O sistema de célula de combustível EMILY 3000 tem uma potência de saída nominal de 125 W e uma capacidade de carga diária de 6 kWh. Ele pode recarregar várias baterias ou atuar como um gerador de campo. O sistema foi criado especificamente para aplicações militares, incluindo cenários de teste nos quais dados sobre novos sistemas de defesa precisam ser coletados e avaliados em campo.
Em última análise, as usinas híbridas oferecem benefícios comparáveis ou até melhores aos veículos blindados. Embora a eficiência do combustível, pelo menos historicamente, não esteja no topo da lista de características obrigatórias dos veículos blindados, ela aumenta a quilometragem e / ou a duração de uma determinada capacidade de combustível, aumenta a carga útil, a proteção ou o poder de fogo para um determinado total peso e, em geral, reduzir a carga logística geral da frota
O acionamento elétrico híbrido pode desempenhar um papel importante no futuro dos veículos militares, mas o correspondente cancelamento e redução do volume de muitos programas de defesa (sem esquecer os famosos FCS e FRES) e a luta para atender às necessidades urgentes de veículos protegidos foram adiados sua implementação em veículos militares indefinidamente.
No entanto, quando os candidatos para o veículo de combate terrestre americano GCV (Ground Combat Vehicle) foram anunciados em janeiro de 2011, entre eles estava um projeto da equipe BAE Systems / Northrop Grumman com uma unidade de energia elétrica híbrida com o sistema E-X-DRIVE da Qinetiq. Isso pode ser visto como uma espécie de aposta porque nenhum dos candidatos ao programa de veículos táticos leves JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), que também incluía um acionamento elétrico híbrido, não se classificou para a final devido ao fato de que, de acordo com dados disponíveis, acredita-se que a tecnologia para esta máquina ainda não está suficientemente madura neste momento. No entanto, a história dos acionamentos elétricos híbridos em veículos de combate terrestre possui um número suficiente de programas para desenvolver e demonstrar essa tecnologia. Há algo implacável e inevitável na busca global por tecnologia que promete economizar combustível, melhorar o desempenho e a capacidade de sobrevivência, ao mesmo tempo em que atende à crescente demanda por eletricidade a bordo. Isso, sem dúvida, é sustentado por desenvolvimentos paralelos na indústria automotiva, impulsionados pela legislação ambiental.
Fabricantes de veículos militares e fornecedores de sistemas investiram pesadamente nessa tecnologia, muitas vezes impulsionados por alguns dos ambiciosos programas governamentais mencionados, antes de enfrentar a incerteza inerente aos planos governamentais de longo prazo. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks e Qinetiq desenvolveram drives elétricos híbridos para os programas do Reino Unido, EUA e Sueco, enquanto Nexter está trabalhando no programa de desenvolvimento de tecnologia ARCHYBALD para veículos pesados, civis e militares.
Transmissão de acionamento elétrico E-X-DRIVE para veículos sobre esteiras da QinetiQ, sistema leve, compacto e eficiente
Predecessores híbridos
Os sistemas de propulsão híbridos tornaram-se firmemente estabelecidos em navios de guerra, especialmente em submarinos, trens e caminhões pesados usados em pedreiras e minas a céu aberto. Nessas aplicações, um motor principal, como um motor a diesel, uma turbina a gás ou mesmo ambos, aciona um gerador que fornece corrente para acionar os motores e carregar as baterias. Alguns sistemas incluem uma caixa de engrenagens para transferir potência mecânica para os comandos finais, enquanto outros não.
Em navios de guerra, as usinas híbridas permitem o uso de perfis de velocidade complexos e amplamente variáveis, enquanto os motores principais são operados em uma faixa de velocidade efetiva: motores elétricos para propulsão silenciosa, motores a diesel para propulsão normal, turbinas a gás para aceleração, etc. Um submarino, movido pelo método tradicional, não pode lançar seu dispositivo de propulsão principal durante um mergulho (se não tiver um snorkel) e, para isso, deve contar principalmente com baterias ou outro sistema de propulsão independente do ar. As gigantescas máquinas de terraplenagem dependem de um enorme torque zero rpm gerado por motores elétricos para operar porque as transmissões manuais que poderiam fazer esse tipo de trabalho seriam enormes, complexas e caras. Os trens enfrentam o mesmo problema ainda mais, pois eles têm que transportar várias centenas de toneladas com eles da paralisação, em muitos casos até velocidades superiores a 150 mph.
