Новая силовая установка на основе карбида кремния обеспечит в четыре раза большую мощность при четвертом размере предшественников
Новая конструкция инвертора на основе карбида кремния (SiC), разработанная исследователями силовой электроники NREL, обеспечит наземным боевым машинам США на 200% большую дальность полета при четверти размера предыдущей технологии. Изображение штаб-сержанта армии. Истинный Тао
Чтобы спроектировать транспортные средства будущего, вы можете подумать, что вам нужен радикальный пересмотр всей системы. Но иногда переосмысление одного компонента может привести к трансформационным результатам.
Для преобразования военных наземных боевых машин США Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) была выбрана для модернизации важнейшего компонента: тягового инвертора, который контролирует поток электричества между аккумулятором автомобиля, двигателем и трансмиссией. Новая силовая установка на основе карбида кремния (SiC) удвоит запас хода армейских машин, занимая площадь в четыре раза меньше, чем у ее предшественников.
Трехлетний проект стоимостью 6 миллионов долларов был полностью профинансирован Фонд повышения эксплуатационного энергетического потенциала (OECIF), который руководит инновациями в области энергетики для Министерства обороны США. Его возглавит Командование развития боевых возможностей армии СШАизвестный как DEVCOM, с исследователями из NREL и Армейская исследовательская лаборатория (ARL) предоставляет техническую экспертизу.
NREL будет использовать свой комплексный конвейер для проектирования, изготовления, упаковки и оценки прототипов силовой электроники для разработки и демонстрации PICHOT. Изображение Вернера Слокума, NREL
Исследователи силовой электроники NREL, широко считающиеся мировыми лидерами в своей области, возглавят разработку силового инвертора на основе SiC под названием PICHOT (произносится как «пи-ко»): инвертор мощности то есть компактный по масштабу и функциям высокая рабочая температура. PICHOT готов предложить наземным боевым машинам армии США на 200% большую дальность действия.
Инвертор будет спроектирован, изготовлен и охарактеризован в NREL, а затем пройдет оценку в испытательных лабораториях Центра систем наземных транспортных средств армии США. Его модульная конструкция позволит использовать его во многих различных гибридно-электрических наземных боевых машинах, от легких и средних колесных машин до боевых танков «Абрамс» и «Страйкер». Полупроводники на основе карбида кремния и новое управление температурным режимом дадут ему непревзойденную удельную мощность, что позволит транспортным средствам путешествовать дальше с меньшим количеством топлива.
«Любая инновация, которую мы внедряем в PICHOT, станет достижением», — сказал Брайан Миллер, инженер энергетических систем Центра энергетической безопасности и устойчивости NREL, который будет помогать руководить проектом PICHOT. «Мы добавляем шесть».
Проще говоря, PICHOT представляет собой новый рубеж для силовой электроники и наземных боевых машин.
Переосмысление силовой электроники силовой установки
Чтобы создать PICHOT, силовая электроника NREL переосмысливает почти каждый аспект традиционных силовых инверторов.
Сначала исследователи изучили ведущий тяговый инвертор, используемый наземными боевыми машинами армии США: Инвертор Зевс мощностью 200 киловаттсозданный DEVCOM для приложений с высокой мощностью. Затем, основываясь на ведущих мировых исследованиях NREL в области управления температурным режимом силовой электроники, они определили все, что можно было бы убрать из предыдущей технологии — от охлаждающего оборудования до разъемов.
Исследователи NREL применят свой опыт в исследованиях терморегулирования силовой электроники для тщательной проверки инновационной системы охлаждения PICHOT. Изображение Денниса Шредера, NREL
Поскольку тяговые инверторы обычно устанавливаются рядом с другими тепловыделяющими элементами в боевой машине, они должны выдерживать высокие рабочие температуры, а также температуры окружающей среды. Обычно для этого требуется, чтобы они были оснащены громоздкими охлаждающими устройствами, такими как охлаждающие пластины или резервуары с охлаждающей жидкостью.
PICHOT не потребует ни одного из этих тяжелых решений по охлаждению. Вместо этого он будет подключен к существующей системе охлаждения двигателя, что устраняет необходимость в дополнительных контурах охлаждающей жидкости. В свою очередь, в отличие от обычных инверторных систем на основе кремния, которые практически теряют мощность при воздействии рабочей среды выше 70°C, PICHOT сможет работать на полную мощность при температуре 105°C.
Благодаря опыту NREL в производстве силовой электроники, PICHOT будет способен выдавать ту же мощность в 200 киловатт, что и его предшественник Zeus, но при этом в четыре раза меньше — достаточно маленького, чтобы поместиться в коробку из-под обуви. И хотя большинству инверторов для связи требуется множество электрических проводов, основной связью PICHOT будет специализированная беспроводная система с дистанционным управлением и мониторингом, обеспечивающая надежную безопасность данных. Он даже будет оснащен «умной» функцией, которая позволит ему контролировать собственное состояние здоровья: другими словами, прогнозировать отказ компонента до того, как он произойдет.
Самое главное, что PICHOT обеспечит экономию топлива на 53% по сравнению с существующими технологиями, а это означает, что армейские машины смогут оставаться в полевых условиях почти в два раза дольше, прежде чем потребуется дозаправка. В сочетании с бесшумной работой благодаря гибридно-электрическому двигателю и защите от электромагнитных помех армейские наземные боевые машины могут стать более безопасными, дальнобойными и более производительными, чем когда-либо прежде.
«NREL является домом для высококвалифицированной исследовательской группы по управлению температурным режимом», — сказал Фейсал Хан, главный исследователь силовой электроники в Центре интегрированных наук о мобильности NREL, который будет выполнять функции главного исследователя проекта. «Учитывая сложность этого проекта — создание тягового инвертора с высокой плотностью мощности и строгим регулированием температуры, способного работать в экстремальных условиях, — мы хорошо подготовлены к выполнению этой сложной работы».
Движение вперед
PICHOT потребуется три года на проектирование, изготовление и оценку. В первый год исследователи NREL построят компьютерную модель инвертора и смоделируют его работу в реальном мире, гарантируя, что он будет работать так, как запланировано. Затем они построят его, используя комплексный конвейер изготовления прототипов лаборатории, и продемонстрируют его эффективность по сравнению со стандартными машинами других комбатантов.
Наконец, чертежи станут доступны производителям на предстоящем Дне промышленности. Окончательная конструкция будет производиться в больших масштабах и потенциально может быть использована в различных типах наземных боевых машин армии США.
И пока армия готовится реализовать климатические стратегии В соответствии с переходом страны на автомобили с более низким уровнем выбросов, он обнаружит, что новые решения, основанные на чистой энергии, обеспечат больше мощности, надежности и устойчивости, чем когда-либо прежде.
Узнайте больше об исследованиях NREL в области устойчивого транспорта и мобильности, а также о том, какое особое внимание она уделяет передовой силовой электронике и электрическим машинам. И подпишитесь на ежеквартальный информационный бюллетень исследований в области транспорта и мобильности NREL. Устойчивая мобильность имеет значениечтобы быть в курсе последних новостей.
