برای مصارف نظامی و نظامی سرمایه گذاری می کند. این شرکت مبدل ها و اینورترهای استاندارد مدولار DC / DC را تولید می کند که از استانداردهای فعلی SAE و MIL فراتر می رود.
درایوهای برقی در خودروهای نظامی از R&D وسیع درایوهای با سرعت متغیر برای صنعت بهره مند می شوند که با چشم انداز صرفه جویی کلی انرژی در حدود 15-30 تأمین می شود ، که در صورت جایگزینی ماشین های دنده ثابت با درایوهای با سرعت متغیر برای اکثر صنایع قابل تحقق است. همانطور که در مطالعه اخیر دانشگاه نیوکاسل به سفارش اداره علوم و نوآوری انگلستان مشخص شد. در این مطالعه آمده است: "پیش بینی می شود بهبود کارایی بالقوه بارهای درایو باعث صرفه جویی 15 کیلووات ساعت بریتانیا در سال در انگلستان شود و در صورت ترکیب با بهبود کارایی موتور و رانندگی ، مجموع صرفه جویی 24 میلیارد کیلووات ساعت".
یکی از راههای مهم برای بهبود کارایی انتقال نیرو در هر سیستم الکتریکی ، افزایش ولتاژ است ، زیرا قانون اهم حکم می کند که برای هر توان معین ، هرچه ولتاژ بیشتر باشد ، جریان کمتر است. جریانهای کوچک می توانند از سیم های نازک عبور کنند و به سیستم های الکتریکی جمع و جور و سبک اجازه می دهد تا بارهای مورد نیاز را تأمین کنند. به همین دلیل است که شبکه های برق ملی هنگام انتقال نیرو از ولتاژهای بسیار بالا استفاده می کنند. به عنوان مثال ، شبکه های برق بریتانیا خطوط انتقال خود را تا 400000 ولت کار می کنند.
بعید است که سیستم های الکتریکی خودروهای نظامی از ولتاژهایی به این بزرگی استفاده کنند ، اما به نظر می رسد روزهای 28 ولت و سیستم های الکتریکی مشابه شماره گذاری شده است. به عنوان مثال ، در سال 2009 ، Qinetiq توسط وزارت دفاع بریتانیا برای تحقیق در مورد تولید و توزیع نیروی الکتریکی با استفاده از فناوری 610 ولت انتخاب شد. Qinetiq رهبری تیمی را بر عهده داشت که شامل BAE Systems و متخصص ماشین های الکتریکی Provector Ltd بود ، که WARRIOR 2000 BMP را به یک تظاهرات کننده قادر به تغذیه 610 ولت مشتریان با تقاضای زیاد و تجهیزات موجود 28 ولت تبدیل کرد. این دستگاه مجهز به دو ژنراتور 610 ولت است که هرکدام دو برابر قدرت دستگاه اصلی را تامین می کند و به طور م.ثر خروجی الکتریکی جنگجو را چهار برابر می کند.
انرژی برای وسیله نقلیه با استفاده از پیل های سوختی SFC
سربازان میدانی به منبع قابل اعتماد انرژی برای ماشین های خود نیاز دارند. این دستگاه باید به دستگاه های روی برد مانند رادیو ، تجهیزات ارتباطی ، سیستم های تسلیحاتی و سیستم های الکترونیکی نوری جریان دهد. اما در صورت لزوم ، باید به عنوان ایستگاه شارژ سربازان وظیفه عمل کند.
غالباً نمی توان موتور را هنگام شارژ باتری ها هنگام انجام کار شروع کرد ، زیرا این امر می تواند محل واحد را نشان دهد. بنابراین ، سربازان به راهی برای دریافت جریان برق - بی سر و صدا ، دائما و به طور مستقل نیاز دارند.
سیستم SFC EMILY 2200 بر اساس فناوری موفق پیل سوختی EFOY ساخته شده است. واحد EMILY که روی دستگاه نصب شده است اطمینان می دهد که باتری ها دائماً شارژ می شوند. تنظیم کننده داخلی آن به طور مداوم ولتاژ باتری ها را کنترل می کند و در صورت نیاز باتری ها را به طور خودکار شارژ می کند. این دستگاه بی صدا کار می کند و تنها "اگزوز" آن بخار آب و دی اکسید کربن در مقادیری قابل مقایسه با تنفس کودک است.
ماشین های بزرگ به باتری های بزرگ نیاز دارند. این بسته سلول لیتیوم یونی بخشی از فناوری پیشرانه باس ترکیبی BAE Systems است.
آیا پیل های سوختی امکان پذیر است؟
پیل های سوختی که از فرایندهای شیمیایی برای تبدیل مستقیم سوخت به جریان الکتریکی با بازدهی بالا استفاده می کنند ، مدتهاست که به عنوان فناوری قابل استفاده در زمینه نظامی از جمله رانندگی خودرو و تولید برق در کشتی مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال ، موانع فنی مهمی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. ابتدا سلولهای سوختی با هیدروژن کار می کنند و آن را با اکسیژن هوا مخلوط می کنند تا جریان الکتریکی را به عنوان یک محصول جانبی تولید کنند. هیدروژن به آسانی در دسترس نیست و ذخیره و حمل آن دشوار است.