Um sistema de propulsão híbrido pode economizar combustível ao permitir que um motor principal menor e mais eficiente em termos de combustível seja usado sem degradação, porque o sistema, quando o motorista está pressionando totalmente o pedal do acelerador, complementa o motor principal com motores elétricos movidos a bateria. Os acionamentos elétricos também permitem amortecer o motor principal ao dirigir em baixas velocidades, quando pode ser relativamente ineficaz. Os carros híbridos modernos também podem armazenar energia cinética (por exemplo, de um sistema de freio regenerativo) e usá-la para carregar suas baterias. Economias adicionais são alcançadas operando o motor principal na maior parte do tempo em sua faixa de velocidade mais eficiente, bem como usando qualquer energia adicional para carregar baterias e / ou alimentar consumidores elétricos a bordo.
Os veículos militares modernos requerem cada vez mais energia elétrica para operar sistemas de comunicação, equipamentos de comando e controle, sensores de vigilância e inteligência, como optoeletrônicos e radares, estações de armas controladas remotamente e bloqueadores de dispositivos explosivos improvisados (IED). Sistemas avançados, como blindagem elétrica, aumentarão ainda mais o consumo. Usar toda a potência instalada para fazer funcionar sistemas elétricos é, em tese, pelo menos mais eficiente do que ter um sistema de propulsão e outro para equipamentos especializados.
Uma ênfase cada vez maior está sendo colocada na vigilância e nas capacidades de coleta de inteligência em missões de contra-insurgência e, como resultado, requisitos de vigilância silenciosa estão sendo apresentados em um número cada vez maior de programas de veículos blindados. Isso aumenta ainda mais a importância do consumo de energia elétrica e torna as células de combustível mais atraentes.
Os sistemas de acionamento elétrico híbrido se enquadram em duas grandes categorias: paralelo e série. Em sistemas paralelos, um motor de combustão interna e um motor elétrico (ou motores elétricos) giram as rodas ou esteiras por meio de uma caixa de engrenagens, separadamente ou em conjunto. Em sistemas híbridos em série, o motor principal apenas aciona o gerador. Um sistema sequencial é mais simples, toda a força motriz nele deve passar pelos motores elétricos e, portanto, devem ser maiores que os motores elétricos em um sistema paralelo com os mesmos requisitos de desempenho da máquina. Sistemas de ambos os tipos foram desenvolvidos.
As inovações em acionamentos elétricos híbridos e tecnologia de célula de combustível podem ser obtidas a partir da tecnologia comercial. Por exemplo, a BAE Systems fabrica ônibus elétricos híbridos, a tecnologia a partir da qual pode ser usada para demonstrar a eficiência energética e características aprimoradas de exaustão de veículos elétricos híbridos modernos projetados para condições pesadas.
Maior capacidade de sobrevivência
Os sistemas híbridos também aumentam a capacidade de sobrevivência por meio de um layout mais flexível e da eliminação de componentes de transmissão que podem se tornar um projétil lateral quando detonados por uma mina ou IED. Os veículos blindados com rodas se beneficiam especialmente disso. Ao integrar os motores de acionamento nos cubos das rodas, todos os eixos de hélice, diferenciais, eixos de transmissão e caixas de engrenagens associados às transmissões manuais tradicionais são eliminados e substituídos por cabos de força e, portanto, não podem se tornar projéteis adicionais. A eliminação de todos esses mecanismos também permite que o compartimento da tripulação seja elevado acima do solo a uma determinada altura do veículo, tornando os passageiros menos vulneráveis a explosões sob o casco. Este tipo de projeto foi usado no demonstrador AHED 8x8 da General Dynamics UK e na versão com rodas da máquina SEP da BAE Systems / Hagglunds, cuja versão com esteiras também foi fabricada (e subsequentemente esquecida com segurança).
Os motores elétricos integrados nas rodas individuais controlam a potência entregue a cada roda com muita precisão e isso, de acordo com o GD UK, quase elimina a vantagem das esteiras sobre as rodas em termos de terreno off-road.
O promissor veículo de combate terrestre se moverá nas pistas e a proposta da BAE Systems / Northrop Grumman indica que a transmissão elétrica E-X-DRIVE da Qinetiq será mais leve, mais compacta e mais eficiente do que as transmissões tradicionais. Ele também permite aceleração aprimorada junto com tolerância a falhas e é configurável para uma ampla gama de programas de adoção de tecnologia e máquinas, diz a empresa.
Embora o sistema inclua quatro motores de ímã permanente, o trem de força no E-X-DRIVE não é totalmente elétrico; recuperação de potência nas curvas e troca de marchas mecânicas, esta última utilizando uma embreagem de cames. Este projeto é uma solução de baixo risco que minimiza tensões nos motores, engrenagens, eixos e rolamentos. O uso de um arranjo de eixo transversal para regenerar a força mecânica no mecanismo de giro é uma alternativa ao uso de rodas motrizes independentes em uma transmissão puramente elétrica.
