211service.com
Een nieuwe 42-volt standaard
Negen jaar geleden schreeuwden ingenieurs van Daimler-Benz in Duitsland om hulp. Ze realiseerden zich dat luxe garnituren op de auto's die ze aan het ontwerpen waren uiteindelijk meer stroom zouden opslokken dan de bestaande 14-volt elektrische systemen aankunnen. Dus verzamelden ze onderzoekers van MIT om het probleem te bespreken en hen te adviseren bij het kiezen van een krachtiger systeem en, belangrijker nog, om andere autofabrikanten te overtuigen om het te gebruiken.
De gesprekken wierpen vruchten af. In 1995 stemde de industrie - met hulp van MIT's Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems - in met een nieuwe norm van 42 volt. Industrieleiders realiseerden zich ook dat het zinvol was om een formeel consortium op te richten, met het hoofdkantoor aan het MIT, om de standaard te helpen implementeren. Tegenwoordig dragen ongeveer 52 bedrijven - autofabrikanten en grote leveranciers - elk $ 50.000 per jaar bij aan het laboratorium ter ondersteuning van het MIT/Industry Consortium on Advanced Automotive Electrical/Electronic Components and Systems, gevestigd in het laboratorium voor elektromagnetische en elektronische systemen.
We zijn de belangrijkste plaats waar de internationale automobielgemeenschap elkaar kan ontmoeten in een neutraal forum om problemen van gemeenschappelijk belang aan te pakken en op te lossen, zegt laboratoriumdirecteur John Kassakian '65, SM '67, EE '67, ScD '73.
Natuurlijk gaat de internationale belangstelling niet alleen om het bouwen van luxe toeters en bellen. Een hogere spanning zal ook leiden tot een hoger brandstofverbruik.
Minder dan 30 procent van de energie in benzine laat auto's daadwerkelijk rijden; de rest is afvalwarmte die wordt verbrand tijdens het stationair draaien en verspild wordt door inefficiënte componenten. Een krachtiger elektrisch systeem zou het mogelijk kunnen maken dat efficiënte elektronische componenten de relatief inefficiënte systemen vervangen die tegenwoordig worden gevonden, die worden aangedreven door riemen die op de motor zijn aangesloten. En als auto's startmotoren hadden die krachtig genoeg waren om onmiddellijk te starten met een druk op het gaspedaal, dan zouden ze bij de meeste verkeerslichten kunnen stoppen, waardoor verspillend stationair draaien wordt geëlimineerd. Afzonderlijk kunnen sommige van deze elektronische componenten worden ondersteund door bestaande 14 volt-systemen. Samen hebben ze echter 42 volt nodig.
Deze krachtigere systemen zullen een decennium nodig hebben om showrooms in een willekeurig aantal te bereiken. Maar de grote autofabrikanten maken vroege stappen. Toyota Motor is al begonnen met de verkoop (alleen in Japan) van een luxe sedan van 42 volt. En General Motors is van plan om in 2004 zijn eerste generatie 42-volt systeem te onthullen in een hybride gas-elektrische pick-up.
Autofabrikanten delen een aantal gemeenschappelijke zorgen over deze 42-volt-systemen - en dat is waar MIT om de hoek komt kijken. De autofabrikanten moeten destructieve kortsluitingen voorkomen, manieren vinden om oude en nieuwe systemen te versmelten en misschien zelfs geheel nieuwe stroombronnen te creëren die verder gaan dan de bekende dynamo - en -batterij combinatie. Daartoe wenden automobielconcurrenten van Tokio tot Stuttgart tot Dearborn zich tot de onderzoekers in een rommelige wirwar van kelderlabs in gebouw 10.
Van alledaags tot visionair
Iets verderop in een schemerige gang van de tijdklokken die zijn geslagen door de gevangenisbemanningen van het MIT, doen de onderzoekers van de laboratoria dingen als autopsie op het elektrische systeem van een skeletachtige Mercury Sable. We hebben een scala aan programma's, van alledaags en praktisch tot visionair, zegt Thomas Keim, SM '70, ScD '73, de directeur van het consortium. Keim is ook hoofdonderzoeksingenieur bij het laboratorium voor elektromagnetische en elektronische systemen, dat bestaat uit negen faculteiten van elektrotechniek en informatica, zes onderzoekers en ongeveer 50 niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten.
