Гибридные электроприводы и топливные элементы
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.
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
Автор: Alex Alexeev