하이브리드 전기 및 연료 전지
EMILY 3000 연료 전지 시스템의 정격 출력은 125 W이며 일일 충전 용량은 6 kWh입니다. 여러 개의 배터리를 충전하거나 현장 발전기로 작동 할 수 있습니다. 이 시스템은 새로운 방어 시스템에 대한 데이터를 현장에서 수집하고 평가해야하는 테스트 시나리오를 포함하여 군용 애플리케이션 용으로 특별히 제작되었습니다
궁극적으로 하이브리드 발전소는 장갑차에 필적하거나 더 나은 혜택을 제공합니다. 적어도 역사적으로 연료 효율은 장갑차의 필수 특성 목록의 최상위에 있지 않았지만 주어진 연료 용량에 대한 마일리지 및 / 또는 작동 시간을 늘리거나 특정 전체에 대한 탑재량, 보호 또는 화력을 증가시킵니다. 일반적으로 함대의 전반적인 물류 부하를 줄입니다.
하이브리드 전기 드라이브는 군용 차량의 미래에 중요한 역할을 할 수 있지만, 많은 국방 프로그램 (유명한 FCS 및 FRES를 잊지 말 것)의 상쇄 및 축소와 보호 차량에 대한 긴급한 요구 사항을 충족시키기위한 투쟁은 군사 차량에 대한 무기한 도입을 무기한 지연 시켰습니다.
그러나 1 월 2011에서 미국 지상 전투 차량 GCV (Ground Combat Vehicle)에 대한 지원자가 발표되었을 때 이들 중 Qinetiq의 EX-DRIVE 시스템이 장착 된 하이브리드 전력 장치를 장착 한 BAE Systems / Northrop Grumman 팀의 프로젝트가있었습니다. 이것은 하이브리드 전기 드라이브를 제공 한 경량 전술 차량 JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) 프로그램의 지원자 중 누구도 그 사실로 인해 최종 자격을 얻지 못했기 때문에 일종의 도박이라고 할 수 있습니다. 이 기계에 대한 기술이 지금은 아직 충분히 성숙되지 않았다고 믿습니다. 그 이상은 역사 지상 전투 차량의 하이브리드 전기 드라이브는이 기술을 개발하고 시연하기에 충분한 수의 프로그램을 보유하고 있습니다. 연료를 절약하고 성능과 생존 가능성을 향상시키면서 동시에 온보드 전기에 대한 증가하는 요구 사항을 충족시키는 기술을 도입하려는 세계적인 욕망에는 냉랭하고 피할 수없는 무언가가 있습니다. 이는 환경 법규에 의해 촉발 된 자동차 산업의 평행 발전에 의해 의심의 여지없이 지원됩니다.
전쟁 기계 제조업체와 시스템 공급 업체는 장기적 정부 계획에 내재 된 특정 불확실성에 직면하기 전에 일종의 야심 찬 정부 프로그램에 의해 종종 추진되는이 기술에 많은 투자를했습니다. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks 및 Qinetiq은 영국, 미국 및 스웨덴 프로그램 용 하이브리드 드라이브를 개발했으며 Nexter는 대형 차량, 민간 및 군대 용 ARCHYBALD 기술 개발 프로그램을 개발 중입니다.
QinetiQ 궤도 차량, 가볍고 컴팩트하며 효율적인 시스템을위한 EX-DRIVE 전동 구동 장치
하이브리드 전임자
하이브리드 발전소는 군함, 특히 잠수함, 열차 및 노천 채굴 및 노천 채굴에 사용되는 대형 트럭에 안정적으로 정착했습니다. 이러한 애플리케이션에서 디젤 엔진, 가스 터빈 또는 두 시스템과 같은 원동기는 드라이브 엔진 및 배터리 충전을위한 전류를 생성하는 발전기를 구동합니다. 일부 시스템에는 최종 드라이브에 기계적 에너지를 전달하기위한 기어 박스가 포함되어 있지만 다른 드라이브에는 기계 드라이브가 완전히 배제됩니다.
