Le système de pile à combustible EMILY 3000 a une puissance de sortie nominale de 125 W et une capacité de charge journalière de 6 kWh. Il peut recharger plusieurs batteries ou agir comme un générateur de champ. Le système a été créé spécifiquement pour les applications militaires, y compris les scénarios de test dans lesquels les données sur les nouveaux systèmes de défense doivent être collectées et évaluées sur le terrain.
En fin de compte, les centrales électriques hybrides offrent des avantages comparables, voire meilleurs, aux véhicules blindés. Bien que l'efficacité énergétique, du moins historiquement, n'ait pas figuré en tête de liste des caractéristiques obligatoires des véhicules blindés, elle augmente néanmoins le kilométrage et / ou la durée pour une capacité de carburant donnée, augmente la charge utile, la protection ou la puissance de feu pour un total donné. poids et, en général, réduire la charge logistique globale sur la flotte
La propulsion électrique hybride peut jouer un rôle important dans l'avenir des véhicules militaires, mais l'annulation et la réduction correspondantes du volume de nombreux programmes de défense (sans oublier les fameux FCS et FRES) et la lutte pour répondre aux besoins urgents en véhicules protégés ont été repoussées. sa mise en œuvre sur les véhicules militaires indéfiniment.
Cependant, lorsque les candidats pour le véhicule de combat terrestre américain GCV (Ground Combat Vehicle) ont été annoncés en janvier 2011, parmi eux figurait un projet de l'équipe BAE Systems / Northrop Grumman avec une unité d'alimentation électrique hybride avec le système E-X-DRIVE de Qinetiq. Cela peut être considéré comme une sorte de pari car aucun des candidats au programme de véhicules tactiques légers JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), qui comprenait également une propulsion électrique hybride, ne s'est qualifié pour la finale en raison du fait que, selon données disponibles, on pense que la technologie de cette machine n'est pas encore assez mature à ce stade. Néanmoins, l'histoire des entraînements électriques hybrides dans les véhicules de combat au sol a un nombre suffisant de programmes pour développer et démontrer cette technologie. Il y a quelque chose d'impitoyable et d'inévitable dans la quête mondiale d'une technologie qui promet d'économiser du carburant, d'améliorer les performances et la capacité de survie, tout en répondant à la demande croissante d'électricité à bord. Ceci est sans aucun doute étayé par des développements parallèles dans l'industrie automobile, entraînés par la législation environnementale.
Les constructeurs de véhicules militaires et les fournisseurs de systèmes ont investi massivement dans cette technologie, souvent poussés par certains des programmes gouvernementaux ambitieux susmentionnés, avant de faire face à l'incertitude particulière inhérente aux plans gouvernementaux à long terme. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks et Qinetiq ont développé des moteurs électriques hybrides pour les programmes britanniques, américains et suédois, tandis que Nexter travaille sur le programme de développement technologique ARCHYBALD pour les véhicules lourds, civils et militaires.
Transmission électrique E-X-DRIVE pour véhicules à chenilles de QinetiQ, système léger, compact et efficace
Prédécesseurs hybrides
Les systèmes de propulsion hybrides se sont fermement établis dans les navires de guerre, en particulier sur les sous-marins, les trains et les camions lourds utilisés dans les carrières et les mines à ciel ouvert. Dans ces applications, un moteur d'entraînement, tel qu'un moteur diesel, une turbine à gaz ou même les deux, entraîne un générateur qui fournit du courant pour entraîner les moteurs et charger les batteries. Certains systèmes incluent une boîte de vitesses pour transférer la puissance mécanique aux transmissions finales, tandis que d'autres ne le font pas.
