Il sistema di celle a combustibile EMILY 3000 ha una potenza di uscita nominale di 125 W e una capacità di carica giornaliera di 6 kWh. Può ricaricare più batterie o fungere da generatore di campo. Il sistema è stato creato appositamente per applicazioni militari, inclusi scenari di test in cui i dati sui nuovi sistemi di difesa devono essere raccolti e valutati sul campo.
In definitiva, le centrali elettriche ibride offrono vantaggi paragonabili o addirittura migliori ai veicoli blindati. Sebbene l'efficienza del carburante, almeno storicamente, non sia stata in cima alla lista delle caratteristiche obbligatorie dei veicoli blindati, tuttavia, aumenta il chilometraggio e/o la durata per una data capacità di carburante, aumenta il carico utile, la protezione o la potenza di fuoco per un dato totale peso e, in generale, ridurre il carico logistico complessivo sulla flotta
La trazione elettrica ibrida può giocare un ruolo importante nel futuro dei veicoli militari, ma la corrispondente cancellazione e riduzione del volume di molti programmi di difesa (senza dimenticare i famosi FCS e FRES) e la lotta per soddisfare le esigenze urgenti di veicoli protetti hanno rimandato la sua attuazione sui veicoli militari a tempo indeterminato.
Tuttavia, quando nel gennaio 2011 sono stati annunciati i candidati per il veicolo da combattimento terrestre americano GCV (Ground Combat Vehicle), tra questi c'era un progetto del team BAE Systems / Northrop Grumman con un'unità di alimentazione elettrica ibrida con il sistema E-X-DRIVE di Qinetiq. Questo può essere visto come una sorta di scommessa perché nessuno dei contendenti per il programma di veicoli tattici leggeri JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), che includeva anche una trazione elettrica ibrida, non si è qualificato per la finale a causa del fatto che, secondo dati disponibili, si ritiene che la tecnologia per questa macchina non sia ancora sufficientemente matura in questo momento. Tuttavia, la storia delle trasmissioni elettriche ibride nei veicoli da combattimento a terra ha un numero sufficiente di programmi per sviluppare e dimostrare questa tecnologia. C'è qualcosa di spietato e inevitabile nella ricerca globale di una tecnologia che promette di risparmiare carburante, migliorare le prestazioni e la sopravvivenza, soddisfacendo al contempo la crescente domanda di elettricità a bordo. Ciò è senza dubbio sostenuto da sviluppi paralleli nell'industria automobilistica, guidati dalla legislazione ambientale.
I produttori di veicoli militari e i fornitori di sistemi hanno investito molto in questa tecnologia, spesso spinti da alcuni dei suddetti ambiziosi programmi governativi, prima di affrontare la particolare incertezza insita nei piani governativi a lungo termine. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks e Qinetiq hanno sviluppato azionamenti elettrici ibridi per i programmi di Regno Unito, Stati Uniti e Svezia, mentre Nexter sta lavorando al programma di sviluppo della tecnologia ARCHYBALD per veicoli pesanti, civili e militari.
Trasmissione elettrica E-X-DRIVE per veicoli cingolati di QinetiQ, sistema leggero, compatto ed efficiente
Predecessori ibridi
I sistemi di propulsione ibrida si sono affermati saldamente nelle navi da guerra, in particolare su sottomarini, treni e autocarri pesanti utilizzati nelle cave e nelle miniere a cielo aperto. In queste applicazioni, un motore primo, come un motore diesel, una turbina a gas o anche entrambi, aziona un generatore che fornisce corrente per azionare i motori e caricare le batterie. Alcuni sistemi includono un cambio per trasferire la potenza meccanica ai riduttori finali, mentre altri no.
