Pedeorelha | Come funziona GMs Hy-wire

Joseph Norman
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Modello berlina di GM Hy-wire. Guarda altre foto di veicoli a carburante alternativo. Foto per gentile concessione di General Motors

Le auto sono macchine estremamente complicate, ma quando ci si arriva, fanno un lavoro incredibilmente semplice. La maggior parte delle cose complesse in un'auto è dedicata alla rotazione delle ruote, che fanno presa sulla strada Tirare la carrozzeria e i passeggeri. Il sistema di sterzo inclina le ruote da un lato all'altro per girare l'auto, mentre i sistemi di freno e accelerazione controllano la velocità delle ruote.

Dato che la funzione complessiva di un'auto è così basilare (deve solo fornire movimento rotatorio alle ruote), sembra un po 'strano che quasi tutte le auto abbiano la stessa collezione di dispositivi complessi stipati sotto il cofano e la stessa massa generale di meccanica e collegamenti idraulici che funzionano dappertutto. Perché le auto hanno necessariamente bisogno di un piantone dello sterzo, pedali del freno e dell'accelerazione, un motore a combustione, un convertitore catalitico e il resto?

Secondo molti importanti ingegneri automobilistici, non lo fanno; e più precisamente, nel prossimo futuro, loro non lo farà. Molto probabilmente, molti di noi guideranno auto radicalmente diverse entro 20 anni. E la differenza non sarà solo sotto il cofano: anche il possesso e la guida di auto cambieranno in modo significativo.

In questo articolo, esamineremo un'interessante visione del futuro, la straordinaria concept car della General Motor, la Hy-wire. GM potrebbe non vendere mai l'Hy-wire al pubblico, ma è certamente un buon esempio di vari modi in cui le auto potrebbero evolversi nel prossimo futuro.

Contenuti

Nozioni di base su Hy-wire
L'energia dell'idrogeno di Hy-Wire
Controllo computerizzato Hy-Wire

L'originale concept car AUTOnomy L'aggiornamento guidabile di AUTOnomy, l'Hy-wire Foto per gentile concessione di General Motors Foto per gentile concessione di General Motors

Due elementi di base determinano in gran parte il design delle auto oggi: il motore a combustione interna e collegamenti meccanici e idraulici.

Se hai mai guardato sotto il cofano di un'auto, sai che un motore a combustione interna richiede molte apparecchiature aggiuntive per funzionare correttamente. Non importa cos'altro fanno con un'auto, i progettisti devono sempre fare spazio a questa attrezzatura.

Lo stesso vale per i collegamenti meccanici e idraulici. L'idea di base di questo sistema è che il guidatore manovra i vari attuatori della vettura (le ruote, i freni, ecc.) Più o meno direttamente, manipolando i comandi di guida collegati a quelli attuatori tramite alberi, ingranaggi e idraulica. In un sistema di sterzo a pignone e cremagliera, ad esempio, girando il volante ruota un albero collegato a un pignone, che sposta una cremagliera collegata alle ruote anteriori dell'auto. Oltre a limitare il modo in cui è costruita l'auto, il concetto di leveraggio determina anche il modo in cui guidiamo: il volante, il pedale e il sistema di cambio sono stati tutti progettati attorno all'idea di leveraggio.

L'Hy-wire ha ruote, sedili e finestrini come un'auto convenzionale, ma la somiglianza praticamente finisce qui. Non c'è motore sotto il cofano, né volante né pedali all'interno. Foto per gentile concessione di General Motors

La caratteristica distintiva dell'Hy-wire (e del suo predecessore concettuale, l'AUTOnomy) è che non ha nessuna di queste due cose. Invece di un motore, ha una pila di celle a combustibile, che alimenta un motore elettrico collegato alle ruote. Invece di collegamenti meccanici e idraulici, ha un drive by wire sistema: un computer gestisce effettivamente i componenti che muovono le ruote, attivano i freni e così via, in base all'input di un controller elettronico. Questo è lo stesso sistema di controllo impiegato nei moderni jet da combattimento così come in molti aerei commerciali.

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Foto per gentile concessione di General Motors

Illustrazione del concetto di attaccamento al corpo di AUTOnomy

Il risultato di queste due sostituzioni è un tipo di auto molto diverso e un'esperienza di guida molto diversa. Non c'è il volante, non ci sono i pedali e non c'è il vano motore. In effetti, ogni apparecchiatura che effettivamente muove l'auto lungo la strada è alloggiata in un telaio in alluminio di 28 cm di spessore, noto anche come skateboard -- alla base dell'auto. Tutto sopra il telaio è dedicato esclusivamente al controllo del conducente e al comfort dei passeggeri.

