Как работает Hy-wire от GM

Автомобили — чрезвычайно сложные механизмы, но когда вы за них беретесь, они выполняют невероятно простую работу. Большая часть сложных элементов автомобиля связана с поворотом колес, которые цепляются за дорогу и тянут за собой кузов автомобиля и пассажиров. Система рулевого управления наклоняет колеса из стороны в сторону, чтобы развернуть автомобиль, а системы торможения и ускорения контролируют скорость колес.

Учитывая, что общая функция автомобиля настолько проста (он просто должен обеспечивать вращательное движение колес), кажется немного странным, что почти все автомобили имеют один и тот же набор сложных устройств, набитых под капотом, и одинаковую общую массу механических частей. и гидравлические соединения, работающие повсюду. Зачем автомобилям обязательно нужна рулевая колонка, педали тормоза и газа, двигатель внутреннего сгорания , каталитический нейтрализатор и все остальное?

По мнению многих ведущих автомобильных инженеров, это не так; и более того, в ближайшее время их не будет . Скорее всего, через 20 лет многие из нас будут ездить на совершенно других автомобилях. И разница будет заключаться не только под капотом — владение автомобилем и вождение также значительно изменятся.

В этой статье мы рассмотрим одно интересное видение будущего, замечательный концепт-кар General Motor, Hy-wire . GM, возможно, никогда не продаст Hy-wire широкой публике, но это, безусловно, хорошая иллюстрация различных путей развития автомобилей в ближайшем будущем.

Содержание

1. Основы Hy-Wire
2. Водородная энергия Hy-Wire
3. Компьютерное управление Hy-Wire

Два основных элемента в значительной степени определяют дизайн автомобиля сегодня: двигатель внутреннего сгорания и механические и гидравлические связи .

Если вы когда-нибудь заглядывали под капот автомобиля, то знаете, что для правильной работы двигателя внутреннего сгорания требуется много дополнительного оборудования. Что бы еще они ни делали с автомобилем, дизайнерам всегда приходится освобождать место для этого оборудования.

То же самое касается механических и гидравлических связей. Основная идея этой системы заключается в том, что водитель управляет различными исполнительными механизмами автомобиля (колесами, тормозами и т. д .) более или менее напрямую, манипулируя органами управления движением, связанными с этими исполнительными механизмами валами, шестернями и гидравликой. В реечной системе рулевого управления , например, поворот рулевого колеса приводит во вращение вал, соединенный с шестерней, которая перемещает реечную шестерню, соединенную с передними колесами автомобиля. В дополнение к ограничению того, как построен автомобиль, концепция рычажного механизма также диктует, как мы ездим: рулевое колесо, педаль и система переключения передач были разработаны вокруг идеи рычажного механизма.

Определяющей характеристикой Hy-wire (и его концептуального предшественника, AUTOnomy) является то, что у него нет ни одной из этих двух вещей. Вместо двигателя у него есть блок топливных элементов , который приводит в действие электродвигатель, соединенный с колесами. Вместо механических и гидравлических связей у него есть система привода по проводам — компьютер фактически управляет компонентами, которые двигают колеса, активируют тормоза и так далее, основываясь на данных, поступающих от электронного контроллера. Это та же самая система управления, которая используется в современных истребителях , а также во многих коммерческих самолетах .

Фото предоставлено General Motors

Иллюстрация концепции крепления кузова AUTOnomy

Результатом этих двух замен стал совершенно другой тип автомобиля и совершенно другой опыт вождения. Нет ни руля, ни педалей, ни моторного отсека. На самом деле, каждая часть оборудования, которая фактически перемещает автомобиль по дороге, размещена в алюминиевом шасси толщиной 11 дюймов (28 см), также известном как скейтборд , в основании автомобиля. Все, что находится над шасси, предназначено исключительно для управления водителем и комфорта пассажиров.

