Så fungerar GM s Hy-wire

GMs sedanmodell Hy-wire. Se fler alternativa bilder på bränslefordon. Foto med tillstånd General Motors

Bilar är oerhört komplicerade maskiner, men när du kommer till det gör de ett otroligt enkelt jobb. De flesta av de komplexa sakerna i en bil ägnas åt svänghjul, som greppar vägen till dra bilkroppen och passagerarna längs. Styrsystemet lutar hjulen sida vid sida för att vrida bilen, och broms- och accelerationssystem styr hjulens hastighet.

Med tanke på att bilens övergripande funktion är så grundläggande (den behöver bara ge hjulens roterande rörelse), verkar det lite konstigt att nästan alla bilar har samma samling komplexa enheter som är klämda under huven och samma allmänna mekaniska massa och hydrauliska kopplingar som går igenom. Varför behöver bilar nödvändigtvis en rattstång, broms- och accelerationspedaler, en förbränningsmotor, en katalysator och resten av den?

Enligt många ledande bilingenjörer gör de inte det; och mer till den punkten, inom en snar framtid, de vana. Troligen kommer många av oss att köra radikalt olika bilar inom 20 år. Och skillnaden kommer inte bara att ligga under huven - att äga och köra bilar kommer också att förändras avsevärt.

I den här artikeln ska vi titta på en intressant framtidssyn, General Motors anmärkningsvärda konceptbil, Hy-wire. GM kan faktiskt aldrig sälja Hy-wire till allmänheten, men det är verkligen en bra illustration av olika sätt bilar kan utvecklas inom en snar framtid.

Innehåll

1. Grunderna i hy-wire
2. Hy-Wires vätkraft
3. Hy-Wire datorkontroll

Den ursprungliga konceptbilen AUTOnomy Den körbara uppdateringen av AUTOnomien, Hy-wire Photo med tillstånd General Motors Foto med tillstånd General Motors Den ursprungliga konceptbilen AUTOnomy Den körbara uppdateringen av AUTOnomien, Hy-wire Photo med tillstånd General Motors Foto med tillstånd General Motors

Två grundläggande element dikterar till stor del bildesign idag: förbränningsmotor och mekaniska och hydrauliska kopplingar.

Om du någonsin tittat under huven på en bil, vet du att en förbränningsmotor kräver mycket extra utrustning för att fungera korrekt. Oavsett vad de gör med en bil, måste designers alltid ge plats för denna utrustning.

Detsamma gäller mekaniska och hydrauliska kopplingar. Den grundläggande idén med detta system är att föraren manövrerar de olika ställdonna i bilen (hjulen, bromsarna, etc.) mer eller mindre direkt, genom att manipulera drivreglage som är anslutna till dessa ställdon med axlar, växlar och hydraulik. I ett styr- och kugghjulsstyrningssystem, till exempel, roterar rattet en axel som är ansluten till en kugghjulväxel, vilket förflyttar en kugghjul som är kopplad till bilens framhjul. Förutom att begränsa hur bilen är byggd, dikterar länkkonceptet också hur vi kör: Ratt, pedal och växelsystem är alla utformade kring kopplingsidén.

Hy-tråden har hjul, säten och fönster som en konventionell bil, men likheten slutar ganska mycket där. Det finns ingen motor under huven och ingen ratt eller pedaler inuti. Foto med tillstånd General Motors

Det avgörande kännetecknet för Hy-wire (och dess konceptuella föregångare, AUTOnomin) är att den inte har någon av dessa två saker. Istället för en motor har den en bränslecellstapel som driver en elektrisk motor ansluten till hjulen. I stället för mekaniska och hydrauliska kopplingar har den en kör med tråd system - en dator använder faktiskt komponenterna som rör sig hjulen, aktiverar bromsarna och så vidare, baserat på ingång från en elektronisk styrenhet. Detta är samma styrsystem som används i moderna jaktflygplan samt i många kommersiella flygplan.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Foto med tillstånd General Motors

Illustration av AUTOnomys koncept för kroppsfästning

Resultatet av dessa två ersättningar är en helt annan typ av bil - och en mycket annorlunda körupplevelse. Det finns ingen ratt, det finns inga pedaler och det finns inget motorrum. Faktum är att varje utrustning som faktiskt flyttar bilen längs vägen är inrymd i ett 11-tums tjockt (28 cm) aluminiumchassi - även känt som skateboard -- vid foten av bilen. Allt ovanför chassit ägnas enbart åt förarens kontroll och passagerarkomfort.

Det betyder att föraren och passagerarna inte behöver sitta bakom en massa maskiner. Istället har Hy-wire en enorm framruta, som ger alla en fri utsikt över vägen. Golvet i passagerarutrymmet i glasfiber och stål kan vara helt plant, och det är lätt att ge varje plats mycket benutrymme. Att koncentrera huvuddelen av fordonet i bilens nedre del förbättrar också säkerheten eftersom det gör att bilen är mycket mindre benägen att välta.

Men det coolaste med denna design är att det låter dig ta bort hela passagerarutrymmet och ersätta det med ett annat. Om du vill byta från en skåpbil till en sportbil behöver du inte en helt ny bil; du behöver bara en ny kropp (vilket är mycket billigare).

Du kan alltid växla tillbaka när du behöver skåpbilen igen. Logistiken för att byta är fortfarande oklar - om idén lyckas kan det finnas speciella växelstationer där du kan behålla dina olika bilkarosser, eller det kan finnas ett sätt för förare att byta bilkropparna själva i sitt eget garage.

Strax

GM kallade ursprungligen sitt arbetskoncept för en drivande bränslecellbil Autonomi, för att lyfta fram datorstyrningens och växelbara bilkarossers flexibilitet. När det var dags att namnge den faktiska körbara versionen, rekryterade designteamet en grupp barn, från sex till 15 år gamla, för att komma med intressanta möjligheter. Candy-drivs brainstorming sessioner gav hundratals namn, inklusive Wildcard, Moonshot, Jetson och Volt. GM gick i slutändan med 14-åriga Aleksei Dachyshyns förslag, Hy-wire, eftersom det fint sammanfattade vätgas-bränslecell- och driv-för-tråd-koncept i fordonets kärna.

Vätetankarna och bränslecellstacken i Hy-wire Photo med tillstånd av General Motors

I en vätebränslecell bryter en katalysator vätemolekyler i anoden till protoner och elektroner. Protonerna rör sig genom växlingsmembranet, mot syre på katodesidan, och elektronema tar sig igenom en tråd mellan anoden och katoden. På katodesidan kombineras väte och syre för att bilda vatten. Många celler är anslutna i serie för att flytta betydande laddning genom en krets.

"Hy" i Hy-wire står för väte, standardbränslet för ett bränslecellsystem. Liksom batterier har bränsleceller en negativt laddad terminal och en positivt laddad terminal som driver elektrisk laddning genom en krets ansluten till varje ände. De liknar också batterier genom att de genererar el från en kemisk reaktion. Men till skillnad från ett batteri kan du kontinuerligt ladda en bränslecell genom att lägga till kemiskt bränsle - i detta fall väte från en ombord lagringstank och syre från atmosfären.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Den grundläggande idén är att använda en katalysator för att dela upp en vätemolekyl (H2) i två H-protoner (H +, positivt laddade enkla väteatomer) och två elektroner (e-). Syre på katod (positivt laddad) sida av bränslecellen drar H + -joner från anodesidan genom a protonbytarmembran, men blockerar elektronflödet. Elektronerna (som har en negativ laddning) lockas till protonerna (som har en positiv laddning) på andra sidan av membranet, men de måste flytta genom den elektriska kretsen för att komma dit. De rörliga elektronerna utgör den elektriska strömmen som driver de olika belastningarna i kretsen, till exempel motorer och datorsystemet. På katodesidan av cellen kombineras väte, syre och fria elektroner för att bilda vatten (H2O), systemets enda utsläppsprodukt. (Se hur bränsleceller fungerar för mer information.)

En bränslecell släpper bara ut lite kraft, så du måste kombinera många celler i en bunt för att få mycket användning av processen. Bränslecellstapeln i Hy-tråden består av 200 individuella celler anslutna serier, som kollektivt ger 94 kilowatt av kontinuerlig kraft och 129 kilowatt vid toppeffekt. Den kompakta cellstacken (det är ungefär storleken på ett PC-torn) hålls sval med ett konventionellt radiatorsystem som drivs av bränslecellerna själva.

En annan vy av Hy-wire Photo med tillstånd av General Motors

Detta system levererar likspänning från 125 till 200 volt beroende på belastningen i kretsen. Motorstyrningen ökar denna upp till 250 till 380 volt och omvandlar den till växelström för att driva trefas elmotor som roterar hjulen (detta liknar systemet som används i konventionella elbilar).

