Pedeorelha | Wie GMs Hy-Wire funktioniert

Gyles Lewis
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GMs Limousinenmodell Hy-Wire. Weitere Bilder von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen. Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Autos sind immens komplizierte Maschinen, aber wenn man sich darauf einlässt, machen sie einen unglaublich einfachen Job. Die meisten komplexen Dinge in einem Auto sind dem Drehen von Rädern gewidmet, zu denen die Straße führt ziehen die Karosserie und die Passagiere entlang. Das Lenksystem kippt die Räder hin und her, um das Auto zu drehen, und Brems- und Beschleunigungssysteme steuern die Geschwindigkeit der Räder.

Angesichts der Tatsache, dass die Gesamtfunktion eines Autos so grundlegend ist (es muss nur eine Drehbewegung für die Räder erforderlich sein), erscheint es ein wenig seltsam, dass fast alle Autos dieselbe Sammlung komplexer Geräte unter der Motorhaube und dieselbe allgemeine Masse an Mechanik haben und durchgehend laufende hydraulische Gestänge. Warum brauchen Autos unbedingt eine Lenksäule, Brems- und Beschleunigungspedale, einen Verbrennungsmotor, einen Katalysator und den Rest davon??

Vielen führenden Automobilingenieuren zufolge ist dies nicht der Fall. und mehr auf den Punkt, in naher Zukunft, sie Gewohnheit. Höchstwahrscheinlich werden viele von uns innerhalb von 20 Jahren radikal andere Autos fahren. Und der Unterschied liegt nicht nur unter der Haube - auch das Besitzen und Fahren von Autos wird sich erheblich ändern.

In diesem Artikel werden wir eine interessante Vision der Zukunft betrachten, das bemerkenswerte Konzeptauto von General Motor, das Hy-Draht. GM verkauft den Hy-Wire vielleicht nie an die Öffentlichkeit, aber es ist sicherlich ein gutes Beispiel dafür, wie sich Autos in naher Zukunft entwickeln könnten.

Inhalt

Hy-Wire-Grundlagen
Wasserstoffkraft von Hy-Wire
Hy-Wire Computersteuerung

Das originale AUTOnomy-Konzeptauto Das fahrbare Update des AUTOnomy, des Hy-Wire Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Zwei Grundelemente bestimmen heute weitgehend das Autodesign: das Verbrennungsmotor und mechanische und hydraulische Gestänge.

Wenn Sie jemals unter die Motorhaube eines Autos geschaut haben, wissen Sie, dass ein Verbrennungsmotor viele zusätzliche Geräte benötigt, um richtig zu funktionieren. Egal, was sie sonst noch mit einem Auto machen, Designer müssen immer Platz für diese Ausrüstung schaffen.

Gleiches gilt für mechanische und hydraulische Gestänge. Die Grundidee dieses Systems besteht darin, dass der Fahrer die verschiedenen Aktuatoren im Auto (die Räder, Bremsen usw.) mehr oder weniger direkt manövriert, indem er die mit diesen Aktuatoren über Wellen, Zahnräder und Hydraulik verbundenen Antriebssteuerungen manipuliert. In einem Zahnstangenlenksystem dreht beispielsweise das Drehen des Lenkrads eine Welle, die mit einem Ritzel verbunden ist, wodurch ein Zahnstangenrad bewegt wird, das mit den Vorderrädern des Fahrzeugs verbunden ist. Das Verbindungskonzept schränkt nicht nur den Aufbau des Autos ein, sondern bestimmt auch, wie wir fahren: Das Lenkrad, das Pedal und das Schaltsystem wurden alle nach der Idee des Gestänges entwickelt.

Der Hy-Wire hat Räder, Sitze und Fenster wie ein herkömmliches Auto, aber die Ähnlichkeit endet so ziemlich dort. Es gibt keinen Motor unter der Motorhaube und kein Lenkrad oder Pedale im Inneren. Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Das bestimmende Merkmal des Hy-Wire (und seines konzeptionellen Vorgängers, der AUTOnomy) ist, dass er keines dieser beiden Dinge hat. Anstelle eines Motors verfügt er über einen Brennstoffzellenstapel, der einen mit den Rädern verbundenen Elektromotor antreibt. Anstelle von mechanischen und hydraulischen Gestängen hat es eine Fahren Sie per Kabel System - Ein Computer bedient tatsächlich die Komponenten, die die Räder bewegen, die Bremsen aktivieren usw., basierend auf der Eingabe von einer elektronischen Steuerung. Dies ist das gleiche Steuerungssystem, das in modernen Kampfflugzeugen sowie in vielen Verkehrsflugzeugen verwendet wird.

