Hoe GMs Hy-wire werkt

  • Phillip Hopkins
  • 0
  • 2640
  • 19
GM's sedan model Hy-draad. Bekijk meer afbeeldingen van voertuigen op alternatieve brandstof. Foto met dank aan General Motors

Auto's zijn enorm gecompliceerde machines, maar als je erop aankomt, doen ze ongelooflijk eenvoudig werk. De meeste complexe dingen in een auto zijn gewijd aan draaiende wielen, die de weg vastgrijpen Trekken de carrosserie en passagiers mee. Het stuursysteem kantelt de wielen van links naar rechts om de auto te laten draaien, en rem- en acceleratiesystemen regelen de snelheid van de wielen.

Gezien het feit dat de algehele functie van een auto zo eenvoudig is (het hoeft alleen maar een roterende beweging aan de wielen te bieden), lijkt het een beetje vreemd dat bijna alle auto's dezelfde verzameling complexe apparaten onder de motorkap hebben gepropt en dezelfde algemene massa mechanische en doorlopende hydraulische koppelingen. Waarom hebben auto's per se een stuurkolom, rem- en acceleratiepedalen, een verbrandingsmotor, een katalysator en de rest nodig??

Volgens veel vooraanstaande auto-ingenieurs doen ze dat niet; en meer ter zake, in de nabije toekomst zullen ze zal niet. Hoogstwaarschijnlijk zullen velen van ons binnen 20 jaar in radicaal andere auto's rijden. En het verschil zit niet alleen onder de motorkap - het bezit en besturen van auto's zal ook aanzienlijk veranderen.

In dit artikel kijken we naar een interessante toekomstvisie, de opmerkelijke conceptauto van General Motor, de Hy-draad. GM verkoopt de Hy-wire misschien nooit aan het publiek, maar het is zeker een goede illustratie van verschillende manieren waarop auto's in de nabije toekomst kunnen evolueren..

Inhoud
  1. Hy-wire Basics
  2. Hy-Wire's waterstofvermogen
  3. Hy-Wire computerbesturing
De originele AUTOnomy concept car De rijbare update van de AUTOnomy, de Hy-wire Foto ter beschikking gesteld door General Motors Foto ter beschikking gesteld door General Motors De originele AUTOnomy concept car De rijbare update van de AUTOnomy, de Hy-wire Foto ter beschikking gesteld door General Motors Foto ter beschikking gesteld door General Motors

Twee basiselementen bepalen tegenwoordig grotendeels het auto-ontwerp: de verbrandingsmotor en mechanische en hydraulische koppelingen.

Als je ooit onder de motorkap van een auto hebt gekeken, weet je dat een verbrandingsmotor veel extra apparatuur nodig heeft om correct te functioneren. Wat ze ook met een auto doen, ontwerpers moeten altijd ruimte maken voor deze apparatuur.

Hetzelfde geldt voor mechanische en hydraulische koppelingen. Het basisidee van dit systeem is dat de bestuurder de verschillende actuatoren in de auto (de wielen, remmen, enz.) Min of meer direct manoeuvreert, door bedieningselementen te manipuleren die met die actuatoren zijn verbonden via assen, tandwielen en hydraulica. In een stuursysteem met tandheugel, bijvoorbeeld, roteert het draaien van het stuur een as die is verbonden met een rondsel, dat een tandheugel beweegt die is verbonden met de voorwielen van de auto. Naast het beperken van de manier waarop de auto is gebouwd, dicteert het koppelingsconcept ook hoe we rijden: het stuur, het pedaal en het versnellingspooksysteem zijn allemaal ontworpen rond het koppelingsidee..

De Hy-wire heeft wielen, stoelen en ramen zoals een conventionele auto, maar daar houdt de gelijkenis vrijwel op. Er zit geen motor onder de motorkap en geen stuur of pedalen erin. Foto met dank aan General Motors

Het bepalende kenmerk van de Hy-wire (en zijn conceptuele voorganger, de AUTOnomy) is dat het geen van deze twee dingen heeft. In plaats van een motor heeft hij een brandstofcelstapel, die een elektromotor aandrijft die met de wielen is verbonden. In plaats van mechanische en hydraulische koppelingen heeft het een rijden door draad systeem - een computer bedient feitelijk de componenten die de wielen bewegen, de remmen activeren, enzovoort, op basis van input van een elektronische controller. Dit is hetzelfde controlesysteem dat wordt gebruikt in moderne straaljagers en in veel commerciële vliegtuigen.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Foto met dank aan General Motors