Это означает, что водителю и пассажирам не нужно сидеть за массой техники. Вместо этого у Hy-wire огромное лобовое стекло, благодаря которому всем хорошо видно дорогу. Пол пассажирского салона из стекловолокна и стали может быть абсолютно ровным, и каждому сиденью достаточно места для ног. Сосредоточение основной части транспортного средства в нижней части автомобиля также повышает безопасность, поскольку снижает вероятность опрокидывания автомобиля.

Но самое классное в этом дизайне то, что он позволяет снять весь салон и заменить его другим. Если вы хотите переключиться с фургона на спортивный автомобиль, вам не нужна совершенно новая машина; вам просто нужен новый корпус (который намного дешевле).

Вы всегда можете переключиться обратно, когда вам снова понадобится фургон. Логистика переключения до сих пор неясна — если идея приживется, могут быть специальные станции переключения, где вы можете хранить свои разные кузова, или может быть способ для водителей самостоятельно менять кузова автомобилей в своем собственном гараже.

Следующий

Первоначально GM назвала свою рабочую концепцию автомобиля на топливных элементах с электроприводом AUTOnomy , чтобы подчеркнуть гибкость компьютерного управления и переключаемых кузовов автомобилей. Когда пришло время назвать настоящую управляемую версию, команда дизайнеров набрала группу детей в возрасте от шести до 15 лет, чтобы придумать интересные возможности. Сессии мозгового штурма, подпитываемые конфетами, привели к сотням имен, включая Wildcard , Moonshot , Jetson и Volt . В конечном итоге GM согласилась с предложением 14-летнего Алексея Дачишина, Hy-wire, потому что в нем хорошо обобщались концепции водородных топливных элементов и электропривода, лежащие в основе автомобиля.

В водородном топливном элементе катализатор расщепляет молекулы водорода в аноде на протоны и электроны. Протоны проходят через обменную мембрану к кислороду на стороне катода, а электроны проходят через провод между анодом и катодом. Со стороны катода водород и кислород объединяются, образуя воду. Многие элементы соединены последовательно для передачи значительного заряда по цепи.

«Hy» в Hy-wire означает водород , стандартное топливо для системы топливных элементов . Подобно батареям , топливные элементы имеют отрицательно заряженную клемму и положительно заряженную клемму, которые продвигают электрический заряд по цепи, подключенной к каждому концу. Они также похожи на батареи в том, что они генерируют электричество в результате химической реакции . Но в отличие от батареи, вы можете постоянно перезаряжать топливный элемент, добавляя химическое топливо — в данном случае водород из бортового резервуара для хранения и кислород из атмосферы.

Основная идея состоит в том, чтобы использовать катализатор для расщепления молекулы водорода (H2) на два протона H (H+, положительно заряженные одиночные атомы водорода ) и два электрона (e-). Кислород на катодной (положительно заряженной) стороне топливного элемента притягивает ионы H+ со стороны анода через протонообменную мембрану , но блокирует поток электронов. Электроны (имеющие отрицательный заряд) притягиваются к протонам (имеющим положительный заряд) на другой стороне мембраны, но чтобы попасть туда , им нужно пройти через электрическую цепь . Движущиеся электроны создают электрический ток, питающий различные нагрузки в цепи, например двигатели .и компьютерная система. На катодной стороне ячейки водород, кислород и свободные электроны объединяются, образуя воду (H2O), единственный эмиссионный продукт системы. (Дополнительную информацию см. в разделе «Как работают топливные элементы» .)

Один топливный элемент выдает совсем немного энергии, поэтому вам нужно объединить множество элементов в стек, чтобы извлечь из этого процесса больше пользы. Стек топливных элементов в Hy-wire состоит из 200 отдельных элементов, соединенных последовательно , которые в совокупности обеспечивают 94 киловатта непрерывной мощности и 129 киловатт пиковой мощности. Компактный стек ячеек (размером с компьютерную башню) охлаждается обычной системой радиаторов , питаемой от самих топливных элементов.

Эта система обеспечивает напряжение постоянного тока в диапазоне от 125 до 200 вольт, в зависимости от нагрузки в цепи. Контроллер двигателя повышает его до 250–380 вольт и преобразует в переменный ток для привода трехфазного электродвигателя , который вращает колеса (это похоже на систему, используемую в обычных электромобилях ).

