Híbridos eléctricos y pilas de combustible.
El sistema de pila de combustible EMILY 3000 tiene una potencia de salida nominal de 125 W y una capacidad de carga diaria de 6 kWh. Puede recargar varias baterías o actuar como un generador de campo. El sistema fue creado específicamente para aplicaciones militares, incluidos los escenarios de prueba en los que los datos sobre nuevos sistemas defensivos deben recopilarse y evaluarse en el campo
En última instancia, las plantas de energía híbridas ofrecen beneficios comparables o incluso mejores a los vehículos blindados. Si bien la eficiencia del combustible, al menos históricamente, no ha estado en el primer lugar de la lista de características obligatorias de los vehículos blindados, sí incrementa el kilometraje y / o el tiempo de operación para una capacidad de combustible dada, aumenta la carga útil, la protección o la potencia de fuego para un conjunto determinado. Las masas y en general reducen la carga logística global de la flota.
El motor eléctrico híbrido puede desempeñar un papel importante en el futuro de los vehículos militares, pero la correspondiente cancelación y reducción de muchos programas de defensa (sin olvidar el famoso FCS y el FRES) y la lucha por cumplir con los requisitos urgentes de los vehículos protegidos retrasaron su introducción en los vehículos militares por un período indefinido.
Sin embargo, cuando los solicitantes del vehículo estadounidense de combate terrestre GCV (Ground Combat Vehicle) se anunciaron en enero, 2011, entre ellos, se encontraba un proyecto del equipo de BAE Systems / Northrop Grumman con una unidad de energía eléctrica híbrida con un sistema EX-DRIVE de Qinetiq. Esto se puede considerar como una especie de apuesta porque ninguno de los solicitantes del programa en el vehículo táctico ligero JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), que proporcionó una transmisión eléctrica híbrida, no calificó para la final debido a que cree que la tecnología para esta máquina aún no está lo suficientemente madura en este momento. Los no menos importantes historia Los accionamientos eléctricos híbridos en vehículos de combate terrestres tienen una cantidad suficiente de programas para desarrollar y demostrar esta tecnología. Hay algo inexorable e inevitable en el deseo global de introducir una tecnología que prometa ahorrar combustible, mejorar el rendimiento y la capacidad de supervivencia y, al mismo tiempo, satisfacer las crecientes necesidades de electricidad a bordo. Sin duda, esto está respaldado por desarrollos paralelos en la industria automotriz, impulsados por la legislación ambiental.
Los fabricantes de máquinas de guerra y los proveedores de sistemas han invertido mucho en esta tecnología, a menudo impulsada por una serie de programas gubernamentales ambiciosos antes mencionados, antes de enfrentar la incertidumbre particular inherente a los planes gubernamentales a largo plazo. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks y Qinetiq han desarrollado unidades híbridas para programas británicos, estadounidenses y suecos, mientras que Nexter está trabajando en un programa de desarrollo de tecnología ARCHYBALD para vehículos pesados, civiles y militares.
Transmisión de transmisión eléctrica EX-DRIVE para vehículos con seguimiento QinetiQ, sistema liviano, compacto y eficiente
Predecesores híbridos
Las plantas de energía híbrida se asentaron firmemente en buques de guerra, especialmente en submarinos, trenes y camiones pesados utilizados en minas a cielo abierto y a cielo abierto. En estas aplicaciones, un motor primario, como un motor diesel, una turbina de gas o incluso ambos sistemas, impulsa un generador que genera corriente para los motores de accionamiento y la carga de la batería. Algunos sistemas incluyen una caja de engranajes para transmitir energía mecánica a los mandos finales, mientras que en otros están completamente excluidos.
