Comment fonctionne GMs Hy-wire

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Le modèle de berline de GM Hy-wire. Voir plus de photos de véhicules à carburant alternatif. Photo gracieuseté de General Motors

Les voitures sont des machines extrêmement compliquées, mais quand on y passe, elles font un travail incroyablement simple. La plupart des choses complexes dans une voiture sont consacrées aux roues tournantes, qui adhèrent à la route pour tirer la carrosserie et les passagers le long. Le système de direction incline les roues d'un côté à l'autre pour faire tourner la voiture, et les systèmes de freinage et d'accélération contrôlent la vitesse des roues.

Étant donné que la fonction globale d'une voiture est si basique (il suffit de fournir un mouvement de rotation aux roues), il semble un peu étrange que presque toutes les voitures aient la même collection d'appareils complexes entassés sous le capot et la même masse générale de mécanique et des liaisons hydrauliques fonctionnant partout. Pourquoi les voitures ont-elles nécessairement besoin d'une colonne de direction, de pédales de frein et d'accélération, d'un moteur à combustion, d'un convertisseur catalytique et du reste??

Selon de nombreux ingénieurs automobiles renommés, ce n'est pas le cas; et plus précisément, dans un proche avenir, ils habitude. Très probablement, beaucoup d'entre nous conduiront des voitures radicalement différentes d'ici 20 ans. Et la différence ne se fera pas que sous le capot - posséder et conduire des voitures changera également considérablement.

Dans cet article, nous examinerons une vision intéressante de l'avenir, le remarquable concept-car de General Motor, le Hy-fil. GM ne vendra peut-être jamais le Hy-wire au public, mais c'est certainement une bonne illustration des différentes façons dont les voitures pourraient évoluer dans un proche avenir..

Contenu
  1. Principes de base de Hy-wire
  2. La puissance hydrogène de Hy-Wire
  3. Contrôle informatique Hy-Wire
Le concept-car AUTOnomy original La mise à jour de l'AUTOnomy, le Hy-wire Photo courtoisie General Motors Photo courtoisie General Motors Le concept-car AUTOnomy original La mise à jour de l'AUTOnomy, le Hy-wire Photo courtoisie General Motors Photo courtoisie General Motors

Deux éléments de base dictent largement la conception de la voiture aujourd'hui: le Moteur à combustion interne et liaisons mécaniques et hydrauliques.

Si vous avez déjà regardé sous le capot d'une voiture, vous savez qu'un moteur à combustion interne nécessite beaucoup d'équipements supplémentaires pour fonctionner correctement. Peu importe ce qu'ils font d'autre avec une voiture, les concepteurs doivent toujours faire de la place pour cet équipement.

Il en va de même pour les liaisons mécaniques et hydrauliques. L'idée de base de ce système est que le conducteur manoeuvre plus ou moins directement les différents actionneurs de la voiture (les roues, les freins, etc.), en manipulant des commandes de conduite reliées à ces actionneurs par des arbres, des engrenages et des circuits hydrauliques. Dans un système de direction à crémaillère, par exemple, la rotation du volant fait tourner un arbre relié à un pignon, qui déplace un engrenage à crémaillère connecté aux roues avant de la voiture. En plus de restreindre la construction de la voiture, le concept de liaison dicte également la façon dont nous conduisons: le volant, la pédale et le système de changement de vitesse ont tous été conçus autour de l'idée de liaison.

Le Hy-wire a des roues, des sièges et des fenêtres comme une voiture conventionnelle, mais la similitude s'arrête à peu près là. Il n'y a pas de moteur sous le capot et pas de volant ou de pédales à l'intérieur. Photo gracieuseté de General Motors

La caractéristique déterminante du Hy-wire (et de son prédécesseur conceptuel, l'AUTOnomy) est qu'il n'a aucune de ces deux choses. Au lieu d'un moteur, il dispose d'une pile à combustible, qui alimente un moteur électrique connecté aux roues. Au lieu de liaisons mécaniques et hydrauliques, il a un conduit par cable système - un ordinateur actionne en fait les composants qui déplacent les roues, activent les freins, etc., sur la base d'une entrée d'un contrôleur électronique. Il s'agit du même système de contrôle utilisé dans les avions de combat modernes ainsi que dans de nombreux avions commerciaux.

