星期二,5月11日,2021年

报告称,美国陆军仍然依赖于基于碳的燃料燃料

根据David J. Gorsich博士和AndréBoehman博士发布的一份报告,美国陆军仍然依赖于基于碳的燃料,这可能仍然是主要燃料。

陆军的地面车辆系统科学家David J. Gorsich博士和密歇根大学机械工程机械工程教授,大学沃尔特E. Lay汽车实验室AndréBoehman在其报告中指出,军队的要求呼吁最高能量 - 密度燃料与最低质量和体积和汽油和柴油和柴油相结合,仍然赢得替代能源。

陆军科学家’ 报告 检查为什么美国军队不是替代形式的能量和动力传递更广泛,以减少其车辆的燃料用法?

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特斯拉正在建造大型半木质,UPS和FedEx开始订购这些车辆进行交付运营。随着电池成本急剧下降,充电时间和范围相应地改善了整个汽车行业迁移到电气化。随着所有主要的汽车制造商朝向混合动力车和电动汽车移动,很容易困惑,并想知道为什么陆军落后。

现实是军队并非落后。它拥有所有这些领域的专家,他们一直在对军用车的替代能源和混合动力进行研究超过20年。事实上,军队快速能力和关键技术办公室最近授予BAE系统的3200万美元的原型协议,将混合动力电动驱动系统集成到布拉德利战斗车辆上。发展方案是军队努力提高车辆效率和推动发电,以支持未来技术的整合,提高战场上的战斗车辆的流动性。

然而,底线是,军队没有单方面决定切换到替代燃料的好原因。陆军有一套独特的运营要求,并且没有当前燃料源,这些要求含有尽可能多的能量,重量,作为柴油或汽油。也没有替代的能量形式,可以在尺寸或体积上携带或产生,而不是气体和柴油的至少四到10倍。军队的地船队的电气化(例如,通过在战术车上的集成初学者发生器)非常重要,但它仍然依赖于柴油作为主要能源。

该分析侧重于能量密度(每单位体积的系统中储存的能量量),将该能量以及质量和体积要求转换,以确定它们与当前来源的比较方式。通过安德鲁曼菲尔德等人在能源技术杂志上发表了完整的技术文件。本文在线公布了“用于军事车辆平台的常规和替代能源载体的评估,”这篇论文于2002年8月31日在线公布。

一般动态土地系统’高级地球移动车辆电动驱动。照片由Stephen Baack

这项研究基于过去通过美国军队混合电动汽车实验和评估计划进行的过去的研究。要了解为什么陆军仍然依靠柴油和天然气,我们需要了解军队的要求,操作环境以及如何存储和转化为车辆运动的能量。

这是通过从能量载体开始的过程完成的,这是一种物质(燃料)或“材料状态”,其存储可以后来转换成其他形式的能量,例如机械工作或功率。我们使用术语“能量载体”,因为它指的是可以以各种形式存在的能量,并且可以从一种形式转换为另一个形式。这种载体可包括弹簧,飞轮,电池,加压空气,氢气,石油,煤,木材和天然气。飞轮是一种纺纱机械装置,用于存储当能源时提供连续能量的旋转能量,从发动机表示扭矩,是间歇性的。

因此,能量载体是车辆的船上能量存储器,其通过转换装置转换成有用的机械能,例如燃烧发动机,电动机或燃料电池。该过程提供了可以驱动车辆传输的机械能,然后可以产生电力,使得:

能量载体→转换装置→机械能

有几个类别的运输适用的能量载体,即可以合理地存储在车辆的那些,例如化学和机械能载体。在该分析中考虑的各种能量载体和转换装置在下面的图1中示出。它们是:烃燃料(气体或柴油),电池,超级电容器,氢气(燃料电池)和飞轮。

电池和超级电容器(类似于电池的电化学装置,但旨在产生非常高的特定功率,即用于混合动力车辆的再生制动器)通常在其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),其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迅速地存储和释放大量功率,而电池能够在长时间内存在大量的能量。

主要的军事要求假设需要将燃料运送到战场,因此需要高能量致密燃料,重量低,以及发电的方式。这是因为典型的士兵带有四个或五个电子设备 - 在未来,在没有电力发电的情况下,这种设备可能是双重的,而且这种设备无用。现代锂离子(锂离子)电池不能跟上需求,即使士兵可以带来大量供应。

图2总结了商业能源载体的性能特征以及有前途的未来技术,并说明了柴油和汽油燃料的不同优势。它们是迄今为止最广泛使用的能量载体,并且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)是指特定技术的大众市场可用性。一般来说,较便宜的技术是,它越广泛地将用于军队使用。因此,商业化越高((↑)表示增加,(↓)减少),燃料更具实际的燃料是在陆军车辆中实施。随后,它成为我们最好的能量载体选项中的一个因素,新方程式如下:

(能量载体+转换装置)+(↑)COM =机械能(最佳性能特征)

