Het brandstofcelsysteem EMILY 3000 heeft een nominaal uitgangsvermogen van 125 W en een dagelijkse laadcapaciteit van 6 kWh. Het kan meerdere batterijen opladen of als veldgenerator fungeren. Het systeem is speciaal gemaakt voor militaire toepassingen, waaronder testscenario's waarin gegevens over nieuwe verdedigingssystemen in het veld moeten worden verzameld en geëvalueerd.
Uiteindelijk bieden hybride energiecentrales vergelijkbare of zelfs betere voordelen voor gepantserde voertuigen. Hoewel brandstofefficiëntie, althans historisch gezien, niet bovenaan de lijst van verplichte kenmerken van gepantserde voertuigen heeft gestaan, verhoogt het niettemin het aantal kilometers en/of de duur voor een bepaalde brandstofcapaciteit, verhoogt het het laadvermogen, de bescherming of de vuurkracht voor een bepaald totaal gewicht en, in het algemeen, de totale logistieke last voor de vloot te verminderen
De hybride elektrische aandrijving kan een belangrijke rol spelen in de toekomst van militaire voertuigen, maar de bijbehorende annulering en vermindering van het volume van veel defensieprogramma's (niet te vergeten de beroemde FCS en FRES) en de strijd om te voldoen aan de dringende eisen voor beschermde voertuigen zijn uitgesteld de implementatie ervan op militaire voertuigen voor onbepaalde tijd.
Toen in januari 2011 echter kandidaten voor het Amerikaanse grondgevechtsvoertuig GCV (Ground Combat Vehicle) werden aangekondigd, was er een project van het BAE Systems / Northrop Grumman-team met een hybride elektrische aandrijfeenheid met het E-X-DRIVE-systeem van Qinetiq. Dit kan als een soort gok worden gezien omdat geen van de kanshebbers voor het JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) licht tactische voertuigprogramma, waarin ook een hybride elektrische aandrijving was opgenomen, zich niet voor de finale kwalificeerde omdat volgens beschikbare gegevens, wordt aangenomen dat de technologie voor deze machine op dit moment nog niet volwassen genoeg is. Niettemin kent de geschiedenis van hybride elektrische aandrijvingen in gevechtsvoertuigen op de grond een voldoende aantal programma's om deze technologie te ontwikkelen en te demonstreren. Er is iets meedogenloos en onvermijdelijks aan de wereldwijde zoektocht naar technologie die belooft brandstof te besparen, de prestaties en het overlevingsvermogen te verbeteren en tegelijkertijd te voldoen aan de groeiende vraag naar elektriciteit aan boord. Dit wordt ongetwijfeld ondersteund door parallelle ontwikkelingen in de auto-industrie, gedreven door milieuwetgeving.
Fabrikanten van militaire voertuigen en systeemaanbieders hebben zwaar geïnvesteerd in deze technologie, vaak gestimuleerd door enkele van de bovengenoemde ambitieuze overheidsprogramma's, voordat ze geconfronteerd werden met de specifieke onzekerheid die inherent is aan langetermijnplannen van de overheid. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks en Qinetiq hebben hybride elektrische aandrijvingen ontwikkeld voor programma's in het VK, de VS en Zweden, terwijl Nexter werkt aan het ARCHYBALD-technologieontwikkelingsprogramma voor zware voertuigen, zowel civiele als militaire.
Elektrisch aangedreven transmissie E-X-DRIVE voor rupsvoertuigen van QinetiQ, lichtgewicht, compact en efficiënt systeem
Hybride voorgangers
Hybride voortstuwingssystemen zijn stevig ingeburgerd in oorlogsschepen, vooral op onderzeeërs, treinen en zware vrachtwagens die worden gebruikt in steengroeven en dagbouwmijnen. In deze toepassingen drijft een krachtbron, zoals een dieselmotor, een gasturbine of zelfs beide, een generator aan die stroom levert om motoren aan te drijven en batterijen op te laden. Sommige systemen bevatten een versnellingsbak om het mechanische vermogen over te brengen naar de eindaandrijvingen, andere niet.