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Photo gracieuseté de General Motors

Illustration du concept d'attachement corporel d'AUTOnomy

Le résultat de ces deux substitutions est un type de voiture très différent - et une expérience de conduite très différente. Il n'y a pas de volant, il n'y a pas de pédales et il n'y a pas de compartiment moteur. En fait, chaque équipement qui déplace réellement la voiture le long de la route est logé dans un châssis en aluminium de 11 pouces (28 cm) d'épaisseur - également connu sous le nom de planche à roulette -- à la base de la voiture. Tout ce qui se trouve au-dessus du châssis est dédié uniquement au contrôle du conducteur et au confort des passagers.

Cela signifie que le conducteur et les passagers n'ont pas à s'asseoir derrière une masse de machines. Au lieu de cela, le Hy-wire a un énorme pare-brise avant, qui donne à tout le monde une vue dégagée sur la route. Le plancher de l'habitacle en fibre de verre et acier peut être totalement plat et il est facile de donner à chaque siège beaucoup d'espace pour les jambes. La concentration de la majeure partie du véhicule dans la partie inférieure de la voiture améliore également la sécurité, car elle rend la voiture beaucoup moins susceptible de basculer.

Mais le plus cool de cette conception est qu'elle vous permet de retirer tout l'habitacle et de le remplacer par un autre. Si vous souhaitez passer d'une camionnette à une voiture de sport, vous n'avez pas besoin d'une voiture entièrement nouvelle; vous avez juste besoin d'un nouveau corps (ce qui est beaucoup moins cher).

Vous pouvez toujours revenir en arrière lorsque vous avez à nouveau besoin de la camionnette. La logistique de la commutation n'est toujours pas claire - si l'idée se concrétise, il pourrait y avoir des postes de commutation spéciaux où vous pouvez conserver vos différentes carrosseries, ou il pourrait y avoir un moyen pour les conducteurs de changer les carrosseries eux-mêmes dans leur propre garage.

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GM a initialement baptisé son concept de travail pour une voiture à pile à combustible drive-by-wire le Autonomie, pour souligner la flexibilité de la commande informatique et des carrosseries commutables. Quand est venu le temps de nommer la version à conduire, l'équipe de conception a recruté un groupe d'enfants, allant de six à 15 ans, pour proposer des possibilités intéressantes. Des sessions de brainstorming alimentées par des bonbons ont donné des centaines de noms, dont Caractère générique, Moonshot, Jetson et Volt. GM a finalement opté pour la suggestion d'Aleksei Dachyshyn, 14 ans, Hy-wire, car elle résumait bien les concepts de pile à combustible à hydrogène et de drive-by-wire au cœur du véhicule..

Les réservoirs d'hydrogène et la pile à combustible dans le Hy-wire Photo courtoisie de General Motors

Dans une pile à hydrogène, un catalyseur brise les molécules d'hydrogène de l'anode en protons et en électrons. Les protons se déplacent à travers la membrane d'échange, vers l'oxygène côté cathode, et les électrons se frayent un chemin à travers un fil entre l'anode et la cathode. Du côté de la cathode, l'hydrogène et l'oxygène se combinent pour former de l'eau. De nombreuses cellules sont connectées en série pour déplacer une charge substantielle à travers un circuit.

Le «Hy» dans Hy-wire signifie hydrogène, le carburant standard pour un système de pile à combustible. Comme les batteries, les piles à combustible ont une borne chargée négativement et une borne chargée positivement qui propulsent la charge électrique à travers un circuit connecté à chaque extrémité. Ils sont également similaires aux batteries en ce sens qu'ils produisent de l'électricité à partir d'un réaction chimique. Mais contrairement à une batterie, vous pouvez recharger en continu une pile à combustible en ajoutant du carburant chimique - dans ce cas, l'hydrogène d'un réservoir de stockage embarqué et l'oxygène de l'atmosphère.

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L'idée de base est d'utiliser un catalyseur pour scinder une molécule d'hydrogène (H2) en deux protons H (H +, atomes d'hydrogène uniques chargés positivement) et deux électrons (e-). Oxygène sur le cathode (chargé positivement) de la pile à combustible attire les ions H + du côté anode à travers un membrane échangeuse de protons, mais bloque le flux d'électrons. Les électrons (qui ont une charge négative) sont attirés par les protons (qui ont une charge positive) de l'autre côté de la membrane, mais ils doivent se déplacer à travers le circuit électrique pour y arriver. Les électrons en mouvement constituent le courant électrique qui alimente les différentes charges du circuit, telles que les moteurs et le système informatique. Du côté cathode de la cellule, l'hydrogène, l'oxygène et les électrons libres se combinent pour former de l'eau (H2O), le seul produit d'émission du système. (Voir Fonctionnement des piles à combustible pour plus d'informations.)

Une pile à combustible ne produit qu'un peu d'énergie, vous devez donc combiner plusieurs cellules en une pile pour tirer le meilleur parti du processus. La pile à combustible dans le Hy-wire est composée de 200 cellules individuelles connectées en séries, qui fournissent collectivement 94 kilowatts de puissance continue et 129 kilowatts à puissance de crête. La pile compacte de cellules (environ la taille d'une tour PC) est maintenue au frais par un système de radiateur conventionnel alimenté par les piles à combustible elles-mêmes.

Une autre vue du Hy-wire Photo gracieuseté de General Motors

Ce système délivre une tension continue allant de 125 à 200 volts, en fonction de la charge dans le circuit. Le contrôleur de moteur augmente ce jusqu'à 250 à 380 volts et le convertit en courant alternatif pour entraîner le moteur électrique triphasé qui fait tourner les roues (c'est similaire au système utilisé dans les voitures électriques conventionnelles).

Le travail du moteur électrique est d'appliquer un couple à l'essieu de la roue avant pour faire tourner les deux roues avant. L'unité de commande fait varier la vitesse de la voiture en augmentant ou en diminuant la puissance appliquée au moteur. Lorsque le contrôleur applique la puissance maximale de la pile à combustible, le rotor du moteur tourne à 12 000 tours par minute, délivrant un couple de 159 livres-pied. Un engrenage planétaire à un étage, avec un rapport de 8,67: 1, augmente le couple pour appliquer un maximum de 1375 livres-pied à chaque roue. C'est assez de couple pour déplacer la voiture de 4 200 livres (1905 kg) à 100 milles à l'heure (161 km / h) sur une route plate. Des moteurs électriques plus petits manœuvrent les roues pour diriger la voiture et sont commandés électriquement Étriers de frein arrêter la voiture.

L'hydrogène gazeux nécessaire pour alimenter ce système est stocké dans trois réservoirs cylindriques, pesant environ 165 livres (75 kilogrammes) au total. Les réservoirs sont constitués d'un matériau composite de carbone avec la résistance structurelle élevée nécessaire pour contenir de l'hydrogène gazeux à haute pression. Les réservoirs du modèle actuel contiennent environ 4,5 livres (2 kg) d'hydrogène à environ 5000 livres par pouce carré (350 bars). Dans les futurs modèles, les ingénieurs de Hy-wire espèrent augmenter le seuil de pression à 10000 livres par pouce carré (700 bars), ce qui augmenterait la capacité de carburant de la voiture pour étendre l'autonomie..

En fin de compte, GM espère obtenir la pile à combustible, les moteurs et les réservoirs de stockage d'hydrogène suffisamment petits pour qu'ils puissent réduire l'épaisseur du châssis de 11 pouces à 6 pouces (15 cm). Ce "skateboard" plus compact permettrait une flexibilité encore plus grande dans la conception du corps.

