Hvordan GMs Hy-wire fungerer

GMs sedanmodell Hy-wire. Se flere alternative kjøretøybilder. Foto høflighet General Motors

Biler er uhyre kompliserte maskiner, men når du kommer til det, gjør de en utrolig enkel jobb. De fleste av de komplekse tingene i en bil er dedikert til å dreie hjul, som griper veien til dra bilkarosseriet og passasjerene langs. Styringssystemet vipper hjulene side om side for å snu bilen, og bremse- og akselerasjonssystemer styrer hastigheten på hjulene.

Gitt at den generelle funksjonen til en bil er så grunnleggende (den trenger bare å gi hjul med roterende bevegelse), virker det litt rart at nesten alle biler har den samme samlingen av komplekse enheter som er klemt under panseret og den samme generelle mekaniske massen og hydrauliske koblinger som kjører gjennom. Hvorfor trenger biler nødvendigvis en rattstamme, bremse- og akselerasjonspedaler, en forbrenningsmotor, en katalytisk omformer og resten av den?

I følge mange ledende bilingeniører, gjør de ikke det; og mer til det punktet, i nær fremtid, de vil ikke. Mest sannsynlig vil mange av oss kjøre radikalt forskjellige biler i løpet av 20 år. Og forskjellen vil ikke bare være under panseret - å eie og kjøre biler vil også endre seg betydelig.

I denne artikkelen skal vi se på en interessant fremtidssyn, General Motors bemerkelsesverdige konseptbil, the Hy-ledning. GM selger kanskje aldri Hy-wire til publikum, men det er absolutt en god illustrasjon av forskjellige måter biler kan utvikle seg i løpet av den nærmeste fremtiden.

innhold

1. Grunnleggende om hy-wire
2. Hy-Wires Hydrogen Power
3. Hy-Wire datamaskinkontroll

Den originale konseptbilen AUTOnomy Den kjørbare oppdateringen av AUTOnomy, Hy-wire Photo høflighet General Motors Photo høflighet General Motors Den originale konseptbilen AUTOnomy Den kjørbare oppdateringen av AUTOnomy, Hy-wire Photo høflighet General Motors Photo høflighet General Motors

To grunnleggende elementer dikterer i stor grad bildesign i dag: the intern forbrenningsmotor og mekaniske og hydrauliske koblinger.

Hvis du noen gang har sett deg under panseret på en bil, vet du at en forbrenningsmotor krever mye ekstra utstyr for å fungere korrekt. Uansett hva de ellers gjør med en bil, må designere alltid gjøre plass til dette utstyret.

Det samme gjelder mekaniske og hydrauliske koblinger. Den grunnleggende ideen med dette systemet er at sjåføren manøvrerer de forskjellige aktuatorene i bilen (hjulene, bremsene, etc.) mer eller mindre direkte, ved å manipulere kjørekontrollene koblet til disse aktuatorene med aksler, gir og hydraulikk. I for eksempel et ratt-og-hjul-styringssystem roterer for eksempel rattet en aksel som er koblet til et tannhjul-gir, som beveger et stativ som er koblet til bilens forhjul. I tillegg til å begrense hvordan bilen er bygget, dikterer koblingskonseptet også hvordan vi kjører: Ratt, pedal og girskift-system var alle designet rundt koblingsideen.

Hy-wiren har hjul, seter og vinduer som en vanlig bil, men likheten ender ganske mye der. Det er ingen motor under panseret og ingen ratt eller pedaler inni. Foto høflighet General Motors

Det definerende kjennetegn på Hy-ledningen (og dens konseptuelle forgjenger, AUTOnomien) er at den ikke har noen av disse to tingene. I stedet for en motor har den en brenselcellebunke, som driver en elektrisk motor koblet til hjulene. I stedet for mekaniske og hydrauliske koblinger, har den en kjøre med ledning system - en datamaskin bruker faktisk komponentene som beveger hjulene, aktiverer bremsene og så videre, basert på inngang fra en elektronisk kontroller. Dette er det samme kontrollsystemet som brukes i moderne jagerfly, så vel som i mange kommersielle fly.

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

Foto høflighet General Motors

Illustrasjon av AUTOnomys konsept for kroppsfeste

Resultatet av disse to utskiftningene er en veldig annen bil - og en veldig annen kjøreopplevelse. Det er ikke noe ratt, det er ingen pedaler og det er ikke noe motorrom. Faktisk er hvert utstyr som faktisk beveger bilen langs veien plassert i et 11-tommers tykt (28 cm) aluminiums chassis - også kjent som rullebrett -- i bunnen av bilen. Alt over kabinettet er dedikert utelukkende til førerkontroll og passasjerkomfort.