군함에서 하이브리드 발전소는 복잡하고 광범위하게 변하는 속도 프로파일을 사용할 수 있으며 주 추진 시스템은 효과적인 속도 범위 (무성 주행 용 전기 모터, 보통 주행 용 디젤 엔진, 가속 용 가스 터빈 등)에서 작동합니다. 전통적인 방식으로 작동되는 잠수함은 다이빙 중에 (스노클이없는 경우) 주 추진 장치를 발사 할 수 없으므로 주로 배터리 또는 다른 공기와 무관 한 발전소에 의존해야합니다. 거대한 땅 이동 기계는 이러한 종류의 작업을 수행 할 수있는 수동 변속기가 거대하고 복잡하며 비용이 많이 들기 때문에 전동기에서 생성 된 제로 rpm의 거대한 토크에 의존합니다. 열차는 동일한 문제에 훨씬 더 직면하고 있습니다. 그 이유는 열차가 몇 백 톤을 뒤로 밀어야하기 때문입니다. 대부분의 경우 시간당 150 마일을 초과하는 속도입니다.
하이브리드 발전소는 연료를 절약 할 수 있으므로 운전자가 페달을 완전히 밟았을 때 건전지로 작동되는 전동기로 주 엔진을 보완하기 때문에 성능을 저하시키지 않으면 서 작고 경제적 인 원동기를 사용할 수 있습니다. 전기 드라이브는 또한 상대적으로 비효율적 일 수있는 저속 주행시 원동기를 감쇠시키는 것이 가능합니다. 현대의 하이브리드 자동차는 또한 운동 에너지를 축적 할 수 있으며 (예 : 재생 제동 시스템을 통해) 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있습니다. 가장 효율적인 속도 범위에서 대부분의 시간 동안 주 추진을 작동시키고 추가 에너지를 사용하여 배터리를 충전하고 / 또는 온보드 전력 소비자에게 전력을 공급함으로써 추가 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
현대 군사 차량은 통신 시스템, 명령 및 제어 장비, 광전자 및 레이더, 원격 조정 전투 모듈 및 즉석 폭발 장치 (SVU)의 머플러와 같은 감시 및 정찰 센서를 작동하기 위해 점점 더 많은 전력을 필요로합니다. 전기 갑옷과 같은 유망한 시스템은 소비를 더욱 늘릴 것입니다. 이론적으로 전기 시스템의 작동을 위해 설치된 모든 용량을 사용하는 것이 운동을위한 하나의 시스템과 특수 장비를위한 하나의 시스템을 갖는 것보다 적어도 더 효율적입니다.
증가하는 중점은 반역 작전 임무에서 정보를 관찰하고 수집 할 가능성에 놓여 있으며, 이와 관련하여 무인 관측에 대한 요구 사항이 점점 더 많은 장갑 차량 프로그램에 제시되고 있습니다. 이것은 전력 소비의 중요성을 더욱 높이고 연료 전지를 더 매력적으로 만든다.
하이브리드 전기 드라이브 시스템은 병렬 및 순차의 두 가지 범주로 나뉩니다. 병렬 시스템에서, 내연 기관 및 전기 모터 (또는 전기 모터)는 기어 박스를 통해 휠 또는 트랙을 개별적으로 또는 함께 회전시킵니다. 연속 하이브리드 시스템에서 원동기는 발전기 만 구동합니다. 순차 시스템은 더 간단합니다. 모든 동력은 전기 모터를 통과해야하므로 기계의 작동 특성과 동일한 요구 사항을 가진 병렬 시스템의 전기 모터보다 커야합니다. 두 가지 유형의 시스템이 모두 개발되었습니다.
하이브리드 전기 드라이브 및 연료 전지 분야의 혁신은 상용 기술에서 가져올 수 있습니다. 예를 들어, BAE Systems는 하이브리드 전기 버스를 제조하며,이 기술을 사용하여 현대식 하이브리드 전기 자동차의 에너지 효율과 배기 가스 배출 특성을 입증 할 수 있습니다.
활력 증가
하이브리드 시스템은 또한보다 유연한 레이아웃과 전송 구성 요소의 배제로 인해 생존 가능성을 높입니다. 전송 구성 요소는 광산 또는 폭발물 공격을 저해 할 때 측면 발사체가 될 수 있습니다. 바퀴 달린 장갑 차량은 특히 이로부터 혜택을 얻습니다. 구동 모터를 휠 허브에 통합 할 때 기존 기계식 변속기와 관련된 모든 구동축, 차동 장치, 구동축 및 변속기가 제거되고 전원 케이블로 교체되므로 추가 발사체가 될 수 없습니다. 이러한 모든 메커니즘을 배제하면 승무원 실을 특정 차량 높이에서지면 위로 올릴 수 있으므로 승객을 선체 아래에서 폭파시 덜 취약하게 만듭니다. 이 유형의 디자인은 General Dynamics UK AHED 8x8 시연 기자 및 BAE Systems / Hagglunds의 SEE 차량 바퀴 달린 버전에서도 사용되었습니다.이 버전의 크롤러 버전도 제조되었으며 이후 안전하게 잊어 버렸습니다.