Illustratie van het concept van de lichaamsaanhechting van AUTOnomy

Het resultaat van deze twee wissels is een heel ander type auto - en een heel andere rijervaring. Er is geen stuur, er zijn geen pedalen en er is geen motorruimte. In feite is elk apparaat dat de auto daadwerkelijk over de weg verplaatst, ondergebracht in een 11-inch dik (28 cm) aluminium chassis - ook wel bekend als de skateboard -- aan de basis van de auto. Alles boven het chassis is uitsluitend gewijd aan de bediening van de bestuurder en het passagierscomfort.

Hierdoor hoeven de bestuurder en passagiers niet achter een massa machines te zitten. In plaats daarvan heeft de Hy-wire een enorme voorruit, waardoor iedereen een duidelijk zicht op de weg heeft. De vloer van het passagierscompartiment van glasvezel en staal kan volledig vlak zijn en het is gemakkelijk om elke stoel veel beenruimte te geven. Door het grootste deel van het voertuig in het onderste deel van de auto te concentreren, verbetert ook de veiligheid, omdat de auto hierdoor veel minder snel omvalt.

Maar het coolste aan dit ontwerp is dat je het hele passagierscompartiment kunt verwijderen en vervangen door een ander exemplaar. Als u wilt overstappen van een bestelwagen naar een sportwagen, heeft u geen geheel nieuwe auto nodig; je hebt gewoon een nieuw lichaam nodig (wat een stuk goedkoper is).

U kunt altijd weer terugschakelen als u de bus weer nodig heeft. De logistiek van het wisselen is nog onduidelijk - als het idee aanslaat, kunnen er speciale schakelstations zijn waar u uw verschillende carrosserieën kunt bewaren, of is er misschien een manier voor chauffeurs om zelf van carrosserie te wisselen in hun eigen garage.

Volgende

GM noemde oorspronkelijk zijn werkconcept voor een drive-by-wire brandstofcelauto de Autonomie, om de flexibiliteit van de computerbesturing en schakelbare carrosserieën te benadrukken. Toen het tijd werd om de feitelijke bestuurbare versie te noemen, rekruteerde het ontwerpteam een ​​groep kinderen, variërend van zes tot vijftien jaar oud, om met interessante mogelijkheden te komen. Door snoep gevoede brainstormsessies leverden honderden namen op, waaronder Wildcard, Moonshot, Jetson en Volt. GM ging uiteindelijk met de 14-jarige Aleksei Dachyshyns suggestie, Hy-wire, over, omdat het de waterstof-brandstofcel en drive-by-wire-concepten in de kern van het voertuig mooi samenvatte..

De waterstoftanks en brandstofcelstapel in de Hy-wire. Foto met dank aan General Motors

In een waterstof-brandstofcel breekt een katalysator waterstofmoleculen in de anode af tot protonen en elektronen. De protonen bewegen door het uitwisselingsmembraan, naar de zuurstof aan de kathodezijde, en de elektronen banen zich een weg door een draad tussen de anode en de kathode. Aan de kathodezijde combineren de waterstof en zuurstof om water te vormen. Veel cellen zijn in serie verbonden om substantiële lading door een circuit te verplaatsen.

De "Hy" in Hy-wire staat voor waterstof, de standaard brandstof voor een brandstofcelsysteem. Net als batterijen hebben brandstofcellen een negatief geladen pool en een positief geladen pool die elektrische lading voortstuwen door een circuit dat met elk uiteinde is verbonden. Ze lijken ook op batterijen doordat ze elektriciteit opwekken uit een chemische reactie. Maar in tegenstelling tot een accu kun je een brandstofcel continu opladen door chemische brandstof toe te voegen - in dit geval waterstof uit een opslagtank aan boord en zuurstof uit de atmosfeer.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Het basisidee is om een ​​katalysator te gebruiken om een ​​waterstofmolecuul (H2) te splitsen in twee H-protonen (H +, positief geladen enkele waterstofatomen) en twee elektronen (e-). Zuurstof op de kathode (positief geladen) zijde van de brandstofcel trekt H + -ionen van de anodezijde door een protonenuitwisselingsmembraan, maar blokkeert de elektronenstroom. De elektronen (die een negatieve lading hebben) worden aangetrokken door de protonen (die een positieve lading hebben) aan de andere kant van het membraan, maar ze moeten door het elektrische circuit om daar te komen. De bewegende elektronen vormen de elektrische stroom die de verschillende belastingen in het circuit aandrijft, zoals motoren en het computersysteem. Aan de kathodezijde van de cel worden waterstof, zuurstof en vrije elektronen gecombineerd om water (H2O) te vormen, het enige emissieproduct van het systeem. (Zie Hoe brandstofcellen werken voor meer informatie.)