Ciò significa che guidatore e passeggeri non devono sedersi dietro una massa di macchinari. Invece, l'Hy-wire ha un enorme parabrezza anteriore, che offre a tutti una visione chiara della strada. Il pavimento dell'abitacolo in fibra di vetro e acciaio può essere completamente piatto ed è facile dare a ogni sedile molto spazio per le gambe. Concentrare la maggior parte del veicolo nella sezione inferiore dell'auto migliora anche la sicurezza perché rende l'auto molto meno probabile che si ribalti.

Ma la cosa più interessante di questo design è che ti consente di rimuovere l'intero abitacolo e sostituirlo con uno diverso. Se vuoi passare da un furgone a un'auto sportiva, non hai bisogno di un'auto completamente nuova; hai solo bisogno di un nuovo corpo (che è molto più economico).

Puoi sempre tornare indietro quando hai bisogno di nuovo del furgone. La logistica del cambio non è ancora chiara: se l'idea prende piede, potrebbero esserci stazioni di cambio speciali in cui puoi tenere le tue diverse carrozzerie, o potrebbe esserci un modo per i conducenti di cambiare le carrozzerie da soli nel proprio garage.

Avanti il prossimo

GM originariamente soprannominò il suo concetto di lavoro per un'auto a celle a combustibile drive-by-wire il Autonomia, per evidenziare la flessibilità del controllo del computer e delle carrozzerie commutabili. Quando è arrivato il momento di nominare l'attuale versione guidabile, il team di progettazione ha reclutato un gruppo di ragazzi, dai sei ai 15 anni, per trovare possibilità interessanti. Le sessioni di brainstorming alimentate da caramelle hanno prodotto centinaia di nomi, inclusi Carta jolly, Moonshot, Jetson e Volt. GM alla fine è andato con il suggerimento del quattordicenne Aleksei Dachyshyn, Hy-wire, perché riassumeva bene i concetti di cella a combustibile a idrogeno e drive-by-wire al centro del veicolo.

I serbatoi di idrogeno e la pila di celle a combustibile nell'Hy-wire Foto per gentile concessione di General Motors

In una cella a combustibile a idrogeno, un catalizzatore rompe le molecole di idrogeno nell'anodo in protoni ed elettroni. I protoni si muovono attraverso la membrana di scambio, verso l'ossigeno sul lato del catodo, e gli elettroni si fanno strada attraverso un filo tra l'anodo e il catodo. Sul lato catodico, l'idrogeno e l'ossigeno si combinano per formare l'acqua. Molte celle sono collegate in serie per spostare una carica sostanziale attraverso un circuito.

La "Hy" in Hy-wire sta per idrogeno, il carburante standard per un sistema a celle a combustibile. Come le batterie, le celle a combustibile hanno un terminale caricato negativamente e un terminale caricato positivamente che spinge la carica elettrica attraverso un circuito collegato a ciascuna estremità. Sono anche simili alle batterie in quanto generano elettricità da a reazione chimica. Ma a differenza di una batteria, è possibile ricaricare continuamente una cella a combustibile aggiungendo carburante chimico, in questo caso l'idrogeno da un serbatoio di stoccaggio a bordo e l'ossigeno dall'atmosfera.

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L'idea di base è quella di utilizzare un catalizzatore per dividere una molecola di idrogeno (H2) in due protoni H (H +, singoli atomi di idrogeno caricati positivamente) e due elettroni (e-). Ossigeno sul catodo Il lato (caricato positivamente) della cella a combustibile attira ioni H + dal lato dell'anodo attraverso a membrana a scambio protonico, ma blocca il flusso degli elettroni. Gli elettroni (che hanno una carica negativa) sono attratti dai protoni (che hanno una carica positiva) dall'altra parte della membrana, ma devono spostarsi attraverso il circuito elettrico per arrivarci. Gli elettroni in movimento costituiscono la corrente elettrica che alimenta i vari carichi nel circuito, come i motori e il sistema informatico. Sul lato catodico della cella, l'idrogeno, l'ossigeno e gli elettroni liberi si combinano per formare l'acqua (H2O), l'unico prodotto di emissione del sistema. (Vedi Come funzionano le celle a combustibile per maggiori informazioni.)

Una cella a combustibile emette solo un po 'di energia, quindi è necessario combinare molte celle in uno stack per sfruttare al meglio il processo. La pila di celle a combustibile nell'Hy-wire è composta da 200 celle singole collegate in serie, che forniscono collettivamente 94 kilowatt di potenza continua e 129 kilowatt alla massima potenza. Lo stack di celle compatto (ha le dimensioni di una torre per PC) è mantenuto fresco da un sistema di radiatori convenzionale alimentato dalle stesse celle a combustibile.

