Sistem sel bahan bakar EMILY 3000 memiliki daya keluaran terukur 125 W dan kapasitas pengisian harian 6 kWh. Itu dapat mengisi ulang beberapa baterai atau bertindak sebagai generator lapangan. Sistem ini dibuat khusus untuk aplikasi militer, termasuk skenario pengujian di mana data tentang sistem pertahanan baru perlu dikumpulkan dan dievaluasi di lapangan.
Pada akhirnya, pembangkit listrik hibrida menawarkan manfaat yang sebanding atau bahkan lebih baik untuk kendaraan lapis baja. Sementara efisiensi bahan bakar, setidaknya secara historis, belum berada di urutan teratas dari daftar karakteristik wajib kendaraan lapis baja, namun hal itu meningkatkan jarak tempuh dan / atau durasi untuk kapasitas bahan bakar tertentu, meningkatkan muatan, perlindungan atau daya tembak untuk total tertentu. berat dan, secara umum, mengurangi beban logistik keseluruhan pada armada
Penggerak listrik hibrida mungkin memainkan peran penting di masa depan kendaraan militer, tetapi pembatalan dan pengurangan yang sesuai dari banyak program pertahanan (tidak melupakan FCS dan FRES yang terkenal) dan perjuangan untuk memenuhi persyaratan mendesak untuk kendaraan yang dilindungi telah ditunda. penerapannya pada kendaraan militer tanpa batas waktu.
Namun, ketika pelamar kendaraan tempur darat Amerika GCV (Ground Combat Vehicle) diumumkan pada Januari 2011, di antaranya adalah proyek dari tim BAE Systems / Northrop Grumman dengan unit tenaga listrik hibrida dengan sistem E-X-DRIVE dari Qinetiq. Hal ini dapat dilihat sebagai semacam pertaruhan karena tidak ada pesaing untuk program kendaraan taktis ringan JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), yang juga termasuk penggerak listrik hibrida, tidak lolos ke final karena fakta bahwa, menurut data yang tersedia, diyakini bahwa teknologi untuk mesin ini belum cukup matang pada saat ini. Namun demikian, sejarah penggerak listrik hibrida di kendaraan tempur darat memiliki cukup banyak program untuk mengembangkan dan mendemonstrasikan teknologi ini. Ada sesuatu yang tak termaafkan dan tak terelakkan tentang pencarian global akan teknologi yang menjanjikan penghematan bahan bakar, meningkatkan kinerja dan kemampuan bertahan, sekaligus memenuhi permintaan listrik yang terus meningkat. Ini tidak diragukan lagi didukung oleh perkembangan paralel dalam industri otomotif, didorong oleh undang-undang lingkungan.
Produsen kendaraan militer dan penyedia sistem telah banyak berinvestasi dalam teknologi ini, sering didorong oleh beberapa program pemerintah ambisius yang disebutkan di atas, sebelum menghadapi ketidakpastian tertentu yang melekat dalam rencana pemerintah jangka panjang. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks, dan Qinetiq telah mengembangkan penggerak listrik hibrida untuk program Inggris, AS, dan Swedia, sementara Nexter sedang mengerjakan program pengembangan teknologi ARCHYBALD untuk kendaraan berat, sipil, dan militer.
Transmisi penggerak listrik E-X-DRIVE untuk kendaraan yang dilacak dari QinetQ, sistem yang ringan, kompak, dan efisien
Pendahulu hibrida
Sistem propulsi hibrida telah menjadi mapan di kapal perang, terutama di kapal selam, kereta api, dan truk berat yang digunakan di tambang kuari dan tambang terbuka. Dalam aplikasi ini, penggerak utama, seperti mesin diesel, turbin gas, atau bahkan keduanya, menggerakkan generator yang memasok arus untuk menggerakkan motor dan mengisi baterai. Beberapa sistem menyertakan gearbox untuk mentransfer tenaga mekanik ke final drive, sementara yang lain tidak.
