يتمتع نظام خلايا الوقود EMILY 3000 بقدرة خرج مقدرة تبلغ 125 واط وسعة شحن يومية تبلغ 6 كيلو واط في الساعة. يمكنه إعادة شحن بطاريات متعددة أو العمل كمولد ميداني. تم إنشاء النظام خصيصًا للتطبيقات العسكرية ، بما في ذلك سيناريوهات الاختبار التي يجب فيها جمع البيانات الخاصة بأنظمة الدفاع الجديدة وتقييمها في الميدان.
في النهاية ، تقدم محطات الطاقة الهجينة مزايا مماثلة أو أفضل للمركبات المدرعة. في حين أن كفاءة استهلاك الوقود ، على الأقل تاريخياً ، لم تكن على رأس قائمة الخصائص الإلزامية للمركبات المدرعة ، ومع ذلك ، فإنها تزيد من الأميال و / أو المدة لسعة وقود معينة ، وتزيد الحمولة الصافية ، أو الحماية أو القوة النارية لمجموع معين الوزن ، وبشكل عام ، تقليل العبء اللوجستي الكلي على الأسطول
قد يلعب المحرك الكهربائي الهجين دورًا مهمًا في مستقبل المركبات العسكرية ، ولكن تم تأجيل إلغاء وتقليل حجم العديد من البرامج الدفاعية (دون إغفال FCS و FRES الشهيرة) والنضال من أجل تلبية المتطلبات العاجلة للمركبات المحمية تنفيذه على المركبات العسكرية إلى أجل غير مسمى.
ومع ذلك ، عندما تم الإعلان عن المتقدمين للمركبة القتالية الأرضية الأمريكية GCV (مركبة القتال الأرضية) في يناير 2011 ، كان من بينهم مشروع من فريق BAE Systems / Northrop Grumman مع وحدة طاقة كهربائية هجينة مع نظام E-X-DRIVE من Qinetiq. يمكن اعتبار هذا نوعًا من المقامرة لأن أياً من المتنافسين على برنامج المركبات التكتيكية الخفيفة JLTV (المركبة التكتيكية الخفيفة المشتركة) ، والذي تضمن أيضًا محركًا كهربائيًا هجينًا ، لم يتأهل للنهائي بسبب حقيقة أنه ، وفقًا لـ البيانات المتاحة ، يُعتقد أن تقنية هذا الجهاز لم تنضج بعد بدرجة كافية في هذا الوقت. ومع ذلك ، فإن تاريخ المحركات الكهربائية الهجينة في المركبات القتالية الأرضية يحتوي على عدد كافٍ من البرامج لتطوير هذه التكنولوجيا وإثباتها. هناك شيء لا يرحم ولا مفر منه حول السعي العالمي للتكنولوجيا والذي يعد بتوفير الوقود وتحسين الأداء والقدرة على البقاء ، مع تلبية الطلب المتزايد على الكهرباء على متن الطائرة. وهذا بلا شك مدعوم بالتطورات الموازية في صناعة السيارات ، مدفوعة بالتشريعات البيئية.
لقد استثمر مصنعو المركبات العسكرية ومزودو الأنظمة بكثافة في هذه التكنولوجيا ، وغالبًا ما دفعتهم بعض البرامج الحكومية الطموحة المذكورة أعلاه ، قبل مواجهة حالة عدم اليقين الخاصة المتأصلة في الخطط الحكومية طويلة الأجل. طورت AM General و BAE Systems و General Dynamics و Hagglunds و MillenWorks و Qinetiq محركات كهربائية هجينة لبرامج المملكة المتحدة والولايات المتحدة والسويد ، بينما تعمل Nexter على برنامج تطوير تكنولوجيا ARCHYBALD للمركبات الثقيلة ، المدنية والعسكرية.
