Piše puk. doc. dr. sc. Dinko MIKULIĆ

Arhitektura hibridnih vozila
Električne i elektroničke funkcije u današnjim vozilima su nekoliko puta važnije od onih deset godina prije. Da bi se potrošačima u vozilu moglo isporučiti više električne energije, napon napajanja se mora povećati. U putničkim automobilima standardni napon izvora je 12V. Kamioni i vojna vozila rade pri (24) 28V, ali se mogu naći naponi do 42V koji su zapravo gornja granica. No, budući da se većina vozila danas bazira na 12V DC. Za novi koncept vozila potrebno je uvesti dodatni naponski sustav. Hibridna vozila s visokim stupnjem prijenosa energije trebaju veće napone, do 230V i više, a stoga i sigurnosne dodatke. Za veliku količinu podataka i brz prijenos podataka, tehnologija optičkih vlakana je realna alternativa. Današnja tehnologija daje velike šanse električnom pogonu za putnička vozila. Pitanje je hoće li sva ta rješenja biti korisna za vojna vozila, jer elektrokemijski spremnik (baterije, akumulatori) i gorive ćelije možda neće biti praktični za vojna vozila. No, hibridno - električni sustavi propulzije pokazuju široki krug tehničkih prednosti za vojna vozila i mogu se smatrati važnom alternativom konvencionalnim pogonima za terenska vozila i druge strojeve na kotačima ili gusjenicama. Takva propulzija sustava prijenosa snage postupno će zamijeniti mehaničke, mehaničko-hidrostatičke, i mehaničko-hidrodinamičke sustave prijenosa snage. Generalna arhitektura hibridno - električnog vojnog vozila, koja se temelji na hibridno - električnom konceptu pogona sastoji se od:
- dizelskog motora kao izvora primarne energije
- generatora električne energije s permanentnim magnetima
- osovinskih ili kotačnih elektromotora s permanentnim magnetima
- baterija za spremanje i isporuku energije u sustavu nezamjetljivog kretanja i rada vozila (silent mobility, silent watch)
- upravljačke jedinice / sustava supervizora
Hibridno - električni pogoni za vojna vozila nude sljedeće prednosti:
- veću autonomiju kretanja
- veće performanse vozila
- smanjenje potrošnje goriva
- smanjenje emisije ispušnih plinova
-tiho kretanje vozila i rada (silent mobility)
- neprimjetna termovizijska slika vozila (silent watch)
- fleksibilnu konfiguraciju pogona
Za kotačna vozila postoje dvije vrste pogona: električni motor "ugrađen u lancu prijenosa snage" koji pogoni mehaničke komponente do krajnjih kotača i električni motor ugrađen u kućište svakog kotača. "Ugradnja u lancu" nalikuje konvencionalnim sustavima pogona, u kojima mogu biti uporabljene komponente mehaničkog pogonskog sustava. Potreba za uporabom kardanskog vratila i ograničene sposobnosti upravljanja čine nedostatke ove verzije. Obično, kombinacija električnih i mehaničkih prijenosa uzrokuju povećanje volumena i mase. Drugo je rješenje čini se više obećavajuće. Nažalost, neovješene mase su veće, a potrebno je dodatno hlađenje elektromotora u kotačima, ali ne postoji potreba za kardanskim vratilom. Bolja okretljivost i varijabilno okretanje kotača, koji dopuštaju manji radijus okretanja vozila, može se smatrati prednostima ove verzije terenskih vozila. Sinkronizirani motori u kotačima vozila su dovoljno mali da se mogu integrirati u rub (naplatak, felgu). Ti se motori rabe s višestupanjskim mjenjačem. Sinkronizirani višepolni motori s permanentnim magnetima, vezani uz reverzibilne elektroničke pretvarače, mogu biti ili motori male brzine - velikog momenta ili generatori energije. To dopušta uporabu istog tipa motora i vezanih kontrolera. Tipične performanse takvog elektromotora su sljedeće: mogu se integrirati u 25" naplatak, masa motora < 200kg, efikasnost : > 83 %. No, izvršni elektromotori se na ovom stupnju razvoja pokazuju vrlo prikladnima ugradnjom ispred diferencijala osovine. Ta je varijanta jednostavnija, jeftinija i prikladnija za uporabu (utility vehicle). Kad se govori o upravljanju elektrovozilom, govori se o sustavu supervizije. Supervizor čini tri glavna modula: upravljačka jedinica (VMU) - Vehicle Management Unit, primarna jedinica upravljanja (PGCU) - Primary Generation Control Unit, mrežna i nadzorna jedinica sigurnosti (NSCU) - Network and Safety Control Unit. Arhitektura hibridnog vozila sa sustavom supervizije vozila rezultira ukupnom kvalitetom i sigurnošću vozila.
Postoje dva načelna tipa hibridnih pogona: serijski hibrid i paralelni hibrid. U serijskim hibridnim pogonima, dizelski motor pogoni električni generator koji pogoni električne motore i puni baterije. Elektromotori dobivaju energiju izravno ili preko baterija, ili ukupnom energijom zajedno pogone osovine ili krajnje kotače. U paralelnim hibridnim pogonima, dizelski motor pogoni krajnji pogon kotača izravno mehanički, te također paralelno pogoni električne motore kotača i puni baterije. Osovine ili kotači dobivaju pogon izravno mehanički ili izravno električni, ili preko baterija, ili ukupnom energijom zajedno pogone osovine odnosno krajnje kotače. Budući da je pogonski motor efikasniji kada radi na velikim brzinama, električni motor je superiorniji u dijelu opterećenja, jer daje visoki moment električnog motora tijekom starta vozila. Broj pogonskih komponenata može biti smanjen, spojnica nije potrebna i električni trofazni motor može biti smješten izravno ispred osovine ili unutar kotača. Još jedna prednost je činjenica da kočnice vozila mogu biti aktivirane električno, ali je pritom potreban jači električni motor. Potrošnja goriva u dieselelektričnim pogonima je niža nego u konvencionalnim pogonima. Ako se energija potrebna za kočenje može rekuperirati, potrošnja goriva može biti još više smanjena. Zbog tih velikih prednosti hibridno - električna vozila će sigurno igrati veliku ulogu u skoroj budućnosti.

Hibridno-električni Hummer HE HMMWV (XM 1124)

Pragmatični izazovi

Faze testiranja vozila HE Hummer:
1. Performanse vozila: ubrzanje, uspon i nagib, maksimalna brzina, pokretljivost, potrošnja goriva.
2. Izdržljivost: pouzdanost na prijeđenih 9.600 km (6.000 kopnenih milja).
3. Prijevoz: C-130, željeznica.
4. Uvjeti okoline: ekstremne temperature, unutarnja i vanjska buka, hlađenje, gaz vode.
5. Električni utjecaj: utjecaj rada pogonskog sustava na rad drugih uređaja, elektromagnetska interferencija i impuls, EMI / EMP, električno pražnjenje, jednostavni otkazi.
Hummerova reakcija na ekstremnu temperaturu je drugo područje izazova. Vojni zahtjevi traže veliki raspon temperature od -45°C do +50°C. Baterije tipično imaju uske temperaturne raspone između kojih one rade pri optimalnim performansama. Kada se od baterija zahtijeva da rade u takvim ekstremnim uvjetima, radni vijek baterija i baterijske performanse mogu biti uvelike degradirane. Slično je pitanje ljudskog faktora na ekstremnoj hladnoći. Poznato je da konvencionalni Hummer nije potpuno efikasan kada odmrzava vjetrobran (staklo). S manjom snagom motora hibridnog Hummera raspoloživa toplina je još više smanjena. Stoga motor proizvodi manje topline što može prouzročiti neodgovarajuću ugodu za posadu vozila i nedovoljne mogućnosti odmrzavanja stakla. Ova se praktična pitanja moraju otkloniti. Također, veliki je izazov ekstremni profil terena koje vojno vozilo mora još prijeći. Vozilo ima slijedeći profil misije 30/30/40. To znači da će se 30% vremena vozilo koristiti primarnim putovima, 30% vremena vozilo će se koristiti sekundarnim putovima, a 40% vremena vozilo će se koristiti terenskim cross-country putovima. Primarni put je tipična autocesta, sekundarni put je makadam - nešto lošije od zemljanih putova, a cross-country je terenska vožnja kojom nijedno vozilo nije išlo. Hoće li nova elektronika i električni pogoni imati snage oduprti fizikalnom tretiranju testa tog tipa vožnje i hoće li set motor-generator biti u mogućnosti da se održi sa zahtjevima za snagom tako da dramatično ne smanji radni vijek baterije ili degradira performanse vozila dok radi u tom ekstremnom okruženju? Ovo su samo neka od mnogih pitanja koja se nameću do kraja ispitivanja i demonstracija vozila.