Di kapal perang, pembangkit listrik hibrida memungkinkan penggunaan profil kecepatan yang kompleks dan sangat bervariasi, sedangkan penggerak utama dioperasikan dalam rentang kecepatan yang efektif: motor listrik untuk propulsi senyap, mesin diesel untuk propulsi normal, turbin gas untuk akselerasi, dll. Sebuah kapal selam, yang ditenagai oleh metode tradisional, tidak dapat meluncurkan perangkat propulsi utamanya selama penyelaman (jika tidak memiliki snorkel) dan, dalam hal ini, seseorang harus bergantung terutama pada baterai atau sistem propulsi independen udara lainnya. Mesin pemindah tanah raksasa mengandalkan torsi nol rpm yang sangat besar yang dihasilkan oleh motor listrik untuk dikendarai karena transmisi manual yang dapat melakukan pekerjaan semacam ini akan sangat besar, rumit, dan mahal. Kereta api menghadapi masalah yang sama bahkan lebih, karena mereka harus mengangkut beberapa ratus ton dengan mereka dari diam, dalam banyak kasus hingga kecepatan lebih dari 150 mph.
Sistem propulsi hibrida dapat menghemat bahan bakar dengan memungkinkan penggerak utama yang lebih kecil dan lebih hemat bahan bakar untuk digunakan tanpa degradasi, karena sistem tersebut, ketika pengemudi menekan pedal akselerator sepenuhnya, melengkapi mesin utama dengan motor listrik bertenaga baterai. Penggerak elektrik juga memungkinkan redaman penggerak utama saat mengemudi pada kecepatan rendah, yang relatif tidak efektif. Mobil hibrida modern juga dapat menyimpan energi kinetik (misalnya, dari sistem pengereman regeneratif) dan menggunakannya untuk mengisi baterai mereka. Penghematan tambahan dicapai dengan mengoperasikan penggerak utama hampir sepanjang waktu pada rentang kecepatan paling efisien, serta menggunakan energi tambahan untuk mengisi baterai dan/atau memberi daya pada konsumen listrik onboard.
Kendaraan militer modern membutuhkan lebih banyak daya listrik untuk mengoperasikan sistem komunikasi, peralatan komando dan kontrol, sensor pengawasan dan intelijen seperti optoelektronik dan radar, stasiun senjata yang dikendalikan dari jarak jauh, dan jammer perangkat peledak improvisasi (IED). Sistem canggih seperti pelindung listrik akan semakin meningkatkan konsumsi. Menggunakan semua daya yang terpasang untuk menjalankan sistem kelistrikan, secara teori, setidaknya lebih efisien daripada memiliki satu sistem untuk propulsi dan satu lagi untuk peralatan khusus.
Peningkatan penekanan ditempatkan pada kemampuan pengawasan dan pengumpulan intelijen dalam misi kontra-pemberontakan, dan sebagai hasilnya, persyaratan pengawasan diam-diam diajukan dalam peningkatan jumlah program kendaraan lapis baja. Ini semakin meningkatkan pentingnya konsumsi daya listrik dan membuat sel bahan bakar lebih menarik.
Sistem penggerak listrik hibrida terbagi dalam dua kategori besar: paralel dan seri. Dalam sistem paralel, mesin pembakaran internal dan motor listrik (atau motor listrik) memutar roda atau trek melalui gearbox, baik secara terpisah atau bersama-sama. Dalam sistem hybrid seri, penggerak utama hanya menggerakkan generator. Sistem sekuensial lebih sederhana, semua daya penggerak di dalamnya harus melalui motor listrik dan oleh karena itu harus lebih besar dari motor listrik pada sistem paralel dengan persyaratan kinerja mesin yang sama. Sistem dari kedua jenis telah dikembangkan.
Inovasi dalam penggerak listrik hibrida dan teknologi sel bahan bakar dapat diambil dari teknologi komersial. Misalnya, BAE Systems memproduksi bus listrik hibrida, teknologi yang dapat digunakan untuk menunjukkan efisiensi energi dan meningkatkan karakteristik knalpot kendaraan listrik hibrida modern yang dirancang untuk kondisi berat.
Peningkatan kemampuan bertahan hidup
Sistem hybrid juga meningkatkan kemampuan bertahan melalui tata letak yang lebih fleksibel dan penghapusan komponen transmisi yang dapat menjadi proyektil sampingan saat diledakkan oleh ranjau atau IED. Kendaraan lapis baja beroda sangat diuntungkan dari hal ini. Dengan mengintegrasikan motor penggerak ke hub roda, semua poros baling-baling, diferensial, poros penggerak, dan kotak roda gigi yang terkait dengan transmisi manual tradisional dihilangkan dan diganti dengan kabel daya dan oleh karena itu tidak dapat menjadi proyektil tambahan. Menghilangkan semua mekanisme ini juga memungkinkan kompartemen awak diangkat di atas tanah pada ketinggian kendaraan tertentu, membuat penumpang kurang rentan terhadap ledakan di bawah lambung. Jenis desain ini digunakan dalam demonstrasi General Dynamics UK AHED 8x8 dan versi beroda dari mesin SEP dari BAE Systems / Hagglunds, versi yang dilacak yang juga diproduksi (dan kemudian dilupakan dengan aman).