En los buques de guerra, las centrales eléctricas híbridas permiten el uso de perfiles de velocidad complejos y muy variables, mientras que los sistemas de propulsión primarios funcionan en el rango de velocidad efectiva: motores eléctricos para movimiento silencioso, motores diesel para movimiento ordinario, turbinas de gas para aceleración, etc. Un submarino operado de manera tradicional no puede lanzar su unidad de propulsión primaria durante una inmersión (si no tiene un snorkel) y, por lo tanto, es necesario depender principalmente de baterías u otra planta de energía independiente del aire. Las máquinas gigantes de movimiento de tierras se basan en un par de torsión enorme desde cero rpm generado por motores eléctricos debido al hecho de que las cajas de cambios manuales que podrían hacer este tipo de trabajo serán enormes, complejas y caras. Los trenes se enfrentan al mismo problema aún más, ya que tienen que arrastrar varios cientos de toneladas detrás de ellos, en muchos casos a velocidades que exceden las millas 150 por hora.
Una planta de energía híbrida puede ahorrar combustible, permitiéndole usar un motor primario más económico y más pequeño sin degradar el rendimiento, porque el sistema, cuando el conductor presiona el pedal del acelerador, complementa el motor principal con motores eléctricos alimentados por baterías. Los accionamientos eléctricos también permiten amortiguar el motor primario cuando se conduce a bajas velocidades, cuando puede ser relativamente ineficiente. Los automóviles híbridos modernos también pueden acumular energía cinética (por ejemplo, a través de un sistema de frenado regenerativo) y usarla para cargar sus baterías. Se consiguen ahorros adicionales al operar la propulsión primaria la mayor parte del tiempo en el rango de velocidad más eficiente, así como al usar cualquier energía adicional para cargar las baterías y / o alimentar a los consumidores de energía a bordo.
Los vehículos militares modernos requieren cada vez más energía eléctrica para operar sistemas de comunicación, equipos de comando y control, sensores de vigilancia y reconocimiento, como optoelectrónica y radares, módulos de combate controlados a distancia y silenciadores de dispositivos explosivos improvisados (SVU). Los sistemas prospectivos, como la armadura eléctrica, aumentarán aún más el consumo. El uso de toda la capacidad instalada para el funcionamiento de los sistemas eléctricos, en teoría, es al menos más eficiente que tener un sistema para el movimiento y uno más para equipos especializados.
Se está poniendo mayor énfasis en la posibilidad de observar y recopilar información en tareas de contrainsurgencia y, en este sentido, los requisitos para la observación silenciosa se presentan en un número creciente de programas de vehículos blindados. Esto aumenta aún más la importancia del consumo de energía eléctrica y hace que las celdas de combustible sean más atractivas.
Los sistemas de propulsión eléctrica híbrida se dividen en dos categorías amplias: paralelas y secuenciales. En sistemas paralelos, el motor de combustión interna y el motor eléctrico (o motores eléctricos) hacen girar las ruedas o las pistas a través de la caja de engranajes, ya sea por separado o en conjunto. En sistemas híbridos sucesivos, el motor primario acciona solo el generador. El sistema secuencial es más simple, toda la potencia de accionamiento debe pasar por los motores eléctricos y, por lo tanto, deben ser más grandes que los motores eléctricos en el sistema paralelo con los mismos requisitos para las características operativas de la máquina. Ambos tipos de sistemas han sido desarrollados.
Las innovaciones en los accionamientos híbridos-eléctricos y en el campo de las pilas de combustible pueden tomarse de las tecnologías comerciales. Por ejemplo, BAE Systems fabrica autobuses eléctricos híbridos, tecnologías a partir de las cuales se pueden utilizar para demostrar la eficiencia energética y las características mejoradas de emisiones de escape de los vehículos eléctricos híbridos modernos.
Aumentar la vitalidad
Los sistemas híbridos también aumentan la capacidad de supervivencia debido a un diseño más flexible y la exclusión de los componentes de la transmisión, que podrían convertirse en un proyectil lateral al socavar una mina o un IED. Los vehículos blindados con ruedas se benefician especialmente de esto. Al integrar los motores de accionamiento en los cubos de las ruedas, todos los ejes de transmisión, diferenciales, ejes de transmisión y cajas de cambios asociados con las transmisiones mecánicas tradicionales se eliminan y reemplazan con cables de alimentación y, por lo tanto, no pueden convertirse en proyectiles adicionales. La exclusión de todos estos mecanismos también hace posible elevar el compartimiento de la tripulación por encima del suelo a una altura determinada del vehículo, lo que hace que los pasajeros sean menos vulnerables cuando se encuentran debajo del casco. Este tipo de diseño se utilizó en el demostrador General Dynamics UK AHED 8x8 y en la versión con ruedas del vehículo SEE de BAE Systems / Hagglunds, cuya versión sobre orugas también se fabricó (y luego se olvidó).