Dans les navires de guerre, les centrales hybrides permettent d'utiliser des profils de vitesse complexes et très variables, tandis que les moteurs d'entraînement fonctionnent dans une plage de vitesse efficace: moteurs électriques pour la propulsion silencieuse, moteurs diesel pour la propulsion normale, turbines à gaz pour l'accélération, etc. Un sous-marin, propulsé par la méthode traditionnelle, ne peut pas lancer son dispositif de propulsion principal pendant une plongée (s'il n'a pas de tuba) et, à cet égard, il faut compter principalement sur des batteries ou un autre système de propulsion indépendant de l'air. Les machines de terrassement géantes reposent sur un énorme couple à zéro régime généré par les moteurs électriques pour conduire, car les transmissions manuelles qui pourraient effectuer ce genre de travail seraient énormes, complexes et coûteuses. Les trains sont encore plus confrontés au même problème, car ils doivent transporter plusieurs centaines de tonnes avec eux depuis l'arrêt, dans de nombreux cas jusqu'à des vitesses supérieures à 150 mph.
Un système de propulsion hybride peut économiser du carburant en permettant d'utiliser un moteur d'entraînement plus petit et plus économe en carburant sans dégradation, car le système, lorsque le conducteur enfonce complètement la pédale d'accélérateur, complète le moteur principal avec des moteurs électriques alimentés par batterie. Les entraînements électriques permettent également d'amortir le moteur d'entraînement lors de la conduite à basse vitesse, lorsqu'il peut être relativement inefficace. Les voitures hybrides modernes peuvent également stocker de l'énergie cinétique (par exemple, à partir d'un système de freinage régénératif) et l'utiliser pour recharger leurs batteries. Des économies supplémentaires sont réalisées en faisant fonctionner la machine motrice la plupart du temps dans sa plage de vitesse la plus efficace, ainsi qu'en utilisant toute énergie supplémentaire pour charger les batteries et/ou alimenter les consommateurs électriques embarqués.
Les véhicules militaires modernes nécessitent de plus en plus d'énergie électrique pour faire fonctionner les systèmes de communication, les équipements de commandement et de contrôle, les capteurs de surveillance et de renseignement tels que l'optoélectronique et les radars, les stations d'armes télécommandées et les brouilleurs d'engins explosifs improvisés (IED). Les systèmes avancés tels que l'armure électrique augmenteront encore la consommation. Utiliser toute la puissance installée pour faire fonctionner les systèmes électriques est, en théorie, au moins plus efficace que d'avoir un système pour la propulsion et un autre pour les équipements spécialisés.
L'accent est mis de plus en plus sur les capacités de surveillance et de collecte de renseignements dans les missions de contre-insurrection, et par conséquent, des exigences de surveillance silencieuse sont mises en avant dans un nombre croissant de programmes de véhicules blindés. Cela augmente encore l'importance de la consommation d'énergie électrique et rend les piles à combustible plus attrayantes.
Les systèmes d'entraînement électriques hybrides se répartissent en deux grandes catégories: parallèles et série. Dans les systèmes parallèles, un moteur à combustion interne et un moteur électrique (ou des moteurs électriques) font tourner les roues ou les chenilles via une boîte de vitesses, séparément ou ensemble. Dans les systèmes hybrides en série, le moteur principal entraîne uniquement le générateur. Un système séquentiel est plus simple, toute la puissance motrice qu'il contient doit passer par les moteurs électriques et, par conséquent, ils doivent être plus gros que les moteurs électriques d'un système parallèle avec les mêmes exigences de performance de la machine. Des systèmes des deux types ont été développés.
Les innovations dans les entraînements électriques hybrides et la technologie des piles à combustible peuvent être tirées de la technologie commerciale. Par exemple, BAE Systems fabrique des bus hybrides-électriques, dont la technologie peut être utilisée pour démontrer l'efficacité énergétique et les caractéristiques d'échappement améliorées des véhicules hybrides-électriques modernes conçus pour des conditions difficiles.
Capacité de survie accrue
Les systèmes hybrides augmentent également la capacité de survie grâce à une disposition plus flexible et à l'élimination des composants de transmission qui pourraient devenir un projectile latéral lorsqu'ils explosent par une mine ou un IED. Les véhicules blindés à roues en profitent particulièrement. En intégrant les moteurs d'entraînement dans les moyeux de roue, tous les arbres de transmission, différentiels, arbres de transmission et boîtes de vitesses associés aux transmissions manuelles traditionnelles sont supprimés et remplacés par des câbles d'alimentation et ne peuvent donc pas devenir des projectiles supplémentaires. L'élimination de tous ces mécanismes permet également de surélever le compartiment de l'équipage au-dessus du sol à une hauteur de véhicule donnée, rendant les passagers moins vulnérables aux explosions sous coque. Ce type de conception a été utilisé dans le démonstrateur General Dynamics UK AHED 8x8 et la version à roues de la machine SEP de BAE Systems / Hagglunds, dont la version à chenilles a également été fabriquée (et par la suite oubliée en toute sécurité).
Les moteurs électriques intégrés dans les roues individuelles contrôlent très précisément la puissance délivrée à chaque roue, ce qui, selon GD UK, élimine presque l'avantage des chenilles par rapport aux roues en termes de terrain hors route.
Le véhicule de combat au sol prometteur se déplacera sur des pistes et la proposition BAE Systems / Northrop Grumman indique que la transmission électrique E-X-DRIVE de Qinetiq sera plus légère, plus compacte et plus efficace que les transmissions traditionnelles. Il permet également une accélération améliorée ainsi qu'une tolérance aux pannes et est configurable pour un large éventail de programmes d'adoption de machines et de technologies, indique la société.
Bien que le système comprenne quatre moteurs à aimants permanents, le groupe motopropulseur de l'E-X-DRIVE n'est pas entièrement électrique; récupération de puissance dans les virages et changement de vitesse mécanique, ce dernier utilisant un embrayage à came. Cette conception est une solution à faible risque qui minimise les contraintes sur les moteurs, les engrenages, les arbres et les roulements. L'utilisation d'un arbre transversal pour régénérer la puissance mécanique dans le mécanisme d'oscillation est une alternative à l'utilisation de roues motrices indépendantes dans une transmission purement électrique.
L'une des innovations au cœur de l'E-X-DRIVE est la boîte de vitesses centrale (appelée différentiel de réglage), qui combine le couple du moteur de direction, le couple du moteur principal et le mécanisme de récupération de commande mécanique mentionné précédemment. En plus de minimiser les charges de torsion, il élimine l'encombrement et le poids de l'arbre transversal externe utilisé dans les solutions traditionnelles et autres systèmes d'entraînement électriques hybrides.
Avancées en génie électrique
Les moteurs à aimants permanents sont un domaine technologique qui a considérablement amélioré l'efficacité et la densité de puissance des systèmes d'entraînement électriques dans toutes les applications ces dernières années. Les moteurs à aimants permanents reposent sur de puissants aimants de terres rares naturels pour générer des champs magnétiques dans les composants du stator, plutôt que sur des enroulements porteurs de courant (électro-aimants). Cela rend les moteurs plus efficaces, notamment du fait que seul le rotor a besoin d'être alimenté en courant électrique.
L'électronique de puissance moderne est également une technologie clé pour les véhicules électriques hybrides de tous types. Les contrôleurs de moteur basés sur IGBT, par exemple, contrôlent le flux d'énergie d'une batterie, d'un générateur ou de piles à combustible pour déterminer les vitesses de rotation et le couple de sortie des moteurs électriques. Ils sont beaucoup plus efficaces que les systèmes de contrôle électromécaniques et améliorent considérablement les performances des variateurs de vitesse, une technologie beaucoup moins mature que les variateurs de vitesse fixes largement utilisés dans l'industrie.
TDI Power, basée au New Jersey, est un exemple d'investisseur investissant dans l'électronique de puissance à refroidissement liquide pour les véhicules électriques et hybrides destinés à des applications civiles et militaires. La société fabrique des convertisseurs et onduleurs DC/DC modulaires standard qui dépassent les normes SAE et MIL actuelles.