In oorlogsschepen maken hybride krachtcentrales het gebruik van complexe en sterk variërende snelheidsprofielen mogelijk, terwijl de krachtbronnen in een effectief snelheidsbereik worden gebruikt: elektromotoren voor stille voortstuwing, dieselmotoren voor normale voortstuwing, gasturbines voor acceleratie, enz. Een onderzeeër, aangedreven door de traditionele methode, kan zijn primaire voortstuwingsinrichting niet lanceren tijdens een duik (als hij geen snorkel heeft) en in dit opzicht moet men voornamelijk vertrouwen op batterijen of een ander luchtonafhankelijk voortstuwingssysteem. Gigantische grondverzetmachines vertrouwen op een enorm koppel van nul tpm dat wordt gegenereerd door elektromotoren om te rijden, omdat handmatige transmissies die dit soort werk zouden kunnen doen enorm, complex en duur zouden zijn. Treinen hebben nog meer met hetzelfde probleem te maken, aangezien ze vanuit stilstand enkele honderden tonnen met zich mee moeten slepen, in veel gevallen tot snelheden van meer dan 250 km/u.
Een hybride aandrijfsysteem kan brandstof besparen doordat een kleinere, zuinigere aandrijfmotor kan worden gebruikt zonder degradatie, omdat het systeem, wanneer de bestuurder het gaspedaal volledig indrukt, de hoofdmotor aanvult met elektromotoren op batterijen. Elektrische aandrijvingen maken ook demping van de krachtbron mogelijk bij het rijden met lage snelheden, wanneer dit relatief ineffectief kan zijn. Moderne hybride auto's kunnen ook kinetische energie opslaan (bijvoorbeeld van een regeneratief remsysteem) en deze gebruiken om hun batterijen op te laden. Extra besparingen worden bereikt door de krachtbron het grootste deel van de tijd in het meest efficiënte snelheidsbereik te laten werken, en door extra energie te gebruiken om batterijen op te laden en/of elektrische verbruikers aan boord van stroom te voorzien.
Moderne militaire voertuigen hebben steeds meer elektrische stroom nodig om communicatiesystemen, commando- en controleapparatuur, bewakings- en inlichtingensensoren zoals opto-elektronica en radars, op afstand bestuurbare wapenstations en geïmproviseerde explosieven (IED) stoorzenders te bedienen. Geavanceerde systemen zoals elektrische bepantsering zullen het verbruik verder verhogen. Het gebruik van al het geïnstalleerde vermogen om elektrische systemen te laten werken is in theorie op zijn minst efficiënter dan het hebben van één systeem voor voortstuwing en een ander voor gespecialiseerde apparatuur.
Er wordt steeds meer nadruk gelegd op bewakings- en inlichtingenvergaringscapaciteiten in missies tegen opstand, en als gevolg daarvan worden stille bewakingsvereisten naar voren gebracht in een toenemend aantal gepantserde voertuigprogramma's. Dit vergroot het belang van het elektriciteitsverbruik verder en maakt brandstofcellen aantrekkelijker.
Hybride elektrische aandrijfsystemen vallen in twee brede categorieën: parallel en serie. In parallelle systemen laten een verbrandingsmotor en een elektromotor (of elektromotoren) de wielen of rupsen door een versnellingsbak afzonderlijk of samen draaien. In seriehybride systemen drijft de krachtbron alleen de generator aan. Een sequentieel systeem is eenvoudiger, alle aandrijfkracht erin moet door de elektromotoren gaan en daarom moeten ze groter zijn dan de elektromotoren in een parallel systeem met dezelfde machineprestatie-eisen. Systemen van beide typen zijn ontwikkeld.
Innovaties in hybride-elektrische aandrijvingen en brandstofceltechnologie kunnen worden geput uit commerciële technologie. BAE Systems produceert bijvoorbeeld hybride-elektrische bussen, waarvan de technologie kan worden gebruikt om de energie-efficiëntie en verbeterde uitlaateigenschappen van moderne hybride-elektrische voertuigen die zijn ontworpen voor zware omstandigheden, aan te tonen.