Un'altra vista dell'Hy-wire Foto per gentile concessione di General Motors

Questo sistema fornisce una tensione CC compresa tra 125 e 200 volt, a seconda del carico nel circuito. Il controller del motore aumenta questo valore fino a 250-380 volt e lo converte in corrente CA per pilotare il motore elettrico trifase che fa ruotare le ruote (questo è simile al sistema utilizzato nelle auto elettriche convenzionali).

Il compito del motore elettrico è applicare la coppia all'asse della ruota anteriore per far girare le due ruote anteriori. La centralina varia la velocità dell'auto aumentando o diminuendo la potenza applicata al motore. Quando il controller applica la potenza massima dalla pila di celle a combustibile, il rotore del motore gira a 12.000 giri al minuto, fornendo una coppia di 159 libbre-piedi. Un ingranaggio planetario monostadio, con un rapporto di 8,67: 1, aumenta la coppia per applicare un massimo di 1.375 libbra-piedi a ciascuna ruota. È una coppia sufficiente per spostare l'auto da 4.200 libbre (1.905 kg) di 100 miglia all'ora (161 km / h) su una strada pianeggiante. Motori elettrici più piccoli manovrano le ruote per guidare l'auto e sono controllati elettricamente pinze freno fermare l'auto.

L'idrogeno gassoso necessario per alimentare questo sistema è immagazzinato in tre serbatoi cilindrici, del peso totale di circa 165 libbre (75 chilogrammi). I serbatoi sono costituiti da uno speciale materiale composito di carbonio con l'elevata resistenza strutturale necessaria per contenere gas idrogeno ad alta pressione. I serbatoi nel modello attuale contengono circa 4,5 libbre (2 kg) di idrogeno a circa 5.000 libbre per pollice quadrato (350 bar). Nei modelli futuri, gli ingegneri Hy-wire sperano di aumentare la soglia di pressione a 10.000 libbre per pollice quadrato (700 bar), il che aumenterebbe la capacità di carburante dell'auto per estendere l'autonomia di guida.

In definitiva, GM spera di ottenere la pila di celle a combustibile, i motori e i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno abbastanza piccoli da poter ridurre lo spessore del telaio da 11 pollici a 6 pollici (15 cm). Questo "skateboard" più compatto consentirebbe una flessibilità ancora maggiore nel design del corpo.

Numeri Hy-wire

Velocità massima: 100 miglia all'ora (161 km / h)
Peso: 4.185 libbre (1.898 kg)
Lunghezza del telaio: 14 piedi, 3 pollici (4,3 metri)
Larghezza del telaio: 5 piedi, 5,7 pollici (1,67 metri)
Spessore del telaio: 11 pollici (28 cm)
Ruote: otto razze, cerchi in lega leggera.
Pneumatici: 20 pollici (51 cm) davanti e 22 pollici (56 cm) dietro
Potenza cella a combustibile: 94 kilowatt continui, 129 kilowatt di picco
Tensione pila pila a combustibile: da 125 a 200 volt
Motore: motore elettrico asincrono trifase da 250 a 380 volt
Protezione dagli urti: "zone di schiacciamento" anteriori e posteriori (o "crash box") per assorbire l'energia dell'impatto
Brevetti GM correlati in corso: 30
Membri del team GM coinvolti nella progettazione: 500+

Schema di GM del design AUTOnomy per gentile concessione di General Motors

Il "cervello" di Hy-wire è un computer centrale alloggiato al centro del telaio. Invia segnali elettronici alla centralina motore per variare la velocità, al meccanismo dello sterzo per manovrare la vettura e all'impianto frenante per rallentare la vettura.

A livello di telaio, il computer controlla tutti gli aspetti della guida e del consumo di energia. Ma prende i suoi ordini da una potenza superiore, vale a dire, il conducente nella carrozzeria dell'auto. Il computer si collega all'elettronica del corpo tramite un unico porta docking universale. Questa porta centrale funziona allo stesso modo di una porta USB su un personal computer: trasmette un flusso costante di segnali di comando elettronico dal controller dell'auto al computer centrale, nonché segnali di feedback dal computer al controller. Inoltre, fornisce l'energia elettrica necessaria per far funzionare tutta l'elettronica di bordo del corpo. Dieci collegamenti fisici bloccare la carrozzeria alla struttura del telaio.