Motor listrik yang terintegrasi ke dalam roda individu mengontrol daya yang dikirim ke setiap roda dengan sangat tepat dan ini, menurut GD UK, hampir menghilangkan keunggulan trek di atas roda dalam hal medan off-road.
Kendaraan tempur darat yang menjanjikan akan bergerak di trek dan proposal BAE Systems / Northrop Grumman menunjukkan bahwa transmisi listrik E-X-DRIVE Qinetiq akan lebih ringan, lebih kompak dan lebih efisien daripada transmisi tradisional. Ini juga memungkinkan peningkatan akselerasi bersama dengan toleransi kesalahan dan dapat dikonfigurasi untuk berbagai program adopsi mesin dan teknologi, kata perusahaan.
Meskipun sistemnya mencakup empat motor magnet permanen, powertrain di E-X-DRIVE tidak sepenuhnya listrik; pemulihan daya saat menikung dan perpindahan gigi mekanis, yang terakhir menggunakan kopling cam. Desain ini adalah solusi risiko rendah yang meminimalkan tekanan pada motor, roda gigi, poros, dan bantalan. Penggunaan susunan poros melintang untuk meregenerasi tenaga mekanik pada mekanisme ayun merupakan alternatif penggunaan roda penggerak mandiri pada transmisi listrik murni.
Salah satu inovasi di jantung E-X-DRIVE adalah gearbox tengah (dikenal sebagai penyesuaian diferensial), yang menggabungkan torsi motor kemudi, torsi motor utama, dan mekanisme pemulihan kontrol mekanis yang disebutkan sebelumnya. Selain meminimalkan beban puntir, ini menghilangkan sebagian besar dan berat poros silang eksternal yang digunakan dalam solusi tradisional dan sistem penggerak listrik hibrida lainnya.
Kemajuan di bidang teknik listrik
Motor magnet permanen adalah bidang teknologi yang telah sangat meningkatkan efisiensi dan kepadatan daya sistem penggerak listrik di semua aplikasi dalam beberapa tahun terakhir. Motor magnet permanen mengandalkan magnet tanah jarang yang kuat dan terjadi secara alami untuk menghasilkan medan magnet di komponen stator, bukan pada belitan pembawa arus (elektromagnet). Hal ini membuat motor lebih efisien, terutama karena hanya rotor yang perlu dialiri arus listrik.
Elektronika daya modern juga merupakan teknologi utama untuk semua jenis kendaraan listrik hibrida. Pengendali motor berbasis IGBT, misalnya, mengontrol aliran daya dari baterai, generator, atau sel bahan bakar untuk menentukan kecepatan rotasi dan torsi keluaran dari motor listrik. Mereka jauh lebih efisien daripada sistem kontrol elektromekanis dan secara signifikan meningkatkan kinerja penggerak kecepatan variabel - teknologi yang jauh lebih matang daripada penggerak kecepatan tetap yang banyak digunakan di industri.
TDI Power yang berbasis di New Jersey adalah contoh investor yang berinvestasi dalam elektronika daya berpendingin cairan untuk kendaraan listrik dan hibrida untuk aplikasi sipil dan militer. Perusahaan memproduksi konverter dan inverter DC / DC modular standar yang melebihi standar SAE dan MIL saat ini.
Penggerak listrik pada kendaraan militer akan mendapat manfaat dari R&D ekstensif pada penggerak kecepatan variabel untuk industri, didorong oleh prospek penghematan energi keseluruhan sekitar 15-30%, yang dapat diwujudkan jika mesin roda gigi tetap diganti dengan penggerak kecepatan variabel untuk sebagian besar industri pengguna, seperti yang diuraikan dalam studi terbaru oleh University of Newcastle yang ditugaskan oleh Otoritas Sains dan Inovasi Inggris. “Meningkatkan potensi efisiensi beban penggerak diproyeksikan untuk menghemat 15 kWh miliar jam Inggris per tahun, dan bila dikombinasikan dengan peningkatan efisiensi motor dan penggerak, penghematan total 24 miliar kWh,” kata studi tersebut.
Salah satu cara penting untuk meningkatkan efisiensi transmisi daya dalam sistem kelistrikan apa pun adalah dengan meningkatkan tegangan, karena hukum Ohm menyatakan bahwa untuk daya apa pun, semakin tinggi tegangan, semakin rendah arus. Arus kecil dapat melewati kabel tipis, memungkinkan sistem kelistrikan yang ringkas dan ringan untuk menyediakan beban yang diperlukan. Inilah sebabnya mengapa jaringan listrik nasional menggunakan tegangan yang sangat tinggi saat mentransmisikan daya; Jaringan listrik Inggris, misalnya, mengoperasikan saluran transmisinya hingga 400.000 volt.
Tidak mungkin bahwa sistem kelistrikan kendaraan militer akan menggunakan voltase sebesar ini, tetapi hari-hari 28 volt dan sistem kelistrikan serupa tampaknya akan dihitung. Pada tahun 2009, misalnya, Qinetiq dipilih oleh Departemen Pertahanan Inggris untuk meneliti pembangkitan dan distribusi tenaga listrik menggunakan teknologi 610 volt. Qinetiq memimpin tim yang mencakup BAE Systems dan spesialis mesin listrik Provector Ltd, yang mengubah WARRIOR 2000 BMP menjadi alat peraga yang mampu memberi daya 610 volt kepada pelanggan permintaan tinggi serta peralatan 28 volt yang ada. Mesin ini dilengkapi dengan dua generator 610 volt, masing-masing menyediakan dua kali kekuatan mesin asli, yang secara efektif melipatgandakan output listrik Warrior.
Energi untuk kendaraan yang menggunakan sel bahan bakar dari SFC
Prajurit di lapangan membutuhkan sumber energi yang dapat diandalkan untuk mesin mereka. Itu harus memasok arus ke perangkat on-board seperti radio, peralatan komunikasi, sistem senjata, dan sistem elektronik optik. Tetapi bila diperlukan, itu juga harus bertindak sebagai stasiun pengisian untuk tentara yang bertugas.
Seringkali tidak mungkin untuk menghidupkan mesin untuk mengisi baterai saat melakukan tugas, karena fakta bahwa ini dapat mengungkapkan lokasi unit. Oleh karena itu, para prajurit membutuhkan cara untuk mendapatkan arus listrik - diam-diam, terus-menerus dan mandiri.
Sistem EMILY 2200 SFC didasarkan pada teknologi sel bahan bakar EFOY yang sukses. Dipasang pada mesin, unit EMILY memastikan bahwa baterai tetap terisi daya secara konstan. Regulator bawaannya secara konstan memonitor voltase di baterai dan secara otomatis mengisi ulang baterai saat dibutuhkan. Ia bekerja tanpa suara dan satu-satunya "knalpot" adalah uap air dan karbon dioksida dalam jumlah yang sebanding dengan pernapasan seorang anak.
Mesin besar membutuhkan baterai besar. Paket sel lithium-ion ini adalah bagian dari teknologi propulsi bus hibrida BAE Systems.
Apakah sel bahan bakar mungkin?
Sel bahan bakar, yang menggunakan proses kimia untuk secara langsung mengubah bahan bakar menjadi arus listrik dengan efisiensi tinggi, telah lama dipandang sebagai teknologi yang dapat digunakan secara luas di bidang militer, termasuk menggerakkan mobil dan menghasilkan listrik di atas kapal. Namun, ada kendala teknis yang signifikan yang perlu diatasi. Pertama, sel bahan bakar menggunakan hidrogen dan mencampurnya dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan arus listrik sebagai produk sampingan. Hidrogen tidak tersedia dan sulit untuk disimpan dan diangkut.
Ada banyak contoh sel bahan bakar yang menggerakkan kendaraan listrik, tetapi semuanya eksperimental. Di dunia otomotif, Honda FCX CLARITY mungkin merupakan ketersediaan yang paling dekat dengan produk komersial, tetapi meskipun demikian, produk ini hanya tersedia di area yang memiliki infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen dan hanya berdasarkan perjanjian sewa. Bahkan produsen sel bahan bakar terkemuka seperti Ballard Power mengakui keterbatasan teknologi ini saat ini untuk digunakan dalam mobil. Perusahaan mengatakan bahwa “produksi massal kendaraan sel bahan bakar dalam jangka panjang. Saat ini, sebagian besar pembuat mobil percaya bahwa produksi serial kendaraan sel bahan bakar tidak layak sampai sekitar tahun 2020, karena industri menghadapi masalah distribusi hidrogen, mengoptimalkan daya tahan, kepadatan energi, kemampuan start panas dan biaya sel bahan bakar.
Namun, semua pembuat mobil besar dunia berinvestasi besar-besaran dalam R&D sel bahan bakar, sering kali bersama dengan produsen sel bahan bakar. Ballard, misalnya, adalah bagian dari Automotive Fuel Cell Cooperation, sebuah perusahaan patungan antara Ford dan Daimler AG. Militer menempatkan hambatan lain untuk adopsi sel bahan bakar dalam bentuk persyaratan bahwa segala sesuatu harus berjalan pada bahan bakar "logistik". Sel bahan bakar dapat berjalan dengan solar atau minyak tanah, tetapi mereka harus terlebih dahulu dimodifikasi untuk mengekstrak hidrogen yang mereka butuhkan. Proses ini membutuhkan peralatan yang rumit dan besar, mempengaruhi ukuran, berat, biaya, kompleksitas dan efisiensi sistem secara keseluruhan.
Keterbatasan lain dari sel bahan bakar saat beroperasi sebagai penggerak utama kendaraan militer adalah kenyataan bahwa sel bahan bakar tersebut bekerja paling baik pada pengaturan daya konstan dan tidak dapat merespon dengan cepat terhadap perubahan yang diperlukan. Ini berarti bahwa mereka harus dilengkapi dengan baterai dan / atau superkapasitor dan elektronik pengatur daya terkait untuk memenuhi beban daya puncak.
Di bidang "superkapasitor", perusahaan Estonia Skeleton Industries telah mengembangkan lini superkapasitor SkelCap canggih yang lima kali lebih kuat per liter volume atau empat kali lebih kuat per kilogram daripada baterai militer premium.. Dalam praktiknya, ini berarti daya 60 persen lebih besar dan arus empat kali lipat dibandingkan dengan baterai militer terbaik. "Superkapasitor" SkelCap memberikan ledakan daya instan dan digunakan untuk berbagai macam aplikasi, mulai dari pengendalian kebakaran hingga tangki turret. Sebagai bagian dari grup United Armaments International (UAI), SkelCap memenuhi berbagai pesanan khusus serta program yang diperluas melalui grup UAI yang berbasis di Tallinn.
Superkapasitor dari Skeleton Industries
Namun, ini tidak berarti bahwa sel bahan bakar tidak akan menemukan tempat di kendaraan militer hibrida dan listrik. Aplikasi langsung yang paling menjanjikan adalah unit daya tambahan (APU) pada kendaraan yang melakukan tugas pengawasan senyap jenis ISTAR (pengumpulan informasi, penunjukan target, dan pengintaian)."Dalam mode pengawasan senyap, mesin kendaraan tidak harus berjalan, dan baterai saja tidak dapat menyediakan daya yang cukup untuk operasi jangka panjang," kata Pusat Penelitian Teknik Angkatan Darat AS, yang memimpin pengembangan generator sel bahan bakar oksida padat dan APU yang dapat beroperasi dengan bahan bakar militer, solar dan minyak tanah.
Organisasi ini saat ini berfokus pada sistem hingga 10 kW dengan penekanan pada integrasi penuh sistem bahan bakar dengan kebutuhan pengoperasian kit sel bahan bakar. Tugas-tugas yang perlu ditangani dalam perancangan sistem praktis ini meliputi pengendalian penguapan dan pencemaran, terutama pengendalian belerang melalui desulfurisasi (desulfurisasi) dan penggunaan bahan tahan belerang, serta menghindari pembentukan endapan karbon dalam sistem..
Penggerak listrik hibrida memiliki banyak hal yang ditawarkan untuk kendaraan militer, tetapi akan membutuhkan waktu sebelum manfaat dari teknologi ini menjadi nyata.