Nelle navi da guerra, le centrali elettriche ibride consentono l'uso di profili di velocità complessi e ampiamente variabili, mentre i motori primi vengono azionati in un intervallo di velocità effettivo: motori elettrici per la propulsione silenziosa, motori diesel per la propulsione normale, turbine a gas per l'accelerazione, ecc. Un sottomarino, alimentato con il metodo tradizionale, non può lanciare il suo propulsore primario durante un'immersione (se non dispone di boccaglio) e, a questo proposito, si deve fare affidamento principalmente su batterie o altro sistema di propulsione indipendente dall'aria. Le gigantesche macchine movimento terra si affidano a un'enorme coppia a zero giri generata dai motori elettrici per azionarsi perché le trasmissioni manuali che potrebbero fare questo tipo di lavoro sarebbero enormi, complesse e costose. I treni affrontano ancora di più lo stesso problema, poiché devono trasportare diverse centinaia di tonnellate da fermi, in molti casi fino a velocità superiori a 150 mph.
Un sistema di propulsione ibrido può risparmiare carburante consentendo l'utilizzo di un motore primo più piccolo e più efficiente in termini di consumo di carburante senza degradazione, poiché il sistema, quando il conducente preme completamente il pedale dell'acceleratore, integra il motore principale con motori elettrici alimentati a batteria. Gli azionamenti elettrici consentono anche lo smorzamento del motore primo durante la guida a basse velocità, quando può essere relativamente inefficace. Le moderne auto ibride possono anche immagazzinare energia cinetica (ad esempio, da un sistema di frenata rigenerativa) e usarla per caricare le batterie. Ulteriori risparmi si ottengono facendo funzionare il motore primo per la maggior parte del tempo alla sua gamma di velocità più efficiente, nonché utilizzando qualsiasi energia aggiuntiva per caricare le batterie e/o alimentare le utenze elettriche di bordo.
I moderni veicoli militari richiedono sempre più energia elettrica per azionare sistemi di comunicazione, apparecchiature di comando e controllo, sensori di sorveglianza e intelligence come optoelettronica e radar, stazioni di armi telecomandate e jammer di dispositivi esplosivi improvvisati (IED). Sistemi avanzati come le armature elettriche aumenteranno ulteriormente i consumi. Utilizzare tutta la potenza installata per far funzionare i sistemi elettrici è, in teoria, almeno più efficiente che avere un sistema per la propulsione e un altro per le apparecchiature specializzate.
Viene posta una crescente enfasi sulla sorveglianza e sulle capacità di raccolta di informazioni nelle missioni di controinsurrezione e, di conseguenza, i requisiti di sorveglianza silenziosa vengono proposti in un numero crescente di programmi di veicoli corazzati. Ciò aumenta ulteriormente l'importanza del consumo di energia elettrica e rende le celle a combustibile più attraenti.
I sistemi di trazione elettrica ibridi si dividono in due grandi categorie: paralleli e in serie. Nei sistemi paralleli, un motore a combustione interna e un motore elettrico (o motori elettrici) fanno ruotare le ruote oi cingoli tramite un cambio, separatamente o insieme. Nei sistemi ibridi in serie, il motore primo aziona solo il generatore. Un sistema sequenziale è più semplice, tutta la potenza motrice al suo interno deve passare attraverso i motori elettrici e quindi devono essere più grandi dei motori elettrici in un sistema parallelo con le stesse prestazioni della macchina. Sono stati sviluppati sistemi di entrambi i tipi.
Le innovazioni negli azionamenti ibridi e nella tecnologia delle celle a combustibile possono essere tratte dalla tecnologia commerciale. Ad esempio, BAE Systems produce autobus ibridi-elettrici, la cui tecnologia può essere utilizzata per dimostrare l'efficienza energetica e le migliori caratteristiche di scarico dei moderni veicoli elettrici ibridi progettati per condizioni gravose.
Maggiore sopravvivenza
I sistemi ibridi aumentano anche la sopravvivenza attraverso un layout più flessibile e l'eliminazione dei componenti di trasmissione che potrebbero diventare un proiettile laterale se fatti esplodere da una mina o da un IED. Ne beneficiano soprattutto i veicoli blindati a ruote. Integrando i motori di trazione nei mozzi delle ruote, tutti gli alberi di trasmissione, i differenziali, gli alberi di trasmissione e i cambi associati alle tradizionali trasmissioni manuali vengono eliminati e sostituiti con cavi di alimentazione e quindi non possono diventare proiettili aggiuntivi. L'eliminazione di tutti questi meccanismi consente inoltre di sollevare il vano equipaggio da terra a una determinata altezza del veicolo, rendendo i passeggeri meno vulnerabili alle esplosioni sotto lo scafo. Questo tipo di design è stato utilizzato nel dimostratore AHED 8x8 di General Dynamics UK e nella versione su ruote della macchina SEP di BAE Systems / Hagglunds, la cui versione cingolata è stata prodotta (e successivamente dimenticata in sicurezza).