Работа электродвигателя заключается в передаче крутящего момента на ось переднего колеса для вращения двух передних колес. Блок управления изменяет скорость автомобиля, увеличивая или уменьшая мощность, подаваемую на двигатель. Когда контроллер подает максимальную мощность от блока топливных элементов, ротор двигателя вращается со скоростью 12 000 оборотов в минуту, обеспечивая крутящий момент 159 фунт-футов. Одноступенчатый планетарный редуктор с передаточным числом 8,67:1 увеличивает крутящий момент, чтобы передать максимальное усилие в 1375 фунто-футов на каждое колесо. Этого крутящего момента достаточно, чтобы разогнать автомобиль весом 1905 кг до 100 миль в час (161 км/ч) по ровной дороге. Меньшие электродвигатели управляют колесами, чтобы управлять автомобилем, а тормозные суппорты с электрическим управлением останавливают автомобиль.

Газообразное водородное топливо , необходимое для питания этой системы, хранится в трех цилиндрических резервуарах общим весом около 165 фунтов (75 кг). Резервуары изготовлены из специального углеродного композитного материала с высокой конструкционной прочностью, необходимой для содержания газообразного водорода под высоким давлением. Резервуары текущей модели содержат около 4,5 фунтов (2 кг) водорода при давлении около 5000 фунтов на квадратный дюйм (350 бар). В будущих моделях инженеры Hy-wire надеются увеличить пороговое значение давления до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (700 бар), что увеличит запас топлива автомобиля и увеличит запас хода.

В конечном счете, GM надеется сделать топливные элементы, двигатели и баки для хранения водорода достаточно маленькими, чтобы уменьшить толщину шасси с 11 дюймов до 6 дюймов (15 см). Этот более компактный «скейтборд» позволил бы еще больше гибкости в конструкции кузова.

Хай-вайр номера

• Максимальная скорость: 100 миль в час (161 км/ч)
• Вес: 4185 фунтов (1898 кг)
• Длина шасси: 14 футов 3 дюйма (4,3 метра)
• Ширина шасси: 5 футов 5,7 дюйма (1,67 метра)
• Толщина корпуса: 11 дюймов (28 см)
• Колеса: восьмиспицевые, легкосплавные.
• Шины : 20 дюймов (51 см) спереди и 22 дюйма (56 см) сзади
• Мощность топливных элементов : 94 кВт непрерывная, 129 кВт пиковая.
• Напряжение батареи топливных элементов: от 125 до 200 вольт.
• Двигатель: трехфазный асинхронный электродвигатель напряжением от 250 до 380 вольт.
• Защита от столкновений: передние и задние «зоны сдавливания» (или «боксы») для поглощения энергии удара.
• Соответствующие патенты GM в стадии разработки: 30
• Члены команды GM, участвующие в разработке: 500+

«Мозг» Hy-wire — это центральный компьютер, расположенный в середине шасси. Он посылает электронные сигналы блоку управления двигателем для изменения скорости, рулевому механизму для маневрирования автомобилем и тормозной системе для замедления автомобиля.

На уровне шасси компьютер контролирует все аспекты вождения и использования энергии. Но он получает приказы от высшей силы, а именно от водителя в кузове автомобиля. Компьютер подключается к электронике тела через один универсальный стыковочный порт . Этот центральный порт работает так же, как порт USB на персональном компьютере: он передает постоянный поток электронных командных сигналов от контроллера автомобиля к центральному компьютеру, а также сигналы обратной связи от компьютера к контроллеру. Кроме того, он обеспечивает электроэнергию, необходимую для работы всей бортовой электроники тела. Десять физических связей прикрепляют корпус к конструкции шасси.

