GMのハイワイヤーのしくみ

車は非常に複雑な機械ですが、それに取り掛かると、信じられないほど単純な仕事をします。車の中で複雑なもののほとんどは道路がしたグリップ、ホイールを回すことに専用されているプルに沿って車体と乗客を。ステアリングシステムは、車を回す側に車輪側を傾け、そしてブレーキと加速システムは、車輪の速度を制御します。

車の全体的な機能が非常に基本的であることを考えると（ホイールに回転運動を提供する必要があるだけです）、ほとんどすべての車がボンネットの下に詰め込まれた複雑なデバイスの同じコレクションと同じ一般的な機械の質量を持っているのは少し奇妙に思えますと油圧リンケージが全体に実行されます。なぜ車は必然的にステアリングコラム、ブレーキと加速ペダル、燃焼エンジン、触媒コンバーターとそれの残りを必要とするのですか？

多くの主要な自動車エンジニアによると、そうではありません。さらに重要なことに、近い将来、彼らはそうしません。おそらく、私たちの多くは20年以内に根本的に異なる車を運転するでしょう。そして、違いは内部だけではありません-車の所有と運転も大幅に変わります。

この記事では、将来の興味深いビジョンの1つである、ゼネラルモーターズの注目に値するコンセプトカーであるHy-wireについて説明します。GMが実際にHy-wireを一般に販売することは決してないかもしれませんが、それは確かに、近い将来に自動車が進化する可能性のあるさまざまな方法の良い例です。

コンテンツ

1. ハイワイヤーの基本
2. Hy-Wireの水素パワー
3. Hy-Wireコンピューター制御

今日の自動車の設計は、内燃エンジンと機械的および油圧リンケージという2つの基本的な要素によって大きく左右されます。

車のボンネットの下を見たことがあれば、内燃エンジンが正しく機能するために多くの追加機器が必要であることをご存知でしょう。車で他に何をするにしても、設計者は常にこの機器のためのスペースを確保する必要があります。

同じことが機械的および油圧リンケージにも当てはまります。このシステムの基本的な考え方は、ドライバーがシャフト、ギア、油圧でアクチュエーターに接続された駆動制御を操作することにより、車内のさまざまなアクチュエーター（ホイール、ブレーキなど）を多かれ少なかれ直接操作することです。ラックアンドピニオンステアリングシステム、例えば、ステアリングホイールを回すと、車の前輪に接続されたラックギアを移動させるピニオンギアに接続されたシャフトを回転させます。車の製造方法を制限することに加えて、リンケージの概念は私たちが運転する方法も決定します。ステアリングホイール、ペダル、ギアシフトシステムはすべてリンケージのアイデアに基づいて設計されました。

Hy-wire（およびその概念的な前身であるAUTOnomy）の明確な特徴は、これら2つのことのどちらも持たないことです。エンジンの代わりに、車輪に接続された電気モーターに電力を供給する燃料電池スタックがあります。機械的および油圧リンケージの代わりに、ドライブバイワイヤーシステムがあります。コンピューターは、電子コントローラーからの入力に基づいて、ホイールを動かしたり、ブレーキを作動させたりするコンポーネントを実際に操作します。これは、現代の戦闘機や多くの民間航空機で採用されているのと同じ制御システムです。

写真提供：ゼネラルモーターズ

オートノミーのボディアタッチメントコンセプトのイラスト

これらの2つの代替の結果は、非常に異なるタイプの車であり、非常に異なる運転体験です。ハンドルもペダルもエンジンコンパートメントもありません。実際、実際に車を道路に沿って移動させるすべての機器は、車のベースにある厚さ11インチ（28 cm）のアルミニウムシャーシ（スケートボードとも呼ばれます）に収納されています。シャーシの上のすべては、ドライバーの制御と乗客の快適さのためだけに捧げられています。