成本,可靠性和商业化等因素强烈影响图2中的一些选项的有用性。典型的燃料(随着括号中给出的商业化),可以是煤油(高),柴油(高),汽油(高)和乙醇(培养基);或气态,例如甲烷和天然气(中至高)。锂空气(Li-Air)电池和氢气中中间为低表演者,具有相似的能量密度以燃料,但级别较低的特定能量。锂离子(中等至高)和镍 - 金属氢化物(Ni-MH;高)电池以及飞轮(高)在性能下降处于低能量密度和特定能量值的低端性能与高性能电化学能量载体相比。

Ni-MH电池在市场上成熟很好,而锂离子电池最近是最近商业化的。 Li-Air电池(低)是一个非常有前途的未来技术,尚未商业。

军队的Z2燃料电池电动车

来自过去十年的许多完整或部分电动汽车使用Ni-MH电池。更新的电动汽车车辆制造商,如Tesla,已选择使用锂离子电池。

考虑的转换装置是燃烧发动机,电动机和燃料电池。它们的性能特性可以在图3中可以看出,这示出了每个电源与其功率输出的实际性能的测量。电动机具有最高的性能,但是,正如我们之前所看到的那样,它们与电池连接到没有足够的存储能量来持续用于军事应用。接下来,汽油和柴油燃烧发动机在最低水平处用甲烷发动机。

考虑替代能源载体时的另一个重要因素是将需要多少车辆空间来运输必要的燃料以及操作所需的所有辅助设备,并充分为车辆系统供电。

为了评估和比较每种替代能源载体的船上空间多少,研究人员通过比较与每个载体相关的能量载体体积和动力总成质量相对于高迁移率多用途轮式车辆(HMMWV)和中型战术车(FMTV)平台。图4示出了用于两个车辆系统的各种单个和双混合能量载体的预测总动力总成和能量载体体积。结果表明,柴油和汽油燃料显然是车辆系统的最佳能量载体,具有最低总动力总成块和低能量载体体积。

这对于图4的左侧图中的单个能量载波的结果以及用于右侧图中的双混合载流子(柴油+电池或超级电容器)的结果是如此。在双杂化能量载体中,柴油燃料+锂空气杂交液显然是最佳的,考虑到相对较小的质量和体积增加,产生最大的杂交速率(50%的柴油和50%LI-AIR)。这些结果还清楚地表明锂离子和Li-Air电池技术在更传统上使用的Ni-MH的巨大益处。

用于军用车辆的替代能源载体的主要候选者包括优化的燃料源和转换装置,商业化程度高,以及尽可能小的系统质量和体积。通常,较小(↓)质量和体积(m&v)替代方案增加了车辆的运营效率,因此成为我们方程的一部分,如下所示:

(能量载体→转换装置)+(↑)com +(↓)m&v =机械能(最佳性能特征)

关于单一和双能量系统中的电池,这里考虑的三种替代能源技术导致总动力总成和能量载体量大于比柴油燃料系统大得多。使用Ni-MH电池的总质量较大,较大的能量载体体积大于柴油系统的25倍。锂离子电池是对Ni-MH显着改善,导致总质量仅为4.5至7倍,能量载体体积大于柴油系统的4倍。

即使通过这种改进,柴油燃料系统的大量质量和体积增加呈现出对其实施的重大挑战,因为驾驶性能和可用体积可能会急剧下降。在类似大型车辆中的锂离子电池系统的大量和体积增加的影响在短的300-500英里范围内,使用锂离子电池的短线300-500英里范围,与更典型的1,000英里范围相比柴油赛车。

相对于柴油燃料,氢气和甲烷均产生类似的总动力总成块,但能量载体量显着较大(3-5倍)。这突出了气体燃料的低能量密度的主要问题,并表示在现有和近期技术水平,如果这些燃料用作军用地车辆的单一能源载体,则其有效的有效载荷承载能力(卷)会丢失。

军队具有独特的要求,目前不能更好地满足于瓦斯或柴油作为主要能源载体的任何东西。考虑到柴油燃烧发动机的高扭矩性能,柴油燃料显然是军队的地面车辆平台的最佳能量载体,从总动力总成质量(能量载体+转换装置)和储存能量体积的角度来看。

军事应用为储能系统和能量密度提供了常见而独特的挑战,关于质量和体积,对商业和军事能量存储系统来说是关键挑战。用于军用应用的能量存储系统必须能够在低温和高温(减去46至88摄氏度)和比商业系统更大的冲击和振动条件下可靠地存储和操作。用于军用储存和出口电源解决方案的冷却系统对他们必须承受的恶劣环境条件复杂化。因此,这种综合情景继续将军推向液体燃料及其物理性质。

未来,为陆军考虑一只舰队,批发变更从水电碳燃料中移动,需要制定一个非常详细的战略和逐步的路径来获取任何新技术。这尚未发生,因为在替代能源载体可能成为全面使用的可行选择之前需要解决太多障碍需要解决。在规模和范围方面,这是不可能的,即军队将在未来10年内转换为其他事情。虽然现在存在替代发电,但在许多不同的形式中,替代燃料在大规模军队使用方面也没有准备好黄金时段。

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关于这个作者

Colton Jones.
Colton Jones.是Defenсe博客的技术编辑器。他已经写了关于军事杂志和其他地方的新兴技术。

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