Dette betyr at sjåføren og passasjerene ikke trenger å sitte bak en masse maskiner. I stedet har Hy-ledningen en enorm frontrute som gir alle en klar utsikt over veien. Gulvet i glassfiber- og stål-passasjerrommet kan være helt flatt, og det er enkelt å gi hvert sete mye benplass. Å konsentrere hoveddelen av kjøretøyet i bunndelen av bilen forbedrer også sikkerheten fordi det gjør at bilen er mindre sannsynlig å velte.

Men det kuleste med dette designet er at det lar deg fjerne hele passasjerrommet og erstatte det med et annet. Hvis du vil bytte fra en varebil til en sportsbil, trenger du ikke en helt ny bil; du trenger bare en ny kropp (som er mye billigere).

Du kan alltid bytte tilbake når du trenger varebilen igjen. Logistikken for å bytte er fremdeles uklar - hvis ideen fanges opp, kan det være spesielle koblingsstasjoner der du kan beholde de forskjellige bilkarosseriene, eller det kan være en måte for bilistene å skifte bilkroppene selv i sin egen garasje.

Neste

GM kalte opprinnelig sitt arbeidskonsept for en driv-med-ledning drivstoffcellebil Autonomi, for å fremheve fleksibiliteten til datamaskinkontrollen og byttbare bilkroppene. Da det var på tide å navngi den faktiske kjørbare versjonen, rekrutterte designteamet en gruppe barn, fra seks til 15 år gamle, for å komme med interessante muligheter. Brainstorming-økter med godteri ga hundrevis av navn, inkludert Wildcard, Moonshot, Jetson og Volt. GM gikk til slutt med 14 år gamle Aleksei Dachyshyns forslag, Hy-wire, fordi det pent oppsummerte hydrogen-brenselcelle- og drive-by-wire-konseptene i kjøretøyets kjerne.

Hydrogentankene og brenselcellebunken i Hy-wire Photo med tillatelse fra General Motors

I en hydrogenbrenselcelle bryter en katalysator hydrogenmolekyler i anoden til protoner og elektroner. Protonene beveger seg gjennom utvekslingsmembranen, mot oksygenet på katodesiden, og elektronene går gjennom en ledning mellom anoden og katoden. På katodesiden kombineres hydrogen og oksygen og danner vann. Mange celler er koblet i serie for å flytte betydelig ladning gjennom en krets.

"Hy" i Hy-wire står for hydrogen, standard drivstoff for et brenselcelleanlegg. Som batterier har brenselceller en negativt ladet terminal og en positivt ladet terminal som driver elektrisk ladning gjennom en krets som er koblet til hver ende. De ligner også på batterier ved at de genererer strøm fra en kjemisk reaksjon. Men i motsetning til et batteri, kan du kontinuerlig lade en brenselcelle ved å tilsette kjemisk drivstoff - i dette tilfellet hydrogen fra en ombord lagringstank og oksygen fra atmosfæren.

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

Den grunnleggende ideen er å bruke en katalysator for å dele opp et hydrogenmolekyl (H2) i to H-protoner (H +, positivt ladede enkle hydrogenatomer) og to elektroner (e-). Oksygen på katoden (positivt ladet) side av brenselcellen trekker H + -ioner fra anodesiden gjennom a protonbyttermembran, men blokkerer strømmen av elektroner. Elektronene (som har en negativ ladning) tiltrekkes av protonene (som har en positiv ladning) på den andre siden av membranen, men de må bevege seg gjennom den elektriske kretsen for å komme dit. De bevegelige elektronene utgjør den elektriske strømmen som driver de forskjellige belastningene i kretsen, for eksempel motorer og datasystemet. På katodesiden av cellen kombineres hydrogen, oksygen og frie elektroner for å danne vann (H2O), systemets eneste utslippsprodukt. (Se hvordan drivstoffceller fungerer for mer informasjon.)

Én brenselcelle gir bare litt strøm, så du må kombinere mange celler i en stabel for å få mye bruk av prosessen. Drivstoffcellebunken i Hy-ledningen består av 200 individuelle celler som er koblet inn serie, som samlet gir 94 kilowatt med kontinuerlig kraft og 129 kilowatt ved topp effekt. Den kompakte cellebunken (det er omtrent på størrelse med et PC-tårn) holdes kjølig av et konvensjonelt radiatoranlegg som drives av drivstoffcellene i seg selv.

Et annet syn på Hy-wire Photo med tillatelse fra General Motors

Dette systemet leverer likespenning fra 125 til 200 volt, avhengig av belastningen i kretsen. Motorstyringen øker denne opp til 250 til 380 volt og konverterer den til vekselstrøm for å drive trefaset elektrisk motor som roterer hjulene (dette ligner på systemet som brukes i konvensjonelle elbiler).