これは、運転手と乗客が大量の機械の後ろに座る必要がないことを意味します。代わりに、Hy-wireには巨大なフロントガラスがあり、誰もが道路をはっきりと見ることができます。ガラス繊維とスチールの客室の床は完全に平らにすることができ、すべての座席に十分な足元スペースを与えるのは簡単です。車両の大部分を車の下部に集中させると、車が転倒しにくくなるため、安全性も向上します。

しかし、このデザインの最もクールな点は、客室全体を取り外して別のコンパートメントと交換できることです。バンからスポーツカーに乗り換えたい場合は、まったく新しい車は必要ありません。新しいボディが必要です（これははるかに安価です）。

再びバンが必要になったときはいつでも元に戻すことができます。切り替えのロジスティクスはまだ不明です。アイデアが定着した場合は、さまざまな車体を保持できる特別な切り替えステーションがあるか、ドライバーが自分のガレージで車体を切り替える方法がある可能性があります。

次に

GMは当初、ドライブバイワイヤ燃料電池車の実用コンセプトをAUTOnomyと名付け、コンピューター制御と切り替え可能な車体の柔軟性を強調しました。実際の運転可能なバージョンに名前を付けるときが来たとき、設計チームは興味深い可能性を考え出すために、6歳から15歳までの子供たちのグループを募集しました。キャンディを燃料とするブレーンストーミングセッションでは、Wildcard、Moonshot、Jetson、Voltなどの何百もの名前が生まれました。GMは、最終的に14歳のAleksei Dachyshynの提案であるHy-wireを採用しました。これは、水素燃料電池とドライブバイワイヤの概念を車両のコアにうまくまとめたためです。

水素燃料電池では、触媒がアノードの水素分子をプロトンと電子に分解します。プロトンは交換膜を通ってカソード側の酸素に向かって移動し、電子はアノードとカソードの間のワイヤーを通って進みます。カソード側では、水素と酸素が結合して水を形成します。多くのセルが直列に接続されて、回路内でかなりの電荷を移動させます。

Hy-wireの「Hy」は、燃料電池システムの標準燃料である水素を表します。バッテリーと同様に、燃料電池には負に帯電した端子と正に帯電した端子があり、両端に接続された回路を介して電荷を推進します。それらはまた、化学反応から電気を生成するという点でバッテリーに似ています。ただし、バッテリーとは異なり、化学燃料（この場合は、搭載されている貯蔵タンクからの水素と大気からの酸素）を追加することで、燃料電池を継続的に再充電できます。

基本的な考え方は、触媒を使用して水素分子（H2）を2つのHプロトン（H +、正に帯電した単一の水素原子）と2つの電子（e-）に分割することです。燃料電池のカソード（正に帯電した）側の酸素は、アノード側からプロトン交換膜を介してH +イオンを引き込みますが、電子の流れを遮断します。電子（負の電荷を持つ）は、膜の反対側にあるプロトン（正の電荷を持つ）に引き付けられますが、そこに到達するには電気回路を通って移動する必要があります。移動する電子は、モーターなどの回路内のさまざまな負荷に電力を供給する電流を構成しますとコンピュータシステム。セルのカソード側では、水素、酸素、および自由電子が結合して、システムの唯一の放出生成物である水（H2O）を形成します。（詳細については、燃料電池のしくみを参照してください。）

1つの燃料電池はほんの少しの電力しか出力しないため、プロセスを最大限に活用するには、多くのセルを1つのスタックに組み合わせる必要があります。ハイ・ワイヤーの燃料電池スタックは、接続200個の個々の細胞から構成されている一連の総称提供、94キロワットの連続パワーのピークパワーで129キロワットを。コンパクトなセルスタック（PCタワーとほぼ同じサイズ）は、燃料電池自体を動力源とする従来のラジエーターシステムによって冷却されます。

このシステムは、回路の負荷に応じて、125〜200ボルトの範囲のDC電圧を供給します。モータコントローラブースト駆動する250 380ボルト交流電流に変換し、それをこのアップ三相電動機ホイール（これは、従来のに使用されるシステムに類似している回転電気自動車）。