Eén brandstofcel geeft maar een klein beetje stroom af, dus je moet veel cellen in een stapel combineren om veel uit het proces te halen. De brandstofcelstapel in de Hy-draad bestaat uit 200 afzonderlijke aangesloten cellen serie, die gezamenlijk voorzien 94 kilowatt van continu vermogen en 129 kilowatt bij piekvermogen. De compacte celstapel (ongeveer zo groot als een pc-toren) wordt koel gehouden door een conventioneel radiatorsysteem dat wordt aangedreven door de brandstofcellen zelf.

Nog een blik op de Hy-wire. Foto met dank aan General Motors

Dit systeem levert een gelijkspanning variërend van 125 tot 200 volt, afhankelijk van de belasting in het circuit. De motorcontroller verhoogt dit tot 250 tot 380 volt en zet dit om in wisselstroom om de driefasige elektrische motor die de wielen laten draaien (dit is vergelijkbaar met het systeem dat wordt gebruikt in conventionele elektrische auto's).

Het is de taak van de elektromotor om koppel uit te oefenen op de voorwielas om de twee voorwielen te laten draaien. De regeleenheid varieert de snelheid van de auto door het vermogen dat op de motor wordt toegepast te vergroten of te verkleinen. Wanneer de controller maximaal vermogen uit de brandstofcelstapel toepast, draait de rotor van de motor met 12.000 omwentelingen per minuut, wat een koppel van 159 pond-voet levert. Een eentraps planetaire overbrenging, met een verhouding van 8,67: 1, verhoogt het koppel om een ​​maximum van 1375 pond-voet op elk wiel toe te passen. Dat is genoeg koppel om de auto van 4.200 pond (1.905 kg) 100 mijl per uur (161 km / u) op een vlakke weg te verplaatsen. Kleinere elektromotoren manoeuvreren de wielen om de auto te sturen en worden elektrisch bediend remklauwen breng de auto tot stilstand.

De gasvormige waterstofbrandstof die nodig is om dit systeem van stroom te voorzien, wordt opgeslagen in drie cilindrische tanks met een totaal gewicht van ongeveer 75 kilo. De tanks zijn gemaakt van een speciaal carbon composiet materiaal met de hoge structurele sterkte die nodig is om waterstofgas onder hoge druk te bevatten. De tanks in het huidige model bevatten ongeveer 4,5 pond (2 kg) waterstof met ongeveer 5.000 pond per vierkante inch (350 bar). In toekomstige modellen hopen de Hy-wire-ingenieurs de drukdrempel te verhogen tot 10.000 pond per vierkante inch (700 bar), waardoor de brandstofcapaciteit van de auto toeneemt om het rijbereik te vergroten..

Uiteindelijk hoopt GM de brandstofcelstapel, motoren en waterstofopslagtanks zo klein te krijgen dat ze de chassisdikte kunnen verminderen van 11 inch naar 6 inch (15 cm). Dit compactere "skateboard" zou nog meer flexibiliteit in het lichaamsontwerp mogelijk maken.

