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 generador de campo. El sistema fue creado específicamente para aplicaciones militares, incluidos escenarios de prueba en los que los datos sobre los nuevos sistemas de defensa deben recopilarse y evaluarse en el campo.
En última instancia, las centrales eléctricas híbridas ofrecen beneficios comparables o incluso mejores a los vehículos blindados. Si bien la eficiencia del combustible, al menos históricamente, no ha estado en la parte superior de la lista de características obligatorias de los vehículos blindados, sin embargo, aumenta el kilometraje y / o la duración para una capacidad de combustible determinada, aumenta la carga útil, la protección o la potencia de fuego para un total dado. peso y, en general, reducir la carga logística global de la flota
La propulsión eléctrica híbrida puede jugar un papel importante en el futuro de los vehículos militares, pero la correspondiente cancelación y reducción del volumen de muchos programas de defensa (sin olvidar los famosos FCS y FRES) y la lucha por cumplir con los requisitos urgentes de los vehículos protegidos se han pospuesto. su implementación en vehículos militares por tiempo indefinido.
Sin embargo, cuando se anunciaron los solicitantes del vehículo de combate terrestre estadounidense GCV (Ground Combat Vehicle) en enero de 2011, entre ellos se encontraba un proyecto del equipo BAE Systems / Northrop Grumman con una unidad de energía eléctrica híbrida con el sistema E-X-DRIVE de Qinetiq. Esto puede verse como una especie de apuesta porque ninguno de los contendientes del programa de vehículos tácticos ligeros JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), que también incluía un propulsor eléctrico híbrido, no calificó para la final debido a que, según Según los datos disponibles, se cree que la tecnología para esta máquina aún no está lo suficientemente madura en este momento. Sin embargo, la historia de los propulsores eléctricos híbridos en vehículos de combate terrestres tiene un número suficiente de programas para desarrollar y demostrar esta tecnología. Hay algo implacable e inevitable en la búsqueda global de tecnología que promete ahorrar combustible, mejorar el rendimiento y la supervivencia, al tiempo que satisface la creciente demanda de electricidad a bordo. Sin duda, esto se sustenta en desarrollos paralelos en la industria automotriz, impulsados por la legislación ambiental.
Los fabricantes de vehículos militares y los proveedores de sistemas han invertido mucho en esta tecnología, a menudo impulsados por algunos de los ambiciosos programas gubernamentales 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 accionamientos eléctricos híbridos para los programas del Reino Unido, Estados Unidos y Suecia, mientras que Nexter está trabajando en el programa de desarrollo de tecnología ARCHYBALD para vehículos pesados, civiles y militares.
Transmisión de accionamiento eléctrico E-X-DRIVE para vehículos de orugas de QinetiQ, sistema ligero, compacto y eficiente
Predecesores híbridos
Los sistemas de propulsión híbridos se han establecido firmemente en buques de guerra, especialmente en submarinos, trenes y camiones pesados utilizados en canteras y minas a cielo abierto. En estas aplicaciones, un motor primario, como un motor diesel, una turbina de gas o incluso ambos, impulsa un generador que suministra corriente para impulsar motores y cargar baterías. Algunos sistemas incluyen una caja de cambios para transferir potencia mecánica a los mandos finales, mientras que otros no.
En los buques de guerra, las plantas de energía híbrida permiten el uso de perfiles de velocidad complejos y muy variables, mientras que los motores principales se operan en un rango de velocidad efectivo: motores eléctricos para propulsión silenciosa, motores diesel para propulsión normal, turbinas de gas para aceleración, etc. Un submarino, impulsado por el método tradicional, no puede lanzar su dispositivo de propulsión principal durante una inmersión (si no tiene snorkel) y, en este sentido, uno tiene que depender principalmente de baterías u otro sistema de propulsión independiente del aire. Las máquinas gigantes de movimiento de tierras dependen de un enorme par de cero rpm generado por motores eléctricos para su accionamiento porque las transmisiones manuales que podrían realizar este tipo de trabajo serían enormes, complejas y costosas. Los trenes enfrentan el mismo problema aún más, ya que tienen que transportar varios cientos de toneladas con ellos desde la parada, en muchos casos hasta velocidades superiores a 150 mph.
Un sistema de propulsión híbrido puede ahorrar combustible al permitir que se use un motor primario más pequeño y más eficiente en combustible sin degradación, porque el sistema, cuando el conductor está presionando completamente el pedal del acelerador, complementa el motor principal con motores eléctricos alimentados por batería. Los accionamientos eléctricos también permiten la amortiguación del motor primario cuando se conduce a bajas velocidades, cuando puede ser relativamente ineficaz. Los automóviles híbridos modernos también pueden almacenar energía cinética (por ejemplo, de un sistema de frenado regenerativo) y usarla para cargar sus baterías. Se logran ahorros adicionales al operar el motor principal la mayor parte del tiempo en su rango de velocidad más eficiente, así como al usar cualquier energía adicional para cargar baterías y / o alimentar a los consumidores eléctricos a bordo.
Los vehículos militares modernos requieren cada vez más energía eléctrica para operar sistemas de comunicaciones, equipos de comando y control, sensores de vigilancia e inteligencia como optoelectrónica y radares, estaciones de armas controladas a distancia y bloqueadores de dispositivos explosivos improvisados (IED). Los sistemas avanzados como la armadura eléctrica aumentarán aún más el consumo. Usar toda la potencia instalada para hacer funcionar sistemas eléctricos es, en teoría, al menos más eficiente que tener un sistema de propulsión y otro para equipos especializados.
Se está poniendo cada vez más énfasis en las capacidades de vigilancia y recopilación de inteligencia en las misiones de contrainsurgencia y, como resultado, se están presentando requisitos de vigilancia silenciosa en un número cada vez mayor de programas de vehículos blindados. Esto aumenta aún más la importancia del consumo de energía eléctrica y hace que las pilas de combustible sean más atractivas.
Los sistemas de propulsión eléctrica híbrida se dividen en dos amplias categorías: en paralelo y en serie. En los sistemas en paralelo, un motor de combustión interna y un motor eléctrico (o motores eléctricos) hacen girar las ruedas o las pistas a través de una caja de cambios, ya sea por separado o juntos. En los sistemas híbridos en serie, el motor primario solo impulsa el generador. Un sistema secuencial es más simple, toda la potencia impulsora debe pasar por los motores eléctricos y, por lo tanto, deben ser más grandes que los motores eléctricos en un sistema paralelo con los mismos requisitos de rendimiento de la máquina. Se han desarrollado sistemas de ambos tipos.
Las innovaciones en los accionamientos eléctricos híbridos y la tecnología de pilas de combustible se pueden extraer de la tecnología comercial. Por ejemplo, BAE Systems fabrica autobuses híbridos eléctricos, cuya tecnología se puede utilizar para demostrar la eficiencia energética y las características mejoradas de escape de los vehículos híbridos eléctricos modernos diseñados para condiciones difíciles.
Mayor capacidad de supervivencia
Los sistemas híbridos también aumentan la capacidad de supervivencia a través de un diseño más flexible y la eliminación de componentes de transmisión que podrían convertirse en un proyectil lateral cuando son detonados por una mina o un artefacto explosivo improvisado. Los vehículos blindados con ruedas se benefician especialmente de esto. Al integrar los motores de transmisión en los cubos de las ruedas, todos los ejes de transmisión, diferenciales, ejes de transmisión y cajas de cambios asociados con las transmisiones manuales tradicionales se eliminan y reemplazan con cables de alimentación y, por lo tanto, no pueden convertirse en proyectiles adicionales. La eliminación de todos estos mecanismos también permite que el compartimento de la tripulación se eleve por encima del suelo a una altura determinada del vehículo, lo que hace que los pasajeros sean menos vulnerables a las explosiones debajo del casco. Este tipo de diseño se utilizó en el demostrador AHED 8x8 de General Dynamics UK y en la versión con ruedas de la máquina SEP de BAE Systems / Hagglunds, cuya versión con orugas también se fabricó (y posteriormente se olvidó de forma segura).
Los motores eléctricos integrados en las ruedas individuales controlan la potencia entregada a cada rueda con mucha precisión y esto, según GD UK, casi elimina la ventaja de las orugas sobre las ruedas en términos de terreno todoterreno.
El prometedor vehículo de combate terrestre se moverá sobre las vías y la propuesta de BAE Systems / Northrop Grumman indica que la transmisión eléctrica E-X-DRIVE de Qinetiq será más liviana, más compacta y más eficiente que las transmisiones tradicionales. También permite una aceleración mejorada junto con la tolerancia a fallas y es configurable para una amplia gama de programas de adopción de tecnología y máquinas, dice la compañía.
Aunque el sistema incluye cuatro motores de imanes permanentes, el tren de potencia del E-X-DRIVE no es completamente eléctrico; recuperación de potencia en curvas y cambio de marchas mecánico, este último mediante embrague de levas. Este diseño es una solución de bajo riesgo que minimiza las tensiones en motores, engranajes, ejes y cojinetes. El uso de una disposición de eje transversal para regenerar la potencia mecánica en el mecanismo de giro es una alternativa al uso de ruedas motrices independientes en una transmisión puramente eléctrica.
Una de las innovaciones en el corazón del E-X-DRIVE es la caja de cambios central (conocida como diferencial de ajuste), que combina el par del motor de dirección, el par del motor principal y el mecanismo de recuperación del control mecánico 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 de propulsión eléctrica híbrida.
Avances en ingeniería eléctrica
Los motores de imanes permanentes son un área de la tecnología que ha mejorado enormemente la eficiencia y la densidad de potencia de los sistemas de propulsión eléctrica en todas las aplicaciones en los últimos años. Los motores de imanes permanentes se basan en potentes imanes de tierras raras que se producen de forma natural para generar campos magnéticos en los componentes del estator, en lugar de en devanados portadores de corriente (electroimanes). Esto hace que los motores sean más eficientes, en particular debido al hecho de que solo el rotor necesita ser alimentado con corriente eléctrica.
La electrónica de potencia moderna también es una tecnología clave para los vehículos eléctricos híbridos de todo tipo. Los controladores de motor basados en IGBT, por ejemplo, controlan el flujo de energía de una batería, generador o celdas de combustible para determinar las velocidades de rotación y el par de salida de los motores eléctricos. Son mucho más eficientes que los sistemas de control electromecánicos y mejoran significativamente el rendimiento de los variadores de velocidad, una tecnología que es mucho menos madura que los variadores de velocidad fija que se utilizan ampliamente en la industria.
TDI Power, con sede en Nueva Jersey, es un ejemplo de un inversor que invierte en electrónica de potencia refrigerada por líquido para vehículos eléctricos e híbridos para aplicaciones civiles y militares. La empresa fabrica convertidores e inversores CC / CC modulares estándar que superan los estándares actuales SAE y MIL.
Los accionamientos eléctricos en vehículos militares se beneficiarán de una amplia I + D sobre accionamientos de velocidad variable para la industria, impulsados por la perspectiva de un ahorro de energía global de alrededor del 15-30%, que se puede lograr si las máquinas de engranajes fijos se reemplazan por accionamientos de velocidad variable para la mayoría de las industrias. usuarios, como se describe en un estudio reciente de la Universidad de Newcastle encargado por la Autoridad de Ciencia e Innovación del Reino Unido. “Se proyecta que la mejora de la eficiencia potencial de las cargas de los variadores ahorrará al Reino Unido 15 mil millones de horas de kWh por año, y cuando se combina con una eficiencia mejorada del motor y del variador, un ahorro total de 24 mil millones de kWh”, dijo el estudio.
Una de las formas importantes de mejorar 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 permite que los sistemas eléctricos compactos y ligeros proporcionen las cargas necesarias. Es por esto que las redes eléctricas nacionales utilizan voltajes muy altos cuando transmiten energía; Las redes eléctricas británicas, por ejemplo, operan sus líneas de transmisión hasta 400.000 voltios.
Es poco probable que los sistemas eléctricos de los vehículos militares utilicen voltajes de esta magnitud, pero los días de 28 voltios y sistemas eléctricos similares parecen estar contados. En 2009, por ejemplo, Qinetiq fue seleccionado por el Departamento de Defensa británico para investigar la generación y distribución de energía eléctrica utilizando tecnología de 610 voltios. Qinetiq dirigió un equipo que incluía a BAE Systems y al especialista en máquinas eléctricas Provector Ltd, que convirtió el WARRIOR 2000 BMP en un demostrador capaz de alimentar clientes de alta demanda de 610 voltios, así como equipos existentes de 28 voltios. La máquina está equipada con dos generadores de 610 voltios, cada uno de los cuales proporciona el doble de potencia que la máquina original, cuadruplicando efectivamente la salida eléctrica del Warrior.
Energía para un vehículo que utiliza pilas de combustible de SFC
Los soldados en el campo necesitan una fuente de energía confiable para sus máquinas. Debe suministrar corriente a los dispositivos a bordo, como radios, equipos de comunicaciones, sistemas de armas y sistemas electrónicos ópticos. Pero cuando sea necesario, también debería actuar como una estación de carga para los soldados asignados.
A menudo, no es posible arrancar el motor para cargar las baterías al realizar la tarea, debido a que esto puede revelar la ubicación de la unidad. Por lo tanto, los soldados necesitan una forma de obtener corriente eléctrica, de manera silenciosa, constante e independiente.
El sistema EMILY 2200 de SFC se basa en la exitosa tecnología de pila de combustible EFOY. Instalada en la máquina, la unidad EMILY asegura que las baterías permanezcan cargadas constantemente. Su regulador incorporado monitorea constantemente el voltaje en las baterías y las recarga automáticamente cuando es necesario. Funciona en silencio y su único "escape" es el vapor de agua y el dióxido de carbono en cantidades comparables a la respiración de un niño.
Las máquinas grandes requieren baterías grandes. Este paquete de celda de iones de litio es parte de la tecnología de propulsión de bus híbrido de BAE Systems.
¿Son posibles las pilas de combustible?
Las pilas de combustible, que utilizan procesos químicos para convertir directamente el combustible en corriente eléctrica con gran eficiencia, se han considerado durante mucho tiempo como una tecnología que puede utilizarse ampliamente en el campo militar, incluida la propulsión de un automóvil y la generación de electricidad a bordo. Sin embargo, existen importantes obstáculos técnicos que deben superarse. Primero, las celdas de combustible funcionan con hidrógeno y lo mezclan con oxígeno del aire para generar corriente eléctrica como subproducto. El hidrógeno no está fácilmente disponible y es difícil de almacenar y transportar.
Hay muchos ejemplos de pilas de combustible que alimentan vehículos eléctricos, pero todos son experimentales. En el mundo automotriz, el FCX CLARITY de Honda es probablemente la disponibilidad más cercana a un producto comercial, pero incluso entonces solo está disponible en áreas donde hay alguna infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno y solo bajo contratos de arrendamiento. Incluso los principales fabricantes de pilas de combustible, como Ballard Power, reconocen las limitaciones actuales de esta tecnología para su uso en automóviles. La empresa dice que “la producción masiva de vehículos de pila de combustible es a largo plazo. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes de automóviles creen que la producción en serie de vehículos con celda de combustible no es factible hasta alrededor de 2020, debido a que la industria enfrenta problemas de distribución de hidrógeno, optimización de la durabilidad, densidad de energía, capacidad de arranque en caliente y costo de la celda de combustible.
Sin embargo, todos los principales fabricantes de automóviles del mundo están invirtiendo fuertemente en I + D de celdas de combustible, a menudo junto con los fabricantes de celdas de combustible. Ballard, por ejemplo, es parte de Automotive Fuel Cell Cooperation, una empresa conjunta entre Ford y Daimler AG. El ejército está poniendo otro obstáculo para la adopción de pilas de combustible en la forma de su requisito de que todo funcione con combustibles "logísticos". Las pilas de combustible pueden funcionar con diésel o queroseno, pero primero deben modificarse para extraer el hidrógeno que necesitan. Este proceso requiere equipos complejos y voluminosos, que afectan el tamaño, el peso, el costo, la complejidad y la eficiencia del sistema en general.
Otra limitación de las celdas de combustible cuando operan como el motor principal de un vehículo militar es el hecho de que funcionan mejor con configuraciones de energía constante y no pueden responder rápidamente a los cambios requeridos. Esto significa que deben complementarse con baterías y / o supercondensadores y componentes electrónicos de regulación de potencia asociados para cumplir con las cargas de potencia máxima.
En el campo de los "supercondensadores", la empresa estonia Skeleton Industries ha desarrollado una línea de supercondensadores SkelCap de última generación que son cinco veces más potentes por litro de volumen o más de cuatro veces más potentes por kilogramo que las baterías militares premium.. En la práctica, esto significa un 60 por ciento más de potencia y cuatro veces la corriente en comparación con las mejores baterías militares. Los "supercondensadores" de SkelCap proporcionan una explosión instantánea de potencia y se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones, desde el control de fuego hasta los tanques de torreta. Como parte del grupo United Armaments International (UAI), SkelCap cumple con varios pedidos especializados, así como programas ampliados a través del grupo UAI con sede en Tallin.
Supercondensadores de Skeleton Industries
Sin embargo, esto no significa que las pilas de combustible no encontrarán un lugar en los vehículos militares híbridos y eléctricos. La aplicación inmediata más prometedora son las unidades de potencia auxiliar (APU) en vehículos que realizan tareas de vigilancia silenciosa del tipo ISTAR (recopilación de información, designación de objetivos y reconocimiento)."En el modo de vigilancia silenciosa, los motores de los vehículos no tienen que funcionar y las baterías por sí solas no pueden proporcionar suficiente energía para operaciones a largo plazo", dice el Centro de Investigación de Ingeniería del Ejército de EE. UU., Que lidera el desarrollo de generadores de pilas de combustible de óxido sólido y APU que Puede operar con combustibles militares, combustible 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 pila de combustible. Las tareas que deben abordarse en el diseño de sistemas prácticos incluyen el control de la vaporización y la contaminación, especialmente el control del azufre mediante la desulfuración (desulfuración) y el uso de materiales resistentes al azufre, además de evitar la formación de depósitos de carbono en el sistema..
Los propulsores eléctricos híbridos tienen mucho que ofrecer a los vehículos militares, pero pasará algún tiempo antes de que los beneficios de esta tecnología se vuelvan tangibles.
