Elektrificatie is niet alleen een actueel item in de burgermaatschappij. Ook bij de strijdmachten is men er al enkele jaren mee bezig. Daar raakt men er steeds meer van overtuigd dat elektrificatie operationele voordelen biedt, zoals uit onderstaand artikel over de geëlektrificeerde Fennek pantserwagen blijkt.
Begin dit jaar reed de elektrisch aangedreven pantserwagen Fennek voor het eerst naar buiten. Deze zogenaamde ‘E-Fennek’ is het resultaat van een uitgebreid leerproject naar de mogelijkheden van elektrificatie van defensievoertuigen. Een uitdagend project bovendien omdat de elektrische aandrijving in een bestaand voertuig moest worden geplaatst. Het uitgebreide project heeft veel kennis en nieuwe inzichten opgeleverd en leidt onder andere tot de conclusie dat elektrisch aandrijven mogelijk is en operationele voordelen biedt, maar dat een hybride aandrijving nodig is voor een acceptabele actieradius.
Ing. M. de Wit – Blok
Voertuigen van de Landmacht rijden van oudsher op diesel. Sterker nog, dat is de standaard bij de NATO. Indertijd een relatief goedkope brandstof waarmee zware voertuigen voldoende koppel en snelheid konden genereren om invulling te kunnen geven aan de verschillende operationele doelstellingen. Of het nu om het transport van materieel gaat, het uitvoeren van verkenningen of het verdedigen van mensen en grondgebied.
Diesel aangedreven voertuigen kennen echter ook belangrijke nadelen. Zo zijn de logistieke kosten en de veiligheidsrisico’s om de diesel op het juiste moment op de juiste plek te krijgen relatief hoog en veroorzaakt de verbranding van diesel zowel warmte als geluid. Twee zaken die in het kader van ‘onzichtbaar opereren’ onwenselijk zijn. Alle reden voor Defensie om te starten met onderzoek naar de mogelijkheden van elektrisch aangedreven voertuigen.
Juiste moment voor elektrificatie
De eerste serieuze poging tot elektrificatie vond al twintig jaar geleden plaats met toepassing van ‘The Wheel’ van E-Traction. Deze oplossing betreft een rechtstreeks elektrisch aangedreven wiel met bijbehorend computergestuurd regelprogramma dat verschillende duurzaamheidsprijzen won en begin van deze eeuw ook in dit vakblad is beschreven. Deze bijzondere aandrijving is uitgeprobeerd in een van de MBs van Defensie (MB: Mercedes-Benz).
Uiteindelijk leidde kennismaking met ‘The Wheel’ niet tot een doorbraak in elektrificatie van voertuigen en ook het papieren onderzoek ruim tien jaar later gaf geen groen licht om het in de praktijk op te pakken. In de tijd daarna gingen de technische ontwikkelingen op het gebied van vooral de energiedichtheid van batterijen (accu’s) hard en bleek op een gegeven moment uit onderzoek – in samenwerking met buurlanden en onderzoeksinstituten – dat ‘de tijd rijp was’. Er kon worden gestart met een pilot waarin de keuze viel op de elektrificatie van het pantservoertuig Fennek.
Fennek
Silvester de Bruin is Senior Adviseur Science & Technology bij Ministerie van Defensie en vanaf het begin betrokken geweest bij dit project. “De keuze voor juist het pantservoertuig Fennek is een logische. Het gaat hier namelijk om een verkenningsvoertuig waarvan je wilt dat deze zo stil mogelijk opereert en zo weinig mogelijk warmte genereert die door andere partijen is op te merken. Elektrificatie zou hier zeker lonen. En er zijn meer voordelen. Zo is de Fennek bewust zo laag mogelijk gebouwd om zo min mogelijk op te vallen. Dit is onder meer gelukt door de transmissie ín de auto te plaatsen in plaats van eronder en daarbij de bestuurder op de centerline te zetten van het voertuig; voorin tussen de voorwielen. Missie geslaagd wat dat betreft, maar ook een oplossing met een hoog geluidsniveau die het lastig maakt om binnen in het voertuig met elkaar te communiceren en waar te nemen wat er buiten het voertuig gebeurt. Toepassing van een elektrische aandrijving zou dit probleem oplossen.’
Hij vervolgt: ‘Tevens kan elektrificatie de totale efficiëntie verbeteren. Wanneer een diesel aangedreven voertuig namelijk stilstaat, zal bijna continu de verbrandingsmotor moeten blijven draaien om met alle randsystemen – zoals sensoren, management- en communicatiesystemen – te kunnen blijven werken. Dit kán natuurlijk, maar is weinig efficiënt omdat deze motor nu eenmaal niet is ontworpen als generator. Wanneer een batterijpakket beschikbaar zou zijn in het kader van een elektrische aandrijving, zou het ook mogelijk zijn om daarmee deze subsystemen van de benodigde energie te voorzien.”
Start project
Uiteindelijk werd het project E-Fennek gestart in de zomer van 2018. Het doel was om een prototype te bouwen en hiermee te onderzoeken of het elektrisch aandrijven van een dergelijk pantservoertuig de voordelen zou opleveren zoals eerder beschreven. Daarbij moesten uiteraard de huidige prestaties van de E-Fennek ten aanzien van onder meer actieradius, snelheid, koppel en dergelijke zoveel mogelijk behouden blijven. Is de huidige techniek van elektrisch aandrijven volwassen genoeg? Silvester de Bruin: “Een uitdaging in dit project was niet zozeer het uitzoeken van de technologie, die bestond al. Maar wél om deze in te bouwen in een bestaand voertuig dat indertijd niet is ontwikkeld voor een elektrische aandrijving. Bovendien: een Fennek is geen personenauto maar veel zwaarder én vraagt extra vermogen voor de eerdergenoemde randapparatuur en eventueel ook een lier. De vraag was hier meer of de hiervoor benodigde elektromotor en het bijbehorende accupakket zomaar zouden passen.”
Voor de ombouw van de Fennek heeft Defensie samengewerkt met industriële partners die gespecialiseerd zijn in het elektrificeren van vrachtwagens en bouwmachines. Het is al langer bekend dat de ombouw van trucks door het open chassis geen noemenswaardige problemen oplevert. In militaire voertuigen is echter minder ruimte beschikbaar en zijn de eisen met betrekking tot snelheid en koppel hoger. Een voorbeeld daarvan is de eis dat militaire voertuigen vanuit stilstand een hellingshoek van 60° moeten kunnen nemen wat veel vraagt van de aandrijving in de eerste versnelling.
Bestaande koppeling en H-aandrijving
Uit eerder onderzoek door zowel hun industriële partners, onderzoeksinstituten als defensiecollega’s in buurlanden bleek het ‘in-wheel’ concept niet haalbaar te zijn; onder meer omdat de vermogensdichtheid van elektromotoren op dat moment niet veel verder was verbeterd ten opzichte van twintig jaar geleden. Dit gegeven in combinatie met de wens om de complexiteit van het project niet onnodig op te voeren én het beschikbare budget, heeft geleid tot het besluit om gebruik te maken van de bestaande overbrengingen in de Fennek en de zogenaamde H-aandrijving. Dit type aandrijving is speciaal geschikt voor terreinwagens en ooit ontwikkeld door DAF Special Products uit Geldrop (tevens de bedenkers en ontwikkelaars van de Fennek). De H-vormige aandrijving brengt het motorvermogen via de versnellingsbak en een korte aandrijfas over naar een reductiebak. Deze is met een centraal differentieel in één tandwielhuis geïntegreerd. Vanuit hier wordt het vermogen naar verdeelkasten aan de linker en rechterzijde van het voertuig gebracht en van daaruit naar de voor- en achterwielen.
Macfip, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Nieuwe elektromotor
Ten aanzien van de elektromotor is uitgebreid onderzoek gedaan naar de voor- en nadelen van een 6-fase en een 9-fase elektromotor. Het concept met de 6-fase elektromotor ging uit van behoud van de originele versnellingsbak. Het concept van de grotere 9-fase elektromotor zou direct op de H-aandrijving worden geplaatst maar bleek te groot voor de E-Fennek. Beide motoren bleken bovendien niet geschikt te zijn om de gewenste voertuigprestaties te halen wat uiteindelijk leidde tot het besluit om een speciale elektromotor te laten ontwikkelen voor dit prototype.
Silvester de Bruin: “De uiteindelijke keuze is gevallen op een 3-fase elektromotor. Deze bleek wel geschikt voor integratie in het bestaande voertuig en is direct op de H-aandrijving geplaatst. Met deze keuze moesten we wel genoegen nemen met een lagere efficiëntie in combinatie met een hogere benodigde stroomsterkte (door het beperkte aantal fases) en bijbehorende dikkere bekabeling.” Onderstaande figuur geeft aan welk deel behouden is gebleven.