Ostali izazovi
Smanjenje razine buke vozila veliki je izazov. Kako je novo vozilo HE Hummer ujedno pomoćni izvor energije, treba zadovoljiti zahtjeve specifikacije generatora u dodatku specifikacije vozila. Vojni je zahtjev da se generator ne može otkriti na 300 metara i da ne bude bučniji od 70 decibela na 7 metara. Trenutačno standardni Hummer nije glasniji od 85 decibela unutar odjela za posadu. Vozilo mora biti zračno prenosivo sa C130. Stavljanje baterija u vozilo je smanjilo visinu od tla, tzv. klirens za 10 cm. Da bi se ostvario polazni zemljani klirens, tijelo vozila je podignuto 10 cm izvan okvira, ali je to uzrokovalo smetnje za ulazak u avion C-130. Područje nosivosti, testiranja i prihvaćanje korisnika također su pragmatični izazovi. Novi hibridno-električni Hummer ima masu koja je 200 kg teža od standardnog Hummera čime smanjuje nosivost za taj iznos. Nosivost je važnija od zlata za vojnika i zato je to područje vrlo važno. Metode testiranja vozila s tradicionalnim pogonom nisu sasvim iste za vozila s hibridno električnim pogonom. K tome dolazi primjerice testiranje elektromagnetske kompatibilnosti EMC (elektromagnetske interferencije EMI i elektromagnetskog impulsa EMP). Zato testiranje vozila predstavlja nove stručne izazove.

Zaključak
Tehnologija električnog pogona je pod povećalom NATO-a već duže vrijeme, ipak, tek se počela razvijati i širiti kao bitan faktor novih vojnih sposobnosti NATO članica. Stoga ne postoji zapadna zemlja koja nema vlastiti program razvoja električnih ili hibridno-električnih komercijalnih i vojnih vozila. Hibridno-električna tehnologija je korisna za vojsku, uključujući generiranje snage, smanjenje odraza vozila, povećano preživljavanje, povećanu ekonomičnost goriva i strategijski prijevoz. Postoje mnogi tehnički i ljudski izazovi koji moraju biti premošteni, kako pragmatično kod korisnika tako i u industrijskom i komercijalnom sektoru.
Kako se brzo približavamo kraju ere jeftinog goriva, što se može očekivati oko 2010. godine, ulažu se stručni i politički napori za rješavanje tog problema. Danas se to indicira u postupno rastućoj cijeni goriva i rastućim geopolitičkim tenzijama. Stoga potreba za alternativnim izvorima energije i prijenosa snage nasuprot konvencionalnim rješenjima postaje realnija. Snage sigurnosti to prve prepoznavaju. Razvojno-istraživačke NATO R&T organizacije pripremaju alternativna vozila za premošćivanje nesigurnosti i ostvarivanje novih vojnih sposobnosti (AVT-047). I u Republici Hrvatskoj su pokrenuti projekti razvoja elektrovozila. U tijeku je razvoj originalnog radnog stroja s dizel-električnim pogonom za specijalne namjene. Izazov je prihvaćen, prvi rezultati testiranja prototipa odgovoriti će na mnoga praktična pitanja. U malim i tranzicijskim zemljama razvoj znanja i primjena nove tehnologije polazi od takvih projekata.

Literatura:
1. D. Mikulić: Električna borbena vozila, Hrvatski vojnik, br. 82., 2002.
2. D. Mikulić: Performanse dizel-električnog vozila 8x8, Hrvatski vojnik, br.87. 2002.
3. AM Genaral, HMMWV, Specification & Performance Data M998A2 series, 2002.
4. G.H.Hohl: Military Terrain Vehicles, ISTVS, 9th European Conference, Harper Adams University College UK, 2003.
5. S. Doudna, T. Shaw: Hybrid electric high mobility multipurpose wheeled vehicle the road to production, 4th ISTVS.
6. K. C. Winters, G. Khalil: Testing Experiences with a Hybrid Electric HMMWV, 4th ISTVS.
7. NATO: Novel and emerging vehicle and vehicle technology concepts, Applied Vehicle Technology Panel (AVT-047), 2003.
8. D. Mikulić: NATO R&T, organizacija za istraživanje i tehnologiju, Strategija, programi, suradnja, Hrvatski vojnik, broj 79, siječanj 2002.