Гибридные электроприводы и топливные элементы
Система топливных элементов EMILY 3000 имеет номинальную выходную мощность 125 Вт и дневную емкость заряда 6 кВт час. Она может перезаряжать несколько аккумуляторов или выполнять функции полевого генератора. Система была создана специально для военных приложений, включая тестовые сценарии, в которых данные по новым оборонительным системам необходимо собирать и оценивать в полевых условиях
В конечном счете, гибридные энергоустановки предлагают сопоставимые или даже лучшие преимущества для бронированных машин. В то время как топливная эффективность, по крайней мере, исторически, не была наверху списка обязательных характеристик бронированных машин, тем не менее, она действительно повышает пробег и/или продолжительность работы при данной топливной емкости, повышает грузоподъемность, защиту или огневое могущество для данной общей массы и в целом снижают общую логистическую нагрузку на парк машин.
Гибридный электрический привод может сыграть важную роль в будущем военных машин, но соответствующая отмена и снижение объема многих оборонных программ (не забыть о знаменитых FCS и FRES) и борьба за соответствие неотложным требованиям для защищенных машин отодвинули его внедрение на войсковых машинах на неопределенное время.
Впрочем, когда претенденты на американскую наземную боевую машину GCV (Ground Combat Vehicle) были объявлены в январе 2011 года, в их числе был проект от команды BAE Systems/Northrop Grumman с гибридным электрическим силовым блоком с системой E-X-DRIVE от Qinetiq. Это может рассматриваться как своего рода авантюра потому, что ни один из претендентов на программу по лёгкому тактическому автомобилю JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), которая предусматривала и гибридный электропривод, не прошел в финал в связи с тем, что в американской армии по имеющимся данным полагают, что технология для этой машины еще не достаточно созрела на данном этапе времени. Те не менее, история гибридных электроприводов в наземных боевых машинах насчитывает достаточное число программ разработки и демонстрации этой технологии. Существует что-то неумолимое и неизбежное в глобальном стремлении внедрить технологию, которая обещает сэкономить топливо, улучшить характеристики и живучесть и одновременно удовлетворить растущие потребности в бортовой электроэнергии. Это, несомненно, подкрепляется параллельными разработками в автомобильной промышленности, подталкиваемыми законодательством об охране окружающей среды.
Производители военных машин и поставщики систем к ним много инвестировали в эту технологию, частенько подталкиваемые своего рода вышеупомянутыми амбициозными правительственными программами, прежде чем столкнулись с особой неопределенностью, присущей долгосрочным правительственным планам. Компании AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks и Qinetiq разработали гибридные электроприводы для британской, американской и шведской программ, тогда как Nexter работает над программой разработки технологии ARCHYBALD, предназначенной для тяжелых транспортных средств, гражданских и военных.
Электроприводная трансмиссия E-X-DRIVE для гусеничных машин от QinetiQ, легкая компактная и эффективная система
Гибридные предшественники
Гибридные энергетические установки твердо обосновались в боевых кораблях, особенно на подлодках, поездах и тяжелых грузовиках используемых в карьерных и открытых разработках. В этих приложениях, первичный двигатель, например дизельный двигатель, газовая турбина или даже обе системы, приводят в действие генератор, который вырабатывает ток для приводных двигателей и зарядки батарей. Некоторые системы включают коробку передач для передачи механической энергии на бортовые редукторы, тогда как в других они полностью исключены.
В боевых кораблях гибридные энергоустановки позволяют использовать комплексные и широко варьирующиеся скоростные профили, при этом первичные движители эксплуатируются в эффективном диапазоне скоростей: электродвигатели для бесшумного движения, дизельные двигатели для обычного движения, газовые турбины для ускорения и т.д. Подлодка, приводимая в действие традиционным способом, не может запускать свой первичный движитель во время погружения (если не имеет шноркель) и в связи с этим приходится надеяться в основном на батареи или иную воздухонезависимую силовую установку. Гигантские землеройные машины при движении полагаются на огромный крутящий момент с нуля об/мин, создаваемый электродвигателями в связи с тем, что механические коробки передач, которые могли бы выполнять подобную работу, будут огромными, сложными и дорогостоящими. Поезда стоят перед такой же проблемой даже в большей степени, так как они должны тянуть за собой несколько сотен тонн с места, во многих случаях до скоростей, превышающих 150 миль в час.