Los motores eléctricos integrados en ruedas individuales le permiten controlar la potencia entregada a cada rueda con mucha precisión, y esto, según GD UK, casi elimina las ventajas de las vías sobre ruedas con respecto al aumento del terreno todo terreno.
Un posible vehículo de combate en tierra se moverá sobre pistas y, en la propuesta de BAE Systems / Northrop Grumman, se indica que la transmisión eléctrica EX-DRIVE de Qinetiq será más liviana, más compacta y más eficiente que las transmisiones tradicionales. También permite una mejor aceleración junto con la tolerancia a fallas y está configurado para una amplia gama de máquinas y programas de implementación de tecnología, según la compañía.
Aunque el sistema incluye cuatro motores de imán permanente, el tren motriz del EX-DRIVE no es completamente eléctrico; Recuperación de energía durante las curvas y cambio de marchas mecánico, este último con un embrague de leva. Este esquema es una solución de bajo riesgo que minimiza las cargas en motores, engranajes, ejes y rodamientos. El uso de un circuito de eje transversal para la regeneración de la potencia mecánica en un mecanismo de dirección es una alternativa al uso de ruedas motrices independientes en una transmisión puramente eléctrica.
Una de las innovaciones en el corazón del EX-DRIVE es la caja de cambios central (conocida como el diferencial de ajuste), que combina el par del motor de la dirección, el par del motor principal y el mecanismo de recuperación mecánica mencionado anteriormente. Además de minimizar las cargas de torsión, elimina el volumen y el peso del eje transversal externo utilizado en las soluciones tradicionales y otros sistemas híbridos de accionamiento eléctrico.
Éxitos en la eléctrica.
Los motores eléctricos de imán permanente son una industria tecnológica donde, en los últimos años, la eficiencia y la densidad de potencia de los sistemas de accionamiento eléctrico se han incrementado significativamente en todas las aplicaciones. Los motores de imán permanente para crear campos magnéticos en los componentes del estator se basan en imanes potentes de origen natural hechos de metales de tierras raras, y no en los devanados de corriente (electroimanes). Esto hace que los motores sean más eficientes, en particular debido al hecho de que solo el rotor debe recibir corriente eléctrica.
La electrónica de potencia moderna también es una tecnología clave para todos los tipos de máquinas híbridas eléctricas. Los controladores de motores eléctricos basados en un transistor bipolar de puerta aislada, por ejemplo, regulan el flujo de energía de una batería, un generador o celdas de combustible para determinar las velocidades de rotación y el par de salida de un motor eléctrico. Son mucho más eficientes que los sistemas de control electromecánicos y aumentan significativamente las características de los accionamientos eléctricos con velocidad de rotación ajustable, tecnologías mucho menos desarrolladas que los accionamientos eléctricos con velocidad fija, que son ampliamente utilizados en la industria.
La empresa TDI Power de Nueva Jersey es un ejemplo de un inversor que invierte en electrónica de potencia de refrigeración líquida para vehículos eléctricos e híbridos para uso civil y militar. La compañía fabrica convertidores e inversores de CC modulares estándar que superan los estándares actuales de SAE y MIL.
Los accionamientos eléctricos en máquinas militares se benefician de una extensa investigación y desarrollo sobre accionamientos de velocidad variable para la industria, estimulados por la posibilidad de un ahorro de energía global en torno al 15-30%, que puede realizarse si las máquinas con engranajes fijos se reemplazan por accionamientos de velocidad variable para la mayoría de los usuarios industriales, como expuesta en un estudio reciente de la Universidad de Newcastle encargado por el Departamento británico de Ciencia e Innovación. "El aumento de la eficiencia potencial de las cargas en las unidades, según lo previsto, ahorrará al Reino Unido 15 kW de miles de millones de horas al año, y en combinación con la mayor eficiencia del motor y su unidad, el ahorro total asciende a 24 mil millones de kWh", señala el estudio.