電気モーターの仕事は、前輪の車軸にトルクを加えて2つの前輪を回転させることです。コントロールユニットは、モーターにかかる電力を増減することにより、車の速度を変化させます。コントローラが燃料電池スタックから最大電力を適用すると、モーターのローターは毎分12,000回転で回転し、159ポンドフィートのトルクを提供します。8.67：1の比率の単段遊星歯車は、トルクをステップアップして、各ホイールに最大1,375ポンドフィートを適用します。これは、4,200ポンド（1,905 kg）の車を時速100マイル（161 kph）の平坦な道路で移動させるのに十分なトルクです。小型の電気モーターが車輪を操作して車を操縦し、電気制御のブレーキキャリパーが車を停止させます。

このシステムに電力を供給するために必要なガス状水素燃料は、合計約165ポンド（75キログラム）の重さの3つの円筒形タンクに貯蔵されます。タンクは、高圧水素ガスを収容するために必要な高い構造強度を備えた特殊な炭素複合材料で作られています。現在のモデルのタンクは、1平方インチあたり約5,000ポンド（350バール）で約4.5ポンド（2 kg）の水素を保持します。将来のモデルでは、Hy-wireのエンジニアは、圧力しきい値を10,000ポンド/平方インチ（700バール）に上げることを望んでいます。これにより、車の燃料容量が増加し、ゴルフ練習場が拡張されます。

最終的に、GMは、燃料電池スタック、モーター、および水素貯蔵タンクを、シャーシの厚さを11インチから6インチ（15 cm）に減らすことができるように十分に小さくすることを望んでいます。このよりコンパクトな「スケートボード」は、ボディデザインの柔軟性をさらに高めます。

ハイワイヤー番号

• 最高速度：時速100マイル（161 kph）
• 重量：4,185ポンド（1,898 kg）
• シャーシの長さ：14フィート、3インチ（4.3メートル）
• シャーシの幅：5フィート、5.7インチ（1.67メートル）
• シャーシの厚さ：11インチ（28 cm）
• ホイール：8本スポークの軽合金ホイール。
• タイヤ：フロント20インチ（51cm）、バック22インチ（56cm）
• 燃料電池の出力：連続94キロワット、ピーク129キロワット
• 燃料電池スタック電圧：125〜200ボルト
• モーター：250〜380ボルトの三相非同期電気モーター
• クラッシュプロテクション：衝撃エネルギーを吸収するためのフロントとリアの「クラッシュゾーン」（または「クラッシュボックス」）
• 進行中の関連GM特許：30
• 設計に携わるGMチームメンバー：500人以上

Hy-wireの「頭脳」は、シャーシの中央に収容された中央コンピュータです。モーターコントロールユニットに電子信号を送信して速度を変化させ、ステアリングメカニズムで車を操縦し、ブレーキシステムで車の速度を落とします。

シャーシレベルでは、コンピューターが運転と電力使用のすべての側面を制御します。しかし、それはより高いパワー、つまり車体のドライバーからの注文を受けます。コンピュータは、単一のユニバーサルドッキングポートを介して身体の電子機器に接続します。この中央ポートは、パーソナルコンピュータのUSBポートと同じ基本的な方法で機能します。つまり、車のコントローラから中央コンピュータに電子コマンド信号の一定のストリームを送信し、コンピュータからコントローラにフィードバック信号を送信します。さらに、それは体のすべての車載電子機器を操作するために必要な電力を提供します。10個の物理的なリンケージがボディをシャーシ構造にロックします。