Блок управления водителя, получивший название X-drive , намного ближе к контроллеру видеоигры, чем обычное рулевое колесо и педали. Контроллер имеет две эргономичные ручки, расположенные слева и справа от небольшого ЖК- монитора. Чтобы управлять автомобилем, вы слегка скользите ручками вверх и вниз — вам не нужно постоянно вращать колесо, чтобы повернуть, вам просто нужно удерживать ручку в положении поворота. Чтобы ускориться, вы поворачиваете любую рукоятку точно так же, как вы поворачиваете дроссельную заслонку на мотоцикле ; и чтобы затормозить , вы сжимаете любую ручку.

Электронные датчики движения, подобные тем, что используются в современных компьютерных джойстиках , преобразуют это движение в цифровой сигнал, который может распознать центральный компьютер. Кнопки на контроллере позволяют легко переключаться с нейтральной передачи на движение вперед и назад, а кнопка стартера включает автомобиль. Поскольку абсолютно все управляется вручную, вы можете делать со своими ногами все, что хотите (представьте, что вы каждый день засовываете их в массажер по дороге на работу и с работы).

Цветной монитор с диагональю 5,8 дюйма (14,7 см) в центре контроллера отображает все, что вы обычно видите на приборной панели (скорость, пробег, уровень топлива). Он также дает вам изображения заднего вида с видеокамер по бокам и сзади автомобиля вместо обычных зеркал. Второй монитор на консоли рядом с водителем показывает стереосистему, климат-контроль и навигационную информацию.

Поскольку он не управляет какой-либо частью автомобиля напрямую, X-drive действительно может перемещаться в любом месте салона. В текущей модели седана Hy-wire X-drive поворачивается к любому из двух передних сидений, так что вы можете сменить водителя, даже не вставая. Также легко настроить X-drive вверх или вниз, чтобы повысить комфорт водителя, или полностью убрать его с дороги, когда вы не за рулем.

Одна из самых крутых вещей в системе электроуправления заключается в том, что вы можете точно настроить управление автомобилем, ничего не меняя в механических компонентах автомобиля — все, что нужно для настройки чувствительности рулевого управления, акселератора или тормоза, — это новое компьютерное программное обеспечение. В будущих автомобилях с электроприводом вы, скорее всего, сможете настроить элементы управления точно по своему вкусу, нажав несколько кнопок, точно так же, как сегодня вы можете отрегулировать положение сиденья в автомобиле. В системе такого типа также можно было бы хранить отдельные настройки управления для каждого водителя в семье.

Большой проблемой для автомобилей с электроприводом является безопасность . Поскольку между водителем и механическими элементами автомобиля нет физической связи, отказ электрооборудования будет означать полную потерю контроля. Чтобы сделать такую ​​систему жизнеспособной в реальном мире, автомобилям с электроприводом потребуются резервные источники питания и избыточные электронные связи. С такими адекватными мерами безопасности нет никаких причин, по которым автомобили с электроприводом могут быть более опасными, чем обычные автомобили. На самом деле, многие дизайнеры думают, что они будут намного безопаснее, потому что центральный компьютер сможет контролировать действия водителя. Другая проблема заключается в добавлении к автомобилю адекватной защиты от столкновений .

Другим серьезным препятствием для этого типа автомобилей является поиск энергоэффективных методов производства, транспортировки и хранения водорода для бортовых батарей топливных элементов . При нынешнем уровне технологий фактическое производство водородного топлива может привести к такому же загрязнению окружающей среды, как и использование бензиновых двигателей, а системам хранения и распределения еще предстоит пройти долгий путь (дополнительную информацию см. в разделе «Как работает водородная экономика » ).

Так будет ли у нас когда-нибудь возможность купить Hy-wire? General Motors заявляет, что полностью намерена выпустить серийную версию автомобиля в 2010 году, предполагая, что она сможет решить основные проблемы с топливом и безопасностью. Но даже если команда Hy-wire не достигнет этой цели, GM и другие автопроизводители определенно планируют в ближайшее время выйти за рамки обычного автомобиля и перейти к компьютеризированной, экологически чистой альтернативе. По всей вероятности, жизнь на шоссе претерпит некоторые серьезные изменения в течение следующих нескольких десятилетий.

Для получения дополнительной информации о Hy-wire и других новых автомобильных технологиях перейдите по ссылкам на следующей странице.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок