En ny 42-volts standard

För nio år sedan ropade ingenjörer på Daimler-Benz i Tyskland om hjälp. De insåg att lyxiga detaljer på bilarna de designade så småningom skulle sluka mer kraft än vad befintliga 14-volts elektriska system kunde hantera. Så de samlade forskare från MIT för att diskutera problemet och ge dem råd om att välja ett kraftfullare system och, ännu viktigare, för att övertyga andra biltillverkare att anta det.

Samtalen gav resultat. 1995 enades industrin - med hjälp av MIT:s laboratorium för elektromagnetiska och elektroniska system - om en ny standard på 42 volt. Branschledare insåg också att det var vettigt att skapa ett formellt konsortium, med huvudkontor på MIT, för att hjälpa till att implementera standarden. Idag bidrar cirka 52 företag - biltillverkare och stora leverantörer - var och en med 50 000 USD årligen till labbet till stöd för MIT/Industry Consortium on Advanced Automotive Electrical/Electronic Components and Systems, baserat i laboratoriet för elektromagnetiska och elektroniska system.

Vi är den viktigaste platsen där den internationella bilindustrin kan mötas i ett neutralt forum för att ta itu med frågor av gemensamt intresse och lösa dem, säger labbchefen John Kassakian '65, SM '67, EE '67, ScD '73.

Naturligtvis handlar det internationella intresset inte bara om att bygga lyxiga beslag. Högre spänning kommer också att leda till högre bränsleeffektivitet.

Mindre än 30 procent av energin i bensin får faktiskt bilar att röra sig; resten är spillvärme som bränts av under tomgång och slösas bort av ineffektiva komponenter. Ett kraftfullare elektriskt system skulle kunna tillåta effektiva elektroniska komponenter att ersätta de jämförelsevis ineffektiva system som finns idag, som drivs av remmar kopplade till motorn. Och om bilar hade startmotorer som är tillräckligt kraftfulla för att ge omedelbar start vid tapp på gaspedalen, då kunde de stängas av vid de flesta trafikljus, vilket eliminerar slösaktig tomgångskörning. Individuellt kan vissa av dessa elektroniska komponenter stödjas av befintliga 14-voltssystem. Tillsammans kommer de dock att kräva 42 volt.

Dessa mer kraftfulla system kommer att ta ett decennium att nå utställningslokaler i valfritt antal. Men de stora bilföretagen gör tidiga drag. Toyota Motor har redan börjat sälja (endast i Japan) en 42-volts lyxsedan. Och General Motors planerar att avslöja sitt första generationens 42-voltssystem i en hybrid gas-elektrisk pickup 2004.

Biltillverkarna delar några gemensamma farhågor om dessa 42-voltssystem - och det är där MIT kommer in. Biltillverkarna måste förhindra destruktiva kortslutningar, hitta sätt att smälta gamla och nya system och kanske till och med skapa helt nya strömkällor bortom den välbekanta generatorn - och -batterikombination. För dessa ändamål vänder sig fordonskonkurrenter från Tokyo till Stuttgart till Dearborn till forskarna i ett rörigt fält av källarlaboratorier i byggnad 10.

Från vardagligt till visionärt

Bara nere i en dunkel korridor från klockorna som slogs av MIT:s frihetsberövande besättningar, gör labbens forskare saker som att obducera det elektriska systemet hos en skelett Mercury Sable. Vi driver en rad program, från det vardagliga och praktiska till det visionära, säger Thomas Keim, SM ’70, ScD ’73, konsortiets direktör. Keim är också chefsingenjör vid elektromagnetiska och elektroniska systemlabbet, som omfattar nio fakulteter från elektroteknik och datavetenskap, sex forskare och ett 50-tal studenter på grund- och forskarnivå.

För det första, säger Keim, måste elektriska bilsystem vara säkra och pålitliga. Ta ljusbågselektricitetens tendens att göra blixtliknande språng genom luften. En enda båge - från t.ex. en sliten tråd - kan förstöra en tidigare bra del, eller till och med orsaka brand.

Och ljusbågsbildning i ett 42-voltssystem är en mycket allvarligare sak än i ett 14-voltssystem. Hur mycket allvarligare bekräftades förra året när den tidigare forskningsassistenten Alan Wu verifierade att ljusbågsenergin är 50 till 100 gånger högre i 42-voltssystem. Detta fynd hjälpte bildelsföretag över hela världen att börja designa nya delar för att undertrycka sådana bågar. Nu undersöker labbet bättre sätt att upptäcka dem.

Sedan finns det praktiska bekymmer. Gruppen arbetar med att kartlägga hur en bil kan hysa både ett 42-voltssystem och ett 14-voltssystem. Det beror på att biltillverkare inte kommer att ersätta hela det elektriska systemet på en gång; det gamla systemet kommer fortfarande att driva vindrutetorkarna, radion och strålkastarna, medan det nya systemet med högre spänning kommer att tända de elektrifierade bromsarna eller motorventilerna. I kompatibilitetens intresse demonterade David Perreault, SM '91, PhD '97, en växelströmsgenerator och kom på hur man använder den för att försörja ett 42-voltssystem genom att rigga den med nya växlingskontroller.

Men det är bara en stoppåtgärd. Så småningom kommer bilar att behöva se bortom generatorn för en krafthöjning, för om en bils motor stängs av vid ett trafikljus är generatorn värdelös. Och det lämnar komponenter - särskilt frossiga luftkonditioneringsapparater - utan strömkälla.

En lösning är att skapa ett litet kraftverk ombord. En grupp i labbet designar en enhet som skulle låna tricks från solceller, som producerar elektrisk kraft från solljus, för att generera elektricitet under huven. Inuti den föreslagna enheten skulle ljus från en starkt glödande keramisk emitter uppvärmd av en bensinflamma fungera som solljus, medan en halvledare som galliumantimonid skulle omvandla fotonernas energi till elektricitet.

En sådan anordning skulle bara vara cirka 15 procent effektiv - vilket kan tyckas lågt men i själva verket är en avsevärd förbättring jämfört med nio procent effektivitet hos en konventionell generator. Dessutom kan spillvärme hjälpa till att driva en så kallad absorptionsluftkonditionering, som använder en värmeväxlare istället för en kompressor. I slutändan skulle detta vara den enda elkällan på fordonet, säger Keim, som medger att projektet är där ute mot det visionära slutet. Icke desto mindre är labbet i samtal med en icke namngiven industriell partner för att utveckla en prototyp.

Det här har krävt mycket analys i förväg eftersom det är så revolutionerande, säger Kassakian. De flesta tror att bränsleceller kommer att ge denna hjälpkraft, men denna inbyggda generator är mycket mer nära sikt än bränsleceller. Enheten skulle kunna utvecklas på fem år, säger han, medan bränsleceller som använder bensin är längre bort.

Arbetet med både det vardagliga och det visionära gör konsortiet värdefullt för industrin, säger John Miller, en elektroingenjör och medledare för styrning av hybridteknologi vid Ford Motors forskningslaboratorier i Dearborn, MI. Det finns ett högt värde i konsortiet, för nu går vi in ​​på muttrarna och bultar i implementeringen, säger han. De hjälper till att hantera problem som fortfarande är oroande för det breda fordonssamhället, som säkringar, reläer och brytare för 42 volt.

Faktum är att, säger Miller, Ford planerar att rulla ut en hybrid sport-nyttofordon, 2004 Escape, med en omedelbar startmotor. Även om denna förändring kommer att göras inom 14-voltssystemet, säger Miller att den begynnande ansträngningen drar nytta av pysslet i källaren i byggnad 10.

Dölj