Гибридная силовая установка может экономить топливо, позволяя использовать без ухудшения характеристик меньший, более экономичный первичный двигатель потому, что система при полном отжатии водителем педали «газа» дополняет основной двигатель электродвигателями, питающимися от аккумуляторов. Электрические приводы также позволяют заглушать первичный движитель при движении на малых скоростях, когда он может быть относительно неэффективным. Современные гибридные машины могут также накапливать кинетическую энергию (например, за счет рекуперативной тормозной системы) и использовать ее для заряда своих батарей. Дополнительная экономия достигается за счет работы первичного движителя большую часть времени в наиболее эффективном диапазоне скоростей, также как использования любой дополнительной энергии для заряжания батарей и/или запитывания бортовых потребителей электроэнергии.
Современным военным машинам требуется все больше электрической мощности для работы систем связи, оборудования командования и управления, сенсоров наблюдения и разведки, например оптоэлектроники и радаров, дистанционно управляемых боевых модулей и глушителей самодельных взрывных устройств (СВУ). Перспективные системы, например электрическая броня, еще больше увеличат потребление. Использование всей установленной мощности для работы электрических систем, в теории, по крайней мере, более эффективно, чем иметь одну систему для движения и еще одну для специализированного оборудования.
Всё больший упор делается на возможности по наблюдению и сбору информации в противоповстанческих задачах, и в связи с этим требования по бесшумному наблюдению выдвигаются во всё большем числе программ по бронированным машинам. Это еще больше повышает значимость потребляемой электрической мощности и делает топливные элементы более привлекательными.
Системы гибридных электроприводов делятся на две широкие категории: параллельные и последовательные. В параллельных системах двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель (или электродвигатели) вращают колеса или гусеницы через коробку передач, либо раздельно, либо вместе. В последовательных гибридных системах первичный движитель приводит в действие только генератор. Последовательная система проще, вся движущая мощность в ней должна идти через электродвигатели и поэтому они должны быть крупнее электродвигателей в параллельной системе при таких же требованиях к рабочим характеристикам машины. Были разработаны системы обоих типов.
Новшества в гибридно-электрических приводах и в сфере топливных элементах могут быть взяты из коммерческих технологий. Например, компания BAE Systems производит гибридно-электрические автобусы, технологии из которых могут быть использованы для демонстрации эффективности использования энергии и улучшенных характеристик выхлопов современных гибридно-электрических транспортных средств предназначенных для тяжелых условий
Повышение живучести
Гибридные системы также повышают живучесть за счет более гибкой компоновки и исключения компонентов трансмиссии, которые могли бы стать побочным снарядом при подрыве на мине или СВУ. Особенно от этого выигрывают колесные бронированные машины. При интеграции приводных электродвигателей в ступицы колес, все карданные валы, дифференциалы, ведущие валы и редукторы, ассоциирующиеся с традиционными механическими трансмиссиями, исключаются и заменяются силовыми кабелями и поэтому они не смогут стать дополнительными снарядами. Исключение всех этих механизмов также позволяет поднять отделение экипажа над землей при данной высоте машины, что делает пассажиров менее уязвимыми при подрывах под корпусом. Такой тип конструкции был использован в демонстраторе General Dynamics UK AHED 8x8 и колесном варианте машины SEP от BAE Systems/Hagglunds, гусеничный вариант которой также был изготовлен (и впоследствии благополучно забыт).
Электродвигатели, встроенные в отдельные колеса, позволяют управлять мощностью подаваемой на каждое колесо очень точно и это, согласно данным компании GD UK, почти исключает преимущества гусениц над колесами касательно повышенной внедорожной проходимости.
Перспективная наземная боевая машина будет перемещаться на гусеницах и в предложении BAE Systems/Northrop Grumman указывается, что электрическая трансмиссия E-X-DRIVE от Qinetiq будет легче, компактнее и эффективнее в сравнении с традиционными трансмиссиями. Она также позволяет иметь улучшенное ускорение наряду с отказоустойчивостью и конфигурируется для широкой гаммы машины и программ внедрения технологий, говорят в компании.
Хотя система включает четыре двигателя с постоянными магнитами, силовая трансмиссия в E-X-DRIVE не полностью электрическая; рекуперация мощности при поворотах и переключение передач механические, последнее с использованием кулачковой муфты. Эта схема является решением с низким риском, минимизирующим нагрузки в двигателях, зубчатых передачах, валах и подшипниках. Использование схемы с поперечными валами для регенерации механической мощности в механизме поворота является альтернативой использованию независимых ведущих колес в чисто электрической трансмиссии.
Одной из инноваций в сердце E-X-DRIVE является центральный редуктор (известный как регулировочный дифференциал), который объединяет момент двигателя рулевого управления, момент основного двигателя и ранее упомянутый механизм рекуперации механического управления. Вдобавок к минимизации крутящих нагрузок он исключает громоздкость и массу внешнего поперечного вала, используемого в традиционных решениях и других системах с гибридным электрическим приводом.