Numéros Hy-wire
  • Vitesse maximale: 100 miles par heure (161 km / h)
  • Poids: 1,898 kg
  • Longueur du châssis: 14 pieds 3 pouces (4,3 mètres)
  • Largeur du châssis: 5 pieds, 5,7 pouces (1,67 mètre)
  • Épaisseur du châssis: 11 pouces (28 cm)
  • Roues: jantes en alliage léger à huit branches.
  • Pneus: 20 pouces (51 cm) à l'avant et 22 pouces (56 cm) à l'arrière
  • Puissance de la pile à combustible: 94 kilowatts en continu, 129 kilowatts en pointe
  • Tension de pile à combustible: 125 à 200 volts
  • Moteur: moteur électrique asynchrone triphasé de 250 à 380 volts
  • Protection anti-collision: «zones d'écrasement» avant et arrière (ou «crash boxes») pour absorber l'énergie d'impact
  • Brevets GM connexes en cours: 30
  • Membres de l'équipe GM impliqués dans la conception: 500+
Schéma de GM de la conception AUTOnomy avec l'aimable autorisation de General Motors

Le «cerveau» du Hy-wire est un ordinateur central logé au milieu du châssis. Il envoie des signaux électroniques à l'unité de commande du moteur pour faire varier la vitesse, le mécanisme de direction pour manœuvrer la voiture et le système de freinage pour ralentir la voiture.

Au niveau du châssis, l'ordinateur contrôle tous les aspects de la conduite et de la consommation d'énergie. Mais il prend ses commandes d'une puissance plus élevée - à savoir, le conducteur dans la carrosserie. L'ordinateur se connecte à l'électronique du corps via un seul port d'amarrage universel. Ce port central fonctionne de la même manière qu'un port USB sur un ordinateur personnel: il transmet un flux constant de signaux de commande électroniques du contrôleur de voiture à l'ordinateur central, ainsi que des signaux de retour de l'ordinateur au contrôleur. De plus, il fournit l'énergie électrique nécessaire pour faire fonctionner toute l'électronique embarquée du corps. Dix liens physiques verrouiller la carrosserie à la structure du châssis.

Le X-drive du Hy-wire Le X-drive peut glisser de chaque côté du véhicule. Photo gracieuseté de General Motors Photo gracieuseté de General Motors Le X-drive du Hy-wire Le X-drive peut glisser de chaque côté du véhicule. Photo gracieuseté de General Motors Photo gracieuseté de General Motors

L'unité de contrôle du conducteur, surnommée le X-drive, est beaucoup plus proche d'un jeu vidéo manette qu'un arrangement conventionnel de volant et de pédale. Le contrôleur dispose de deux poignées ergonomiques, positionnées à gauche et à droite d'un petit écran LCD. Pour diriger la voiture, vous faites glisser légèrement les poignées de haut en bas - vous n'avez pas besoin de continuer à tourner une roue pour tourner, il vous suffit de maintenir la poignée en position de rotation. Pour accélérer, vous tournez l'une ou l'autre des poignées, de la même manière que vous allumeriez l'accélérateur sur une moto; et pour freiner, vous serrez l'une ou l'autre des poignées.

Les capteurs de mouvement électroniques, similaires à ceux des joysticks d'ordinateur haut de gamme, traduisent ce mouvement en un signal numérique que l'ordinateur central peut reconnaître. Les boutons du contrôleur vous permettent de passer facilement du neutre à la marche arrière et un bouton de démarrage allume la voiture. Comme tout est contrôlé à la main, vous pouvez faire ce que vous voulez avec vos pieds (imaginez les coller dans un masseur pendant le trajet aller-retour au travail tous les jours).

L'écran couleur de 5,8 pouces (14,7 cm) au centre du contrôleur affiche tout ce que vous trouverez normalement sur le tableau de bord (vitesse, kilométrage, niveau de carburant). Il vous donne également des images de vue arrière des caméras vidéo sur les côtés et à l'arrière de la voiture, à la place des rétroviseurs conventionnels. Un deuxième moniteur, sur une console à côté du conducteur, vous montre la stéréo, la climatisation et les informations de navigation.