Hy-wire nummers
  • Topsnelheid: 100 mijl per uur (161 km / u)
  • Gewicht: 4.185 pond (1.898 kg)
  • Chassis lengte: 14 voet, 3 inch (4,3 meter)
  • Chassis breedte: 5 voet, 5,7 inch (1,67 meter)
  • Dikte chassis: 11 inch (28 cm)
  • Wielen: 8-spaaks lichtmetalen velgen.
  • Banden: 20 inch (51 cm) voor en 22 inch (56 cm) achter
  • Brandstofcelvermogen: 94 kilowatt continu, 129 kilowatt piek
  • Spanning brandstofcelstapel: 125 tot 200 volt
  • Motor: driefasige asynchrone elektromotor van 250 tot 380 volt
  • Aanrijdbeveiliging: voor en achter "crush zones" (of "crash boxes") om botsingsenergie te absorberen
  • Gerelateerde GM-patenten in behandeling: 30
  • GM-teamleden betrokken bij ontwerp: 500+
GM's diagram van het AUTOnomy-ontwerp. Met dank aan General Motors

Het "brein" van de Hy-wire is een centrale computer die in het midden van het chassis is ondergebracht. Het stuurt elektronische signalen naar de motorregeleenheid om de snelheid te variëren, het stuurmechanisme om de auto te manoeuvreren en het remsysteem om de auto te vertragen.

Op chassisniveau regelt de computer alle aspecten van rijden en stroomverbruik. Maar het neemt zijn opdrachten over van een hoger vermogen - namelijk de bestuurder in de carrosserie. De computer maakt via een enkele verbinding verbinding met de elektronica van het lichaam universele docking-poort. Deze centrale poort werkt op dezelfde manier als een USB-poort op een personal computer: hij verzendt een constante stroom elektronische commandosignalen van de autocontroller naar de centrale computer, evenals feedbacksignalen van de computer naar de controller. Bovendien levert het de elektrische stroom die nodig is om alle ingebouwde elektronica van de carrosserie te bedienen. Tien fysieke verbindingen vergrendel de carrosserie aan de chassisconstructie.

De X-drive van de Hy-wire De X-drive kan naar beide kanten van het voertuig worden geschoven. Foto ter beschikking gesteld door General Motors Foto ter beschikking gesteld door General Motors De X-drive van de Hy-wire De X-drive kan naar beide kanten van het voertuig worden geschoven. Foto ter beschikking gesteld door General Motors Foto ter beschikking gesteld door General Motors

De besturingseenheid van de bestuurder, genaamd de X-schijf, is veel dichter bij een videogame controller dan een conventionele stuurwiel- en pedaalopstelling. De controller heeft twee ergonomische grepen, links en rechts van een kleine LCD-monitor. Om de auto te sturen, schuif je de handvatten licht op en neer - je hoeft niet steeds een wiel te draaien om te draaien, je hoeft alleen de handgreep in de draaistand te houden. Om te versnellen, draai je aan een van de twee grepen, op dezelfde manier als je het gas op een motorfiets zou draaien; en om te remmen, knijp je in beide grepen.

Elektronische bewegingssensoren, vergelijkbaar met die in high-end computerjoysticks, vertalen deze beweging in een digitaal signaal dat de centrale computer kan herkennen. Met de knoppen op de controller schakel je eenvoudig van neutraal naar rijden naar achteruit, en een startknop zet de auto aan. Omdat absoluut alles met de hand wordt bediend, kunt u met uw voeten doen wat u maar wilt (stel u voor dat u ze elke dag in een stimulator steekt tijdens het rijden van en naar het werk).

De 5,8 inch (14,7 cm) kleurenmonitor in het midden van de controller geeft alle dingen weer die je normaal op het dashboard aantreft (snelheid, kilometerstand, brandstofniveau). Het geeft u ook beelden van de achterkant van videocamera's aan de zijkanten en achterkant van de auto, in plaats van conventionele spiegels. Een tweede monitor, op een console naast de bestuurder, geeft informatie over stereo, klimaatregeling en navigatie weer.

Omdat hij geen enkel deel van de auto rechtstreeks aandrijft, kan de X-drive echt overal in het passagierscompartiment komen. In het huidige model van de Hy-wire sedan zwaait de X-drive rond naar een van de twee voorstoelen, zodat u van bestuurder kunt wisselen zonder zelfs maar op te staan. Het is ook gemakkelijk om de X-drive omhoog of omlaag te verstellen om het bestuurderscomfort te verbeteren, of om hem volledig uit de weg te ruimen wanneer u niet rijdt..

GM-concept van de AUTOnomy met en zonder bevestigde carrosserie. Foto ter beschikking gesteld door General Motors. Foto ter beschikking gesteld door General Motors GM-concept van de AUTOnomy met en zonder bevestigde carrosserie. Foto ter beschikking gesteld door General Motors. Foto ter beschikking gesteld door General Motors

Een van de coolste dingen van het drive-by-wire-systeem is dat je het rijgedrag van de auto kunt afstemmen zonder iets aan de mechanische componenten van de auto te veranderen - alles wat nodig is om de stuur-, gas- of remgevoeligheid aan te passen, is een nieuwe computersoftware. In toekomstige drive-by-wire-voertuigen kunt u de bedieningselementen waarschijnlijk precies naar wens configureren door een paar knoppen in te drukken, net zoals u de stoelpositie in een auto vandaag zou kunnen aanpassen. In dit soort systemen zou het ook mogelijk zijn om voor elke bestuurder in de familie verschillende besturingsvoorkeuren op te slaan.

De grote zorg met drive-by-wire-voertuigen is veiligheid. Aangezien er geen fysieke verbinding is tussen de bestuurder en de mechanische elementen van de auto, zou een elektrische storing een totaal verlies van controle betekenen. Om dit soort systemen in de echte wereld levensvatbaar te maken, hebben drive-by-wire-auto's noodstroomvoorzieningen en redundante elektronische verbindingen nodig. Met adequate veiligheidsmaatregelen zoals deze, is er geen reden waarom drive-by-wire-auto's gevaarlijker zouden zijn dan conventionele auto's. Veel ontwerpers denken zelfs dat ze veel veiliger zullen zijn, omdat de centrale computer de input van de bestuurder kan volgen. Een ander probleem is het toevoegen van voldoende bescherming tegen aanrijdingen aan de auto.

De andere grote hindernis voor dit type auto is het uitzoeken energiezuinige methoden voor het produceren, transporteren en opslaan van waterstof voor de brandstofcelstapels aan boord. Met de huidige stand van de technologie kan de productie van waterstof als brandstof ongeveer evenveel vervuiling veroorzaken als het gebruik van benzinemotoren, en opslag- en distributiesystemen hebben nog een lange weg te gaan (zie Hoe de waterstofeconomie werkt voor meer informatie).

Dus krijgen we ooit de kans om een ​​Hy-wire te kopen? General Motors zegt dat het volledig van plan is om in 2010 een productieversie van de auto uit te brengen, ervan uitgaande dat daarmee de belangrijkste brandstof- en veiligheidsproblemen kunnen worden opgelost. Maar zelfs als het Hy-wire-team dit doel niet bereikt, zijn GM en andere autofabrikanten beslist van plan om binnenkort verder te gaan dan de conventionele auto, in de richting van een geautomatiseerd, milieuvriendelijk alternatief. Naar alle waarschijnlijkheid zal het leven op de snelweg de komende decennia grote veranderingen ondergaan.

Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over de Hy-wire en andere opkomende autotechnologieën.

Gerelateerde artikelen

  • Quiz Corner: Fuel Cell Quiz
  • Hoe brandstofcellen werken
  • Hoe elektrische auto's werken
  • Hoe de waterstofeconomie werkt
  • Hoe hybride auto's werken
  • Hoe de Toyota MTRC werkt
  • Hoe autocomputers werken
  • Hoe brandstofprocessors werken
  • Hoe luchtaangedreven auto's zullen werken
  • Hoe F-15's werken
  • Hoe joysticks werken
  • Hoe Segways werken
  • Wat zijn alle verschillende manieren om energie op te slaan naast het gebruik van oplaadbare batterijen??

Meer geweldige links

  • TechTV: Meeliften op de Hy-Wire
  • TechTV: cruisen in de 21e eeuw met de Hy-Wire
  • CNN.com: Hy-draad ontworpen voor groene rol
  • PopularMechanics.com: Fueling the Future
  • PopularMechanics.com: Hy-Wire Act
  • De gids voor voertuigen op alternatieve brandstoffen
  • Alternatieve brandstofvoertuigengroep
  • FuelEconomy.gov



Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.

De meest interessante artikelen over geheimen en ontdekkingen. Veel nuttige informatie over alles
Artikelen over wetenschap, ruimte, technologie, gezondheid, milieu, cultuur en geschiedenis. Duizenden onderwerpen uitleggen, zodat u weet hoe alles werkt