Nowy standard 42-woltowy

Dziewięć lat temu inżynierowie Daimler-Benz w Niemczech wezwali do pomocy. Zdali sobie sprawę, że luksusowe wykończenia w samochodach, które projektowali, w końcu pochłoną więcej energii, niż byłyby w stanie obsłużyć istniejące 14-woltowe systemy elektryczne. Zgromadzili więc naukowców z MIT, aby omówić problem i doradzić im wybór mocniejszego systemu, a co ważniejsze, aby pomóc przekonać innych producentów samochodów do jego zastosowania.

Rozmowy się opłaciły. W 1995 roku branża zgodziła się – z pomocą Laboratorium Systemów Elektromagnetycznych i Elektronicznych MIT – na nowy standard 42 woltów. Liderzy branży zdali sobie również sprawę, że sensowne jest utworzenie formalnego konsorcjum z siedzibą w MIT, które pomoże wdrożyć standard. Obecnie około 52 firm – producentów samochodów i głównych dostawców – każda z nich wpłaca 50 000 USD rocznie na rzecz laboratorium w ramach wsparcia konsorcjum MIT/Industry Consortium on Advanced Automotive Electric/Electronic Components and Systems, z siedzibą w laboratorium systemów elektromagnetycznych i elektronicznych.

Jesteśmy głównym miejscem, w którym międzynarodowa społeczność motoryzacyjna może spotykać się na neutralnym forum, aby rozwiązywać wspólne problemy i je rozwiązywać, mówi dyrektor laboratorium John Kassakian ‘65, SM ‘67, EE ‘67, ScD ‘73.

Oczywiście międzynarodowe zainteresowanie nie polega wyłącznie na budowaniu luksusowych ozdób. Wyższe napięcie prowadzi również do wyższej efektywności paliwowej.

Mniej niż 30 procent energii zawartej w benzynie w rzeczywistości napędza samochody; reszta to ciepło odpadowe spalane na biegu jałowym i marnowane przez nieefektywne podzespoły. Mocniejszy układ elektryczny mógłby umożliwić wydajniejszym komponentom elektronicznym zastąpienie stosunkowo mało wydajnych układów, które spotyka się obecnie, a które są napędzane paskami połączonymi z silnikiem. A gdyby samochody miały rozruszniki wystarczająco mocne, aby zapewnić natychmiastowy rozruch po naciśnięciu pedału gazu, mogłyby wyłączać się na większości świateł, eliminując marnotrawstwo na biegu jałowym. Indywidualnie niektóre z tych elementów elektronicznych mogą być obsługiwane przez istniejące systemy 14 V. Jednak razem wzięte będą wymagały 42 woltów.

Te potężniejsze systemy będą potrzebowały dekady, aby dotrzeć do dowolnej liczby salonów. Ale wielkie firmy samochodowe robią wczesne ruchy. Toyota Motor rozpoczęła już sprzedaż (tylko w Japonii) 42-woltowego luksusowego sedana. A General Motors planuje zaprezentować swój 42-woltowy system pierwszej generacji w hybrydowym gazowo-elektrycznym pickupie w 2004 roku.

Producenci samochodów mają pewne wspólne obawy dotyczące tych 42-woltowych systemów – i tu właśnie pojawia się MIT. Producenci samochodów muszą zapobiegać destrukcyjnym zwarciom, znajdować sposoby na łączenie starych i nowych systemów, a być może nawet tworzyć zupełnie nowe źródła zasilania poza znanym alternatorem – i - połączenie baterii. W tym celu konkurenci z branży motoryzacyjnej od Tokio po Stuttgart i Dearborn zwracają się do badaczy w zagraconym labiryncie laboratoriów w piwnicy budynku 10.

Od Przyziemnych do Wizjonera

Tuż w ciemnym korytarzu od zegarów czasu wybitych przez ekipy opiekuńcze MIT, naukowcy z laboratorium robią takie rzeczy, jak autopsja układu elektrycznego szkieletowego Mercury Sable. Prowadzimy szereg programów, od przyziemnych i praktycznych po wizjonerskie, mówi Thomas Keim, SM ‘70, ScD ‘73, dyrektor konsorcjum. Keim jest także głównym inżynierem badawczym w laboratorium systemów elektromagnetycznych i elektronicznych, które obejmuje dziewięć wydziałów elektrotechniki i informatyki, sześciu badaczy oraz około 50 studentów i absolwentów.