I motori elettrici integrati nelle singole ruote controllano la potenza erogata a ciascuna ruota in modo molto preciso e questo, secondo GD UK, elimina quasi il vantaggio dei cingoli sulle ruote in termini di terreno fuoristrada.
Il promettente veicolo da combattimento terrestre si sposterà su binari e la proposta BAE Systems / Northrop Grumman indica che la trasmissione elettrica E-X-DRIVE di Qinetiq sarà più leggera, compatta ed efficiente rispetto alle trasmissioni tradizionali. Consente inoltre una migliore accelerazione insieme alla tolleranza ai guasti ed è configurabile per un'ampia gamma di programmi di adozione di macchine e tecnologie, afferma l'azienda.
Sebbene il sistema includa quattro motori a magneti permanenti, il gruppo propulsore dell'E-X-DRIVE non è completamente elettrico; recupero di potenza in curva e cambio marcia meccanico, quest'ultimo tramite frizione a camme. Questo design è una soluzione a basso rischio che riduce al minimo le sollecitazioni su motori, ingranaggi, alberi e cuscinetti. L'uso di una disposizione trasversale dell'albero per rigenerare la potenza meccanica nel meccanismo di rotazione è un'alternativa all'uso di ruote motrici indipendenti in una trasmissione puramente elettrica.
Una delle innovazioni al centro dell'E-X-DRIVE è il cambio centrale (noto come differenziale di regolazione), che combina la coppia del motore sterzante, la coppia del motore principale e il meccanismo di recupero del controllo meccanico precedentemente menzionato. Oltre a ridurre al minimo i carichi torsionali, elimina l'ingombro e il peso dell'albero trasversale esterno utilizzato nelle soluzioni tradizionali e in altri sistemi di azionamento elettrico ibridi.
Progressi nell'ingegneria elettrica
I motori a magneti permanenti sono un'area della tecnologia che ha notevolmente migliorato l'efficienza e la densità di potenza dei sistemi di azionamento elettrico in tutte le applicazioni negli ultimi anni. I motori a magneti permanenti si basano su potenti magneti in terre rare naturali per generare campi magnetici nei componenti dello statore, piuttosto che su avvolgimenti che trasportano corrente (elettromagneti). Questo rende i motori più efficienti, in particolare per il fatto che solo il rotore deve essere alimentato con corrente elettrica.
La moderna elettronica di potenza è anche una tecnologia chiave per i veicoli elettrici ibridi di tutti i tipi. I controller del motore basati su IGBT, ad esempio, controllano il flusso di energia da una batteria, un generatore o celle a combustibile per determinare le velocità di rotazione e la coppia in uscita dai motori elettrici. Sono molto più efficienti dei sistemi di controllo elettromeccanici e migliorano significativamente le prestazioni degli azionamenti a velocità variabile, una tecnologia molto meno matura degli azionamenti a velocità fissa ampiamente utilizzati nell'industria.
TDI Power, con sede nel New Jersey, è un esempio di investitore che investe in elettronica di potenza raffreddata a liquido per veicoli elettrici e ibridi per applicazioni civili e militari. L'azienda produce convertitori e inverter modulari standard DC/DC che superano gli attuali standard SAE e MIL.
Gli azionamenti elettrici nei veicoli militari beneficeranno di un'ampia ricerca e sviluppo sugli azionamenti a velocità variabile per l'industria, alimentati dalla prospettiva di un risparmio energetico complessivo di circa il 15-30%, che può essere realizzato se le macchine a ingranaggi fissi vengono sostituite da azionamenti a velocità variabile per la maggior parte dei veicoli industriali utenti, come evidenziato in un recente studio dell'Università di Newcastle commissionato dalla UK Science and Innovation Authority. "Si prevede che il miglioramento della potenziale efficienza dei carichi dell'azionamento farà risparmiare al Regno Unito 15 kWh miliardi di ore all'anno e, se combinato con una migliore efficienza del motore e dell'azionamento, un risparmio totale di 24 miliardi di kWh", afferma lo studio.