Les entraînements électriques dans les véhicules militaires bénéficieront d'une R&D approfondie sur les entraînements à vitesse variable pour l'industrie, alimentés par la perspective d'économies d'énergie globales d'environ 15 à 30 %, qui peuvent être réalisées si les machines à engrenages fixes sont remplacées par des entraînements à vitesse variable pour la plupart des industriels. utilisateurs, comme indiqué dans une étude récente de l'Université de Newcastle commandée par la Science and Innovation Authority du Royaume-Uni. "L'amélioration de l'efficacité potentielle des charges d'entraînement devrait permettre au Royaume-Uni d'économiser 15 kWh milliards d'heures par an, et lorsqu'elle est combinée à une efficacité améliorée du moteur et de l'entraînement, des économies totales de 24 milliards de kWh", indique l'étude.
L'un des moyens importants d'améliorer l'efficacité de la transmission de puissance dans tout système électrique est d'augmenter la tension, car la loi d'Ohm dicte que pour une puissance donnée, plus la tension est élevée, plus le courant est faible. De faibles courants peuvent traverser des fils minces, ce qui permet à des systèmes électriques compacts et légers de fournir les charges requises. C'est pourquoi les réseaux électriques nationaux utilisent des tensions très élevées lors de la transmission de l'électricité; Les réseaux électriques britanniques, par exemple, exploitent leurs lignes de transmission jusqu'à 400 000 volts.
Il est peu probable que les systèmes électriques des véhicules militaires utilisent des tensions de cette ampleur, mais les jours du 28 volts et des systèmes électriques similaires semblent être comptés. En 2009, par exemple, Qinetiq a été sélectionné par le ministère britannique de la Défense pour effectuer des recherches sur la génération et la distribution d'énergie électrique à l'aide de la technologie 610 volts. Qinetiq a dirigé une équipe qui comprenait BAE Systems et le spécialiste des machines électriques Provector Ltd, qui a converti le WARRIOR 2000 BMP en un démonstrateur capable d'alimenter les clients à forte demande 610 volts ainsi que les équipements 28 volts existants. La machine est équipée de deux générateurs de 610 volts, chacun fournissant deux fois la puissance de la machine d'origine, quadruplant efficacement la puissance électrique du Warrior.
Énergie pour un véhicule utilisant des piles à combustible de SFC
Les soldats sur le terrain ont besoin d'une source d'énergie fiable pour leurs machines. Il doit fournir du courant aux appareils embarqués tels que les radios, les équipements de communication, les systèmes d'armes et les systèmes électroniques optiques. Mais en cas de besoin, il devrait également servir de station de recharge pour les soldats en mission.
Souvent, il n'est pas possible de démarrer le moteur pour charger les batteries lors de l'exécution de la tâche, car cela peut révéler l'emplacement de l'unité. Par conséquent, les soldats ont besoin d'un moyen d'obtenir du courant électrique - silencieusement, constamment et indépendamment.
Le système EMILY 2200 de SFC est basé sur la technologie à succès de pile à combustible EFOY. Installé sur la machine, le boîtier EMILY garantit que les batteries restent constamment chargées. Son régulateur intégré surveille en permanence la tension dans les batteries et recharge automatiquement les batteries en cas de besoin. Il fonctionne silencieusement et son seul "échappement" est de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone en quantités comparables à la respiration d'un enfant.
Les grosses machines nécessitent de grosses batteries. Cet ensemble de cellules lithium-ion fait partie de la technologie de propulsion de bus hybride de BAE Systems.
Les piles à combustible sont-elles possibles ?
Les piles à combustible, qui utilisent des procédés chimiques pour convertir directement le carburant en courant électrique avec une grande efficacité, ont longtemps été considérées comme une technologie largement utilisée dans le domaine militaire, notamment pour propulser une voiture et produire de l'électricité à bord. Cependant, d'importants obstacles techniques doivent être surmontés. Premièrement, les piles à combustible fonctionnent à l'hydrogène et le mélangent à l'oxygène de l'air pour générer du courant électrique en tant que sous-produit. L'hydrogène n'est pas facilement disponible et difficile à stocker et à transporter.