Успехи в электрике
Электродвигатели с постоянными магнитами представляют собой сферу технологий, в которой в последние годы значительно повышена эффективность и удельная мощность электроприводных систем во всех приложениях. Двигатели с постоянными магнитами при создании магнитных полей в компонентах статора базируются на встречающихся в природе мощные магнитах из редкоземельных металлов, а не на токонесущих обмотках (электромагнитах). Это делает двигатели более эффективными в частности из-за того, что только на ротор необходимо подавать электрический ток.
Современная силовая электроника также является ключевой технологией для гибридных электрических машин всех типов. Контроллеры электродвигателей, базирующиеся на биполярном транзисторе с изолированным затвором, например, регулируют поток энергии от батареи, генератора или топливных ячеек с целью определения скоростей вращения и выходного вращающего момента от электродвигателей. Они гораздо более эффективны по сравнению с электромеханическими управляющими системами и значительно повышают характеристики электроприводов с регулируемой частотой вращения - технологии гораздо менее зрелой по сравнению с электроприводами с фиксированной скоростью, которые широко применяются в промышленности.
Компания из Нью-Джерси TDI Power является примером инвестора, вкладывающегося в силовую электронику жидкостного охлаждения для электрических и гибридных машин для гражданского и военного применения. Компания производит стандартные модульные преобразователи постоянного тока и инверторы, которые превышают действующие стандарты SAE и MIL.
Электроприводы в военных машинах выиграют от обширных НИОКР по электроприводам с регулируемой скоростью для промышленности, подстегиваемых перспективой общей экономии энергии около 15-30%, что может быть реализовано, если машины с фиксированными механизмами будут заменены приводами с регулируемыми скоростями для большей части промышленных потребителей, как изложено в недавнем исследовании университета Ньюкасла по заказу британского управления науки и инноваций. «Повышение потенциальной эффективности нагрузок на приводы, как планируется, сэкономит Великобритании 15 кВт миллиарда часов за год, а в сочетании с повышением КПД двигателя и его привода общая экономия составит 24 миллиарда кВтч», – говорится в исследовании.
Одним из важных способов повышения эффективности передачи мощности в любой электрической системе является повышение напряжения, поскольку закон Ома диктует, что для любой данной мощности, чем выше напряжение, тем ниже сила тока. Небольшие токи могут пройти по тонким проводам, что позволит компактным легким электрическим системам обеспечить необходимые нагрузки. Вот почему в национальных энергосистемах используются очень высокие напряжения при передаче мощности; британские энергосистемы, например, эксплуатируют свои ЛЭП на напряжении до 400 000 вольт.
Маловероятно, что в электрических системах военных машин будет использоваться напряжение таких величин, но дни 28 вольт и подобных электрических систем, по всей видимости, сочтены. В 2009 году, например, британское министерство обороны выбрало Qinetiq по исследованию по выработке и распределению электрической мощности с использованием технологии 610 вольт. Компания Qinetiq возглавила команду, в которую вошли BAE Systems и специалист по электрическим машинам Provector Ltd, которая переделала БМП WARRIOR 2000 в демонстратор, способный запитать потребителей с высокими запросами 610 вольт, а также существующее оборудование 28 вольт. Машина оборудована двумя генераторами по 610 вольт, каждый из которых обеспечивает вдвое больше энергии по сравнению с оригинальным генератором машины, это фактически вчетверо повышает выходную электрическую мощность Warrior.
Энергия для транспортного средства с использованием топливных элементов от компании SFC
Солдаты в поле нуждаются в надежном источнике энергии для своих машин. Он должен подавать ток таким бортовым устройствам как радиостанция, оборудование средств связи, системы вооружения и оптические электронные системы. Но при необходимости он также должен работать в качестве зарядной станции для солдат, находящихся на задании.
Часто нет возможности при выполнении задачи запустить двигатель для заряда батарей в связи с тем, что может это может раскрыть местоположение подразделения. Поэтому солдатам необходим способ получения электрического тока – тихо, постоянно и независимо.
Система EMILY 2200 компании SFC базируется на успешной технологии топливных ячеек EFOY. Установленный на машину, блок EMILY гарантирует, что батареи остаются постоянно заряженными. Его встроенный регулятор постоянно отслеживает напряжение в батареях и при необходимости автоматически перезаряжает батареи. Он работает бесшумно и его единственным «выхлопом» являются водяной пар и двуокись углерода в количестве сравнимом с дыханием ребенка.
Крупным машинам необходимы крупные батареи. Этот пакет литий-ионных элементов является частью технологии гибридного движителя для автобусов компании BAE Systems
Топливные элементы возможны?