Uma das inovações no coração do E-X-DRIVE é a caixa de câmbio central (conhecida como diferencial de ajuste), que combina o torque do motor de direção, o torque do motor principal e o já mencionado mecanismo de recuperação do controle mecânico. Além de minimizar as cargas de torção, elimina o volume e o peso do eixo transversal externo usado em soluções tradicionais e outros sistemas de acionamento elétrico híbrido.
Avanços na engenharia elétrica
Os motores de ímã permanente são uma área da tecnologia que melhorou muito a eficiência e a densidade de potência dos sistemas de acionamento elétrico em todas as aplicações nos últimos anos. Os motores de ímã permanente dependem de poderosos ímãs de terras raras que ocorrem naturalmente para gerar campos magnéticos nos componentes do estator, em vez de enrolamentos condutores de corrente (eletroímãs). Isso torna os motores mais eficientes, principalmente pelo fato de apenas o rotor precisar ser alimentado com corrente elétrica.
A eletrônica de potência moderna também é uma tecnologia chave para veículos elétricos híbridos de todos os tipos. Os controladores de motor baseados em IGBT, por exemplo, controlam o fluxo de energia de uma bateria, gerador ou células de combustível para determinar as velocidades de rotação e torque de saída de motores elétricos. Eles são muito mais eficientes do que os sistemas de controle eletromecânico e melhoram significativamente o desempenho dos drives de velocidade variável - uma tecnologia que é muito menos madura do que os drives de velocidade fixa amplamente usados na indústria.
A TDI Power, sediada em Nova Jersey, é um exemplo de investidor que investe em eletrônica de potência com refrigeração líquida para veículos elétricos e híbridos para aplicações civis e militares. A empresa fabrica conversores DC / DC modulares padrão e inversores que excedem os padrões SAE e MIL atuais.
Os acionamentos elétricos em veículos militares se beneficiarão de extensa pesquisa e desenvolvimento em acionamentos de velocidade variável para a indústria, alimentados pela perspectiva de uma economia geral de energia de cerca de 15-30%, que pode ser realizada se as máquinas de engrenagens fixas forem substituídas por acionamentos de velocidade variável para a maioria das indústrias usuários, conforme descrito em um estudo recente da Universidade de Newcastle encomendado pela Autoridade de Ciência e Inovação do Reino Unido. “A melhoria da eficiência potencial das cargas de acionamento deve economizar 15 kWh bilhões de horas por ano no Reino Unido e, quando combinada com a eficiência aprimorada do motor e da unidade, uma economia total de 24 bilhões de kWh”, disse o estudo.
Uma das formas importantes de melhorar a eficiência da transmissão de energia em qualquer sistema elétrico é aumentar a tensão, uma vez que a lei de Ohm determina que, para qualquer potência, quanto maior a tensão, menor a corrente. Pequenas correntes podem passar por fios finos, permitindo que sistemas elétricos compactos e leves forneçam as cargas necessárias. É por isso que as redes elétricas nacionais usam tensões muito altas ao transmitir energia; As redes de energia britânicas, por exemplo, operam suas linhas de transmissão em até 400.000 volts.
É improvável que os sistemas elétricos dos veículos militares usem tensões dessa magnitude, mas os dias de 28 volts e sistemas elétricos semelhantes parecem estar contados. Em 2009, por exemplo, Qinetiq foi selecionado pelo Departamento de Defesa britânico para pesquisar a geração e distribuição de energia elétrica usando a tecnologia de 610 volts. Qinetiq liderou uma equipe que incluía a BAE Systems e a especialista em máquinas elétricas Provector Ltd, que converteu o WARRIOR 2000 BMP em um demonstrador capaz de fornecer energia a clientes de alta demanda de 610 volts, bem como equipamentos de 28 volts existentes. A máquina é equipada com dois geradores de 610 volts, cada um fornecendo o dobro da potência da máquina original, quadruplicando efetivamente a produção elétrica do Warrior.
Energia para um veículo usando células de combustível de SFC
Os soldados em campo precisam de uma fonte confiável de energia para suas máquinas. Deve fornecer corrente aos dispositivos de bordo, como rádios, equipamentos de comunicação, sistemas de armas e sistemas ópticos eletrônicos. Mas, quando necessário, também deve funcionar como uma estação de carregamento para soldados em missão.
Muitas vezes não é possível dar a partida no motor para carregar as baterias durante a execução da tarefa, pois isso pode revelar a localização da unidade. Portanto, os soldados precisam encontrar uma maneira de obter corrente elétrica - silenciosamente, constantemente e de forma independente.
O sistema EMILY 2200 da SFC é baseado na bem-sucedida tecnologia de célula de combustível EFOY. Instalada na máquina, a unidade EMILY garante que as baterias permaneçam constantemente carregadas. Seu regulador integrado monitora constantemente a tensão nas baterias e recarrega automaticamente as baterias quando necessário. Funciona silenciosamente e seu único "escapamento" é o vapor d'água e o dióxido de carbono em quantidades comparáveis à respiração de uma criança.
