מערכת תא הדלק EMILY 3000 בעלת הספק פלט מדורג של 125 וואט וקיבולת טעינה יומית של 6 קילוואט. הוא יכול להטעין מספר סוללות או לשמש מחולל שדות. המערכת נוצרה במיוחד ליישומים צבאיים, כולל תרחישי בדיקה בהם יש לאסוף ולהעריך נתונים על מערכות הגנה חדשות בשטח.
בסופו של דבר, תחנות כוח היברידיות מציעות יתרונות דומים או אפילו טובים יותר לרכבים משוריינים. למרות שיעילות הדלק, לפחות מבחינה היסטורית, לא הייתה בראש רשימת מאפייני החובה של כלי רכב משוריינים, עם זאת, היא אכן מגדילה את הקילומטראז 'ו / או את משך הזמן עבור קיבולת הדלק הנתונה, מגדילה את המטען, ההגנה או את כוח האש עבור סך נתון. משקל ובאופן כללי להפחית את הנטל הלוגיסטי הכולל על הצי
הכונן החשמלי ההיברידי עשוי למלא תפקיד חשוב בעתיד כלי הרכב הצבאיים, אך הביטול וההפחתה של כמות תוכניות ההגנה הרבות (בלי לשכוח את ה- FCS וה- FRES המפורסמים) והמאבק לעמוד בדרישות דחופות לרכבים מוגנים דחו. יישומה על כלי רכב צבאיים ללא הגבלת זמן.
אולם כאשר פורסמו מועמדים לרכב הקרב היבשתי האמריקאי GCV (קרקע קרקע) בינואר 2011, ביניהם היה פרויקט של צוות BAE מערכות / נורת'רופ גראמן עם יחידת כוח חשמלית היברידית עם מערכת E-X-DRIVE מבית Qinetiq. ניתן לראות בכך מעין הימור מכיוון שאף אחד מהמתמודדים לתוכנית כלי הרכב הטקטי הקליל של JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), שכלל גם כונן חשמלי היברידי, לא העפיל לגמר בשל העובדה שלפי הנתונים הזמינים, הוא האמין כי הטכנולוגיה של מכונה זו עדיין לא בשלה מספיק בנקודת זמן זו. אף על פי כן, להיסטוריה של כוננים חשמליים היברידיים בכלי לחימה קרקעיים יש מספיק תוכניות לפיתוח והדגמה של טכנולוגיה זו. יש משהו בלתי נסלח ובלתי נמנע בחיפוש הטכנולוגי העולמי המבטיח לחסוך בדלק, לשפר את הביצועים ולהישרדות, תוך מענה לדרישה הגוברת לחשמל המשולב. הדבר מבוסס ללא ספק על התפתחויות מקבילות בתעשיית הרכב, המונעות על ידי חקיקה סביבתית.
יצרני כלי רכב צבאיים וספקי מערכות השקיעו רבות בטכנולוגיה זו, שלעתים קרובות נדחפו על ידי כמה מתוכניות הממשלה השאפתניות הנ"ל, לפני שהתמודדו עם אי הוודאות המיוחדת הטמונה בתוכניות ממשלתיות ארוכות טווח. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks ו- Qinetiq פיתחו כוננים חשמליים היברידיים לתוכניות בריטניה, ארה"ב ושבדיה, בעוד שקסטר עובדת על תוכנית הפיתוח הטכנולוגי של ARCHYBALD לרכבים כבדים, אזרחיים וצבאיים.
תיבת הילוכים חשמלית E-X-DRIVE לרכבי מסלול מבית QinetiQ, מערכת קלה, קומפקטית ויעילה
קודמיו ההיברידיים
מערכות הנעה היברידיות התבססו היטב בספינות מלחמה, במיוחד בצוללות, רכבות ומשאיות כבדות המשמשות במחצבות ובמכרות פתוחים. ביישומים אלה, מניע ראש, כגון מנוע דיזל, טורבינת גז, או אפילו שניהם, מניע גנרטור המספק זרם להנעת מנועים וטעינת סוללות.מערכות מסוימות כוללות תיבת הילוכים להעברת כוח מכני לכוננים הסופיים, בעוד שאחרות לא.