Elmotorns uppgift är att applicera vridmoment på framhjulsaxeln för att snurra de två framhjulen. Styrenheten varierar bilens hastighet genom att öka eller minska kraften som tillförs motorn. När regulatorn tillämpar maximal effekt från bränslecellstacken snurrar motorns rotor med 12 000 varv per minut och ger ett vridmoment på 159 kilo fot. En enstegs planetväxel, med ett förhållande på 8,67: 1, trappar upp vridmomentet för att tillämpa maximalt 1 375 kilo fot på varje hjul. Det är tillräckligt med vridmoment för att flytta den 4 200 pund (1 905 kg) bilen 100 mil per timme (161 km / h) på en jämn väg. Mindre elektriska motorer manövrerar hjulen för att styra bilen och elektriskt styrda bromsok stoppa bilen.

Det gasformiga vätgasbränslet som behövs för att driva detta system lagras i tre cylindriska tankar, som väger cirka 165 kilo (75 kg) totalt. Tankarna är tillverkade av en special kolkompositmaterial med den höga strukturella styrkan som krävs för att innehålla högtrycksvätgas. Tankarna i den nuvarande modellen rymmer cirka 2,5 kilo väte med cirka 5 000 pund (350 bar). I framtida modeller hoppas Hy-wire-ingenjörerna att öka trycktröskeln till 10 000 kilo per kvadrat tum (700 bar), vilket skulle öka bilens bränslekapacitet för att utöka körområdet.

I slutändan hoppas GM att få bränslecellstapeln, motorerna och vätgaslagringstankarna tillräckligt små för att de kan minska chassitjockleken från 15 cm till 15 cm. Detta mer kompakta "skateboard" skulle möjliggöra ännu mer flexibilitet i kroppsdesignen.

Hy-wire-nummer

• Toppfart: 100 miles per timme (161 km / h)
• Vikt: 1885 pund (1 988 kg)
• Chassilängd: 4,3 meter
• Chassibredd: 1,67 meter (1,7 meter)
• Chassitjocklek: 28 cm
• Hjul: åtta-ekta, lätta legeringshjul.
• Däck: 51 cm fram och 22 tum bak
• Bränslecellkraft: 94 kilowatt kontinuerlig, 129 kilowatt topp
• Bränslecell-stack-spänning: 125 till 200 volt
• Motor: 250 till 380 volt trefas asynkron elektrisk motor
• Kraschskydd: främre och bakre "krosszoner" (eller "kraschboxar") för att absorbera stötenergi
• Relaterade GM-patenter pågår: 30
• GM-teammedlemmar involverade i design: 500+

GM: s diagram över AUTOnomy-designen Courtesy General Motors

Hy-wire's "hjärna" är en central dator som ligger i mitten av chassit. Den skickar elektroniska signaler till motorstyrenheten för att variera hastigheten, styrmekanismen för att manövrera bilen och bromssystemet för att bromsa bilen.

På chassinivå styr datorn alla aspekter av körning och strömförbrukning. Men det tar sina beställningar från en högre makt - nämligen föraren i bilkroppen. Datorn ansluter till kroppens elektronik via en enda universal dockningsport. Denna centrala port fungerar på samma grundläggande sätt som en USB-port på en persondator: Den överför en konstant ström av elektroniska kommandosignaler från bilkontrollen till den centrala datorn, liksom feedbacksignaler från datorn till styrenheten. Dessutom tillhandahåller den den elektriska kraften som krävs för att använda all kroppens elektroniska ombord. Tio fysiska kopplingar lås karosseriet i chassistrukturen.

Hy-wire's X-drive X-drivenheten kan glida till vardera sidan av fordonet. Foto med tillstånd General Motors Foto med tillstånd General Motors Hy-wire's X-drive X-drivenheten kan glida till vardera sidan av fordonet. Foto med tillstånd General Motors Foto med tillstånd General Motors

Förarens styrenhet, kallad X-drive, är mycket närmare a TV-spel kontroller än ett konventionellt ratt- och pedalarrangemang. Styrenheten har två ergonomiska grepp, placerade till vänster och höger på en liten LCD-skärm. För att styra bilen glider du lätt grepparna upp och ner - du behöver inte fortsätta rotera ett hjul för att vrida, du måste bara hålla greppet i vridläget. För att påskynda, vrider du antingen grepp, på samma sätt som du vrider gasen på en motorcykel; och för att bromsa, pressar du antingen greppet.

Elektroniska rörelsessensorer, liknande de i avancerade dator joysticks, översätter denna rörelse till en digital signal som den centrala datorn kan känna igen. Knappar på regulatorn låter dig växla enkelt från neutralläge till körning till bakåt, och en startknapp sätter på bilen. Eftersom absolut allt är handkontrollerat kan du göra vad du vill med dina fötter (tänk dig att hålla dem i en massager under körningen till och från jobbet varje dag).

