Hybrid electric propulsion for military vehicles - overview and status of the technology

Abstract

In the civilian market the hybrid electric vehicle (HEV) is receiving increasing attention due to its reduced fuel consumption. The HEV is basically a combination of the common internal combustion engine (ICE) powered vehicle and the battery powered electric vehicle (EV). The purpose of the electric motor and battery is to shift the operation of the ICE closer to its optimum operating condition, and enable regenerative braking. There is also a great interest in HEV technology for military vehicles. An important advantage is the possibility to generate additional onboard electric power. This is important in meeting the ever increasing demand for electric power onboard modern military vehicles. Other potential advantages are improved fuel economy, extended silent watch capability, silent mobility, a modular vehicle design and reduced life cycle cost (LCC). However, there are important technical challenges that need to be solved before we will see the successful fielding of a mass produced military HEV. A number of military HEVs have been successfully demonstrated, but there are still important limitation related to key technologies such as electric motors, power electronics and energy storage systems (e.g. batteries). The maturity of the technology, depends on the vehicle type (role, weight, tracked or wheeled etc) and the HEV drivetrain architecture opted for (series, parallel etc.) This report aims to describe the HEV technology and the advantages and technical challenges of different key technologies. How the technology affects the overall vehicle design, is also discussed. In doing so, the different key technologies are described in some detail. The different programs and efforts related to the development of military HEVs are also presented. The first military HEV is expected to be fielded in approximately 5-7 years. Based on the maturity of the technology this will likely be a wheeled multirole vehicle, weighing 5.000-10.000 kg, implementing a parallel drivetrain. This claim is however based on the assumption that an HEV demonstrator is selected, in June 2008, to participate in the demonstration phase of the US Joint Light Tactical Vehicle (JLTV) program. The US Future Combat System (FCS) program is committed to the development of a series drivetrain technology for tracked vehicles. If the FCS program is completed as planned, a family of tracked HEVs will be fielded in approximately 7 years. In recent years, military vehicle requirements have changed considerably. This is likely to continue in the future, with features such as flexibility, transportability and cost becoming increasingly important. To meet these requirements, it is expected that HEV technology will become important, due to the features and advantages enabled by the technology.

I det sivile markedet er det økende oppmerksomhet rundt hybrid-elektriske (HE) biler pga redusert drivstofforbruk. En HE-bil er kort sagt en kombinasjon av en vanlig bil, drevet av en forbrenningsmotor, og en elektrisk bil med batterier. Meningen med elektromotoren og batteriene er å forflytte arbeidsområdet for forbrenningsmotoren nærmere dens optimale arbeidsområde, og gjøre det mulig å gjenvinne energi ved å benytte bremser som generer elektrisk energi. Det er også stor interesse rundt HE-teknologi for militære kjøretøy. En viktig fordel er muligheten for å generere en større mengde elektrisk effekt i kjøretøyet. Dette er viktig fordi strømbehovet i moderne militære kjøretøy er stadig økende. Andre potensielle fordeler er redusert drivstoff-forbruk, systemer i kjøretøyet kan benyttes over tid uten å starte hovedmotoren (”silent watch” / ”silent operation”), stillegående elektrisk fremdrift (”silent mobility”), et modulært kjøretøydesign og reduserte levetidskostnader. Det er imidlertid viktige teknisk utfordringer som må løses før vi vil se introduksjonen av et masseprodusert militært HE-kjøretøy. En rekke militære HE-kjøretøyer har gjennomført vellykkede demonstrasjoner, men disse har allikevel hatt viktige begrensninger som er relatert til kjerneteknologier som elektromotorer, høyeffekt elektronikk og energilagringssystemer (f.eks. batteri). Teknologiens modenhet er imidlertid avhengig av kjøretøytype (rolle, vekt, beltegående eller hjulgående osv) og HE-drivlinjen som velges (serie, parallell osv). Hensikten med denne rapporten er å beskrive teknologien og fordelen og de tekniske utfordringene relatert til de forskjellige kjerneteknologiene. Hvordan teknologien påvirker utformingen av kjøretøyet generelt, vil også bli diskutert. For å gjøre dette er noen kjerneteknologier beskrevet i noe detalj. Forskjellige programmer som er relevante for utviklingen av militære HE-kjøretøy, vil også bli presentert. Det første militære HE-kjøretøyet vil trolig bli lansert om 5-7 år. Dette vil sannsynligvis være et hjulgående multirolle-kjøretøy som veier 5.000-10.000 kg, med en såkalt parallell-drivlinje. Denne uttalelsen er imidlertid basert på at et HE-kjøretøy blir valgt, i juni 2008, til å delta i demonstrasjonsfasen i det amerikanske Joint Light Tactical Vehicle (JLTV) -programmet. Det amerikanske Future Combat System (FCS) -programmet utvikler en serie-drivlinjeteknologi for beltegående kjøretøy. Hvis FCS-programmet fullføres i henhold til planen, vil en familie av beltegående HE-kjøretøy bli lansert om omtrent 7 år. I de siste årene, har kravene til militære kjøretøy forandret seg. Dette vil trolig fortsette i fremtiden, hvor fleksibilitet, muligheten for lufttransport og levetidskostnader blir viktige. For å tilfredsstille disse kravene, antas HE-teknologien å bli viktig pga egenskapene og fordelene som teknologien muliggjør.