Топливные элементы, использующие химические процессы для прямой конвертации топлива в электрический ток с большой эффективностью, долгое время рассматривались как технология, которая может достаточно широко применяться в военной сфере, включая приведение машины в движение и выработку электроэнергии на борту. Однако существуют значительные технические препятствия, которые необходимо преодолеть. Во-первых, топливные элементы работают на водороде и смешивают его с кислородом из воздуха для получения электрического тока в качестве побочного продукта. Водород не столь легко доступен, его трудно хранить и перевозить.
Существует много примеров топливных элементов, приводящих в действие электрические транспортные средства, но все они являются экспериментальными. В автомобильном мире FCX CLARITY от Honda по готовности вероятно ближе всего к коммерческому продукту, но и то он доступен только в районах, где существует определенная инфраструктура дозаправки водородом и только по лизинговым соглашениям. Даже ведущие производители топливных элементов, как например Ballard Power признают нынешние ограничения этой технологии для использования в автомобилях. В компании говорят о том, что «серийное массовое производство транспортных средств на топливных элементах находится в долгосрочной перспективе. Сегодня большинство автопроизводителей полагают, что организация серийного производства автомобилей на топливных элементах не осуществима примерно до 2020 года, в связи с тем, что промышленность стоит перед вопросами распределения водорода, оптимизации долговечности, плотности энергии, возможности старта без разогрева и стоимости топливных элементов».
Впрочем, все основные автопроизводители мира вкладывают значительные средства в НИОКР по топливным элементам, ведущиеся зачастую совместно с производителями топливных элементов. Ballard, например, является частью Automotive Fuel Cell Cooperation, совместного предприятия Ford и Daimler AG. Военные ставят еще одно препятствие на пути принятия топливных элементов в виде своего требования о том, что все должно работать на «логистических» топливах. Топливные элементы могут работать на дизельном топливе или керосине, но они в первую очередь должны быть модифицированы с целью извлечения необходимого им водорода. Этот процесс требует сложного и громоздкого оборудования, влияя на размеры, массу, стоимость, сложность и эффективность системы в целом.
Еще одним ограничением топливных элементов при работе в качестве первичного двигателя военной машины является тот факт, что они работают лучше всего при постоянных параметрах мощности и не могут быстро реагировать на необходимые изменения. Это означает, что они должны дополняться батареями и/или суперконденсаторами и соответствующей электроникой регулирования мощности для удовлетворения пиковых нагрузок мощности.
В области «суперконденсаторов» эстонская компания Skeleton Industries разработала линейку современных суперконденсаторов SkelCap, которые в пять раз мощнее на литр объема или более чем в четыре раза мощнее на килограмм по сравнению с первоклассными военными батареями. Практически это означает на 60 процентов повышение мощности и в четыре раза больший ток по сравнению с лучшими военными батареями. «Суперконденсаторы» SkelCap обеспечивают мгновенный импульс мощности и используются для самых различных задач, от управления огнем до поворотных башен танков. Являясь частью группы United Armaments International (UAI), SkelCap выполняет различные специализированные заказы, а также расширенные программы через группу UAI, базирующуюся в Таллине.
Суперконденсаторы от компании Skeleton Industries
Впрочем, это не означает что топливные элементы не найдут места в гибридных и электрических военных машинах. Самым многообещающим ближайшим применением являются вспомогательный силовые установки (ВСУ) в машинах выполняющие задачи бесшумного наблюдения типа ISTAR (сбор информации, наблюдение целеуказание и разведка). «В режиме бесшумного наблюдения двигатели машин не должны работать, а аккумуляторные батареи одни не могут обеспечить достаточно энергии для длительных операций», – говорят в инженерном исследовательском центре американской армии, который возглавляет работы по разработке генераторов на твердооксидных топливный элементах и ВСУ, которые могут работать на военных топливах, дизельном топливе и керосине.
Эта организация в настоящее время сосредоточена на системах мощностью до 10 кВт с упором на полную интеграцию топливных систем с рабочими потребностями комплекта топливных элементов. Задачи, которые необходимо решать при разработке практических систем, включают контроль парообразования и загрязнения, особенно здесь важна борьба с серой за счет десульфуризации (обессеривания) и применение устойчивых к сере материалов, а также исключение формирования углеродистых отложений в системе.
Гибридные электрические приводы могут многое предложить для военных машин, но пройдет еще какое-то время, прежде чем преимущества этой технологии станут ощутимыми.
Использованы материалы:
www.armada.ch
www.baesystems.com
www.qinetiq.com
www.sfc.com
www.skeletontech.com
Информация