Den 5,8-tums (14,7 cm) färgmonitorn i mitten av regulatorn visar alla saker du normalt hittar på instrumentpanelen (hastighet, körsträcka, bränslenivå). Det ger dig också bakifrån bilder från videokameror på sidor och baksida av bilen, i stället för konventionella speglar. En andra bildskärm på en konsol bredvid föraren visar stereo, klimatkontroll och navigationsinformation.

Eftersom den inte direkt kör någon del av bilen, kan X-driven verkligen gå någonstans i kupén. I den nuvarande Hy-wire sedan-modellen svänger X-drivenheten till någon av de två främre sätena, så att du kan byta förare utan att ens komma upp. Det är också lätt att justera X-enheten upp eller ner för att förbättra förarens komfort, eller att flytta den ur vägen helt när du inte kör.

GM-koncept för AUTOnomin med och utan en kropp bifogad foto med tillstånd General Motors Foto med tillstånd General Motors GM-koncept för AUTOnomin med och utan en kropp bifogad foto med tillstånd General Motors Foto med tillstånd General Motors

En av de coolaste sakerna med driv-för-trådsystemet är att du kan finjustera fordonets hantering utan att ändra något i bilens mekaniska komponenter - allt som krävs för att justera styrningen, gaspedalen eller bromskänsligheten är ny datorprogramvara. I framtida fordonsbilar kommer du sannolikt att kunna konfigurera kontrollerna exakt efter dina önskemål genom att trycka på några knappar, precis som du kan justera sittplatsen i en bil idag. Det skulle också vara möjligt i denna typ av system att lagra distinkta kontrollpreferenser för varje förare i familjen.

Det stora problemet med drivna fordon är säkerhet. Eftersom det inte finns någon fysisk koppling mellan föraren och bilens mekaniska element skulle ett elektriskt fel innebära total kontrollförlust. För att göra den här typen av system livskraftig i den verkliga världen kommer driv-för-tråd-bilar att behöva reservkraftförsörjning och redundanta elektroniska kopplingar. Med tillräckliga säkerhetsåtgärder som detta, finns det ingen anledning till att kör-för-tråd bilar skulle vara farligare än konventionella bilar. Faktum är att många designers tror att de kommer att vara mycket säkrare, eftersom den centrala datorn kommer att kunna övervaka drivrutinsingången. Ett annat problem är att lägga till tillräckligt kraschskydd till bilen.

Det andra stora hinderet för denna typ av bil räknar ut energieffektiva metoder för att producera, transportera och lagra väte för bränslecellstaplarna ombord. Med det nuvarande teknologitillståndet kan det faktiskt att producera vätebränsle generera ungefär lika mycket föroreningar som att använda bensinmotorer, och lagrings- och distributionssystem har fortfarande en lång väg att gå (se Hur vätgasekonomin fungerar för mer information).

Så kommer vi någonsin att få chansen att köpa en Hy-wire? General Motors säger att det helt avser att släppa en produktionsversion av bilen under 2010, förutsatt att den kan lösa de största bränsle- och säkerhetsproblemen. Men även om Hy-wire-teamet inte uppfyller detta mål planerar GM och andra biltillverkare definitivt att flytta bortom den konventionella bilen någon gång snart, mot ett datoriserat, miljövänligt alternativ. Med all sannolikhet kommer livet på motorvägen att se några stora förändringar inom de närmaste decennierna.

För mer information om Hy-wire och andra nya bilteknologier, kolla in länkarna på nästa sida.

Relaterade artiklar

• Quiz Corner: Fuel Cell Quiz
• Hur bränsleceller fungerar
• Hur elbilar fungerar
• Hur väteekonomin fungerar
• Hur hybridbilar fungerar
• Så fungerar Toyota MTRC
• Hur bildatorer fungerar
• Hur bränsleprocessorer fungerar
• Hur luftdrivna bilar fungerar
• Hur F-15s fungerar
• Hur fungerar joysticks
• Hur Segways fungerar
• Vilka är alla olika sätt att lagra energi förutom att använda uppladdningsbara batterier?

Fler bra länkar

• TechTV: Hitching a Hy-Wire
• TechTV: 21st Century Cruising With Hy-Wire
• CNN.com: Hy-wire designad för grön roll
• PopularMechanics.com: Driva framtiden
• PopularMechanics.com: Hy-Wire Act
• Katalogen för fordonsalternativ
• Alternativ bränslefordonsgrupp
• FuelEconomy.gov