Den elektriske motorens jobb er å bruke dreiemoment på forhjulsaksen for å snurre de to forhjulene. Kontrollenheten varierer hastigheten på bilen ved å øke eller redusere kraften som tilføres motoren. Når kontrolleren bruker maksimal effekt fra brenselcellebunken, roterer motorens rotor med 12.000 omdreininger per minutt, og gir et dreiemoment på 159 kilo fot. Et entrinns planetgir, med et forhold på 8,67: 1, trapper opp dreiemomentet for å bruke maksimalt 1,375 pund-føtter på hvert hjul. Det er nok dreiemoment til å flytte bilen (1 905 kg) 100 mil per time (161 km / t) på en jevn vei. Mindre elektriske motorer manøvrerer hjulene for å styre bilen, og elektrisk kontrollert bremseklave ta bilen til et stopp.

Det gassformige hydrogendrivstoffet som trengs for å drive dette systemet, lagres i tre sylindriske tanker og veier 75 kilo totalt. Tankene er laget av en spesiell karbonkomposittmateriale med den høye strukturelle styrke som er nødvendig for å inneholde høytrykks hydrogengass. Tankene i den gjeldende modellen rommer 2 kg pund (350 kg) hydrogen med 350 bar per kilo. I fremtidige modeller håper Hy-wire-ingeniørene å øke trykkgrensen til 10.000 kilo per kvadrat tomme (700 bar), noe som vil øke bilens drivstoffkapasitet for å utvide kjøreområdet.

Til slutt håper GM å få brenselcellebunken, motorene og hydrogenlagringstankene små nok til at de kan redusere kabinetttykkelsen fra 15 cm til 15 cm. Dette mer kompakte "skateboardet" vil gi rom for enda mer fleksibilitet i kroppsdesignet.

Hy-wire tall

• Toppfart: 100 miles per time (161 km / t)
• Vekt: 1885 kg
• Lengde på kabinettet: 4,3 meter
• Chassisbredde: 1,67 meter (5 fot)
• Chassis tykkelse: 28 cm
• Hjul: åtte-ekkede, lette alufelger.
• Dekk: 51-tommers (51-cm) foran og 22-tommers (56-cm) bakside
• Drivstoffcelleeffekt: 94 kilowatt kontinuerlig, 129 kilowatt peak
• Drivstoff-celle-stablingsspenning: 125 til 200 volt
• Motor: 250- til 380 volt trefas asynkron elektrisk motor
• Krasjbeskyttelse: foran og bak "knusningssoner" (eller "krasjbokser") for å absorbere støt energi
• Relaterte GM-patenter pågår: 30
• GM-teammedlemmer involvert i design: 500+

GMs diagram over AUTOnomy-designet Courtesy General Motors

Hy-ledningens "hjerne" er en sentral datamaskin som ligger midt i kabinettet. Den sender elektroniske signaler til motorstyringsenheten for å variere hastighet, styringsmekanismen for å manøvrere bilen og bremsesystemet for å bremse bilen.

På chassisnivå kontrollerer datamaskinen alle aspekter ved kjøring og strømbruk. Men det tar ordrene fra en høyere makt - nemlig sjåføren i bilkroppen. Datamaskinen kobles til kroppens elektronikk gjennom en singel universal docking port. Denne sentrale porten fungerer på samme grunnleggende måte som en USB-port på en datamaskin: Den overfører en konstant strøm av elektroniske kommandosignaler fra bilkontrollen til den sentrale datamaskinen, samt tilbakemeldingssignaler fra datamaskinen til kontrolleren. I tillegg gir den den elektriske kraften som trengs for å betjene all kroppens elektroniske ombord. Ti fysiske koblinger lås karosseriet til chassisstrukturen.

Hy-ledningens X-stasjon X-stasjonen kan gli til hver side av kjøretøyet. Foto høflighet General Motors Foto høflighet General Motors Hy-ledningens X-stasjon X-stasjonen kan gli til hver side av kjøretøyet. Foto høflighet General Motors Foto høflighet General Motors

Sjåførens kontrollenhet, kalt X-drive, er mye nærmere a video spill kontrolleren enn en konvensjonell ratt og pedalordning. Kontrolleren har to ergonomiske grep, plassert til venstre og høyre på en liten LCD-skjerm. For å styre bilen glir du grepene lett opp og ned - du trenger ikke å fortsette å rotere et hjul for å vri, du må bare holde grepet i svingstilling. For å akselerere, vender du begge grepene, på samme måte som du ville snu gassen på en motorsykkel; og for å bremse, klemmer du begge grepene.

Elektroniske bevegelsessensorer, som ligner på de i high-end datamaskin-joysticks, oversetter denne bevegelsen til et digitalt signal den sentrale datamaskinen kan gjenkjenne. Knapper på kontrolleren lar deg bytte lett fra nøytral til kjøring til bakover, og en startknapp slår bilen på. Siden absolutt alt er håndkontrollert, kan du gjøre hva du vil med føttene (tenk å stikke dem i en massasje under kjøreturen til og fra jobb hver dag).