בספינות מלחמה, תחנות כוח היברידיות מאפשרות שימוש בפרופילי מהירות מורכבים ומשתנים מאוד, בעוד שהמובילים הראשיים מופעלים בטווח מהירות יעיל: מנועים חשמליים להנעה שקטה, מנועי דיזל להנעה רגילה, טורבינות גז להאצה וכו '. צוללת, המופעלת בשיטה המסורתית, אינה יכולה לשגר את מכשיר ההנעה העיקרי שלה במהלך צלילה (אם אין לה שנורקל), ובהקשר זה, יש להסתמך בעיקר על סוללות או מערכת הנעה בלתי תלויה באוויר. מכונות עפר אדירות מסתמכות על מומנט עצום של אפס סל"ד שנוצר על ידי מנועים חשמליים כדי להניע כי תיבות הילוכים ידניות שיכולות לבצע עבודה מסוג זה יהיו עצומות, מורכבות ויקרות. הרכבות מתמודדות עם אותה בעיה אפילו יותר, מכיוון שהן צריכות לגרור איתן כמה מאות טונות מעמידה, במקרים רבים עד למהירות העולה על 150 קמ"ש.
מערכת הנעה היברידית יכולה לחסוך בדלק בכך שהיא מאפשרת להשתמש במוביל ראש קטן ויעיל יותר בדלק ללא פירוק, מכיוון שהמערכת, כאשר הנהג לוחץ במלואה על דוושת התאוצה, משלימה את המנוע הראשי במנועים חשמליים המונעים על ידי סוללה. כוננים חשמליים מאפשרים גם שיכוך של המניע המוביל בעת נהיגה במהירויות נמוכות, כאשר הוא יכול להיות יעיל יחסית. מכוניות היברידיות מודרניות יכולות גם לאחסן אנרגיה קינטית (למשל ממערכת בלימה מתחדשת) ולהשתמש בה לטעינת הסוללות. חיסכון נוסף מושג על ידי הפעלת רוב המוביל רוב הזמן בטווח המהירות היעיל ביותר שלו, כמו גם שימוש בכל אנרגיה נוספת לטעינת סוללות ו / או הפעלת צרכני חשמל.
כלי רכב צבאיים מודרניים דורשים יותר ויותר כוח חשמלי להפעלת מערכות תקשורת, ציוד שליטה ובקרה, חיישני מעקב ומודיעין כגון אופטואלקטרוניקה ומכ מים, תחנות נשק נשלטות מרחוק, ופקקי מטען חבלה (IED). מערכות מתקדמות כמו שריון חשמלי יגדילו עוד יותר את הצריכה. השימוש בכל הכוח המותקן להפעלת מערכות חשמל הוא, בתיאוריה, לפחות יעיל יותר מאשר מערכת אחת להנעה ואחת אחרת לציוד מיוחד.
דגש גובר מושם על יכולות מעקב ואיסוף מודיעין במשימות נגד חירום, וכתוצאה מכך מוצגות דרישות מעקב שקט במספר הולך וגדל של תוכניות רכב משוריין. הדבר מגביר עוד יותר את חשיבות צריכת החשמל והופך את תאי הדלק לאטרקטיביים יותר.
מערכות הנעה חשמליות היברידיות מתחלקות לשתי קטגוריות רחבות: מקבילה וסדרה. במערכות מקבילות, מנוע בעירה פנימית ומנוע חשמלי (או מנועים חשמליים) מסובבים את הגלגלים או המסלולים דרך תיבת הילוכים, בנפרד או ביחד. במערכות היברידיות מסדרות, המניע העיקרי מניע רק את הגנרטור. מערכת רציפה פשוטה יותר, כל כוח ההנעה בה חייב לעבור דרך המנועים החשמליים ולכן הם חייבים להיות גדולים יותר מהמנועים החשמליים במערכת מקבילה עם אותן דרישות ביצועי מכונה. מערכות משני הסוגים פותחו.
חידושים בכוננים היברידיים-חשמליים וטכנולוגיית תאי דלק יכולים להפיק מהטכנולוגיה המסחרית.לדוגמה, BAE מערכות מייצרת אוטובוסים היברידיים-חשמליים, הטכנולוגיה שממנה ניתן להשתמש בה כדי להדגים את יעילות האנרגיה ושיפור מאפייני הפליטה של כלי רכב היברידיים-חשמליים מודרניים המיועדים לתנאים קשים.
יכולת הישרדות מוגברת
מערכות היברידיות גם מגבירות את השרידות באמצעות פריסה גמישה יותר וסילוק רכיבי הילוכים שיכולים להפוך לקליע צדדי כשהוא מפוצץ על ידי מכרה או מטען חבלה. רכבים משוריינים עם גלגלים נהנים מכך במיוחד. על ידי שילוב מנועי ההנעה ברכזות הגלגלים, כל פיר מדחף, דיפרנציאלים, פירות הנעה ותיבות הילוכים הקשורים לתיבות ידניות מסורתיות מסולקים ומוחלפים בכבלי חשמל ולכן אינם יכולים להפוך לקליעים נוספים. חיסול כל המנגנונים הללו מאפשר גם להעלות את תא הצוות מעל הקרקע בגובה רכב נתון, מה שהופך את הנוסעים לפגיעים פחות לפיצוצים מתחת לגוף. סוג זה של עיצוב שימש במפגן General Dynamics UK AHED 8x8 ובגרסת הגלגלים של מכונת SEP מבית BAE Systems / Hagglunds, שגם גרסת המעקב שלה יוצרה (ולאחר מכן נשכחה בבטחה).
המנועים החשמליים המשולבים בגלגלים הבודדים שולטים בכוח המסופק לכל גלגל בצורה מדויקת ביותר וזה, על פי GD בריטניה, כמעט מבטל את היתרון של מסילות על גלגלים מבחינת שטח בשטח.
הרכב הקרבי המבטיח ינוע על מסילות וההצעה של BAE Systems / Northrop Grumman מצביעה על כך שהתיבה החשמלית E-X-DRIVE של Qinetiq תהיה קלה יותר, קומפקטית ויעילה יותר מהשידור המסורתי. החברה מאפשרת גם האצה משופרת יחד עם סובלנות תקלות והיא ניתנת להגדרה עבור מגוון רחב של תוכנות אימוץ מכונות וטכנולוגיות.
למרות שהמערכת כוללת ארבעה מנועי מגנט קבוע, מערכת ההנעה ב- E-X-DRIVE אינה חשמלית במלואה; התאוששות כוח בעת פינה והעברת הילוכים מכניים, האחרון באמצעות מצמד פקה. עיצוב זה הוא פתרון סיכון נמוך הממזער את הלחץ על מנועים, גלגלי שיניים, פירים ומסבים. השימוש במערך פיר רוחבי ליצירת כוח מכני במנגנון הנדנדה הוא חלופה לשימוש בגלגלי הנעה עצמאיים בתמסורת חשמלית בלבד.
אחד החידושים בלב ליבה של ה- E-X-DRIVE הוא תיבת ההילוכים המרכזית (המכונה דיפרנציאל התאמה), המשלבת את מומנט מנוע ההיגוי, מומנט המנוע הראשי ומנגנון ההבראה המכני שהוזכר לעיל. בנוסף למזעור עומסי פיתול, הוא מבטל את עיקר משקלו של פיר הצלב החיצוני המשמש בפתרונות מסורתיים ומערכות הנעה חשמליות היברידיות אחרות.
התקדמות בהנדסת חשמל
מנועי מגנטים קבועים הם תחום טכנולוגי ששיפר מאוד את היעילות וצפיפות ההספק של מערכות הנעה חשמליות בכל היישומים בשנים האחרונות. מנועי מגנטים קבועים מסתמכים על מגנטים אדירים נדירים בעלי עוצמה טבעית ליצירת שדות מגנטיים ברכיבי הסטאטור, ולא על פיתולים נושאי זרם (אלקטרומגנטים). זה הופך את המנועים ליעילים יותר, במיוחד בשל העובדה שרק הרוטור צריך לספק זרם חשמלי.
אלקטרוניקה חשמלית מודרנית היא גם טכנולוגיה מרכזית לרכבים חשמליים היברידיים מכל הסוגים. בקרי מנוע מבוססי IGBT, למשל, שולטים על זרימת הכוח מסוללה, גנרטור או תאי דלק כדי לקבוע מהירות סיבוב ומומנט פלט ממנועים חשמליים. הם יעילים בהרבה ממערכות בקרה אלקטרומכניות ומשפרים משמעותית את הביצועים של כונני מהירות משתנה - טכנולוגיה שהיא הרבה פחות בוגרת מאשר כוננים במהירות קבועה הנמצאים בשימוש נרחב בתעשייה.
ניו ג'רזי מבוססת TDI Power היא דוגמה למשקיע שמשקיע באלקטרוניקה חשמלית מקוררת בנוזל לרכבים חשמליים והיברידיים ליישומים אזרחיים וצבאיים. החברה מייצרת ממירים DC / DC סטנדרטיים מודולריים וממירים העולים על תקני SAE ו- MIL הנוכחיים.
כוננים חשמליים ברכבים צבאיים ירוויחו מפיתוח מקיף על כונני מהירות משתנה לתעשייה, המונעים בחיסכון כולל של כ-15-30%באנרגיה, שניתן לממשם אם מכונות הילוכים קבועים יוחלפו בכונני מהירות משתנה עבור רוב התעשייה משתמשים, כפי שתואר במחקר שנערך לאחרונה על ידי אוניברסיטת ניוקאסל שהוזמן על ידי רשות המדע והחדשנות בבריטניה. "שיפור היעילות הפוטנציאלית של עומסי הנעה צפוי לחסוך בבריטניה 15 ק"ש מיליארד שעות בשנה, ובשילוב עם שיפור יעילות המנוע וההנעה, חיסכון כולל של 24 מיליארד קוט"ש", נכתב במחקר.
אחת הדרכים החשובות לשפר את יעילות העברת הכוח בכל מערכת חשמלית היא הגברת המתח, שכן חוק אוהם קובע כי עבור כל הספק נתון, ככל שהמתח גבוה יותר, הזרם נמוך יותר. זרמים קטנים יכולים לעבור דרך חוטים דקים, ומאפשרים למערכות חשמל קומפקטיות וקלות משקל לספק את העומסים הנדרשים. זו הסיבה שרשתות חשמל לאומיות משתמשות במתח גבוה מאוד בעת העברת חשמל; רשתות חשמל בריטיות, למשל, מפעילות את קווי ההולכה שלהן עד 400,000 וולט.
לא סביר שמערכות החשמל של כלי רכב צבאיים ישתמשו במתחים בסדר גודל כזה, אך נראה כי הימים של 28 וולט ומערכות חשמל דומות ממוספרים. בשנת 2009, למשל, נבחר Qinetiq על ידי משרד ההגנה הבריטי לחקור ייצור והפצה של חשמל באמצעות טכנולוגיית 610 וולט. Qinetiq הובילה צוות שכלל את מערכות BAE ומומחה מכונות חשמל Provector Ltd, שהמיר את ה- BMP של WARRIOR 2000 למפגין המסוגל להניע לקוחות בביקושים גבוהים של 610 וולט וכן ציוד קיים של 28 וולט. המכונה מצוידת בשני גנרטורים של 610 וולט, שכל אחד מהם מספק פי שניים מהעוצמה של המכונה המקורית, ומכפיל למעשה את תפוקת החשמל של הלוחם.
אנרגיה לרכב באמצעות תאי דלק מ- SFC
חיילים בשטח זקוקים למקור אנרגיה אמין למכונות שלהם. הוא חייב לספק זרם למכשירים המשולבים כגון מכשירי רדיו, ציוד תקשורת, מערכות נשק ומערכות אלקטרוניות אופטיות. אך בעת הצורך, היא אמורה לשמש גם כתחנת טעינה לחיילים במשימה.
לעתים קרובות לא ניתן להפעיל את המנוע כדי לטעון את הסוללות בעת ביצוע המשימה, בשל העובדה כי הדבר יכול לחשוף את מיקומה של היחידה. לכן, החיילים זקוקים לדרך להשיג זרם חשמלי - בשקט, כל הזמן ועצמאי.
מערכת EMILY 2200 של SFC מבוססת על טכנולוגיית תאי הדלק המצליחה של EFOY. יחידת EMILY מותקנת במכונה, מבטיחה שהסוללות יישארו טעונות כל הזמן. הרגולטור המובנה שלו עוקב כל הזמן אחר המתח בסוללות ומטעין את הסוללות באופן אוטומטי בעת הצורך. הוא פועל בשקט וה"פליטה "היחידה שלו היא אדי מים ופחמן דו חמצני בכמויות הדומות לנשימה של ילד.
מכונות גדולות דורשות סוללות גדולות. חבילת תא ליתיום-יון זו היא חלק מטכנולוגיית הנעה אוטובוס היברידית של BAE Systems.
האם תאי דלק אפשריים?
תאי דלק, שמשתמשים בתהליכים כימיים כדי להמיר ישירות דלק לזרם חשמלי ביעילות רבה, נתפשו זה מכבר כטכנולוגיה שיכולה להיות בשימוש נרחב בתחום הצבאי, כולל הנעה של מכונית ויצירת חשמל על הסיפון. עם זאת, יש מכשולים טכניים משמעותיים שצריך להתגבר עליהם. ראשית, תאי דלק פועלים על מימן ומערבבים אותו עם חמצן מהאוויר כדי לייצר זרם חשמלי כתוצר לוואי. מימן אינו זמין וקשה לאחסון ולהובלה.
