Más energía en cada coche.
La tecnología de rueda motriz de Qinetiq para el proyecto de Techonología de vehículos terrestres X, basada en el concepto de control DARPA.
El creciente consumo de energía de los sistemas de vehículos a bordo brinda a las nuevas tecnologías la oportunidad de aprovechar la oportunidad para cambiar radicalmente la potencia y la movilidad de los vehículos militares en el futuro.
Teniendo en cuenta que es probable que la próxima generación de vehículos de combate del ejército estadounidense tenga una planta de energía híbrida, la industria simplemente necesita un programa a gran escala para poder incorporar sus tecnologías de energía, que ya ha desarrollado (junto con las modificaciones inevitables) en la mayoría de los casos. vehículos de combate. La mosca en el ungüento, sin embargo, es que, de acuerdo con los planes actuales, el ejército planea poner tales máquinas en servicio alrededor del año de 2035. Las decisiones importantes sobre su configuración probablemente no se tomarán antes de 2025 del año, a menos que los programas relevantes se aceleren en la presidencia de Trump.
Las enormes necesidades son un excelente incentivo para el desarrollo de nuevas tecnologías, que a su vez pueden proporcionar soluciones para satisfacer estas necesidades. Por ejemplo, la creciente demanda de energía eléctrica en el campo de batalla se combina con la necesidad de reducir la carga logística asociada con el suministro de combustible, así como el aumento de la maniobrabilidad fuera de la carretera de las fuerzas de combate y apoyo. Todo esto habla convincentemente a favor de la implementación a gran escala de unidades de potencia auxiliares, controles inteligentes del motor y una unidad eléctrica híbrida y, como resultado, un fuerte aumento en la potencia generada para los consumidores externos.
Superar la inercia
Con una amplia experiencia en la producción de muestras de demostración de tecnología de vehículos híbridos para varias estructuras militares y la producción de autobuses con sistemas de propulsión híbridos para el sector civil, BAE Systems está en una buena posición para evaluar con precisión dónde se encuentra esta tecnología hoy y cuáles son sus perspectivas. Lo mismo es cierto para DRS Technologies, que también participó en muchos proyectos de demostración. Tom Weaver, Director Comercial de DRS Network Computing and Test Solutions, dijo que el mercado aún está emergiendo y que las ventajas de los vehículos eléctricos aún tienen que superar la inercia de los vehículos tradicionales. Dicha inercia tiene un impacto negativo en el progreso de las máquinas capaces de generar la energía necesaria para los consumidores externos, a pesar de las necesidades que han aumentado en la última década "en al menos 100%".
“DRS trabaja con diferentes clientes para demostrar máquinas con nuevas tecnologías integradas en varias pruebas operativas. Las demostraciones exitosas y los comentarios positivos de los usuarios no llevaron al despliegue de tales vehículos en las tropas; además, ni siquiera se desarrollaron requisitos para ellos. Pero la demanda, sin embargo, seguirá creciendo, especialmente en lo que respecta a operaciones expedicionarias y máquinas especializadas, por ejemplo, con sistemas. armas energía direccional.
En la actualidad, DRS ofrece un sistema de suministro de energía a bordo para equipos de las máquinas de Vehículo Táctico Medio (MTV) y HMMWV en forma de Generador Integral de Transmisión, desarrollado en colaboración con Allison. Este sistema, instalado en un camión MTV, por ejemplo, genera energía para sistemas a bordo o externos de hasta 125 kW. La compañía también fabrica otros sistemas de gestión de energía instalados en varios vehículos. El ingeniero jefe Andrew Rosenfield de la compañía BAE Systems, que también se ocupa de sistemas similares, considera poco probable que los autos eléctricos puros desempeñen un papel importante en el combate terrestre, principalmente debido a problemas con la recarga de las baterías.
"Si bien la tecnología de transmisión de potencia para trabajar en un modo totalmente eléctrico está completamente resuelta, el problema del reabastecimiento de combustible posiblemente no permita enviar autos eléctricos puros a una batalla real", continuó. "Al final, el combustible diesel está disponible en cualquier parte del mundo, mientras que encontrar una estación de recarga de baterías en el desierto es muy problemático, pero incluso si lo encuentra, esperar ocho horas para cargarlas es probablemente una tarea imposible".