Den 5,8-tommers (14,7 cm) fargeskjermen i midten av kontrolleren viser alle tingene du normalt vil finne på dashbordet (hastighet, kjørelengde, drivstoffnivå). Det gir deg også bakrissbilder fra videokameraer på sidene og baksiden av bilen, i stedet for vanlige speil. En annen skjerm, på en konsoll ved siden av driveren, viser stereo, klimakontroll og navigasjonsinformasjon.

Siden den ikke direkte kjører noen del av bilen, kan X-stasjonen virkelig gå hvor som helst i kupeen. I den nåværende Hy-wire sedan-modellen svinger X-stasjonen rundt til et av de to fremste setene, slik at du kan bytte sjåfør uten å komme deg opp. Det er også enkelt å justere X-stasjonen opp eller ned for å forbedre førerkomforten, eller å flytte den ut av veien helt når du ikke kjører.

GM-konsept for AUTOnomien med og uten en kropp festet Foto høflighet General Motors Photo høflighet General Motors GM-konsept for AUTOnomien med og uten en kropp festet Foto høflighet General Motors Photo høflighet General Motors

Noe av det kuleste med drive-by-wire-systemet er at du kan finjustere kjøretøyhåndtering uten å endre noe i bilens mekaniske komponenter - alt det som trengs for å justere styring, gasspedal eller bremsefølsomhet er litt ny programvare. I fremtidige driv-for-wire kjøretøyer vil du sannsynligvis kunne konfigurere kontrollene nøyaktig til din smak ved å trykke på noen få knapper, akkurat som du kan justere seteposisjonen i en bil i dag. Det vil også være mulig i denne typen systemer å lagre forskjellige kontrollpreferanser for hver driver i familien.

Den store bekymringen for kjøretøyer er sikkerhet. Siden det ikke er noen fysisk forbindelse mellom føreren og bilens mekaniske elementer, vil en elektrisk svikt bety total tap av kontroll. For å gjøre denne typen system levedyktig i den virkelige verden, vil driv-for-wire-biler trenge sikkerhetskopieringskraft og overflødige elektroniske koblinger. Med tilstrekkelige sikkerhetstiltak som dette, er det ingen grunn til at bilkjøring vil være farligere enn vanlige biler. Faktisk tror mange designere at de vil være mye tryggere, fordi den sentrale datamaskinen vil kunne overvåke driverinndata. Et annet problem er å tilføre bilen tilstrekkelig krasjbeskyttelse.

Det andre store hinderet for denne typen bil er å finne ut energieffektive metoder for å produsere, transportere og lagre hydrogen for brenselcellebunken om bord. Med den nåværende teknologitilstanden, kan det å produsere hydrogenbrensel generere omtrent like mye forurensning som å bruke bensinmotorer, og lagrings- og distribusjonssystemer har fremdeles en lang vei å gå (se Hvordan fungerer Hydrogen Economy for mer informasjon).

Så vil vi noen gang få sjansen til å kjøpe en Hy-wire? General Motors sier at den fullstendig har til hensikt å gi ut en produksjonsversjon av bilen i 2010, forutsatt at den kan løse de største drivstoff- og sikkerhetsproblemene. Men selv om Hy-wire-teamet ikke oppfyller dette målet, planlegger GM og andre bilprodusenter definitivt å gå utover den konvensjonelle bilen en gang snart, mot et datastyrt, miljøvennlig alternativ. Etter all sannsynlighet vil livet på motorveien få store endringer i løpet av de neste tiårene.

For mer informasjon om Hy-wire og andre nye bilteknologier, sjekk ut lenkene på neste side.

Relaterte artikler

• Quiz Corner: Fuel Cell Quiz
• Hvordan brenselceller fungerer
• Hvordan elbiler fungerer
• Hvordan Hydrogenøkonomien fungerer
• Hvordan hybridbiler fungerer
• Slik fungerer Toyota MTRC
• Hvordan bilcomputere fungerer
• Hvordan drivstoffprosessorer fungerer
• Hvordan luftdrevne biler vil fungere
• Hvordan F-15s fungerer
• Hvordan styrespak fungerer
• Hvordan Segways fungerer
• Hva er alle de forskjellige måtene å lagre energi på foruten å bruke oppladbare batterier?

Flere gode lenker

• TechTV: Hitching a Hy-Wire
• TechTV: 21st Century Cruising With Hy-Wire
• CNN.com: Hy-wire designet for grønn rolle
• PopularMechanics.com: Drivstoff for fremtiden
• PopularMechanics.com: Hy-Wire Act
• Katalogen for alternativt drivstoff
• Alternative Fuel Vehicle Group
• FuelEconomy.gov