Máquinas grandes requerem baterias grandes. Este pacote de células de íons de lítio é parte da tecnologia de propulsão de ônibus híbrido da BAE Systems.
As células de combustível são possíveis?
As células a combustível, que usam processos químicos para converter diretamente o combustível em corrente elétrica com grande eficiência, há muito são vistas como uma tecnologia que pode ser amplamente utilizada no campo militar, incluindo a propulsão de um carro e a geração de eletricidade a bordo. No entanto, existem obstáculos técnicos significativos que precisam ser superados. Primeiro, as células de combustível funcionam com hidrogênio e o misturam com o oxigênio do ar para gerar corrente elétrica como subproduto. O hidrogênio não está prontamente disponível e é difícil de armazenar e transportar.
Existem muitos exemplos de células de combustível que acionam veículos elétricos, mas são todos experimentais. No mundo automotivo, o FCX CLARITY da Honda é provavelmente o mais próximo de um produto comercial, mas mesmo assim só está disponível em áreas onde há alguma infraestrutura de abastecimento de hidrogênio e apenas sob contratos de arrendamento. Mesmo os principais fabricantes de células de combustível, como Ballard Power, reconhecem as limitações atuais dessa tecnologia para uso em automóveis. A empresa afirma que “a produção em massa de veículos com células de combustível é de longo prazo. Hoje, a maioria das montadoras acredita que a produção em série de veículos com células de combustível não é viável até por volta de 2020, devido aos problemas da indústria de distribuição de hidrogênio, otimização da durabilidade, densidade de energia, capacidade de partida a quente e custo da célula de combustível.”
No entanto, todas as principais montadoras do mundo estão investindo pesadamente em P&D de células de combustível, muitas vezes em conjunto com fabricantes de células de combustível. Ballard, por exemplo, faz parte da Automotive Fuel Cell Cooperation, uma joint venture entre a Ford e a Daimler AG. Os militares estão colocando outro obstáculo à adoção de células de combustível: a exigência de que tudo funcione com combustíveis "logísticos". As células de combustível podem funcionar com diesel ou querosene, mas devem primeiro ser modificadas para extrair o hidrogênio de que precisam. Este processo requer equipamentos complexos e volumosos, afetando o tamanho, peso, custo, complexidade e eficiência de todo o sistema.
Outra limitação das células de combustível ao operar como motor principal de um veículo militar é o fato de que funcionam melhor em configurações de potência constantes e não podem responder rapidamente às mudanças necessárias. Isso significa que eles devem ser complementados com baterias e / ou supercapacitores e componentes eletrônicos de regulação de energia associados para atender às cargas de pico de energia.
No campo dos “supercapacitores”, a empresa estoniana Skeleton Industries desenvolveu uma linha de supercapacitores SkelCap de última geração que são cinco vezes mais potentes por litro de volume ou mais de quatro vezes mais potentes por quilograma do que as baterias militares premium. Na prática, isso significa 60% mais potência e quatro vezes a corrente em comparação com as melhores baterias militares. Os "supercapacitores" do SkelCap fornecem uma explosão instantânea de energia e são usados para uma ampla variedade de aplicações, de controle de fogo a tanques de torre. Como parte do grupo United Armaments International (UAI), SkelCap atende vários pedidos especializados, bem como programas expandidos através do grupo UAI com sede em Tallinn.
Supercapacitores da Skeleton Industries
No entanto, isso não significa que as células de combustível não encontrarão lugar nos veículos militares híbridos e elétricos. A aplicação imediata mais promissora são unidades de energia auxiliares (APU) em veículos que realizam tarefas de vigilância silenciosa do tipo ISTAR (coleta de informações, designação de alvos e reconhecimento)."No modo de vigilância silenciosa, os motores dos veículos não precisam funcionar e as baterias sozinhas não podem fornecer energia suficiente para operações de longo prazo", diz o Centro de Pesquisa de Engenharia do Exército dos EUA, que está liderando o desenvolvimento de geradores de células de combustível de óxido sólido e APUs que pode operar com combustíveis militares, óleo diesel e querosene.
Esta organização está atualmente se concentrando em sistemas de até 10 kW, com ênfase na integração total de sistemas de combustível com as necessidades operacionais de um kit de célula de combustível. As tarefas que precisam ser abordadas no projeto de sistemas práticos incluem o controle da vaporização e da poluição, especialmente o controle do enxofre por meio da dessulfurização (dessulfurização) e o uso de materiais resistentes ao enxofre, além de evitar a formação de depósitos de carbono no sistema.
Os acionamentos elétricos híbridos têm muito a oferecer aos veículos militares, mas ainda levará algum tempo para que os benefícios dessa tecnologia se tornem tangíveis.