개별 휠에 내장 된 전기 모터를 사용하면 각 휠에 전달되는 전력을 매우 정확하게 제어 할 수 있습니다. GD UK에 따르면이 방법은 오프로드 지형 증가에 대한 휠 오버 트랙의 이점을 거의 없애줍니다.
예비 지상 전투 차량이 트랙을 따라 움직이며 BAE Systems / Northrop Grumman 제안에서 Qinetiq의 EX-DRIVE 전기 변속기는 기존의 변속기보다 더 가볍고 작고 효율적입니다. 또한 내결함성과 함께 향상된 가속 기능을 제공하며 광범위한 기계 및 기술 배포 프로그램에 맞게 구성됩니다.
시스템에 4 개의 영구 자석 엔진이 포함되어 있지만 EX-DRIVE의 전동 장치는 완전히 전기가 아닙니다. 코너링과 기계식 기어 변속시 전력 복구, 후자는 캠 클러치를 사용합니다. 이 계획은 엔진, 기어, 샤프트 및 베어링의 부하를 최소화하는 위험성이 낮은 솔루션입니다. 조향 장치에서 기계 동력의 재생을 위해 횡축 회로를 사용하는 것은 순수 전기 전송에서 독립 구동 휠을 사용하는 것의 대안입니다.
EX-DRIVE의 심장부에있는 혁신 중 하나는 조향 엔진의 토크, 주 엔진의 토크 및 앞서 언급 한 기계적 복구 메커니즘을 결합한 중앙 기어 박스 (조정 차등이라고 함)입니다. 토크 부하를 최소화하는 것 외에도, 전통적인 솔루션 및 기타 하이브리드 전기 구동 시스템에 사용되는 바깥 쪽 횡축의 부피와 무게를 제거합니다.
전기의 성공
영구 자석 전동기는 최근 몇 년간 전기 구동 시스템의 효율과 전력 밀도가 모든 분야에서 크게 증가한 기술 산업입니다. 고정자 부품에 자기장을 생성하기위한 영구 자석 모터는 전류 운반 권선 (전자석)이 아닌 희토류 금속으로 만들어진 자연 발생적인 강력한 자석을 기반으로합니다. 이는 특히 로터에만 전류를 공급해야하기 때문에 엔진을 더욱 효율적으로 만든다.
현대의 전력 전자 장치는 모든 종류의 하이브리드 전기 기계의 핵심 기술이기도합니다. 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 기반으로 한 전동 모터 컨트롤러는 배터리, 발전기 또는 연료 전지의 에너지 흐름을 조절하여 회전 속도를 결정하고 전동기에서 토크를 출력합니다. 그들은 전기 기계 제어 시스템보다 훨씬 효율적이며 조정 가능한 회전 속도 - 고정 속도의 전기 드라이브보다 훨씬 성숙하지 않은 기술 -을 업계에서 널리 사용되는 전기 드라이브의 특성을 크게 향상시킵니다.
New Jersey의 TDI Power는 민간 및 군사용 전기 및 하이브리드 차량용 액체 냉각 전력 전자 장치에 투자하는 투자자의 사례입니다. 이 회사는 현재의 SAE 및 MIL 표준을 능가하는 표준 모듈 형 DC 컨버터 및 인버터를 제조합니다.
군사 기계의 전동 드라이브는 15-30 % 주변의 전반적인 에너지 절감 전망에 힘 입어 다양한 가변 속도 드라이브에 대한 연구와 개발을 통해 많은 이익을 얻습니다. 고정 기어가있는 기계가 대부분의 산업 사용자를위한 가변속 드라이브로 대체되면 실현 될 수 있습니다. 영국 과학 기술 혁신 청 (University of Newcastle)의 최근 연구에서 밝혀졌다. "계획대로 드라이브의 부하 효율성을 높이면 UK 15 kW는 연간 10 억 시간을 절약 할 수 있으며 엔진과 드라이브의 효율 향상과 함께 총 절감액은 24 억 kWh가 될 것입니다.