Weaver estuvo de acuerdo en que es probable que prevalezcan los coches híbridos, mencionando también las limitaciones de la infraestructura limpia de carga de automóviles eléctricos y la ubicuidad del diesel y el queroseno a reacción JP8. Sin embargo, Rosenfield hizo hincapié en que los autos eléctricos puros podrían desempeñar un papel importante en las bases militares, ya que podrían mover la carga, como ocurre en las empresas modernas o en los aeropuertos (tractores de aeródromos). "Los vehículos de celda de combustible probablemente podrían realizar tareas similares porque necesitan acceso gratuito a las tiendas de hidrógeno", dijo.
Weaver cree que hay un camino difícil por delante de los autos de celda de combustible por delante. “En primer lugar, no hay infraestructura de hidrógeno gaseoso, y habrá cierta desconfianza en el despliegue de nuevo combustible. El camino de tales máquinas comenzará con operaciones expedicionarias bien organizadas ".
Los circuitos híbridos también están más elaborados que los eléctricos puros, y tienen varias características que los hacen más atractivos que las máquinas eléctricas puras y mecánicas tradicionales. “En primer lugar, las plataformas eléctricas híbridas utilizan el mismo combustible que los motores diesel tradicionales. En segundo lugar, el par a bajas revoluciones del motor eléctrico es ideal para un automóvil que se desplaza en terrenos difíciles o sube una pendiente muy pronunciada ".
Añadió que la capacidad de generar grandes cantidades de electricidad a bordo es cada vez más importante a medida que se implementan nuevas capacidades, como los sistemas de comunicaciones y armas que utilizan láseres de alta potencia. La capacidad de exportar esta energía también es una gran ventaja, ya que estas máquinas pueden alimentar asentamientos y hospitales, cuyos sistemas de energía han fallado debido a daños de combate o desastres naturales.
"Finalmente, la reducción de los costos de operación y mantenimiento asociados con la economía sustancial de combustible y la mayor confiabilidad hacen de los vehículos eléctricos híbridos una opción inteligente y de largo plazo".
El Generador integral de transmisión desarrollado por Allison Transmission y DRS puede suministrar energía adicional a los vehículos blindados existentes.
Necesidades energéticas
Como señaló Weaver, la demanda de energía eléctrica a bordo de los vehículos de combate nunca ha disminuido, solo crecerán de año en año. "Los sistemas funcionales más nuevos requieren cada vez más energía de la plataforma del operador, así como actualizaciones constantes de los sistemas de generación y distribución de energía de los vehículos actuales".
“Tan pronto como haya agregado características tales como movimiento silencioso, radar, comunicaciones avanzadas, interferencia de señales y armaduras o armas electromagnéticas, la plataforma comienza a retrasarse respecto a los requisitos y este proceso se vuelve incontrolable sin cambiar al circuito híbrido-eléctrico. En la próxima década, la capacidad de generar grandes cantidades de electricidad a bordo se convertirá en uno de los componentes más importantes para todos los vehículos de combate ".
"Los vehículos impulsados eléctricamente deben hacer su trabajo, así como sus contrapartes mecánicas tradicionales y aún mejor", continuó. “Los sistemas impulsados por motor no solo son significativamente más simples y tienen menos partes móviles en comparación con los sistemas impulsados mecánicamente, sino que a menudo tienen un nivel de redundancia sorprendentemente bueno, lo que los hace más confiables. Por ejemplo, la mayoría de las transmisiones eléctricas con una disposición transversal pueden funcionar con un solo motor eléctrico fallado en un cierto grado de modo normal ".
Weaver dijo que las tecnologías clave desarrolladas en el transporte público ya están disponibles y están listas para ingresar al mercado. "El uso generalizado de circuitos eléctricos e híbridos, especialmente en autobuses y tranvías interurbanos, ha llevado al desarrollo de controladores de motor, inversores y convertidores que están cerca de lo que necesita el ejército", dijo. "Todo lo que la industria necesita es clientes que estén listos para pagar por el proceso de calificación, así como una cantidad suficiente para reducir el costo".