Dieser Inhalt ist auf diesem Gerät nicht kompatibel.

Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Illustration des Körperbefestigungskonzepts der AUTOnomy

Das Ergebnis dieser beiden Substitutionen ist ein sehr unterschiedlicher Fahrzeugtyp - und ein sehr unterschiedliches Fahrerlebnis. Es gibt kein Lenkrad, keine Pedale und keinen Motorraum. Tatsächlich ist jedes Gerät, das das Auto tatsächlich auf der Straße bewegt, in einem 28 cm dicken Aluminiumgehäuse untergebracht - auch bekannt als Skateboard -- an der Basis des Autos. Alles über dem Fahrgestell ist ausschließlich der Fahrersteuerung und dem Beifahrerkomfort gewidmet.

Dies bedeutet, dass Fahrer und Passagiere nicht hinter einer Masse von Maschinen sitzen müssen. Stattdessen hat der Hy-Wire eine riesige Windschutzscheibe, die jedem die freie Sicht auf die Straße gibt. Der Boden des Fahrgastraums aus Glasfaser und Stahl kann völlig flach sein, und es ist einfach, jedem Sitz viel Beinfreiheit zu geben. Das Konzentrieren des Großteils des Fahrzeugs im unteren Teil des Fahrzeugs verbessert auch die Sicherheit, da das Umkippen des Fahrzeugs dadurch viel weniger wahrscheinlich wird.

Das Coolste an diesem Design ist jedoch, dass Sie den gesamten Fahrgastraum entfernen und durch einen anderen ersetzen können. Wenn Sie von einem Van zu einem Sportwagen wechseln möchten, benötigen Sie kein völlig neues Auto. Sie brauchen nur einen neuen Körper (was viel billiger ist).

Sie können jederzeit zurückschalten, wenn Sie den Van wieder benötigen. Die Logistik des Schaltens ist noch unklar - wenn sich die Idee durchsetzt, gibt es möglicherweise spezielle Schaltstationen, an denen Sie Ihre verschiedenen Karosserien aufbewahren können, oder es gibt eine Möglichkeit für Fahrer, die Karosserien selbst in ihrer eigenen Garage zu wechseln.

Als nächstes

GM nannte sein Arbeitskonzept ursprünglich ein Drive-by-Wire-Brennstoffzellenauto Autonomie, um die Flexibilität der Computersteuerung und der schaltbaren Karosserien hervorzuheben. Als es an der Zeit war, die tatsächliche fahrbare Version zu benennen, rekrutierte das Designteam eine Gruppe von Kindern im Alter von sechs bis 15 Jahren, um interessante Möglichkeiten zu finden. Brainstorming-Sitzungen mit Süßigkeiten brachten Hunderte von Namen hervor, darunter Platzhalter, Mondschuss, Jetson und Volt. GM folgte schließlich dem Vorschlag des 14-jährigen Aleksei Dachyshyn, Hy-Wire, weil er die Konzepte für Wasserstoff-Brennstoffzellen und Drive-by-Wire im Kern des Fahrzeugs gut zusammenfasste.

Die Wasserstofftanks und der Brennstoffzellenstapel im Hy-Wire-Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

In einer Wasserstoffbrennstoffzelle zerlegt ein Katalysator Wasserstoffmoleküle in der Anode in Protonen und Elektronen. Die Protonen bewegen sich durch die Austauschmembran in Richtung des Sauerstoffs auf der Kathodenseite, und die Elektronen wandern durch einen Draht zwischen Anode und Kathode. Auf der Kathodenseite verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Viele Zellen sind in Reihe geschaltet, um eine erhebliche Ladung durch eine Schaltung zu bewegen.