X-drive di Hy-wire L'X-drive può scorrere su entrambi i lati del veicolo. Foto per gentile concessione di General Motors Foto per gentile concessione di General Motors

L'unità di controllo del conducente, soprannominata X-drive, è molto più vicino a un file video gioco controllore rispetto a un volante convenzionale e disposizione dei pedali. Il controller ha due impugnature ergonomiche, posizionate a sinistra ea destra di un piccolo monitor LCD. Per guidare l'auto, fai scorrere leggermente le manopole su e giù: non devi continuare a ruotare una ruota per girare, devi solo mantenere la manopola in posizione di svolta. Per accelerare, giri una delle due manopole, come faresti con l'acceleratore su una motocicletta; e per frenare, stringi una delle due impugnature.

I sensori di movimento elettronici, simili a quelli dei joystick per computer di fascia alta, traducono questo movimento in un segnale digitale che il computer centrale può riconoscere. I pulsanti sul controller ti consentono di passare facilmente dalla folle alla guida alla retromarcia e un pulsante di avviamento accende l'auto. Dal momento che assolutamente tutto è controllato manualmente, puoi fare quello che vuoi con i tuoi piedi (immagina di attaccarli in un massaggiatore durante il viaggio di andata e ritorno dal lavoro ogni giorno).

Il monitor a colori da 5,8 pollici (14,7 cm) al centro del controller mostra tutte le cose che normalmente si trovano sul cruscotto (velocità, chilometraggio, livello del carburante). Fornisce anche immagini della vista posteriore dalle videocamere sui lati e sul retro dell'auto, al posto degli specchietti convenzionali. Un secondo monitor, su una console accanto al guidatore, mostra lo stereo, il climatizzatore e le informazioni di navigazione.

Poiché non guida direttamente nessuna parte dell'auto, l'X-drive potrebbe davvero andare ovunque nell'abitacolo. Nell'attuale modello berlina Hy-wire, l'X-drive oscilla su uno dei due sedili anteriori, così puoi cambiare guidatore senza nemmeno alzarti. È anche facile regolare l'X-drive verso l'alto o verso il basso per migliorare il comfort del conducente o per spostarlo completamente quando non stai guidando.

Concetto GM della AUTOnomy con e senza un corpo attaccato Foto per gentile concessione di General Motors Foto per gentile concessione di General Motors

Una delle cose più interessanti del sistema drive-by-wire è che puoi mettere a punto la manovrabilità del veicolo senza cambiare nulla nei componenti meccanici dell'auto: tutto ciò che serve per regolare la sensibilità dello sterzo, dell'acceleratore o del freno è un nuovo software per computer. Nei futuri veicoli drive-by-wire, molto probabilmente sarai in grado di configurare i controlli esattamente a tuo piacimento premendo alcuni pulsanti, proprio come potresti regolare la posizione del sedile in un'auto oggi. In questo tipo di sistema sarebbe anche possibile memorizzare preferenze di controllo distinte per ogni conducente della famiglia.

La grande preoccupazione con i veicoli drive-by-wire è sicurezza. Poiché non esiste un collegamento fisico tra il conducente e gli elementi meccanici dell'auto, un guasto elettrico significherebbe la perdita totale del controllo. Per rendere questo tipo di sistema praticabile nel mondo reale, le auto drive-by-wire avranno bisogno di alimentatori di riserva e collegamenti elettronici ridondanti. Con adeguate misure di sicurezza come questa, non c'è motivo per cui le auto drive-by-wire sarebbero più pericolose delle auto convenzionali. In effetti, molti progettisti pensano che saranno molto più sicuri, perché il computer centrale sarà in grado di monitorare l'input del conducente. Un altro problema è l'aggiunta di un'adeguata protezione dagli urti all'auto.

L'altro grande ostacolo per questo tipo di auto è capire metodi efficienti dal punto di vista energetico per la produzione, il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno per le pile di celle a combustibile a bordo. Con lo stato attuale della tecnologia, produrre effettivamente il combustibile a idrogeno può generare tanto inquinamento quanto l'utilizzo di motori a benzina, e i sistemi di stoccaggio e distribuzione hanno ancora molta strada da fare (vedi How the Hydrogen Economy Works per maggiori informazioni).

Quindi avremo mai la possibilità di acquistare un Hy-wire? General Motors afferma che intende rilasciare una versione di produzione dell'auto nel 2010, assumendo che possa risolvere i principali problemi di carburante e sicurezza. Ma anche se il team Hy-wire non raggiunge questo obiettivo, GM e altre case automobilistiche stanno sicuramente pianificando di andare oltre l'auto convenzionale prima o poi, verso un'alternativa computerizzata e rispettosa dell'ambiente. Con ogni probabilità, la vita in autostrada vedrà alcuni importanti cambiamenti nei prossimi decenni.

Per ulteriori informazioni su Hy-wire e altre tecnologie automobilistiche emergenti, controlla i collegamenti nella pagina successiva.

Come funziona GMs Hy-wire

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