Mientras tanto, el trabajo continúa en la demostración. General Motors (GM) en AUSA en octubre, el 2016 del año mostró una versión “lista para usar” de su vehículo de celda de combustible Chevrolet Colorado ZH2, que se basa en un chasis alargado de una camioneta de tamaño medio. De acuerdo con el programa ZH2 de Colorado, con la asistencia del Centro de Investigación Acorazado TARDEC durante 2017, se deben pasar una serie de pruebas militares "bajo condiciones de operación extremas".
Fue un programa acelerado. GM y TARDEC, trabajando juntos, crearon una demostración por menos de un año después de firmar el contrato. "La velocidad con la que se pueden demostrar y evaluar las ideas innovadoras es muy alta, por lo que las relaciones de la industria son tan importantes para el ejército", dijo el Director de TARDEC, Paul Rogers. "Las celdas de combustible tienen el potencial de expandir significativamente las capacidades de los vehículos del ejército a través del funcionamiento silencioso, la generación de energía para clientes externos y el torque sostenible; todas estas ventajas nos obligan a explorar esta tecnología más de cerca".
"ZH2 le permite al ejército demostrar y evaluar la preparación de la tecnología de celda de combustible para uso militar y al mismo tiempo responder a la pregunta de cuán útiles pueden ser los vehículos de celda de combustible eléctrico en ciertas condiciones y en ciertas misiones de combate", dijo Dag Hallo, un representante de TARDEC.
Los beneficios esperados que TARDEC debería apreciar incluyen un funcionamiento casi silencioso, lo que permite una observación silenciosa, una visibilidad térmica reducida, un alto par motor en todas las velocidades, un bajo consumo de combustible en toda la gama de condiciones de operación y la obtención de agua potable como producto secundario del producto químico. Procesos que ocurren en las celdas de combustible. El Colorado ZH2 tiene una unidad de toma de fuerza a bordo para consumidores externos.
La central eléctrica se basa en celdas de combustible basadas en membranas de intercambio de protones capaces de generar una corriente constante de hasta 93 kW, y una batería, que también entrega 35 kW a la central eléctrica y se carga durante el frenado regenerativo. Sobre esto le dice el gerente de proyecto ZH2 en la compañía de GM Christopher Kolkit.
“Los tanques del automóvil almacenan aproximadamente 4,2 kg de hidrógeno comprimido bajo presión 10000 libras por pulgada cuadrada, que es más que 689 veces la presión atmosférica. El aire atmosférico es una fuente de oxígeno requerida para el proceso electroquímico, como resultado de lo cual se genera la energía eléctrica requerida; al mismo tiempo, solo se libera vapor de agua ", señaló.
Al igual que con todos los sistemas de accionamiento eléctrico, la entrega de energía desde la fuente a las ruedas es más fácil que con los vehículos tradicionales. “ZH2 no tiene una transmisión en el sentido habitual de la palabra. Un motor de CA de caja de cambios de una sola etapa transmite el par de torsión directamente a la caja de transferencia y al sistema de tracción en las cuatro ruedas, explicó Kolkit.
La celda de combustible Chevrolet Colorado ZH2 podría ampliar en el futuro el alcance de la aplicación de celdas de combustible en vehículos militares.
Infraestructura portatil
Como parte de este programa, el Centro TARDEC también está explorando lo que podría ser al menos una solución parcial al problema con la disponibilidad (infraestructura) de hidrógeno. Su solución aquí se ve favorecida por el hecho de que este elemento químico se puede producir de varias maneras a partir de diferentes fuentes. Como dijo el representante del Centro TARDEC, en la etapa inicial de trabajo en el proyecto ZH2, el plan es obtener hidrógeno comprimido en el proceso de reformado del queroseno de aviación JP8 en una unidad portátil de reformado que se moverá a cada sitio de prueba con la máquina, ya que esto aumentará el número de En esta etapa de las tareas.
"Actualmente queremos crear una unidad de reforma que pueda usar varias fuentes disponibles localmente, como el gas natural, aviación El queroseno JP8, el diesel o el propano DF2, para la producción de hidrógeno, dijo. - Las redes locales de electricidad, incluidas las fuentes de energía posiblemente renovables, también se pueden utilizar para producir hidrógeno junto con los recursos hídricos. Esto permitiría al ejército reducir la cantidad de combustible que se lleva a un teatro de operaciones en particular, y confiar en lo que está disponible en este teatro ".