Verhoogde overlevingskansen
Hybride systemen vergroten ook de overlevingskansen door een flexibelere lay-out en de eliminatie van transmissiecomponenten die een zijprojectiel kunnen worden wanneer ze worden ontploft door een mijn of IED. Vooral gepantserde voertuigen op wielen profiteren hiervan. Door de aandrijfmotoren in de wielnaven te integreren, worden alle schroefassen, differentiëlen, aandrijfassen en versnellingsbakken die horen bij traditionele handgeschakelde transmissies geëlimineerd en vervangen door stroomkabels en kunnen daarom geen extra projectielen worden. Door al deze mechanismen te elimineren, kan het bemanningscompartiment ook op een bepaalde voertuighoogte boven de grond worden geheven, waardoor passagiers minder kwetsbaar zijn voor explosies onder de romp. Dit type ontwerp werd gebruikt in de General Dynamics UK AHED 8x8-demonstrator en de verrijdbare versie van de SEP-machine van BAE Systems / Hagglunds, waarvan de rupsversie ook werd vervaardigd (en vervolgens veilig werd vergeten).
De elektromotoren die in de afzonderlijke wielen zijn geïntegreerd, regelen het vermogen dat aan elk wiel wordt geleverd zeer nauwkeurig en dit elimineert volgens GD UK bijna het voordeel van rupsbanden ten opzichte van wielen op het gebied van off-road terrein.
Het veelbelovende grondgevechtsvoertuig zal op de sporen rijden en het voorstel van BAE Systems / Northrop Grumman geeft aan dat Qinetiq's E-X-DRIVE elektrische transmissie lichter, compacter en efficiënter zal zijn dan traditionele transmissies. Het zorgt ook voor verbeterde acceleratie en fouttolerantie en is configureerbaar voor een breed scala aan machine- en technologie-acceptatieprogramma's, zegt het bedrijf.
Hoewel het systeem vier permanentmagneetmotoren omvat, is de aandrijflijn in de E-X-DRIVE niet volledig elektrisch; vermogensherstel bij het nemen van bochten en mechanisch schakelen, de laatste met behulp van een nokkenkoppeling. Dit ontwerp is een oplossing met een laag risico die de spanning op motoren, tandwielen, assen en lagers minimaliseert. Het gebruik van een dwarsasopstelling om mechanisch vermogen in het zwenkmechanisme te regenereren is een alternatief voor het gebruik van onafhankelijke aandrijfwielen in een puur elektrische transmissie.
Een van de innovaties in het hart van de E-X-DRIVE is de centrale versnellingsbak (bekend als een afsteldifferentieel), die het koppel van de stuurmotor, het koppel van de hoofdmotor en het eerder genoemde mechanische regelrecuperatiemechanisme combineert. Naast het minimaliseren van torsiebelastingen, elimineert het de massa en het gewicht van de externe dwarsas die wordt gebruikt in traditionele oplossingen en andere hybride elektrische aandrijfsystemen.
Vooruitgang in de elektrotechniek
Permanente magneetmotoren zijn een technologisch gebied dat de efficiëntie en vermogensdichtheid van elektrische aandrijfsystemen in alle toepassingen de afgelopen jaren sterk heeft verbeterd. Permanente-magneetmotoren vertrouwen op natuurlijk voorkomende krachtige zeldzame-aardmagneten om magnetische velden in de statorcomponenten te genereren, in plaats van op stroomvoerende wikkelingen (elektromagneten). Dit maakt de motoren efficiënter, met name doordat alleen de rotor van stroom hoeft te worden voorzien.
Moderne vermogenselektronica is ook een sleuteltechnologie voor alle soorten hybride elektrische voertuigen. Op IGBT gebaseerde motorcontrollers regelen bijvoorbeeld de stroomstroom van een batterij, generator of brandstofcellen om de rotatiesnelheden en het uitgangskoppel van elektromotoren te bepalen. Ze zijn veel efficiënter dan elektromechanische besturingssystemen en verbeteren de prestaties van aandrijvingen met variabele snelheid aanzienlijk - een technologie die veel minder volwassen is dan aandrijvingen met vaste snelheid die veel worden gebruikt in de industrie.
Het in New Jersey gevestigde TDI Power is een voorbeeld van een investeerder die investeert in vloeistofgekoelde vermogenselektronica voor elektrische en hybride voertuigen voor civiele en militaire toepassingen. Het bedrijf produceert standaard modulaire DC/DC-omvormers en omvormers die de huidige SAE- en MIL-normen overtreffen.
Elektrische aandrijvingen in militaire voertuigen zullen profiteren van uitgebreide R&D op het gebied van aandrijvingen met variabele snelheid voor de industrie, gevoed door het vooruitzicht van een totale energiebesparing van ongeveer 15-30%, die kan worden gerealiseerd als machines met vaste versnellingen worden vervangen door aandrijvingen met variabele snelheid voor de meeste industriële gebruikers, zoals uiteengezet in een recente studie van de Universiteit van Newcastle in opdracht van de UK Science and Innovation Authority. "Het verbeteren van de potentiële efficiëntie van schijfbelastingen zal naar verwachting het VK 15 kWh miljard uur per jaar besparen, en in combinatie met een verbeterde motor- en aandrijfefficiëntie, een totale besparing van 24 miljard kWh", aldus het onderzoek.
Een van de belangrijke manieren om de efficiëntie van de krachtoverbrenging in elk elektrisch systeem te verbeteren, is door de spanning te verhogen, aangezien de wet van Ohm dicteert dat voor elk gegeven vermogen, hoe hoger de spanning, hoe lager de stroom. Kleine stromen kunnen door dunne draden gaan, waardoor compacte, lichtgewicht elektrische systemen de vereiste belastingen kunnen leveren. Dit is de reden waarom landelijke elektriciteitsnetten zeer hoge spanningen gebruiken bij het zenden van stroom; Britse elektriciteitsnetten laten hun transmissielijnen bijvoorbeeld tot 400.000 volt lopen.
Het is onwaarschijnlijk dat de elektrische systemen van militaire voertuigen spanningen van deze omvang zullen gebruiken, maar de dagen van 28 volt en soortgelijke elektrische systemen lijken geteld. Zo werd Qinetiq in 2009 door het Britse ministerie van Defensie geselecteerd om onderzoek te doen naar de opwekking en distributie van elektrische stroom met behulp van 610 volt-technologie. Qinetiq leidde een team dat bestond uit BAE Systems en elektrische machinespecialist Provector Ltd, dat de WARRIOR 2000 BMP ombouwde tot een demonstrator die zowel 610 volt-klanten met een hoge vraag als bestaande 28 volt-apparatuur van stroom kan voorzien. De machine is uitgerust met twee generatoren van 610 volt, die elk tweemaal het vermogen van de originele machine leveren, waardoor het elektrische vermogen van de Warrior verviervoudigd wordt.
Energie voor een voertuig met brandstofcellen van SFC
Soldaten in het veld hebben een betrouwbare energiebron nodig voor hun machines. Het moet stroom leveren aan boordapparatuur zoals radio's, communicatieapparatuur, wapensystemen en optische elektronische systemen. Maar als het nodig is, moet het ook dienst doen als laadstation voor soldaten in opdracht.
Vaak is het niet mogelijk om de motor te starten om de accu's op te laden tijdens het uitvoeren van de taak, omdat dit de locatie van het apparaat kan onthullen. Daarom hebben de soldaten een manier nodig om elektrische stroom te krijgen - stil, constant en onafhankelijk.
Het EMILY 2200-systeem van SFC is gebaseerd op de succesvolle EFOY-brandstofceltechnologie. Geïnstalleerd op de machine, zorgt de EMILY-eenheid ervoor dat de batterijen constant opgeladen blijven. De ingebouwde regelaar bewaakt constant de spanning in de batterijen en laadt de batterijen automatisch op wanneer dat nodig is. Het werkt geruisloos en de enige "uitlaat" is waterdamp en kooldioxide in hoeveelheden die vergelijkbaar zijn met de ademhaling van een kind.
Grote machines hebben grote batterijen nodig. Dit lithium-ion-cellenpakket maakt deel uit van de hybride busvoortstuwingstechnologie van BAE Systems.
Zijn brandstofcellen mogelijk?
Brandstofcellen, die chemische processen gebruiken om brandstof direct en met grote efficiëntie om te zetten in elektrische stroom, worden al lang gezien als een technologie die op grote schaal kan worden gebruikt op militair gebied, waaronder het voortbewegen van een auto en het opwekken van elektriciteit aan boord. Er zijn echter belangrijke technische obstakels die overwonnen moeten worden. Ten eerste werken brandstofcellen op waterstof en mengen dit met zuurstof uit de lucht om als bijproduct elektrische stroom op te wekken. Waterstof is niet direct beschikbaar en moeilijk op te slaan en te transporteren.