Una de las formas importantes de aumentar la eficiencia de la transmisión de energía en cualquier sistema eléctrico es aumentar el voltaje, ya que la ley de Ohm dicta que para cualquier potencia dada, cuanto mayor sea el voltaje, menor será la corriente. Las pequeñas corrientes pueden pasar a través de cables delgados, lo que permitirá que los sistemas eléctricos compactos y livianos proporcionen la carga necesaria. Es por eso que se utilizan voltajes muy altos en los sistemas de transmisión de energía en los sistemas de energía nacionales; Los sistemas de energía británicos, por ejemplo, operan sus líneas eléctricas a voltajes de hasta 400 000 voltios.
Es poco probable que el voltaje se utilice en los sistemas eléctricos de las máquinas militares, pero es probable que los días de voltios 28 y sistemas eléctricos similares estén contados. En el año 2009, por ejemplo, el Ministerio de Defensa británico eligió a Qinetiq para la investigación sobre la generación y distribución de energía eléctrica utilizando la tecnología de voltios 610. Qinetiq dirigió el equipo, que incluyó a BAE Systems y el especialista en maquinaria eléctrica Provector Ltd, que convirtió el WARRIOR 2000 BMP en un demostrador capaz de alimentar a los consumidores con altos voltajes de 610, así como a los equipos existentes de 28 voltios. La máquina está equipada con dos generadores de voltios 610, cada uno de los cuales proporciona el doble de energía que el generador de la máquina original, lo que en realidad aumenta cuatro veces la salida eléctrica del Warrior.
Energía para un vehículo con pilas de combustible de SFC
Los soldados en el campo necesitan una fuente confiable de energía para sus vehículos. Debe suministrar corriente a los dispositivos a bordo, como una estación de radio, equipo de comunicaciones, sistemas de armas y sistemas electrónicos ópticos. Pero si es necesario, también debería funcionar como una estación de carga para los soldados en misión.
A menudo, cuando se ejecuta la tarea, no existe la posibilidad de arrancar el motor para cargar las baterías debido a que puede revelar la ubicación de la unidad. Por lo tanto, los soldados necesitan una forma de obtener corriente eléctrica: silenciosa, constante e independientemente.
El sistema EMILY 2200 de SFC se basa en la exitosa tecnología de celda de combustible EFOY. Instalada en la máquina, la unidad EMILY garantiza que las baterías permanezcan cargadas constantemente. Su regulador incorporado controla constantemente el voltaje en las baterías y las recarga automáticamente si es necesario. Funciona silenciosamente y su único "escape" es vapor de agua y dióxido de carbono en una cantidad comparable a la respiración del niño.
Las máquinas grandes necesitan baterías grandes. Este paquete de celdas de iones de litio es parte de la tecnología de propulsión híbrida para autobuses de BAE Systems.
¿Son posibles las pilas de combustible?
Las celdas de combustible que utilizan procesos químicos para la conversión directa de combustible en corriente eléctrica con alta eficiencia han sido consideradas como una tecnología que puede ser ampliamente utilizada en la esfera militar, incluida la puesta en marcha de la máquina y la generación de electricidad a bordo. Sin embargo, hay obstáculos técnicos importantes que deben superarse. Primero, las celdas de combustible funcionan con hidrógeno y lo mezclan con el oxígeno del aire para producir una corriente eléctrica como subproducto. El hidrógeno no está disponible, es difícil de almacenar y transportar.