نمونه های زیادی از پیل های سوختی که خودروهای برقی را تغذیه می کنند وجود دارد ، اما همه آنها آزمایشی هستند. در دنیای خودرو ، FCX CLARITY هوندا احتمالاً نزدیکترین محصول موجود به یک محصول تجاری است ، اما حتی در این صورت تنها در مناطقی که زیرساختهای سوختگیری هیدروژن وجود دارد و فقط تحت قرارداد اجاره در دسترس است. حتی تولیدکنندگان برجسته پیل سوختی مانند Ballard Power محدودیت های فعلی این فناوری را برای استفاده در خودروها تشخیص می دهند. این شرکت می گوید: تولید انبوه خودروهای پیل سوختی در بلند مدت است. امروزه اکثر خودروسازان معتقدند تولید سری خودروهای پیل سوختی تا سال 2020 غیرممکن است ، زیرا صنعت با مسائل مربوط به توزیع هیدروژن ، بهینه سازی دوام ، چگالی انرژی ، قابلیت راه اندازی گرم و هزینه پیل سوختی روبروست.
با این حال ، همه خودروسازان بزرگ جهان سرمایه گذاری زیادی در تحقیق و توسعه پیل های سوختی انجام می دهند ، اغلب در همکاری با تولیدکنندگان پیل سوختی. به عنوان مثال ، بالارد بخشی از همکاری خودروسازی سوخت سوخت است ، یک سرمایه گذاری مشترک بین فورد و دایملر AG. ارتش مانع دیگری را برای پذیرش پیل های سوختی در قالب الزام خود که همه چیز باید از سوختهای "لجستیک" کار کند ، قرار داده است. سلولهای سوختی می توانند با گازوئیل یا نفت سفید کار کنند ، اما ابتدا باید آنها را تغییر دهید تا هیدروژن مورد نیاز آنها استخراج شود. این فرایند به تجهیزات پیچیده و حجیم نیاز دارد که بر اندازه ، وزن ، هزینه ، پیچیدگی و کارایی کل سیستم تأثیر می گذارد.
یکی دیگر از محدودیت های پیل های سوختی هنگام کارکردن به عنوان حرکت دهنده اصلی یک وسیله نقلیه این واقعیت است که آنها در تنظیمات قدرت ثابت بهترین عملکرد را دارند و نمی توانند به سرعت به تغییرات مورد نیاز پاسخ دهند. این بدان معناست که آنها باید با باتری و / یا ابرخازنها و وسایل الکترونیکی تنظیم قدرت مرتبط برای برآوردن بارهای حداکثر توان تکمیل شوند.
در زمینه "خازنهای فوق العاده" ، شرکت استونی Skeleton Industries خطی از فوق خازنهای SkelCap را توسعه داده است که پنج برابر در هر لیتر حجم یا بیش از چهار برابر در کیلوگرم قوی تر از باتریهای نظامی درجه یک هستند. به در عمل ، این به معنای 60 درصد قدرت بیشتر و چهار برابر جریان در مقایسه با بهترین باتری های نظامی است. "خازنهای فوق العاده" SkelCap قدرت فوری را ارائه می دهند و برای طیف گسترده ای از برنامه ها ، از کنترل آتش گرفته تا مخازن برجک استفاده می شوند. SkelCap به عنوان بخشی از گروه بین المللی سلاح های بین المللی (UAI) ، سفارشات تخصصی مختلف و همچنین برنامه های توسعه یافته را از طریق گروه UAI مستقر در تالین انجام می دهد.
ابرخازنهای صنایع اسکلت
با این حال ، این بدان معنا نیست که پیل های سوختی در خودروهای نظامی هیبریدی و برقی جایی پیدا نمی کنند. امیدوارکننده ترین کاربرد فوری واحدهای قدرت کمکی (APU) در خودروهایی است که وظایف نظارتی بی صدا از نوع ISTAR (جمع آوری اطلاعات ، تعیین هدف و شناسایی) را انجام می دهند.مرکز تحقیقات مهندسی ارتش ایالات متحده ، که در حال توسعه تولید ژنراتورهای پیل سوختی اکسید جامد و APU ها است ، می گوید: "در حالت نظارت بی صدا ، موتورهای خودرو نیازی به کار ندارند و باتری ها به تنهایی نمی توانند قدرت کافی را برای عملیات طولانی مدت تامین کنند." می تواند در سوخت های نظامی ، سوخت دیزل و نفت سفید فعالیت کند.
این سازمان در حال حاضر بر سیستم های حداکثر 10 کیلو وات با تأکید بر ادغام کامل سیستم های سوخت با نیازهای عملیاتی کیت پیل سوختی تمرکز دارد. وظایفی که باید در طراحی سیستم های عملی مورد توجه قرار گیرد شامل کنترل تبخیر و آلودگی ، به ویژه کنترل گوگرد از طریق گوگردزدایی (گوگرد زدایی) و استفاده از مواد مقاوم در برابر گوگرد و همچنین جلوگیری از تشکیل رسوبات کربن در سیستم است. به
درایوهای برقی هیبریدی چیزهای زیادی برای خودروهای نظامی ارائه می دهند ، اما مدتی طول می کشد تا مزایای این فناوری ملموس شود.