Er zijn veel voorbeelden van brandstofcellen die elektrische voertuigen aandrijven, maar ze zijn allemaal experimenteel. In de autowereld komt Honda's FCX CLARITY waarschijnlijk het dichtst in de buurt van een commercieel product, maar zelfs dan is het alleen beschikbaar in gebieden waar enige infrastructuur voor het tanken van waterstof is en alleen onder leaseovereenkomsten. Zelfs toonaangevende brandstofcelfabrikanten zoals Ballard Power erkennen de huidige beperkingen van deze technologie voor gebruik in auto's. Het bedrijf zegt dat massaproductie van brandstofcelvoertuigen op de lange termijn is. Tegenwoordig zijn de meeste autofabrikanten van mening dat serieproductie van brandstofcelvoertuigen pas rond 2020 haalbaar is, omdat de industrie te maken heeft met problemen met waterstofdistributie, optimalisatie van duurzaamheid, energiedichtheid, hotstart-capaciteit en brandstofcelkosten.
Alle grote autofabrikanten ter wereld investeren echter zwaar in R&D voor brandstofcellen, vaak in samenwerking met fabrikanten van brandstofcellen. Ballard maakt bijvoorbeeld deel uit van Automotive Fuel Cell Cooperation, een joint venture tussen Ford en Daimler AG. Het leger werpt nog een obstakel op voor de invoering van brandstofcellen in de vorm van de eis dat alles op "logistieke" brandstoffen moet draaien. Brandstofcellen kunnen rijden op diesel of kerosine, maar moeten eerst worden aangepast om de benodigde waterstof te extraheren. Dit proces vereist complexe en omvangrijke apparatuur, die de grootte, het gewicht, de kosten, de complexiteit en de efficiëntie van het totale systeem beïnvloedt.
Een andere beperking van brandstofcellen wanneer ze als krachtbron van een militair voertuig werken, is het feit dat ze het beste presteren bij constante vermogensinstellingen en niet snel kunnen reageren op vereiste veranderingen. Dit betekent dat ze moeten worden aangevuld met batterijen en/of supercondensatoren en bijbehorende elektronica voor vermogensregeling om piekbelastingen op te vangen.
Op het gebied van "supercondensatoren" heeft het Estse bedrijf Skeleton Industries een lijn van ultramoderne SkelCap-supercondensatoren ontwikkeld die vijf keer krachtiger zijn per liter volume of meer dan vier keer krachtiger per kilogram dan premium militaire batterijen. In de praktijk betekent dit 60 procent meer vermogen en vier keer de stroom in vergelijking met de beste militaire batterijen. De "supercondensatoren" van SkelCap zorgen voor een onmiddellijke stroomstoot en worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, van vuurleiding tot turrettanks. Als onderdeel van de United Armaments International (UAI) groep, vervult SkelCap verschillende gespecialiseerde opdrachten en uitgebreide programma's via de UAI groep gevestigd in Tallinn.
Supercondensatoren van Skeleton Industries
Dit betekent echter niet dat brandstofcellen geen plaats zullen vinden in hybride en elektrische militaire voertuigen. De meest veelbelovende onmiddellijke toepassing zijn hulpaggregaten (APU) in voertuigen die stille bewakingstaken van het ISTAR-type uitvoeren (informatievergaring, doelaanduiding en verkenning)."In stille bewakingsmodus hoeven voertuigmotoren niet te draaien, en batterijen alleen kunnen niet genoeg stroom leveren voor langdurige operaties", zegt het US Army Engineering Research Center, dat leiding geeft aan de ontwikkeling van vaste-oxidebrandstofcelgeneratoren en APU's die kan werken op militaire brandstoffen, dieselbrandstof en kerosine.
Deze organisatie richt zich momenteel op systemen tot 10 kW met de nadruk op het volledig integreren van brandstofsystemen met de operationele behoeften van een brandstofcelkit. Taken die moeten worden aangepakt bij het ontwerp van praktische systemen omvatten controle van verdamping en vervuiling, met name de controle van zwavel door ontzwaveling (ontzwaveling) en het gebruik van zwavelbestendige materialen, evenals het vermijden van de vorming van koolstofafzettingen in het systeem.
Hybride elektrische aandrijvingen hebben veel te bieden voor militaire voertuigen, maar het zal nog even duren voordat de voordelen van deze technologie tastbaar worden.