Verder was het door onder meer deze keuze niet mogelijk om voor dit prototype volledig vast te houden aan het oorspronkelijke eisenpakket. Zo is het uiteindelijk de bedoeling de E-Fennek wereldwijd in te zetten; ook op plaatsen waar extreme temperaturen heersen of waar het voertuig mogelijk in aanraking kan komen met een nucleaire elektromagnetische puls. Dat lukt met het huidige prototype nog niet. Hetzelfde geldt voor de ‘hellingproef’: Waar de verbrandingsmotor van de Fennek een vermogen levert van 177 kW en een maximaal koppel van 819 Nm gelden voor de nieuwe elektromotor de waarden van respectievelijk 376 kW en 2.000 Nm. Hoewel deze cijfers aangeven dat de elektromotor beter presteert, is door het ontbreken van de versnellingsbak het beschikbare koppel aan de wielen nu nog te laag. Tijdens de operationele proeven moet blijken of de lagere koppels aan de wielen beperkingen opleveren bij de extreemste omstandigheden. Door optimalisatie van motorcontroller en accupakket is nog een flinke winst te behalen.
Silvester de Bruin: “Samenvattend is tijdens het project veel aandacht besteed aan het vinden van de optimale balans tussen de integratie(kosten) en de uiteindelijke voertuigprestaties. Dit in het licht van de afmetingen van de carrosserie en de bestaande overbrengingsverhoudingen. Deze uitdagingen vallen natuurlijk weg wanneer een dergelijk voertuig op de tekenplank al wordt ontworpen voor een elektrische aandrijving.”
Batterij
Qua batterijen is gekozen voor twee lithium ijzer fosfaat (LiFePO4) batterijpakketten met een totale capaciteit van 140 kWh en een totaalgewicht van 1050 kg. Deze batterijen hebben een lagere energiedichtheid ten opzichte van de gangbare lithium-ion batterijen maar winnen het door hun robuustheid en veiligheid; vooral met betrekking tot brandgevaar en blusmogelijkheden. Op dit batterijpakket kan de E-Fennek 150 km rijden.
Uiteindelijke configuratie van het prototype E-Fennek
Testen en toekomst
Tot slot is het voertuig beproefd en vergeleken met een traditionele Fennek. Beide typen zijn onder meer getest ten aanzien van voertuigprestaties, warmte-uitstoot, trillingsniveaus, asbelastingen, klimatologische- en elektromagnetische effecten en systeemveiligheid. Met deze beproevingsresultaten zijn de voor- en nadelen van een elektrisch pantserwielvoertuig te verifiëren, de theoretische rekenmodellen bij te stellen en tevens de regelunits softwarematig te finetunen.
Wat dit laatste betreft: In de motor control unit zijn tientallen parameters te configureren en hiermee verschillende inzetmodi in te stellen. Bijvoorbeeld een mode om zo efficiënt mogelijk te kunnen rijden tijdens verkenning of een mode met maximale prestaties wanneer dit operationeel noodzakelijk is. Op basis van de terugkoppeling van de gebruikers kan worden gezocht naar de meest ideale combinaties van instellingen. Ook het regeneratieve remgedrag is te configureren met een bepaald remverloop dat afhankelijk is van de bediening en snelheid. Tevens zijn alle testen uitgevoerd om vast te stellen of het voertuig aan alle wet- en regelgeving voldoet en ‘wegwaardig’ is.
EMC
Een speciaal onderdeel van de testen heeft betrekking op de EMC-eigenschappen. Zo mogen de militaire radio’s bijvoorbeeld niet de aansturing van het voertuig beïnvloeden. In Nederland zijn geen EMC-testlocaties voor voertuigen, daarom worden deze testen uitgevoerd op de Duitse testlocatie WTD-81 te Greding.
Duitse testlocatie in Greding voor de EMC-proeven
In de praktijk
Silvester de Bruin: “Wanneer het voertuig is goedgekeurd, volgt een tijd van praktijkervaring opdoen. Niet alleen met betrekking tot het besturen van het voertuig – wat overigens vrijwel identiek is aan het model met brandstofmotor – maar ook ten aanzien van onderhoud. Vergeet niet dat je met hoge spanningen te maken hebt die je niet zomaar af kunt schakelen ten tijde van onderhoud. Je moet als monteur dan wel heel goed weten waar je een schroevendraaier wel of niet in kan steken. Electrical safety is hiermee een expliciet aandachtsgebied.”
Ondertussen gaat Defensie door met onderzoek naar de mogelijkheden om een volgend voertuig om te bouwen, maar dan als een hybride variant. Onderzoek op diverse plaatsen in Europa leert namelijk dat puur elektrisch aangedreven militaire voertuigen nog te veel nadelen opleveren ten aanzien van onder meer actieradius en beschikbaarheid van energie. Silvester besluit: “Door één accupakket te vervangen door een andere energiebron, of dit nu een verbrandingsmotor is, een brandstofcel of een eerder door Defensie getest alternatief, verbeteren de prestaties van het voertuig ten aanzien van de operationele inzetbaarheid en – dat staat altijd voorop – de veiligheid voor onze mensen. Best of both worlds.”
Foto’s bron: Mediacentrum Defensie