Comme il ne conduit directement aucune partie de la voiture, le X-drive pourrait vraiment aller n'importe où dans l'habitacle. Dans le modèle de berline Hy-wire actuel, le X-drive bascule vers l'un des deux sièges avant, de sorte que vous pouvez changer de conducteur sans même vous lever. Il est également facile d'ajuster le X-drive vers le haut ou vers le bas pour améliorer le confort du conducteur, ou de l'éloigner complètement lorsque vous ne conduisez pas.

Concept GM de l'AUTOnomy avec et sans corps attaché Photo gracieuseté de General Motors Photo gracieuseté de General Motors Concept GM de l'AUTOnomy avec et sans corps attaché Photo gracieuseté de General Motors Photo gracieuseté de General Motors

L'une des choses les plus intéressantes à propos du système drive-by-wire est que vous pouvez affiner la tenue de route du véhicule sans rien changer aux composants mécaniques de la voiture - il suffit d'un nouveau logiciel informatique pour régler la sensibilité de la direction, de l'accélérateur ou des freins. Dans les futurs véhicules drive-by-wire, vous serez probablement en mesure de configurer les commandes exactement à votre guise en appuyant sur quelques boutons, tout comme vous pourriez régler la position du siège dans une voiture aujourd'hui. Il serait également possible dans ce type de système de stocker des préférences de contrôle distinctes pour chaque conducteur de la famille..

La grande préoccupation des véhicules drive-by-wire est sécurité. Comme il n'y a pas de connexion physique entre le conducteur et les éléments mécaniques de la voiture, une panne électrique signifierait une perte totale de contrôle. Afin de rendre ce type de système viable dans le monde réel, les voitures à commande électrique auront besoin d'alimentations de secours et de liaisons électroniques redondantes. Avec des mesures de sécurité adéquates comme celle-ci, il n'y a aucune raison pour que les voitures à conduite électrique soient plus dangereuses que les voitures conventionnelles. En fait, beaucoup de concepteurs pensent qu'ils seront beaucoup plus sûrs, car l'ordinateur central pourra surveiller les entrées du pilote. Un autre problème consiste à ajouter une protection adéquate contre les collisions à la voiture.

L'autre obstacle majeur pour ce type de voiture est de comprendre méthodes écoénergétiques pour la production, le transport et le stockage de l'hydrogène pour les piles à combustible embarquées. Avec l'état actuel de la technologie, la production réelle d'hydrogène peut générer autant de pollution que l'utilisation de moteurs à essence, et les systèmes de stockage et de distribution ont encore un long chemin à parcourir (voir Comment fonctionne l'économie de l'hydrogène pour plus d'informations).

Alors aurons-nous jamais la chance d'acheter un Hy-wire? General Motors déclare avoir pleinement l'intention de lancer une version de production de la voiture en 2010, en supposant qu'elle puisse résoudre les principaux problèmes de carburant et de sécurité. Mais même si l'équipe Hy-wire n'atteint pas cet objectif, GM et d'autres constructeurs prévoient définitivement d'aller au-delà de la voiture conventionnelle prochainement, vers une alternative informatisée et respectueuse de l'environnement. Selon toute vraisemblance, la vie sur l'autoroute connaîtra des changements majeurs au cours des prochaines décennies.

Pour plus d'informations sur le Hy-wire et d'autres technologies automobiles émergentes, consultez les liens sur la page suivante.

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Plus de liens intéressants

  • TechTV: faire du stop sur le Hy-Wire
  • TechTV: Croisière au 21e siècle avec le Hy-Wire
  • CNN.com: Hy-wire conçu pour un rôle vert
  • PopularMechanics.com: alimenter l'avenir
  • PopularMechanics.com: Loi Hy-Wire
  • Le répertoire des véhicules à carburant alternatif
  • Groupe de véhicules à carburant alternatif
  • FuelEconomy.gov



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