Po pierwsze, mówi Keim, samochodowe systemy elektryczne muszą być bezpieczne i niezawodne. Weźmy pod uwagę tendencję elektryczności wyładowania łukowego do robienia skoków w powietrzu jak błyskawice. Pojedynczy łuk – powiedzmy z postrzępionego drutu – może zniszczyć poprzednio dobrą część, a nawet spowodować pożar.

A wyładowanie łukowe w systemie 42-woltowym to znacznie poważniejsza sprawa niż w systemie 14-woltowym. O ile poważniejsze zostało potwierdzone w zeszłym roku, kiedy były asystent naukowy Alan Wu potwierdził, że energia łuku jest od 50 do 100 razy wyższa w systemach 42-woltowych. To odkrycie pomogło producentom części samochodowych na całym świecie rozpocząć projektowanie nowych części do tłumienia takich łuków. Teraz laboratorium pracuje nad lepszymi sposobami ich wykrywania.

Są też kwestie praktyczne. Grupa pracuje nad mapowaniem, w jaki sposób jeden samochód może pomieścić zarówno system 42-woltowy, jak i system 14-woltowy. To dlatego, że producenci samochodów nie wymienią całego układu elektrycznego od razu; stary system nadal będzie zasilał wycieraczki przedniej szyby, radio i reflektory, podczas gdy nowy system o wyższym napięciu będzie uruchamiał zelektryfikowane hamulce lub zawory silnika. W interesie kompatybilności, David Perreault, SM ‘91, PhD ‘97, zdemontował gotowy alternator i wymyślił, jak wykorzystać go do zasilania 42-woltowego systemu poprzez zamontowanie go z nowymi przełącznikami.

Ale to tylko prowizoryczny środek. W końcu samochody będą musiały spojrzeć poza alternator, aby zwiększyć moc, ponieważ jeśli silnik samochodu wyłączy się na światłach, alternator jest bezużyteczny. A to pozostawia komponenty — zwłaszcza żarłoczne klimatyzatory — bez źródła zasilania.

Jednym z rozwiązań jest stworzenie na pokładzie małej elektrowni. Grupa w laboratorium projektuje urządzenie, które zapożycza sztuczki z ogniw fotowoltaicznych, które wytwarzają energię elektryczną ze światła słonecznego, aby generować prąd pod maską. Wewnątrz proponowanego urządzenia światło z jasno świecącego emitera ceramicznego ogrzewanego płomieniem benzyny działałoby jak światło słoneczne, podczas gdy półprzewodnik, taki jak antymonek galu, przekształcałby energię fotonów w energię elektryczną.

Takie urządzenie miałoby tylko około 15 procent sprawności, co może wydawać się niskie, ale w rzeczywistości stanowi znaczną poprawę w porównaniu z dziewięcioprocentową sprawnością konwencjonalnego alternatora. Co więcej, ciepło odpadowe może pomóc zasilać tak zwany klimatyzator absorpcyjny, który zamiast sprężarki wykorzystuje wymiennik ciepła. Ostatecznie byłoby to jedyne źródło energii elektrycznej w pojeździe, mówi Keim, który przyznaje, że projekt jest tam w kierunku wizjonerskiego końca. Niemniej jednak laboratorium prowadzi rozmowy z nienazwanym partnerem przemysłowym w celu opracowania prototypu.

To wymagało wielu wstępnych analiz, ponieważ jest to tak rewolucyjne, mówi Kassakian. Większość ludzi myśli, że ogniwa paliwowe zapewnią tę pomocniczą moc, ale ten pokładowy generator jest znacznie bliższy niż ogniwa paliwowe. Jak mówi, urządzenie mogłoby powstać w ciągu pięciu lat, podczas gdy ogniwa paliwowe na benzynę są jeszcze dalej.

Praca zarówno nad przyziemnością, jak i wizjonerem sprawia, że ​​konsorcjum jest cenne dla przemysłu, mówi John Miller, inżynier elektryk i współkierownik ds. zarządzania technologią hybrydową w laboratoriach badawczych Ford Motor w Dearborn w stanie Michigan. Konsorcjum ma dużą wartość, ponieważ teraz wkraczamy w tajniki wdrożenia – mówi. Pomagają radzić sobie z problemami, które wciąż budzą niepokój szerokiej społeczności motoryzacyjnej, takimi jak bezpieczniki, przekaźniki i przełączniki na 42 wolty.

Rzeczywiście, mówi Miller, Ford planuje wprowadzić hybrydowy pojazd sportowo-użytkowy, 2004 Escape, z silnikiem o natychmiastowym rozruchu. Chociaż ta zmiana zostanie wprowadzona w systemie 14 V, Miller twierdzi, że powstające wysiłki czerpią korzyści z majsterkowania w piwnicy budynku 10.

ukryć