전기 시스템에서 전력 전송의 효율을 높이는 중요한 방법 중 하나는 전압을 높이는 것입니다. 왜냐하면 옴의 법칙은 주어진 전력에 대해 전압이 높을수록 전류가 낮아지기 때문입니다. 소형 전류가가는 전선을 통과 할 수있어 소형 경량 전기 시스템이 필요한 부하를 제공 할 수 있습니다. 이것이 국가 전력 시스템의 전력 전송 시스템에 매우 높은 전압이 사용되는 이유입니다. 예를 들어, 영국의 전력 시스템은 400 000 볼트까지의 전압에서 전력선을 운영합니다.
군용기의 전기 시스템에서 전압이 사용되는 일은 거의 없지만 28 볼트 및 이와 유사한 전기 시스템의 일수는 매겨 질 가능성이 있습니다. 예를 들어 2009 년에 영국 국방부는 610 볼트 기술을 사용하여 전력 생산 및 배급에 대한 연구를 위해 Qinetiq을 선택했습니다. Qinetiq는 BAE Systems와 전 기 기계 전문 업체 인 Provector Ltd를 포함하여 WARRIOR 2000 BMP를 기존의 610 볼트 장비뿐만 아니라 높은 28 볼트로 전력을 공급할 수있는 시위자로 전환 한 팀을 이끌었습니다. 이 기계에는 2 개의 610 볼트 제너레이터가 장착되어 있으며, 각각 원래의 기계 제너레이터보다 2 배 많은 에너지를 제공합니다. 실제로 워리어의 전기 출력이 4 배 증가합니다.
SFC의 연료 전지를 사용하는 차량의 에너지
현장의 병사들은 신뢰할 수있는 에너지 원을 필요로합니다. 라디오 방송국, 통신 장비, 무기 시스템 및 광학 전자 시스템과 같은 온보드 장치에 전류를 공급해야합니다. 그러나 필요하다면, 그것은 또한 임무를 수행중인 병사들을위한 충전소 역할을해야한다.
종종 배터리의 충전이 엔진을 시작하여 유닛의 위치를 나타낼 수 있기 때문에 작업이 실행될 때 아무런 가능성이 없습니다. 그러므로 병사들은 조용히, 끊임없이 그리고 독립적으로 전류를 얻을 수있는 방법이 필요합니다.
SFC의 EMILY 2200 시스템은 성공적인 EFOY 연료 전지 기술을 기반으로합니다. EMILY 장치는 기기에 설치되어 배터리가 지속적으로 충전되도록합니다. 내장 된 레귤레이터는 배터리의 전압을 지속적으로 모니터링하고 필요한 경우 자동으로 배터리를 충전합니다. 그것은 조용히 작동하고 그 유일한 "배출"은 아이의 호흡에 필적하는 양의 수증기와 이산화탄소입니다.
대형 기계는 대형 배터리가 필요합니다. 이 리튬 이온 전지 패키지는 BAE 시스템 버스 용 하이브리드 추진 기술의 일부입니다.
연료 전지가 가능합니까?
고효율로 연료를 전기로 직접 변환하기 위해 화학 공정을 사용하는 연료 전지는 오랫동안 기계 가동 및 선내 전기 생성과 같은 군사 영역에서 널리 사용될 수있는 기술로 간주되었습니다. 그러나 극복해야 할 중요한 기술적 장애물이 있습니다. 첫째, 연료 전지는 수소에서 작동하고 공기와 산소를 혼합하여 부산물로 전류를 생산합니다. 수소는 쉽게 이용할 수 없으며, 저장 및 운송하기가 어렵습니다.