Das "Hy" in Hy-Wire steht für Wasserstoff, der Standardbrennstoff für ein Brennstoffzellensystem. Brennstoffzellen haben wie Batterien einen negativ geladenen Anschluss und einen positiv geladenen Anschluss, die elektrische Ladung über einen an jedes Ende angeschlossenen Stromkreis treiben. Sie sind auch insofern ähnlich wie Batterien, als sie Strom aus a erzeugen chemische Reaktion. Im Gegensatz zu einer Batterie können Sie eine Brennstoffzelle jedoch kontinuierlich aufladen, indem Sie chemischen Brennstoff hinzufügen - in diesem Fall Wasserstoff aus einem Bordspeicher und Sauerstoff aus der Atmosphäre.

Dieser Inhalt ist auf diesem Gerät nicht kompatibel.

Die Grundidee besteht darin, mit einem Katalysator ein Wasserstoffmolekül (H2) in zwei H-Protonen (H +, positiv geladene einzelne Wasserstoffatome) und zwei Elektronen (e-) zu spalten. Sauerstoff auf dem Kathode Die (positiv geladene) Seite der Brennstoffzelle zieht H + -Ionen von der Anodenseite durch a Protonenaustauschmembran, blockiert aber den Elektronenfluss. Die Elektronen (die eine negative Ladung haben) werden von den Protonen (die eine positive Ladung haben) auf der anderen Seite der Membran angezogen, müssen sich jedoch durch den Stromkreis bewegen, um dorthin zu gelangen. Die sich bewegenden Elektronen bilden den elektrischen Strom, der die verschiedenen Lasten in der Schaltung wie Motoren und das Computersystem antreibt. Auf der Kathodenseite der Zelle bilden Wasserstoff, Sauerstoff und freie Elektronen zusammen Wasser (H2O), das einzige Emissionsprodukt des Systems. (Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Brennstoffzellen.)

Eine Brennstoffzelle verbraucht nur wenig Strom, sodass Sie viele Zellen zu einem Stapel zusammenfassen müssen, um den Prozess optimal nutzen zu können. Der Brennstoffzellenstapel im Hy-Draht besteht aus 200 einzelnen Zellen, die angeschlossen sind Serie, die gemeinsam bieten 94 Kilowatt Dauerleistung und 129 Kilowatt bei Spitzenleistung. Der kompakte Zellenstapel (ungefähr so groß wie ein PC-Turm) wird von einem herkömmlichen Kühlersystem kühl gehalten, das von den Brennstoffzellen selbst angetrieben wird.

Eine weitere Ansicht des Hy-Wire-Fotos mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Dieses System liefert je nach Last im Stromkreis eine Gleichspannung zwischen 125 und 200 Volt. Die Motorsteuerung erhöht diese auf 250 bis 380 Volt und wandelt sie in Wechselstrom um, um die Drehstrommotor das dreht die Räder (dies ähnelt dem System, das in herkömmlichen Elektroautos verwendet wird).

Die Aufgabe des Elektromotors besteht darin, ein Drehmoment auf die Vorderradachse aufzubringen, um die beiden Vorderräder durchzudrehen. Das Steuergerät variiert die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Erhöhen oder Verringern der auf den Motor ausgeübten Leistung. Wenn die Steuerung die maximale Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel aufbringt, dreht sich der Rotor des Motors mit 12.000 Umdrehungen pro Minute und liefert ein Drehmoment von 159 Pfund-Fuß. Ein einstufiges Planetengetriebe mit einem Verhältnis von 8,67: 1 erhöht das Drehmoment, um maximal 1.375 Pfund-Fuß auf jedes Rad aufzubringen. Das ist genug Drehmoment, um das 1.905 kg schwere Auto auf einer ebenen Straße mit einer Geschwindigkeit von 161 km / h zu bewegen. Kleinere Elektromotoren manövrieren die Räder, um das Auto zu lenken, und werden elektrisch gesteuert Bremssättel das Auto zum Stehen bringen.

Der gasförmige Wasserstoffbrennstoff, der zur Stromversorgung dieses Systems benötigt wird, wird in drei zylindrischen Tanks mit einem Gesamtgewicht von etwa 75 kg gespeichert. Die Panzer bestehen aus einem besonderen Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit der hohen strukturellen Festigkeit, die erforderlich ist, um Hochdruckwasserstoffgas zu enthalten. Die Tanks des aktuellen Modells fassen etwa 2 kg Wasserstoff bei etwa 350 bar pro 5.000 Zoll pro Quadratzoll. In zukünftigen Modellen hoffen die Hy-Wire-Ingenieure, die Druckschwelle auf 700 bar (10.000 Pfund pro Quadratzoll) zu erhöhen, was die Kraftstoffkapazität des Autos erhöhen würde, um die Reichweite zu erhöhen.

