2020年12月17日,星期四

报告说,美国陆军仍然依靠碳基燃料

根据David J. Gorsich博士和AndréBoehman博士发布的报告,美国陆军仍依赖碳基燃料,而碳基燃料仍将是主要燃料。

陆军地面车辆系统首席科学家David J. Gorsich博士,密歇根大学机械工程学教授,大学Walter E. Lay汽车实验室主任AndréBoehman在其报告中指出,陆军对能量的要求最高,高密度燃料加上最低的质量和体积-汽油和柴油仍然胜过替代能源。

陆军科学家 ’ 报告 研究了为什么美军没有更广泛地使用替代形式的能源和动力总成来减少其车辆的燃油消耗?

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特斯拉(Tesla)正在建造大型半卡车,UPS和FedEx开始订购这些车辆以进行交付操作。似乎整个汽车行业都在朝着电气化方向发展,因为电池成本已急剧下降,充电时间和续航里程也相应提高。在所有主要的汽车制造商都转向混合动力和电动汽车的情况下,很容易感到困惑,并且想知道为什么陆军落后于如此。

事实是,军队没有落后。它拥有所有这些领域的专家,他们从事军用车辆的替代能源和混合动力汽车研究已有20多年了。实际上,陆军快速能力和关键技术办公室最近向BAE Systems授予了3200万美元的原型协议,以将混合动力驱动系统集成到Bradley战车上。该开发计划是陆军努力提高车辆效率和提高发电量以支持未来技术集成并提高战场上作战车辆机动性的一部分。

但是,最重要的是,美国陆军没有单方面决定改用替代燃料的充分理由。陆军有一套独特的作战要求,满足这些要求的当前燃料源所包含的能量(按重量计)不如柴油或汽油。在船上也没有其他形式的能量可以携带或产生,就大小或体积而言,至少不小于天然气和柴油的四到十倍。陆军地面舰队的电气化(例如,通过在战术车辆上部署集成的起动发电机)非常重要,但仍然依靠柴油作为主要能源。

该分析着重于能量密度(每单位体积存储在系统中的能量数量),该能量的转换以及质量和体积要求,以确定它们与当前电源的比较方式。完整的技术论文由安德鲁·曼斯菲尔德(Andrew Mansfield)等人发表在《能源技术杂志》上。该论文的标题为“评估用于军用车辆平台的常规能源和替代能源载体”,于2020年8月31日在线发表。

通用动力陆地系统’先进的地面机动车辆,带轮毂内电驱动。斯蒂芬·贝克(Stephen Baack)摄影

本研究建立在过去主要通过美国陆军混合动力电动汽车实验和评估计划进行的研究的基础上。要了解陆军为何仍依赖柴油和汽油,我们需要了解陆军的要求,作战环境以及如何存储能量并将其转化为车辆运动。

这是通过以能量载体开始的过程完成的,能量载体是一种物质(燃料)或“物质状态”,其存储的能量随后可以转换为其他形式,例如机械功或动力。我们使用“能量载体”这个术语是因为它是指可以以多种形式存在并且可以从一种形式转换为另一种形式的能量。这样的载体可以包括弹簧,飞轮,电池,压缩空气,氢气,石油,煤炭,木材和天然气。飞轮是一种旋转的机械装置,用于存储旋转能量,当能量(例如来自发动机的扭矩)是间歇性的时,旋转能量提供连续的能量。

因此,能量载体是车辆的车载能量存储,通过诸如内燃机,电动机或燃料电池的转换装置将其转换为有用的机械能。此过程提供的机械能可以驱动车辆的变速器,然后产生动力,从而:

能量载体→转换装置→机械能

有几种运输适用的能量载体,即可以合理地存储在车辆上的能量载体,例如化学和机械能量载体。该分析中考虑的各种能量载体和转换装置如图1所示。它们是:碳氢燃料(天然气或柴油),电池,超级电容器,氢(燃料电池)和飞轮。

电池和超级电容器(类似于电池但设计用于产生非常高的比功率的电化学装置,即用于混合动力车辆上的再生制动器的电化学装置)通常在能量和功率方面进行比较。与超级电容器相比,电池具有更高的能量密度(系统可以存储的能量量),超级电容器具有更高的功率密度(系统可以释放的能量率)。

这使得超级电容器特别适合于相对快速地存储和释放大量功率,而电池能够长时间存储大量能量。

军事上的主要要求假设需要将燃料运输到战场,因此需要一种重量轻,能量密度高的燃料,以及一种发电的方法。那是因为典型的士兵会携带4到5个电子设备-将来负担可能会加倍-并且这种设备如果没有发电就毫无用处。即使士兵可以大量供应,现代锂离子(Li-ion)电池也无法满足需求。

图2总结了商用能源载体的性能特点和有前途的未来技术,并说明了柴油和汽油燃料的独特优势。它们是迄今为止使用最广泛的能量载体,并与具有不同商业化水平的内燃机或燃气轮机结合使用。

商业化(COM)是指特定技术在大众市场上的可用性。通常,技术越便宜,陆军就可以使用越广泛。因此,商品化程度越高((↑)表示增加,(↓)表示减少),则用于陆军车辆的燃料越实用。随后,它成为我们最佳能量载体选择的一个因素,新方程如下:

(能量载体+转换设备)+(↑)COM =机械能(最佳性能特征)

成本,可靠性和商业化等因素会严重影响图2中某些选项的实用性。典型燃料(在括号中给出了易于商业化的燃料)可以是液体,例如煤油(高),柴油(高),汽油(高)和乙醇(中);或气态,例如甲烷和天然气(中到高)。锂空气电池和氢电池的性能中等偏低,其能量密度与燃料相似,但比能量却低了一个数量级。锂离子(中级至高级)和镍氢(Ni-MH;高级)电池以及飞轮(高级)处于性能的下端,能量密度和比能值的数量级较低与高性能电化学能量载体相比。

镍氢电池在市场上已经非常成熟,而锂离子电池最近已商业化。锂空气电池(低)是一种非常有前途的未来技术,尚未投入商业应用。

陆军ZH2燃料电池电动汽车

过去十年中,许多电动汽车或部分电动汽车都使用镍氢电池。特斯拉等新兴的电动汽车制造商已选择使用锂离子电池。

所考虑的转换设备是内燃机,电动机和燃料电池。它们的性能特征可以在图3中看到,该图显示了每个电源的实际性能与电源输出之间的关系。电动机具有最高的性能水平,但是,正如我们前面所看到的,电动机连接到的电池没有足够的存储能量来持续用于军事应用。其次是汽油和柴油内燃机,其中甲烷发动机处于最低水平。

考虑替代能源载体时的另一个重要因素是,运输必需的燃料以及操作和充分驱动车辆系统所需的所有辅助设备将需要多少车辆空间。

为了评估和比较每个替代能源载体所需的船上空间,研究人员通过比较高机动性多用途轮式车辆(HMMWV)和与之相关的能量载体体积和动力总成质量,评估了近似的空间要求。中型战术车辆(FMTV)平台系列。图4示出了用于两个车辆系统的各种单和双混合能量载体的预测总动力总成质量和能量载体体积。结果表明,柴油和汽油燃料显然是两种车辆系统的最佳能量载体,总动力总成质量最低,能量载体体积较小。

对于图4左侧图中的单能量载流子和右侧图中的双混合载流子(柴油+电池或超级电容器)的结果都是如此。在双重混合能源载体中,柴油+锂空气混合动力显然是最佳的,考虑到相对较小的质量和体积增加,混合效率最高(50%柴油和50%锂空气)。这些结果也清楚表明,锂离子和锂空气电池技术比传统使用的镍氢电池具有更大的优势。

军用车辆替代能源载体的主要候选者将包括优化的燃料源和转换装置,高​​水平的商业化以及尽可能小的系统质量和体积。通常,较小的(↓)质量和体积(M&V)替代方案可提高车辆的运营效率,因此成为以下等式的一部分:

(能量载体→转换设备)+(↑)COM +(↓)M&V =机械能(最佳性能特征)

对于单能源系统和双能源系统中的电池,此处考虑的三种替代能源技术导致总的动力总成质量和载流子体积截然不同,比柴油燃料系统大得多。使用Ni-MH电池的总质量是柴油系统的15到22倍,能量载体的体积是柴油的25倍。锂离子电池相对于镍氢电池具有显着改进,其总质量仅比柴油燃料系统大4.5至7倍,而载流子体积则比柴油系统大4倍。

即使有了这种改进,由于柴油机系统的质量和体积的大幅增加也给其实施带来了巨大挑战,因为驾驶性能和可用体积可能会急剧下降。在使用锂离子电池的特斯拉半卡车短300-500英里范围内,锂离子电池系统在类似大型车辆中的大质量和体积增加的影响是显而易见的,而相比之下,使用锂离子电池的更典型的1,000英里范围一辆柴油半卡车。

相对于柴油,氢气和甲烷都产生相似的总动力总成质量,但能量载流子体积要大得多(3-5倍)。这突出显示了气态燃料能量密度低的主要问题,并指出,在现有技术和近期技术水平上,如果将这些燃料用作军用地面车辆的单一能源载体,则它们的可用载荷承载能力将很大一部分(音量)将丢失。

陆军有一套独特的要求,除天然气或柴油作为主要能源载体外,目前无法更好地满足这些要求。考虑到柴油发动机的高扭矩性能,从总动力总质量(能量载体+转换装置)和存储的能量两个角度来看,柴油显然是陆军地面车辆平台的最佳能量载体。

军事应用在质量和体积方面给储能系统和能量密度带来了共同而独特的挑战,并且对于商业和军事储能系统而言都是至关重要的挑战。军事应用的储能系统必须能够在低温和高温(负46到88摄氏度)以及比商业系统更大的冲击和振动条件下可靠地存储和运行。军事储能和出口动力解决方案的冷却系统由于必须承受的恶劣环境条件而变得复杂。因此,这种综合情况继续促使陆军转向液体燃料及其物理性质。

将来,为了让陆军考虑从氢碳燃料转移到整个舰队的整体变革,它需要制定非常详细的战略和逐步途径来获取任何新技术。这还没有发生,因为在替代能源成为大规模使用的可行选择之前,仍然有许多障碍需要解决。就规模和范围而言,陆军在未来十年内不太可能转变为其他形式。替代能源发电现在以多种形式存在,但在陆军大规模使用时,替代燃料尚无法在黄金时段使用。

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