Ya sea que se trate de baterías, celdas de combustible o plantas mixtas de energía eléctrica diesel como unidad de propulsión primaria, la conversión de la corriente eléctrica en movimiento hacia adelante requiere unidades eléctricas confiables y eficientes. La compañía británica Magtec fabrica sistemas de transmisión eléctrica para los mercados aeroespacial, marítimo y automotriz, ofreciendo, por ejemplo, varias opciones para reequipar camiones comerciales con nuevas centrales eléctricas.
Sin embargo, la compañía también desarrolló el tren motriz completo para plataformas con orugas y ruedas que demuestran las tecnologías híbridas creadas por BAE Systems Hagglunds para los departamentos de defensa británico y sueco al inicio de las 2000.
Para plataformas SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), tanto 6x6 sobre ruedas como sobre ruedas, la compañía ha desarrollado motores eléctricos (ruedas motrices) integrados en los cubos de las ruedas, que incluyen una caja de cambios de dos etapas y un sistema de frenos en cada uno, generadores pareados, equipos de control y distribución de energía. Para SEP, también desarrolló, instaló y probó software para controlar funciones básicas, como la distribución de energía, el control de tracción, el bloqueo de diferencial electrónico y la rotación alrededor del eje, lo que permite que la máquina gire en su lugar. Además, este sistema cumple con todas las regulaciones militares sobre compatibilidad electromagnética y requisitos ambientales.
Plataforma de ruedas y orugas SEP
El director ejecutivo de Magtec dijo que ve un buen potencial de crecimiento para los vehículos eléctricos con una mayor reserva de energía para tareas de apoyo de combate. Al mismo tiempo, las nuevas tecnologías contribuyen a una mejora significativa en la movilidad, a la reducción del consumo de combustible, a una mayor redundancia, además de permitir tomar decisiones de diseño originales. También señaló que la propulsión eléctrica simplifica la implementación del trabajo remoto y la autonomía.
Respecto al desarrollo adicional de las tecnologías necesarias, señaló que los sistemas de transmisión están listos para ingresar al mercado con una electrónica de potencia mejorada (para controlar las unidades de potencia), basada en circuitos de carburo de silicio de semiconductores. Son necesarios para controlar el alto voltaje en el que operan los sistemas eléctricos de nueva generación. El director de Magtec señaló que los voltajes 24, en los que operan la mayoría de los sistemas modernos, son ahora demasiado pequeños para los principales consumidores de electricidad (el aumento del voltaje permite transmitir más energía a través de los cables sin un aumento excesivo en la corriente).
Una de las compañías que trabajan en este campo, GE Aviation, recibió un contrato por 2,1 millones de dólares para el desarrollo y demostración de electrónica de potencia basada en carburo de silicio. De acuerdo con los resultados del programa de desarrollo 18-month, la compañía debe presentar las ventajas de su tecnología de transistores de efecto de campo de óxido de metal sobre carburo de silicio en combinación con dispositivos de nitruro de galio implementados en un convertidor de CC / CC bidireccional con 15 kW, 28 / 600 voltios.
Según la compañía, este equipo puede manejar el doble de energía, mientras que ocupa el doble del volumen en comparación con la electrónica de silicio actual, mientras que los convertidores podrán trabajar en paralelo y ser programados de acuerdo con el estándar CAN.
La compañía está desarrollando la arquitectura de potencia de vehículos de próxima generación del Centro TARDEC, calificándola como una tecnología innovadora y espera que la demostración de la tecnología esté lista para la mitad de 2017.
El tanque polaco Leopard 2A4 se está preparando para la modernización, incluida la tecnología eléctrica de Jenoptik
Doble velocidad
Otra tecnología innovadora es el Proyecto de Investigación de Defensa Avanzada DARPA, llamada Ground X-Vehicle Technology (GXV-T), en el cual los sistemas eléctricos jugarán un papel importante. El objetivo del proyecto es reducir a la mitad el tamaño, la masa y el tamaño de la tripulación de los posibles vehículos blindados, duplicando su velocidad, la capacidad de superar el 95% del terreno y reducir los signos de visibilidad.