Letztendlich hofft GM, den Brennstoffzellenstapel, die Motoren und die Wasserstoffspeichertanks so klein zu machen, dass die Gehäusedicke von 15 cm auf 11 Zoll reduziert werden kann. Dieses kompaktere "Skateboard" würde noch mehr Flexibilität im Karosseriedesign ermöglichen.

Hy-Wire-Nummern

Höchstgeschwindigkeit: 161 km / h
Gewicht: 1.898 kg
Fahrgestelllänge: 4,3 Meter
Fahrgestellbreite: 1,67 m (5 Fuß, 5,7 Zoll)
Gehäusedicke: 28 cm
Räder: Leichtmetallräder mit acht Speichen.
Reifen: 51 cm vorne und 56 cm hinten
Brennstoffzellenleistung: 94 Kilowatt kontinuierlich, 129 Kilowatt Spitzenleistung
Brennstoffzellenstapelspannung: 125 bis 200 Volt
Motor: Dreiphasen-Asynchron-Elektromotor mit 250 bis 380 Volt
Aufprallschutz: Vordere und hintere "Quetschzonen" (oder "Crashboxen") zur Absorption von Aufprallenergie
Verwandte GM-Patente in Bearbeitung: 30
Am Design beteiligte GM-Teammitglieder: 500+

GMs Diagramm des AUTOnomy-Designs Mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Das "Gehirn" des Hy-Wire ist ein zentraler Computer in der Mitte des Gehäuses. Es sendet elektronische Signale an das Motorsteuergerät, um die Geschwindigkeit zu variieren, den Lenkmechanismus zum Manövrieren des Fahrzeugs und das Bremssystem zum Verlangsamen des Fahrzeugs.

Auf Chassis-Ebene steuert der Computer alle Aspekte des Fahrens und des Stromverbrauchs. Aber es nimmt seine Befehle von einer höheren Macht entgegen - nämlich vom Fahrer in der Karosserie. Der Computer ist über eine einzige Verbindung mit der Elektronik des Körpers verbunden universeller Docking-Port. Dieser zentrale Anschluss funktioniert genauso wie ein USB-Anschluss eines PCs: Er überträgt einen konstanten Strom elektronischer Befehlssignale von der Fahrzeugsteuerung an den zentralen Computer sowie Rückmeldesignale vom Computer an die Steuerung. Darüber hinaus liefert es die elektrische Energie, die für den Betrieb der gesamten Bordelektronik des Körpers erforderlich ist. Zehn physische Verknüpfungen Verriegeln Sie die Karosserie mit der Fahrgestellstruktur.

X-Antrieb des Hy-Wire Der X-Antrieb kann zu beiden Seiten des Fahrzeugs gleiten. Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Das Steuergerät des Fahrers, genannt X-Laufwerk, ist viel näher an a Videospiel Regler als eine herkömmliche Lenkrad- und Pedalanordnung. Der Controller verfügt über zwei ergonomische Griffe, die links und rechts von einem kleinen LCD-Monitor positioniert sind. Um das Auto zu lenken, gleiten Sie die Griffe leicht auf und ab - Sie müssen kein Rad weiter drehen, um sich zu drehen, Sie müssen nur den Griff in der Drehposition halten. Um zu beschleunigen, drehen Sie einen der beiden Griffe auf die gleiche Weise, wie Sie den Gashebel eines Motorrads drehen würden. und um zu bremsen, drückst du einen der Griffe.

Elektronische Bewegungssensoren, ähnlich wie bei High-End-Computer-Joysticks, wandeln diese Bewegung in ein digitales Signal um, das der Zentralcomputer erkennen kann. Mit den Tasten auf dem Controller können Sie problemlos vom Leerlauf zum Rückwärtsgang wechseln, und ein Starterknopf schaltet das Auto ein. Da absolut alles von Hand gesteuert wird, können Sie mit Ihren Füßen tun, was Sie wollen (stellen Sie sich vor, Sie stecken sie jeden Tag während der Fahrt zur und von der Arbeit in ein Massagegerät)..

Der 14,7-cm-Farbmonitor in der Mitte des Controllers zeigt alle Dinge an, die Sie normalerweise auf dem Armaturenbrett finden (Geschwindigkeit, Kilometerstand, Kraftstoffstand). Anstelle herkömmlicher Spiegel erhalten Sie auch Rückansichtsbilder von Videokameras an den Seiten und auf der Rückseite des Fahrzeugs. Ein zweiter Monitor auf einer Konsole neben dem Fahrer zeigt Informationen zu Stereoanlage, Klimatisierung und Navigation an.

Da es keinen Teil des Autos direkt antreibt, kann der X-Drive wirklich überall im Fahrgastraum eingesetzt werden. Beim aktuellen Hy-Wire-Limousinenmodell schwenkt der X-Drive auf einen der beiden vorderen Sitze, sodass Sie den Fahrer wechseln können, ohne aufzustehen. Es ist auch einfach, den X-Drive nach oben oder unten einzustellen, um den Fahrerkomfort zu verbessern, oder ihn vollständig aus dem Weg zu räumen, wenn Sie nicht fahren.

GM-Konzept der AUTOnomy mit und ohne Körper Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors

Eines der coolsten Dinge am Drive-by-Wire-System ist, dass Sie das Fahrzeughandling optimieren können, ohne die mechanischen Komponenten des Fahrzeugs zu verändern. Zum Einstellen der Lenk-, Gas- oder Bremsempfindlichkeit ist lediglich eine neue Computersoftware erforderlich. In zukünftigen Drive-by-Wire-Fahrzeugen können Sie die Steuerung höchstwahrscheinlich durch Drücken einiger Tasten genau nach Ihren Wünschen konfigurieren, so wie Sie heute die Sitzposition in einem Auto einstellen könnten. In dieser Art von System wäre es auch möglich, unterschiedliche Steuerpräferenzen für jeden Fahrer in der Familie zu speichern.

Das große Problem bei Drive-by-Wire-Fahrzeugen ist Sicherheit. Da keine physische Verbindung zwischen dem Fahrer und den mechanischen Elementen des Fahrzeugs besteht, würde ein elektrischer Ausfall einen vollständigen Kontrollverlust bedeuten. Um diese Art von System in der realen Welt funktionsfähig zu machen, benötigen Drive-by-Wire-Fahrzeuge Notstromversorgungen und redundante elektronische Verbindungen. Bei angemessenen Sicherheitsmaßnahmen wie diesen gibt es keinen Grund, warum Drive-by-Wire-Autos gefährlicher wären als herkömmliche Autos. Tatsächlich denken viele Designer, dass sie viel sicherer sind, da der Zentralcomputer die Treibereingabe überwachen kann. Ein weiteres Problem ist das Hinzufügen eines angemessenen Aufprallschutzes zum Auto.

Die andere große Hürde für diesen Autotyp ist das Herausfinden energieeffiziente Methoden zur Herstellung, zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff für die Brennstoffzellenstapel an Bord. Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann die tatsächliche Herstellung des Wasserstoffkraftstoffs ungefähr so viel Umweltverschmutzung verursachen wie die Verwendung von Benzinmotoren, und Speicher- und Verteilungssysteme haben noch einen langen Weg vor sich (weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise der Wasserstoffwirtschaft)..

Werden wir jemals die Chance bekommen, einen Hy-Draht zu kaufen? General Motors beabsichtigt, 2010 eine Serienversion des Autos herauszubringen, vorausgesetzt, es kann die wichtigsten Kraftstoff- und Sicherheitsprobleme lösen. Aber selbst wenn das Hy-Wire-Team dieses Ziel nicht erreicht, planen GM und andere Autohersteller definitiv, bald über das herkömmliche Auto hinaus auf eine computergestützte, umweltfreundliche Alternative umzusteigen. Höchstwahrscheinlich wird sich das Leben auf der Autobahn in den nächsten Jahrzehnten erheblich verändern.

Weitere Informationen über den Hy-Wire und andere aufkommende Automobiltechnologien finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

Wie GMs Hy-Wire funktioniert

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