ناقل حركة كهربائي E-X-DRIVE للمركبات المتعقبة من QinetiQ ، نظام خفيف الوزن وصغير الحجم وفعال
أسلاف هجينة
أصبحت أنظمة الدفع الهجين راسخة في السفن الحربية ، وخاصة في الغواصات والقطارات والشاحنات الثقيلة المستخدمة في المحاجر والمناجم المفتوحة. في هذه التطبيقات ، يقوم المحرك الرئيسي ، مثل محرك الديزل ، أو التوربينات الغازية ، أو كلاهما ، بتشغيل المولد الذي يوفر التيار لتشغيل المحركات وشحن البطاريات.تتضمن بعض الأنظمة علبة تروس لنقل الطاقة الميكانيكية إلى مجموعات الإدارة النهائية ، في حين أن البعض الآخر لا يفعل ذلك.
في السفن الحربية ، تسمح محطات الطاقة الهجينة باستخدام ملفات تعريف سرعة معقدة ومتفاوتة على نطاق واسع ، بينما يتم تشغيل المحركات الرئيسية في نطاق سرعة فعال: محركات كهربائية للدفع الصامت ، ومحركات ديزل للدفع العادي ، وتوربينات غازية للتسريع ، إلخ. لا تستطيع الغواصة ، التي تعمل بالطريقة التقليدية ، إطلاق جهاز الدفع الأساسي الخاص بها أثناء الغوص (إذا لم يكن بها غطس) ، وفي هذا الصدد ، يتعين على المرء الاعتماد بشكل أساسي على البطاريات أو غيرها من أنظمة الدفع المستقلة عن الهواء. تعتمد آلات نقل التربة العملاقة على عزم دوران هائل يبلغ صفر دورة في الدقيقة تولده المحركات الكهربائية للقيادة لأن عمليات النقل اليدوية التي يمكنها القيام بهذا النوع من العمل ستكون ضخمة ومعقدة ومكلفة. تواجه القطارات نفس المشكلة بشكل أكبر ، حيث يتعين عليها سحب عدة مئات من الأطنان معها من حالة التوقف التام ، في كثير من الحالات حتى سرعات تزيد عن 150 ميلاً في الساعة.
يمكن لنظام الدفع الهجين توفير الوقود من خلال السماح باستخدام محرك رئيسي أصغر حجمًا وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود دون تدهور ، لأن النظام ، عندما يضغط السائق بالكامل على دواسة الوقود ، يكمل المحرك الرئيسي بمحركات كهربائية تعمل بالبطارية. تسمح المحركات الكهربائية أيضًا بتخميد المحرك الرئيسي عند القيادة بسرعات منخفضة ، عندما يكون ذلك غير فعال نسبيًا. يمكن للسيارات الهجينة الحديثة أيضًا تخزين الطاقة الحركية (على سبيل المثال ، من نظام الكبح المتجدد) واستخدامها لشحن بطارياتها. يتم تحقيق وفورات إضافية من خلال تشغيل المحرك الرئيسي معظم الوقت بنطاق سرعته الأكثر كفاءة ، بالإضافة إلى استخدام أي طاقة إضافية لشحن البطاريات و / أو تشغيل مستهلكي الكهرباء على متن الطائرة.
تتطلب المركبات العسكرية الحديثة المزيد والمزيد من الطاقة الكهربائية لتشغيل أنظمة الاتصالات ومعدات القيادة والتحكم وأجهزة استشعار المراقبة والاستخبارات مثل الإلكترونيات الضوئية والرادارات ومحطات الأسلحة التي يتم التحكم فيها عن بُعد وأجهزة التشويش على العبوات الناسفة. الأنظمة المتقدمة مثل الدروع الكهربائية ستزيد من الاستهلاك. يعد استخدام كل الطاقة المركبة لتشغيل الأنظمة الكهربائية ، من الناحية النظرية ، أكثر كفاءة على الأقل من وجود نظام دفع وآخر للمعدات المتخصصة.
يتم التركيز بشكل متزايد على قدرات المراقبة وجمع المعلومات الاستخبارية في مهام مكافحة التمرد ، ونتيجة لذلك ، يتم طرح متطلبات المراقبة الصامتة في عدد متزايد من برامج المركبات المدرعة. هذا يزيد من أهمية استهلاك الطاقة الكهربائية ويجعل خلايا الوقود أكثر جاذبية.
تنقسم أنظمة القيادة الكهربائية الهجينة إلى فئتين عريضتين: متوازي ومتسلسل. في الأنظمة المتوازية ، يقوم محرك الاحتراق الداخلي والمحرك الكهربائي (أو المحركات الكهربائية) بتدوير العجلات أو المسارات من خلال علبة تروس ، إما بشكل منفصل أو معًا. في الأنظمة الهجينة المتسلسلة ، يقوم المحرك الرئيسي فقط بتشغيل المولد. النظام المتسلسل أبسط ، يجب أن تمر كل قوة القيادة فيه من خلال المحركات الكهربائية ، وبالتالي يجب أن تكون أكبر من المحركات الكهربائية في نظام موازٍ له نفس متطلبات أداء الماكينة. تم تطوير أنظمة من كلا النوعين.
يمكن استخلاص الابتكارات في المحركات الكهربائية الهجينة وتكنولوجيا خلايا الوقود من التكنولوجيا التجارية.على سبيل المثال ، تقوم شركة BAE Systems بتصنيع الحافلات الكهربائية الهجينة ، والتي يمكن استخدام التكنولوجيا من خلالها لإثبات كفاءة الطاقة وتحسين خصائص العادم للمركبات الكهربائية الهجينة الحديثة المصممة للظروف الثقيلة.
زيادة البقاء على قيد الحياة
تعمل الأنظمة الهجينة أيضًا على زيادة القدرة على البقاء من خلال تصميم أكثر مرونة والتخلص من مكونات الإرسال التي يمكن أن تصبح مقذوفًا جانبيًا عند تفجيرها بواسطة لغم أو عبوة ناسفة. تستفيد المركبات المدرعة ذات العجلات من هذا بشكل خاص. من خلال دمج محركات الدفع في محاور العجلات ، يتم التخلص من جميع أعمدة المروحة والتفاضلات وأعمدة الإدارة وعلب التروس المرتبطة بعمليات النقل اليدوية التقليدية واستبدالها بكابلات طاقة وبالتالي لا يمكن أن تصبح مقذوفات إضافية. يسمح إلغاء كل هذه الآليات أيضًا برفع مقصورة الطاقم فوق الأرض عند ارتفاع معين للمركبة ، مما يجعل الركاب أقل عرضة للانفجارات تحت الهيكل. تم استخدام هذا النوع من التصميم في العرض التوضيحي لـ General Dynamics UK AHED 8x8 والنسخة ذات العجلات من آلة SEP من BAE Systems / Hagglunds ، والتي تم أيضًا تصنيع الإصدار المتعقب منها (ومن ثم نسيها بأمان).
تتحكم المحركات الكهربائية المدمجة في العجلات الفردية في الطاقة المقدمة لكل عجلة بدقة شديدة وهذا ، وفقًا لـ GD UK ، يلغي تقريبًا ميزة المسارات فوق العجلات من حيث التضاريس الوعرة.
ستتحرك المركبة القتالية البرية الواعدة على المسارات ، ويشير اقتراح BAE Systems / Northrop Grumman إلى أن ناقل الحركة الكهربائي E-X-DRIVE من Qinetiq سيكون أخف وزنًا وأكثر إحكاما وأكثر كفاءة من ناقل الحركة التقليدي. كما أنه يسمح بتحسين التسارع جنبًا إلى جنب مع التسامح مع الخطأ ويمكن تكوينه لمجموعة واسعة من برامج اعتماد الماكينات والتكنولوجيا ، كما تقول الشركة.
على الرغم من أن النظام يشتمل على أربعة محركات مغناطيسية دائمة ، إلا أن مجموعة نقل الحركة في E-X-DRIVE ليست كهربائية بالكامل ؛ استعادة الطاقة عند المنعطفات وتحويل التروس الميكانيكي ، وهذا الأخير يستخدم قابض كامة. هذا التصميم هو حل منخفض المخاطر يقلل من الضغوط الواقعة على المحركات والتروس والأعمدة والمحامل. يعد استخدام ترتيب العمود العرضي لتجديد الطاقة الميكانيكية في آلية التأرجح بديلاً عن استخدام عجلات القيادة المستقلة في ناقل حركة كهربائي بحت.
أحد الابتكارات في قلب E-X-DRIVE هو علبة التروس المركزية (المعروفة باسم تفاضل الضبط) ، والتي تجمع بين عزم دوران محرك التوجيه وعزم دوران المحرك الرئيسي وآلية استرداد التحكم الميكانيكي المذكورة سابقًا. بالإضافة إلى تقليل الأحمال الالتوائية إلى الحد الأدنى ، فإنه يزيل حجم ووزن العمود المتقاطع الخارجي المستخدم في الحلول التقليدية وأنظمة القيادة الكهربائية الهجينة الأخرى.
التقدم في الهندسة الكهربائية
تعد المحركات ذات المغناطيس الدائم مجالًا من مجالات التكنولوجيا التي حسنت بشكل كبير من كفاءة وكثافة الطاقة لأنظمة الدفع الكهربائي في جميع التطبيقات في السنوات الأخيرة. تعتمد محركات المغناطيس الدائم على مغناطيسات أرضية نادرة قوية تحدث بشكل طبيعي لتوليد مجالات مغناطيسية في مكونات الجزء الثابت ، بدلاً من اللفات الحاملة للتيار (المغناطيسات الكهربائية). هذا يجعل المحركات أكثر كفاءة ، لا سيما بسبب حقيقة أن الدوار فقط هو الذي يحتاج إلى الإمداد بالتيار الكهربائي.
تعد إلكترونيات الطاقة الحديثة أيضًا تقنية أساسية للسيارات الكهربائية الهجينة بجميع أنواعها. تتحكم وحدات التحكم في المحرك القائمة على IGBT ، على سبيل المثال ، في تدفق الطاقة من بطارية أو مولد أو خلايا وقود لتحديد سرعات الدوران وعزم الدوران الناتج من المحركات الكهربائية. إنها أكثر كفاءة بكثير من أنظمة التحكم الكهروميكانيكية وتحسن بشكل كبير أداء محركات السرعة المتغيرة - وهي تقنية أقل نضجًا بكثير من محركات السرعة الثابتة المستخدمة على نطاق واسع في الصناعة.
تعتبر TDI Power ومقرها نيوجيرسي مثالاً على مستثمر يستثمر في إلكترونيات الطاقة المبردة بالسائل للمركبات الكهربائية والهجينة للتطبيقات المدنية والعسكرية. تقوم الشركة بتصنيع محولات ومحولات DC / DC معيارية معيارية تتجاوز معايير SAE و MIL الحالية.
ستستفيد المحركات الكهربائية في المركبات العسكرية من البحث والتطوير المكثف على محركات متغيرة السرعة للصناعة ، مدعومًا باحتمالية توفير إجمالي في الطاقة بحوالي 15-30 ٪ ، والذي يمكن تحقيقه إذا تم استبدال آلات التروس الثابتة بمحركات متغيرة السرعة لمعظم الصناعات. المستخدمين ، كما هو موضح في دراسة حديثة أجرتها جامعة نيوكاسل بتكليف من هيئة العلوم والابتكار في المملكة المتحدة. وقالت الدراسة: "من المتوقع أن يؤدي تحسين الكفاءة المحتملة لأحمال القيادة إلى توفير 15 كيلووات ساعة مليار ساعة في المملكة المتحدة سنويًا ، وعندما يقترن بتحسين كفاءة المحرك والقيادة ، فإن إجمالي المدخرات يبلغ 24 مليار كيلووات في الساعة".
تتمثل إحدى الطرق المهمة لتحسين كفاءة نقل الطاقة في أي نظام كهربائي في زيادة الجهد ، حيث يفرض قانون أوم أنه بالنسبة لأي قوة معينة ، كلما زاد الجهد ، انخفض التيار. يمكن أن تمر التيارات الصغيرة عبر أسلاك رفيعة ، مما يسمح للأنظمة الكهربائية المدمجة وخفيفة الوزن بتوفير الأحمال المطلوبة. هذا هو السبب في أن شبكات الطاقة الوطنية تستخدم جهدًا عاليًا جدًا عند نقل الطاقة ؛ شبكات الكهرباء البريطانية ، على سبيل المثال ، تشغل خطوط النقل الخاصة بها حتى 400000 فولت.
من غير المحتمل أن تستخدم الأنظمة الكهربائية للمركبات العسكرية جهدًا بهذا الحجم ، ولكن يبدو أن أيام 28 فولتًا والأنظمة الكهربائية المماثلة معدودة. في عام 2009 ، على سبيل المثال ، تم اختيار شركة Qinetiq من قبل وزارة الدفاع البريطانية للبحث في توليد وتوزيع الطاقة الكهربائية باستخدام تقنية 610 فولت. قاد Qinetiq فريقًا شمل BAE Systems وأخصائي الماكينات الكهربائية Provector Ltd ، والذي حول WARRIOR 2000 BMP إلى متظاهر قادر على تزويد العملاء الذين يطلبون بشدة 610 فولت بالإضافة إلى المعدات الحالية بجهد 28 فولت. تم تجهيز الماكينة بمولدين بقوة 610 فولت ، يوفر كل منهما ضعف طاقة الماكينة الأصلية ، مما يؤدي إلى مضاعفة إنتاج المحارب الكهربائي أربع مرات.
الطاقة لمركبة تستخدم خلايا الوقود من SFC
يحتاج الجنود في الميدان إلى مصدر موثوق للطاقة لآلاتهم. يجب أن يزود التيار إلى الأجهزة الموجودة على متن الطائرة مثل أجهزة الراديو ومعدات الاتصالات وأنظمة الأسلحة والأنظمة الإلكترونية البصرية. ولكن عند الحاجة ، يجب أن تعمل أيضًا كمحطة شحن للجنود المكلفين بمهمة.
في كثير من الأحيان لا يمكن تشغيل المحرك لشحن البطاريات عند أداء المهمة ، نظرًا لأن هذا يمكن أن يكشف عن موقع الوحدة. لذلك ، يحتاج الجنود إلى وسيلة للحصول على التيار الكهربائي - بهدوء ، باستمرار وبشكل مستقل.
يعتمد نظام EMILY 2200 من SFC على تقنية خلايا الوقود EFOY الناجحة. تضمن وحدة EMILY ، المثبتة على الجهاز ، أن تظل البطاريات مشحونة باستمرار. يقوم منظمها المدمج بمراقبة الجهد في البطاريات باستمرار وإعادة شحن البطاريات تلقائيًا عند الحاجة. إنه يعمل بصمت و "عادمه" الوحيد هو بخار الماء وثاني أكسيد الكربون بكميات تضاهي تنفس الطفل.
تتطلب الآلات الكبيرة بطاريات كبيرة. تعد حزمة خلايا الليثيوم أيون هذه جزءًا من تقنية دفع الحافلات الهجينة الخاصة بشركة BAE Systems.
هل خلايا الوقود ممكنة؟
لطالما نُظر إلى خلايا الوقود ، التي تستخدم العمليات الكيميائية لتحويل الوقود مباشرة إلى تيار كهربائي بكفاءة عالية ، على أنها تقنية يمكن استخدامها على نطاق واسع في المجال العسكري ، بما في ذلك دفع السيارة وتوليد الكهرباء على متنها. ومع ذلك ، هناك عقبات فنية كبيرة يجب التغلب عليها. أولاً ، تعمل خلايا الوقود على الهيدروجين وتخلطه مع الأكسجين من الهواء لتوليد تيار كهربائي كمنتج ثانوي. الهيدروجين غير متوفر بسهولة ويصعب تخزينه ونقله.
هناك العديد من الأمثلة على خلايا الوقود التي تشغل المركبات الكهربائية ، لكنها كلها تجريبية. في عالم السيارات ، من المحتمل أن يكون FCX CLARITY من هوندا هو أقرب توفر لمنتج تجاري ، ولكن حتى ذلك الحين لا يتوفر إلا في المناطق التي توجد بها بعض البنية التحتية للتزود بالوقود بالهيدروجين وفقط بموجب اتفاقيات الإيجار. حتى الشركات المصنعة الرائدة لخلايا الوقود مثل Ballard Power تدرك القيود الحالية لهذه التكنولوجيا لاستخدامها في السيارات. تقول الشركة أن "الإنتاج الضخم للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود يتم على المدى الطويل. اليوم ، يعتقد معظم صانعي السيارات أن الإنتاج المتسلسل للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود غير ممكن حتى عام 2020 تقريبًا ، بسبب مواجهة الصناعة لقضايا توزيع الهيدروجين ، وتحسين المتانة ، وكثافة الطاقة ، والقدرة على بدء التشغيل السريع ، وتكلفة خلايا الوقود ".
ومع ذلك ، فإن جميع شركات صناعة السيارات الكبرى في العالم تستثمر بكثافة في البحث والتطوير في خلايا الوقود ، غالبًا بالاشتراك مع مصنعي خلايا الوقود. بالارد ، على سبيل المثال ، هو جزء من شركة Automotive Fuel Cell ، وهو مشروع مشترك بين Ford و Daimler AG. يضع الجيش عقبة أخرى أمام تبني خلايا الوقود في شكل مطلبه بأن كل شيء يجب أن يعمل بالوقود "اللوجيستي". يمكن أن تعمل خلايا الوقود على الديزل أو الكيروسين ، ولكن يجب تعديلها أولاً لاستخراج الهيدروجين الذي تحتاجه. تتطلب هذه العملية معدات معقدة وكبيرة الحجم ، مما يؤثر على حجم ووزن وتكلفة وتعقيد وكفاءة النظام ككل.
يتمثل أحد القيود الأخرى لخلايا الوقود عند العمل كمحرك رئيسي للمركبة العسكرية في حقيقة أنها تعمل بشكل أفضل في إعدادات الطاقة الثابتة ولا يمكنها الاستجابة بسرعة للتغييرات المطلوبة. هذا يعني أنه يجب استكمالها بالبطاريات و / أو المكثفات الفائقة وإلكترونيات تنظيم الطاقة المرتبطة بها لتلبية أحمال الطاقة القصوى.
في مجال "المكثفات الفائقة" ، طورت شركة Skeleton Industries الإستونية مجموعة من أحدث المكثفات الفائقة SkelCap التي تكون أقوى بخمس مرات لكل لتر من الحجم أو أقوى بأربع مرات لكل كيلوغرام من البطاريات العسكرية الممتازة. من الناحية العملية ، هذا يعني طاقة أكثر بنسبة 60 في المائة وأربعة أضعاف التيار مقارنة بأفضل البطاريات العسكرية. توفر "المكثفات الفائقة" من SkelCap تدفقًا فوريًا للطاقة وتستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، من التحكم في الحرائق إلى خزانات الأبراج. كجزء من مجموعة United Armaments International (UAI) ، تفي SkelCap بالعديد من الطلبات المتخصصة بالإضافة إلى البرامج الموسعة من خلال مجموعة UAI ومقرها في تالين.
المكثفات الفائقة من Skeleton Industries
ومع ذلك ، هذا لا يعني أن خلايا الوقود لن تجد مكانًا لها في المركبات العسكرية الهجينة والكهربائية. التطبيق الفوري الواعد هو وحدات الطاقة المساعدة (APU) في المركبات التي تقوم بمهام المراقبة الصامتة من نوع ISTAR (جمع المعلومات وتعيين الهدف والاستطلاع)."في وضع المراقبة الصامتة ، لا يتعين تشغيل محركات المركبات ، ولا يمكن للبطاريات وحدها أن توفر طاقة كافية لعمليات طويلة الأجل ،" كما يقول مركز أبحاث الهندسة بالجيش الأمريكي ، الذي يقود تطوير مولدات خلايا وقود الأكسيد الصلب ووحدات APU التي يمكن أن تعمل على الوقود العسكري ووقود الديزل والكيروسين.
تركز هذه المنظمة حاليًا على أنظمة تصل إلى 10 كيلوواط مع التركيز على التكامل الكامل لأنظمة الوقود مع احتياجات التشغيل لمجموعة خلايا الوقود. تشمل المهام التي يجب معالجتها في تصميم الأنظمة العملية التحكم في التبخر والتلوث ، وخاصة التحكم في الكبريت من خلال إزالة الكبريت (إزالة الكبريت) واستخدام مواد مقاومة للكبريت ، وكذلك تجنب تكوين رواسب الكربون في النظام.
لدى المحركات الكهربائية الهجينة الكثير لتقدمه للمركبات العسكرية ، ولكن سيمضي بعض الوقت قبل أن تصبح فوائد هذه التكنولوجيا ملموسة.