Concepto de tecnología de vehículo de tierra X
En julio, 2016, DARPA, proporcionó a Qinetiq 2,7 un millón de dólares en inversiones para refinar la tecnología de los sistemas de propulsión eléctrica para el proyecto GXV-T. La compañía describe esta tecnología como motores eléctricos compactos y extremadamente potentes dentro de las ruedas, que reemplazan varias cajas de engranajes, diferenciales y ejes de transmisión. Este enfoque, dijo la compañía, reduce drásticamente la masa total de la plataforma y abre nuevas oportunidades de diseño que mejorarán la seguridad y el rendimiento.
Qinetiq destaca que además de su uso en nuevos conceptos, como el GXV-T, esta tecnología también puede mejorar las capacidades de los vehículos existentes al realizar actualizaciones. Por ejemplo, un vehículo de infantería de ruedas múltiples modernizado con cubos de rueda o motores de ruedas "podría beneficiarse de la mayor potencia y movilidad que proporciona la reducción de peso, o viceversa, utilizar estos ahorros para aumentar la protección, instalar equipos o aumentar la capacidad de los pasajeros".
La inversión fue seguida por un contrato anunciado en septiembre 2015 del año, según el cual este concepto se materializará en un diseño real y se probará, después de lo cual se realizarán dos muestras de trabajo en toda regla.
"Las unidades convencionales son bastante pesadas, tienen limitaciones en el uso del volumen disponible y consisten en componentes que pueden convertirse en proyectiles mortales en el caso de que una mina explote", dijo el jefe del departamento de investigación de Qinetiq, al comentar sobre este contrato. "La transferencia de unidades a las ruedas elimina esta amenaza y rompe la tendencia cuando las máquinas se vuelven más pesadas y menos móviles debido al aumento del nivel de protección y potencia del armamento".
Las máquinas existentes también pueden beneficiarse de la electrificación de subsistemas sin propulsión. Por ejemplo, la compañía alemana Jenoptik suministrará 126 torres eléctricas y sistemas de estabilización de armas para el programa de modernización polaco. tanques Leopard 2PL. Según la compañía, los sistemas eléctricos reemplazarán los sistemas hidráulicos en el tanque, reduciendo así el mantenimiento y la generación de calor.
Las entregas deben realizarse en los años 2017-2020 en virtud de un contrato por un valor de 23 millones de dólares, firmado con el polaco Bumar Labédy en octubre 2016. La misma compañía Bumar Labédy firmó un acuerdo de cooperación para la modernización de tanques con la compañía alemana Rheinmetall en febrero 2017.
Una de las áreas de negocio de Jenoptik es el desarrollo y la producción de plataformas / sensores de armas compactas y estabilizadas, sistemas de tracción para torres y armamentos, y bloques de espejos para estabilizar la línea de visión de los vehículos blindados.
Por ejemplo, el sistema de accionamiento de la pistola y las torretas para sistemas de armamento grandes consisten en motores eléctricos que apuntan horizontal y verticalmente, que guían la pistola en azimut y elevación, respectivamente, dependiendo de las señales de las unidades de control principal y de respaldo. Ambas unidades incluyen motores síncronos sin escobillas con posicionamiento absoluto, que no tienen espacio libre entre el engranaje de salida de cada motor eléctrico y el sector de engranajes de la unidad de arma.
Un sistema capaz de operar a una tensión de alimentación de 28 y 610 DC voltios puede transferir una pistola en cada plano a velocidades de hasta 60 ° / so menos que 0,2 mrad / s.
La unidad de control de la unidad, de acuerdo con las señales entrantes de los sensores, los controles y una vista activa, transforma la fuente de alimentación en un par de sistemas trifásicos, uno para cada servomotor para guía, estabilización y modo ejecutivo de la torreta y el armamento.
De acuerdo con el informe de la compañía de investigación IDTechEx, publicado el año pasado, el costo del mercado global para vehículos de electrificación de 2026 será de miles de millones de dólares de 300. Este crecimiento, debido al aumento en el número de controladores de motor por vehículo (ya que la dirección, la suspensión y otras piezas previamente mecánicas, neumáticas e hidráulicas reemplazarán a los sistemas eléctricos), proporcionarán la base tecnológica para el mercado masivo, lo que reducirá su costo para los vehículos militares.
Materiales utilizados:
www.shephardmedia.com
www.qinetiq.com
www.leonardodrs.com
www.allisontransmission.com
www.gm.com
www.jenoptik.com
www.army.mil
www.baesystems.com
www.saabgroup.com
www.wikipedia.org
en.wikipedia.org
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