Il existe de nombreux exemples de piles à combustible qui alimentent des véhicules électriques, mais ils sont tous expérimentaux. Dans le monde automobile, le FCX CLARITY de Honda est probablement la disponibilité la plus proche d'un produit commercial, mais même dans ce cas, il n'est disponible que dans les zones où il existe une infrastructure de ravitaillement en hydrogène et uniquement dans le cadre de contrats de location. Même les principaux fabricants de piles à combustible tels que Ballard Power reconnaissent les limites actuelles de cette technologie pour une utilisation dans les automobiles. L'entreprise affirme que « la production de masse de véhicules à pile à combustible s'inscrit dans le long terme. Aujourd'hui, la plupart des constructeurs automobiles pensent que la production en série de véhicules à pile à combustible n'est pas réalisable avant 2020 environ, en raison de problèmes de distribution d'hydrogène, d'optimisation de la durabilité, de la densité énergétique, de la capacité de démarrage à chaud et du coût des piles à combustible. »
Cependant, tous les grands constructeurs automobiles mondiaux investissent massivement dans la R&D sur les piles à combustible, souvent en collaboration avec les fabricants de piles à combustible. Ballard, par exemple, fait partie de l'Automotive Fuel Cell Cooperation, une coentreprise entre Ford et Daimler AG. L'armée met un autre obstacle à l'adoption des piles à combustible sous la forme de son exigence selon laquelle tout doit fonctionner avec des carburants « logistiques ». Les piles à combustible peuvent fonctionner au diesel ou au kérosène, mais elles doivent d'abord être modifiées pour extraire l'hydrogène dont elles ont besoin. Ce processus nécessite un équipement complexe et encombrant, affectant la taille, le poids, le coût, la complexité et l'efficacité du système global.
Une autre limitation des piles à combustible lorsqu'elles fonctionnent comme moteur principal d'un véhicule militaire est le fait qu'elles fonctionnent mieux à des réglages de puissance constants et ne peuvent pas répondre rapidement aux changements requis. Cela signifie qu'ils doivent être complétés par des batteries et/ou des supercondensateurs et l'électronique de régulation de puissance associée pour faire face aux pics de charge.
Dans le domaine des « supercondensateurs », la société estonienne Skeleton Industries a développé une gamme de supercondensateurs SkelCap à la pointe de la technologie qui sont cinq fois plus puissants par litre de volume ou plus de quatre fois plus puissants par kilogramme que les batteries militaires premium.. En pratique, cela signifie 60 % de puissance en plus et quatre fois plus de courant que les meilleures batteries militaires. Les "supercondensateurs" de SkelCap fournissent une explosion de puissance instantanée et sont utilisés pour une grande variété d'applications, de la conduite de tir aux chars à tourelle. En tant que membre du groupe United Armaments International (UAI), SkelCap exécute diverses commandes spécialisées ainsi que des programmes étendus via le groupe UAI basé à Tallinn.
Supercondensateurs de Skeleton Industries
Cependant, cela ne signifie pas que les piles à combustible ne trouveront pas leur place dans les véhicules militaires hybrides et électriques. L'application immédiate la plus prometteuse concerne les groupes auxiliaires de puissance (APU) dans les véhicules réalisant des tâches de surveillance silencieuse de type ISTAR (collecte d'informations, désignation d'objectifs et reconnaissance).« En mode de surveillance silencieuse, les moteurs des véhicules n'ont pas à fonctionner et les batteries seules ne peuvent pas fournir suffisamment d'énergie pour les opérations à long terme », déclare le US Army Engineering Research Center, qui dirige le développement de générateurs de piles à combustible à oxyde solide et d'APU qui peut fonctionner avec des carburants militaires, du carburant diesel et du kérosène.
Cette organisation se concentre actuellement sur les systèmes jusqu'à 10 kW en mettant l'accent sur l'intégration complète des systèmes à combustible avec les besoins d'exploitation d'un kit de pile à combustible. Les tâches qui doivent être abordées dans la conception de systèmes pratiques comprennent le contrôle de la vaporisation et de la pollution, en particulier le contrôle du soufre par désulfuration (désulfuration) et l'utilisation de matériaux résistants au soufre, ainsi que la prévention de la formation de dépôts de carbone dans le système..
Les entraînements électriques hybrides ont beaucoup à offrir aux véhicules militaires, mais il faudra un certain temps avant que les avantages de cette technologie ne deviennent tangibles.