전기 자동차를 구동하는 연료 전지의 많은 예가 있지만, 모두 실험적입니다. 자동차 세계에서 Honda의 FCX CLARITY는 상용 제품에 가장 근접한 제품이지만 아마도 수소로 연료를 보급하고 임대 계약을 맺을 특정 인프라가있는 지역에서만 사용할 수 있습니다. Ballard Power와 같은 선도적 인 연료 전지 제조업체조차도 자동차에 사용하기위한이 기술의 현재 한계를 인식하고 있습니다. 회사는 "연료 전지 차량의 대량 생산은 장기적으로 이루어지고있다. 오늘날 대부분의 자동차 제조업체는 연료 전지 차량의 대량 생산 조직이 2020 년 전까지는 실현 불가능하다고 생각합니다. 이는 업계에서 수소 분배, 내구성 최적화, 에너지 밀도 최적화, 가열없이 시작하고 연료 전지 비용 등의 문제에 직면하기 때문입니다. "
그러나 전 세계의 주요 자동차 제조업체들은 연료 전지 연구 및 개발에 많은 투자를하고 있으며 종종 연료 전지 제조업체와 공동으로 실시합니다. 예를 들어 Ballard는 Ford와 Daimler AG의 합작 투자 회사 인 Automotive Fuel Cell Cooperation의 일부입니다. 군대는 모든 것이 "물류"연료에서 작동해야한다는 요구의 형태로 연료 전지를 채택하는 또 다른 걸림돌로 작용합니다. 연료 전지는 디젤이나 등유에서 작동 할 수 있지만 필요한 수소를 추출하도록 먼저 수정해야합니다. 이 프로세스는 시스템의 크기, 질량, 비용, 복잡성 및 효율성에 전반적으로 영향을 미치는 복잡하고 성가신 장비가 필요합니다.
군용 차량의 주요 엔진으로 작동 할 때 연료 전지의 또 다른 한계는 일정한 출력 설정에서 가장 잘 작동하고 필요한 변화에 신속하게 대응할 수 없다는 사실입니다. 이는 피크 전력 부하를 충족시키기 위해 배터리 및 / 또는 수퍼 커패시터 및 적절한 전력 제어 전자 장치로 보완되어야 함을 의미합니다.
"슈퍼 커패시터"분야에서 에스토니아 회사 인 Skeleton Industries는 일류 군용 배터리에 비해 60 리터당 XNUMX 배 더 강력하거나 킬로그램 당 XNUMX 배 이상 더 강력한 현대식 SkelCap 슈퍼 커패시터를 개발했습니다. 실제로 이것은 최고의 군용 배터리에 비해 전력이 XNUMX % 증가하고 XNUMX 배 더 많은 전류를 의미합니다. SkelCap "슈퍼 커패시터"는 순간적인 전력 향상을 제공하며 사격 통제에서 터렛 타워에 이르기까지 다양한 작업에 사용됩니다. 탱크. UAI (United Armaments International) 그룹의 일부인 SkelCap은 탈린에 기반을 둔 UAI 그룹을 통해 다양한 전문 주문과 고급 프로그램을 수행합니다.
스켈레톤 산업의 수퍼 커패시터
그러나 이것은 연료 전지가 하이브리드 및 전기 군사 차량의 장소를 찾지 못할 것이라는 것을 의미하지는 않습니다. 가장 유망한 가장 가까운 응용 분야는 ISTAR 유형 (정보 수집, 표적 관측 및 정찰)의 조용한 관찰 작업을 수행하는 기계의 보조 전원 장치 (VSU)입니다. "조용한 모니터링 모드에서 기계의 엔진은 작동하지 않아야하고, 배터리만으로 장기간 작동에 충분한 에너지를 공급할 수는 없습니다"라고 고체 산화물 연료 전지 발전기 및 APU의 개발을 이끌고있는 미 육군 공학 연구 센터 (American Army Engineering Research Center) 군용 연료, 디젤 및 등유.
이 조직은 현재 연료 전지 키트의 작동 요구 사항과 연료 시스템의 완벽한 통합에 중점을두고 10 kW까지의 시스템에 중점을두고 있습니다. 실용적인 시스템의 개발에서 다루어야 할 과제는 기화 및 오염 제어, 특히 탈황 (탈황) 및 황 내성 물질의 사용으로 인한 황과의 투쟁뿐만 아니라 시스템의 탄소 퇴적물의 제거를 포함한다.
하이브리드 전기 드라이브는 군용 차량에 많이 제공되지만이 기술의 이점이 가시적으로 드러나려면 약간의 시간이 걸립니다.
사용 된 재료 :
www.armada.ch
www.baesystems.com
www.qinetiq.com
www.sfc.com
www.skeletontech.com
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