Xドライブと呼ばれるドライバーのコントロールユニットは、従来のステアリングホイールとペダルの配置よりもビデオゲーム コントローラーに非常に近いです。コントローラーには人間工学に基づいた2つのグリップがあり、小さなLCDモニターの左右に配置されています。車を操縦するには、グリップを軽く上下に滑らせます。回転するためにホイールを回転させ続ける必要はなく、グリップを回転位置に保持するだけです。加速するには、オートバイのスロットルを回すのと同じように、どちらかのグリップを回します。とにブレーキ、あなたはどちらかのグリップを絞ります。

電子モーションセンサーは、ハイエンドのコンピュータージョイスティックにあるものと同様に、このモーションを中央コンピューターが認識できるデジタル信号に変換します。コントローラーのボタンを使用すると、ニュートラルからドライブ、リバースに簡単に切り替えることができ、スターターボタンで車の電源がオンになります。絶対にすべてが手で制御されるので、あなたはあなたの足であなたがやりたいことを何でもすることができます（毎日仕事に出入りするドライブの間にマッサージャーにそれらを貼り付けることを想像してください）。

コントローラーの中央にある5.8インチ（14.7 cm）のカラーモニターには、ダッシュボードに通常見られるすべてのもの（速度、走行距離、燃料レベル）が表示されます。また、従来のミラーの代わりに、車の側面と背面にあるビデオカメラからのバックミラー画像を提供します。ドライバーの横にあるコンソールの2番目のモニターには、ステレオ、空調、ナビゲーションの情報が表示されます。

Xドライブは車のどの部分も直接駆動しないため、車室内のどこにでも移動できます。現在のハイワイヤーセダンモデルでは、Xドライブが前の2つのシートのいずれかに回転するため、起き上がることなくドライバーを切り替えることができます。Xドライブを上下に調整してドライバーの快適性を向上させたり、運転していないときに完全に邪魔にならないように移動したりすることも簡単です。

ドライブバイワイヤシステムの最も優れた点の1つは、車の機械部品を何も変更せずに車両のハンドリングを微調整できることです。ステアリング、アクセル、ブレーキの感度を調整するために必要なのは、新しいコンピューターソフトウェアだけです。将来のドライブバイワイヤ車両では、今日の車の座席位置を調整するのと同じように、いくつかのボタンを押すだけで、コントロールを好みに合わせて正確に構成できる可能性があります。この種のシステムでは、ファミリ内の各ドライバの個別の制御設定を保存することも可能です。

ドライブバイワイヤ車両の大きな懸念は安全性です。ドライバーと車の機械的要素の間には物理的な接続がないため、電気的な故障は完全に制御を失うことを意味します。この種のシステムを現実の世界で実行可能にするために、ドライブバイワイヤ車はバックアップ電源と冗長電子リンケージを必要とします。このような適切な安全対策があれば、ドライブバイワイヤ車が従来の車よりも危険になる理由はありません。実際、多くの設計者は、中央コンピューターがドライバー入力を監視できるため、はるかに安全であると考えています。もう1つの問題は、車に適切な衝突保護を追加することです。

このタイプの自動車のもう1つの大きなハードルは、搭載されている燃料電池スタック用の水素を生成、輸送、および貯蔵するためのエネルギー効率の高い方法を見つけることです。現在の技術では、実際に水素燃料を製造すると、ガソリンエンジンを使用する場合とほぼ同じくらいの汚染が発生する可能性があり、貯蔵および流通システムにはまだ長い道のりがあります（詳細については、水素経済の仕組みを参照してください）。

では、Hy-wireを購入する機会はありますか？ゼネラルモーターズは、主要な燃料と安全性の問題を解決できると仮定して、2010年に自動車の生産バージョンを完全にリリースする予定であると述べています。しかし、Hy-wireチームがこの目標を達成しなかったとしても、GMや他の自動車メーカーは、コンピュータ化された環境に優しい代替車に向けて、近いうちに従来の自動車を超えることを確実に計画しています。おそらく、高速道路での生活は、今後数十年以内にいくつかの大きな変化が見られるでしょう。

Hy-wireおよびその他の新しい自動車技術の詳細については、次のページのリンクを確認してください。

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