ישנן דוגמאות רבות לתאי דלק המניעים כלי רכב חשמליים, אך כולם ניסיוניים. בעולם הרכב, ה- FCX CLARITY של הונדה היא ככל הנראה הזמינות הקרובה ביותר למוצר מסחרי, אך גם אז היא זמינה רק באזורים בהם ישנה תשתית לתדלוק מימן ורק במסגרת הסכמי שכירות. אפילו יצרני תאי דלק מובילים כמו באלארד פאוור מכירים במגבלות הנוכחיות של טכנולוגיה זו לשימוש במכוניות. החברה אומרת כי "ייצור המוני של רכבי תאי דלק הוא לטווח הארוך. כיום, רוב יצרניות הרכב מאמינות כי ייצור סדרתי של רכבי תאי דלק אינו אפשרי עד סביבות 2020, בשל התעשייה העומדת בפני בעיות של חלוקת מימן, אופטימיזציה של עמידות, צפיפות אנרגיה, יכולת התחלה חמה ועלות תאי דלק."
עם זאת, כל יצרניות הרכב הגדולות בעולם משקיעות רבות במו"פ של תאי דלק, לעתים קרובות בשיתוף עם יצרניות תאי דלק. באלארד, למשל, הוא חלק משיתוף הפעולה של תאי דלק לרכב, מיזם משותף בין פורד לדיימלר AG. הצבא מציב מכשול נוסף לאימוץ תאי דלק בדמות דרישתו שהכל חייב לפעול על דלקים "לוגיסטיים". תאי דלק יכולים לפעול על סולר או נפט, אך תחילה יש לשנותם כדי לחלץ את המימן הדרוש להם. תהליך זה דורש ציוד מורכב ומגושם, המשפיע על הגודל, המשקל, העלות, המורכבות והיעילות של המערכת הכוללת.
מגבלה נוספת של תאי הדלק בעת הפעלה כמניע ראש של רכב צבאי היא העובדה שהם מתפקדים בצורה הטובה ביותר בהגדרות כוח קבועות ואינם יכולים להגיב במהירות לשינויים הנדרשים. המשמעות היא שחייבים להשלים אותם עם סוללות ו / או קבלים -על ואלקטרוניקה לוויסות הספק המשויך לעמידות בשיא העומס.
בתחום "קבלים-על" פיתחה חברת Skeleton Industries החברה האסטונית שורה של קבלים-על חדישים ביותר, שהם חזקים פי חמישה לליטר נפח או פי ארבעה יותר לקילוגרם מאשר סוללות צבאיות פרימיום.. בפועל, המשמעות היא 60 אחוז יותר כוח ופי ארבעה מהזרם בהשוואה לסוללות הצבאיות הטובות ביותר. "קבלים העל" של SkelCap מספקים פרץ כוח מיידי ומשמשים למגוון רחב של יישומים, החל מבקרת אש ועד טנקי צריחים. כחלק מקבוצת United Armaments International (UAI), SkelCap ממלאת פקודות מיוחדות שונות וכן תוכניות מורחבות באמצעות קבוצת UAI שבסיסה בטאלין.
קבלים -על מתעשיות השלד
עם זאת, אין זה אומר שתאי הדלק לא ימצאו מקום ברכבים צבאיים היברידיים וחשמליים. היישום המיידי המבטיח ביותר הוא יחידות כוח עזר (APU) ברכבים המבצעים משימות מעקב שקטות מסוג ISTAR (איסוף מידע, ייעוד מטרות וסיור)."במצב מעקב שקט, מנועי הרכב אינם חייבים לפעול, וסוללות לבדן אינן יכולות לספק מספיק כוח לפעולות ארוכות טווח", אומר מרכז המחקר להנדסה של הצבא האמריקאי, המוביל את פיתוח מחוללי תאי דלק תחמוצת מוצקים ומערכות APU כי יכול לפעול על דלקים צבאיים, סולר ונפט.
ארגון זה מתמקד כיום במערכות עד 10 קילוואט בדגש על שילוב מלא של מערכות דלק עם צרכי ההפעלה של ערכת תאי דלק. המשימות שצריך להתייחס אליהן בעיצוב מערכות מעשיות כוללות שליטה על אידוי וזיהום, במיוחד שליטה על גופרית באמצעות גזול (גזול) ושימוש בחומרים עמידים לגופרית, כמו גם הימנעות מהיווצרות מצבורי פחמן במערכת..
לכוננים חשמליים היברידיים יש הרבה מה להציע לכלי רכב צבאיים, אך יעבור זמן עד שהיתרונות של טכנולוגיה זו יהפכו למוחשיים.