Hay muchos ejemplos de células de combustible que conducen vehículos eléctricos, pero todas son experimentales. En el mundo automotriz, el FCX CLARITY de Honda es probablemente el más cercano a un producto comercial cuando está listo, pero también está disponible solo en áreas donde hay cierta infraestructura para reabastecerse de combustible con hidrógeno y solo bajo contratos de arrendamiento. Incluso los principales fabricantes de celdas de combustible, como Ballard Power, reconocen las limitaciones actuales de esta tecnología para su uso en automóviles. La compañía dice que “la producción en masa de vehículos de pila de combustible es a largo plazo. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes de automóviles creen que la organización de la producción en serie de vehículos con celdas de combustible no es factible hasta aproximadamente el año 2020, debido a que la industria enfrenta los problemas de distribución de hidrógeno, optimización de la durabilidad, densidad de energía, la posibilidad de comenzar sin calefacción y el costo de las celdas de combustible ".
Sin embargo, todos los principales fabricantes de automóviles del mundo están invirtiendo fuertemente en la investigación y el desarrollo de celdas de combustible, que a menudo se realizan conjuntamente con los fabricantes de celdas de combustible. Ballard, por ejemplo, es parte de Automotive Fuel Cell Cooperation, una empresa conjunta de Ford y Daimler AG. Los militares plantean otro obstáculo para la adopción de celdas de combustible en la forma de su demanda de que todo debería funcionar con combustibles "logísticos". Las celdas de combustible pueden funcionar con diesel o queroseno, pero primero deben modificarse para extraer el hidrógeno que necesitan. Este proceso requiere equipos complejos y engorrosos, que afectan el tamaño, la masa, el costo, la complejidad y la eficiencia del sistema en su conjunto.
Otra limitación de las celdas de combustible cuando opera como el motor principal de un vehículo militar es el hecho de que funcionan mejor con configuraciones de potencia constante y no pueden responder rápidamente a los cambios necesarios. Esto significa que deben complementarse con baterías y / o supercapacitores y dispositivos electrónicos de control de potencia adecuados para cumplir con las cargas de potencia pico.
En el campo de los "supercondensadores", la compañía estonia Skeleton Industries ha desarrollado una gama de modernos supercondensadores SkelCap, que son cinco veces más potentes por litro de volumen o más de cuatro veces más potentes por kilogramo en comparación con las baterías militares de primera clase. En la práctica, esto significa un aumento del 60 por ciento en potencia y cuatro veces más corriente en comparación con las mejores baterías militares. Los "supercondensadores" SkelCap proporcionan un aumento de potencia instantáneo y se utilizan para una amplia variedad de tareas, desde control de incendios hasta torres de torretas. tanques. Como parte del grupo United Armaments International (UAI), SkelCap realiza varios pedidos especializados, así como programas avanzados a través del grupo UAI, con sede en Tallin.
Supercondensadores de Skeleton Industries
Sin embargo, esto no significa que las celdas de combustible no encuentren un lugar en vehículos militares híbridos y eléctricos. Las aplicaciones más cercanas más prometedoras son las unidades de energía auxiliar (VSU) en máquinas que realizan tareas de observación silenciosa del tipo ISTAR (recopilación de información, observación de objetivos y reconocimiento). "En el modo de monitoreo silencioso, los motores de las máquinas no deberían funcionar, y las baterías solas no pueden proporcionar suficiente energía para las operaciones a largo plazo", dice el Centro de Investigación de Ingeniería del Ejército Americano, que encabeza el desarrollo de generadores de celdas de combustible de óxido sólido y APU que pueden funcionar Sobre combustibles militares, diesel y queroseno.
Esta organización se centra actualmente en sistemas de hasta 10 kW, con un énfasis en la integración total de los sistemas de combustible con las necesidades operativas de un kit de celdas de combustible. Las tareas que deben abordarse en el desarrollo de sistemas prácticos incluyen el control de la vaporización y la contaminación, especialmente la lucha con el azufre debido a la desulfuración (desulfuración) y el uso de materiales resistentes al azufre, así como la eliminación de los depósitos de carbono en el sistema.
Los motores eléctricos híbridos tienen mucho que ofrecer para los vehículos militares, pero pasará un tiempo antes de que los beneficios de esta tecnología se vuelvan tangibles.
Materiales utilizados:
www.armada.ch
www.baesystems.com
www.qinetiq.com
www.sfc.com
www.skeletontech.com
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