Ten eerste, zegt Keim, moeten elektrische systemen voor auto's veilig en betrouwbaar zijn. Neem de neiging van vonkontlading om bliksemachtige sprongen door de lucht te maken. Een enkele boog, bijvoorbeeld van een gerafelde draad, kan een voorheen goed onderdeel kapot maken of zelfs brand veroorzaken.
En boogvorming in een 42-volt systeem is een veel serieuzere zaak dan in een 14-volt systeem. Hoeveel ernstiger werd vorig jaar bevestigd toen voormalig onderzoeksassistent Alan Wu bevestigde dat boogenergie 50 tot 100 keer hoger is in 42 volt-systemen. Deze bevinding hielp auto-onderdelenbedrijven over de hele wereld om nieuwe onderdelen te ontwerpen om dergelijke bogen te onderdrukken. Nu onderzoekt het laboratorium betere manieren om ze te detecteren.
Dan zijn er praktische zorgen. De groep is bezig in kaart te brengen hoe één auto zowel een 42-volt-systeem als een 14-volt-systeem kan huisvesten. Dat komt omdat autofabrikanten niet het hele elektrische systeem in één keer zullen vervangen; het oude systeem zal nog steeds de ruitenwissers, radio en koplampen van stroom voorzien, terwijl het nieuwe systeem met hogere spanning de geëlektrificeerde remmen of motorkleppen zal activeren. In het belang van compatibiliteit heeft David Perreault, SM '91, PhD '97, een kant-en-klare dynamo ontmanteld en bedacht hoe deze te gebruiken om een 42-volt systeem te voeden door deze te voorzien van nieuwe schakelbedieningen.
Maar dat is slechts een noodmaatregel. Uiteindelijk zullen auto's verder moeten kijken dan de dynamo voor een vermogensboost, want als de motor van een auto bij een stoplicht uitvalt, is de dynamo nutteloos. En dat laat componenten - vooral vraatzuchtige airconditioners - zonder stroombron.
Een oplossing is om aan boord een kleine energiecentrale te bouwen. Een groep in het lab ontwerpt een apparaat dat trucs zou lenen van fotovoltaïsche cellen, die elektrische stroom produceren uit zonlicht, om elektriciteit op te wekken onder de motorkap. In het voorgestelde apparaat zou het licht van een fel gloeiende keramische emitter, verwarmd door een benzinevlam, fungeren als zonlicht, terwijl een halfgeleider zoals galliumantimonide de energie van de fotonen zou omzetten in elektriciteit.
Zo'n apparaat zou slechts ongeveer 15 procent efficiënt zijn - wat misschien laag lijkt, maar in feite een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van de negen procent efficiëntie van een conventionele dynamo. Bovendien kan afvalwarmte helpen bij het voeden van een zogenaamde absorptie-airconditioner, die een warmtewisselaar gebruikt in plaats van een compressor. Uiteindelijk zou dit de enige elektriciteitsbron op het voertuig zijn, zegt Keim, die toegeeft dat het project het visionaire einde tegemoet gaat. Toch is het lab in gesprek met een niet nader genoemde industriële partner om een prototype te ontwikkelen.
Dit vergde veel analyse vooraf, omdat het zo revolutionair is, zegt Kassakian. De meeste mensen denken dat brandstofcellen deze hulpkracht zullen leveren, maar deze generator aan boord is veel meer op korte termijn dan brandstofcellen. Het apparaat zou in vijf jaar kunnen worden ontwikkeld, zegt hij, terwijl brandstofcellen die benzine gebruiken verder weg zijn.
Werk aan zowel het alledaagse als het visionaire maakt het consortium waardevol voor de industrie, zegt John Miller, een elektrotechnisch ingenieur en medeleider op het gebied van hybride technologiebeheer in de onderzoekslaboratoria van Ford Motor in Dearborn, MI. Het consortium heeft een hoge waarde, omdat we nu in de noten en bouten van de implementatie komen, zegt hij. Ze helpen bij het oplossen van problemen die nog steeds van belang zijn voor de brede automobielgemeenschap, zoals zekeringen, relais en schakelaars voor 42 volt.
Volgens Miller is Ford inderdaad van plan om een hybride sport-utility-voertuig uit te rollen, de Escape 2004, met een direct startende motor. Hoewel deze verandering zal worden aangebracht binnen het 14-volt-systeem, zegt Miller dat de ontluikende inspanning profiteert van het knutselen in de kelder van Gebouw 10.