Uno dei modi importanti per migliorare l'efficienza della trasmissione di potenza in qualsiasi sistema elettrico è aumentare la tensione, poiché la legge di Ohm impone che per una data potenza, maggiore è la tensione, minore è la corrente. Piccole correnti possono passare attraverso fili sottili, consentendo a sistemi elettrici compatti e leggeri di fornire i carichi richiesti. Questo è il motivo per cui le reti elettriche nazionali utilizzano tensioni molto elevate durante la trasmissione di energia; Le reti elettriche britanniche, ad esempio, fanno funzionare le loro linee di trasmissione fino a 400.000 volt.
È improbabile che i sistemi elettrici dei veicoli militari utilizzino tensioni di questa portata, ma i giorni di 28 volt e sistemi elettrici simili sembrano essere contati. Nel 2009, ad esempio, Qinetiq è stata selezionata dal Dipartimento della Difesa britannico per ricercare la generazione e la distribuzione di energia elettrica utilizzando la tecnologia a 610 volt. Qinetiq ha guidato un team che comprendeva BAE Systems e lo specialista di macchine elettriche Provector Ltd, che ha convertito il WARRIOR 2000 BMP in un dimostratore in grado di alimentare i clienti ad alta richiesta da 610 volt e le apparecchiature esistenti a 28 volt. La macchina è dotata di due generatori da 610 volt, ognuno dei quali fornisce il doppio della potenza della macchina originale, quadruplicando efficacemente la potenza elettrica del Guerriero.
Energia per un veicolo che utilizza celle a combustibile di SFC
I soldati sul campo hanno bisogno di una fonte affidabile di energia per le loro macchine. Deve fornire corrente ai dispositivi di bordo come radio, apparecchiature di comunicazione, sistemi d'arma e sistemi elettronici ottici. Ma quando necessario, dovrebbe fungere anche da stazione di ricarica per i soldati in missione.
Spesso non è possibile avviare il motore per caricare le batterie durante l'esecuzione dell'attività, poiché ciò può rivelare la posizione dell'unità. Pertanto, i soldati hanno bisogno di un modo per ottenere corrente elettrica, in modo silenzioso, costante e indipendente.
Il sistema EMILY 2200 di SFC si basa sull'affermata tecnologia delle celle a combustibile EFOY. Installato sulla macchina, l'unità EMILY assicura che le batterie rimangano costantemente cariche. Il suo regolatore integrato monitora costantemente la tensione nelle batterie e ricarica automaticamente le batterie quando necessario. Funziona silenziosamente e il suo unico "scarico" è vapore acqueo e anidride carbonica in quantità paragonabili al respiro di un bambino.
Macchine di grandi dimensioni richiedono batterie di grandi dimensioni. Questo pacchetto di celle agli ioni di litio fa parte della tecnologia di propulsione di autobus ibridi di BAE Systems.
Le celle a combustibile sono possibili?
Le celle a combustibile, che utilizzano processi chimici per convertire direttamente il carburante in corrente elettrica con grande efficienza, sono state a lungo viste come una tecnologia che può essere ampiamente utilizzata in campo militare, compresa la propulsione di un'auto e la generazione di elettricità a bordo. Tuttavia, ci sono ostacoli tecnici significativi che devono essere superati. Innanzitutto, le celle a combustibile funzionano a idrogeno e lo mescolano con l'ossigeno dell'aria per generare corrente elettrica come sottoprodotto. L'idrogeno non è facilmente disponibile ed è difficile da immagazzinare e trasportare.
Ci sono molti esempi di celle a combustibile che alimentano veicoli elettrici, ma sono tutti sperimentali. Nel mondo automobilistico, FCX CLARITY di Honda è probabilmente la disponibilità più vicina a un prodotto commerciale, ma anche in questo caso è disponibile solo nelle aree in cui sono presenti infrastrutture per il rifornimento di idrogeno e solo in base a contratti di locazione. Anche i principali produttori di celle a combustibile come Ballard Power riconoscono i limiti attuali di questa tecnologia per l'uso nelle automobili. L'azienda afferma che “la produzione di massa di veicoli a celle a combustibile è a lungo termine. Oggi, la maggior parte delle case automobilistiche ritiene che la produzione in serie di veicoli a celle a combustibile non sia fattibile fino al 2020 circa, a causa dei problemi del settore relativi alla distribuzione dell'idrogeno, all'ottimizzazione della durata, alla densità energetica, alla capacità di avviamento a caldo e al costo delle celle a combustibile.
Tuttavia, tutte le principali case automobilistiche del mondo stanno investendo pesantemente nella ricerca e sviluppo di celle a combustibile, spesso in collaborazione con i produttori di celle a combustibile. Ballard, ad esempio, fa parte della Automotive Fuel Cell Cooperation, una joint venture tra Ford e Daimler AG. L'esercito sta ponendo un altro ostacolo all'adozione delle celle a combustibile sotto forma di requisito che tutto deve funzionare con combustibili "logistici". Le celle a combustibile possono funzionare con diesel o cherosene, ma devono prima essere modificate per estrarre l'idrogeno di cui hanno bisogno. Questo processo richiede apparecchiature complesse e ingombranti, che influiscono su dimensioni, peso, costo, complessità ed efficienza dell'intero sistema.
Un'altra limitazione delle celle a combustibile quando operano come motore principale di un veicolo militare è il fatto che offrono le migliori prestazioni a impostazioni di potenza costanti e non possono rispondere rapidamente ai cambiamenti richiesti. Ciò significa che devono essere integrati con batterie e/o supercondensatori e l'elettronica di regolazione della potenza associata per soddisfare i carichi di potenza di picco.
Nel campo dei "supercondensatori", l'azienda estone Skeleton Industries ha sviluppato una linea di supercondensatori SkelCap all'avanguardia che sono cinque volte più potenti per litro di volume o più di quattro volte più potenti per chilogrammo rispetto alle batterie militari premium. In pratica, questo significa il 60 percento in più di potenza e quattro volte la corrente rispetto alle migliori batterie militari. I "supercondensatori" di SkelCap forniscono un'esplosione istantanea di potenza e sono utilizzati per un'ampia varietà di applicazioni, dal controllo del fuoco ai carri armati della torretta. Come parte del gruppo United Armaments International (UAI), SkelCap soddisfa vari ordini specializzati e programmi ampliati attraverso il gruppo UAI con sede a Tallinn.
Supercondensatori di Skeleton Industries
Tuttavia, ciò non significa che le celle a combustibile non troveranno posto nei veicoli militari ibridi ed elettrici. L'applicazione immediata più promettente sono le unità di potenza ausiliaria (APU) nei veicoli che svolgono compiti di sorveglianza silenziosa di tipo ISTAR (raccolta di informazioni, designazione di obiettivi e ricognizione)."In modalità di sorveglianza silenziosa, i motori dei veicoli non devono funzionare e le batterie da sole non possono fornire energia sufficiente per operazioni a lungo termine", afferma il Centro di ricerca ingegneristica dell'esercito americano, che sta guidando lo sviluppo di generatori di celle a combustibile a ossido solido e APU che può funzionare con carburanti militari, gasolio e kerosene.
Questa organizzazione si sta attualmente concentrando su sistemi fino a 10 kW con un'enfasi sull'integrazione completa dei sistemi a combustibile con le esigenze operative di un kit di celle a combustibile. I compiti che devono essere affrontati nella progettazione di sistemi pratici includono il controllo della vaporizzazione e dell'inquinamento, in particolare il controllo dello zolfo attraverso la desolforazione (desolforazione) e l'uso di materiali resistenti allo zolfo, oltre a evitare la formazione di depositi di carbonio nel sistema.
Gli azionamenti elettrici ibridi hanno molto da offrire per i veicoli militari, ma ci vorrà del tempo prima che i vantaggi di questa tecnologia diventino tangibili.
