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Un nuovo standard a 42 Volt
Nove anni fa, gli ingegneri di Daimler-Benz in Germania hanno lanciato un grido di aiuto. Si resero conto che le finiture di lusso sulle automobili che stavano progettando avrebbero alla fine assorbito più energia di quella che i sistemi elettrici a 14 volt esistenti potevano gestire. Così hanno riunito i ricercatori del MIT per discutere il problema e consigliarli sulla scelta di un sistema più potente e, cosa più importante, per convincere altre case automobilistiche ad adottarlo.
I colloqui sono stati ripagati. Nel 1995, l'industria ha concordato, con l'aiuto del Laboratorio per i sistemi elettromagnetici ed elettronici del MIT, un nuovo standard di 42 volt. I leader del settore hanno anche capito che aveva senso creare un consorzio formale, con sede al MIT, per aiutare a implementare lo standard. Oggi circa 52 aziende - case automobilistiche e principali fornitori - contribuiscono ciascuna con $ 50.000 all'anno al laboratorio a sostegno del MIT/Industry Consortium on Advanced Automotive Electrical/Electronic Components and Systems, con sede nel laboratorio di sistemi elettromagnetici ed elettronici.
Siamo il luogo principale in cui la comunità automobilistica internazionale può incontrarsi in un forum neutrale per affrontare questioni di interesse comune e risolverle, afferma il direttore del laboratorio John Kassakian '65, SM '67, EE '67, ScD '73.
Naturalmente, l'interesse internazionale non riguarda solo la costruzione di rifiniture di lusso. Una tensione più alta porterà anche a una maggiore efficienza del carburante.
Meno del 30 percento dell'energia contenuta nella benzina fa effettivamente muovere le auto; il resto è calore disperso bruciato durante il minimo e sprecato da componenti inefficienti. Un sistema elettrico più potente potrebbe consentire a componenti elettronici efficienti di sostituire i sistemi relativamente inefficienti che si trovano oggi, che sono azionati da cinghie collegate al motore. E se le auto avessero motorini di avviamento abbastanza potenti da fornire un avviamento istantaneo al tocco del pedale dell'acceleratore, allora potrebbero spegnersi alla maggior parte dei semafori, eliminando uno spreco al minimo. Singolarmente, alcuni di questi componenti elettronici possono essere supportati da sistemi a 14 volt esistenti. Presi insieme, tuttavia, richiederanno 42 volt.
Questi sistemi più potenti impiegheranno un decennio per raggiungere showroom in qualsiasi numero. Ma le grandi case automobilistiche stanno facendo le prime mosse. Toyota Motor ha già iniziato a vendere (solo in Giappone) una berlina di lusso da 42 volt. E la General Motors prevede di svelare il suo sistema a 42 volt di prima generazione in un pickup ibrido gas-elettrico nel 2004.
Le case automobilistiche condividono alcune preoccupazioni comuni su questi sistemi a 42 volt, ed è qui che entra in gioco il MIT. Le case automobilistiche devono prevenire cortocircuiti distruttivi, trovare modi per fondere vecchi e nuovi sistemi e forse anche creare fonti di alimentazione completamente nuove oltre il familiare alternatore e -combinazione di batterie. A tal fine, i concorrenti automobilistici da Tokyo a Stoccarda a Dearborn si rivolgono ai ricercatori in un labirinto disordinato di laboratori sotterranei nell'Edificio 10.
Da mondano a visionario
Proprio in un corridoio buio dagli orologi timbrati dagli equipaggi di custodia del MIT, i ricercatori dei laboratori fanno cose come l'autopsia del sistema elettrico di uno scheletrico Mercury Sable. Gestiamo una serie di programmi, dal banale e pratico al visionario, afferma Thomas Keim, SM '70, ScD '73, direttore del consorzio. Keim è anche il principale ingegnere di ricerca presso il laboratorio di sistemi elettromagnetici ed elettronici, che comprende nove facoltà di ingegneria elettrica e informatica, sei ricercatori e circa 50 studenti universitari e laureati.
Innanzitutto, afferma Keim, i sistemi elettrici per autoveicoli devono essere sicuri e affidabili. Prendi la tendenza dell'elettricità ad arco a fare salti simili a fulmini nell'aria. Un singolo arco, ad esempio un filo sfilacciato, potrebbe rovinare una parte precedentemente buona o persino causare un incendio.
E l'arco in un sistema a 42 volt è una questione molto più seria che in uno a 14 volt. Quanto più grave è stato confermato l'anno scorso quando l'ex assistente di ricerca Alan Wu ha verificato che l'energia dell'arco è da 50 a 100 volte superiore nei sistemi a 42 volt. Questa scoperta ha aiutato le aziende di ricambi auto in tutto il mondo a iniziare a progettare nuove parti per sopprimere tali archi. Ora il laboratorio sta cercando modi migliori per rilevarli.
Poi ci sono preoccupazioni pratiche. Il gruppo sta lavorando alla mappatura di come un'auto può ospitare sia un sistema a 42 volt che un sistema a 14 volt. Questo perché le case automobilistiche non sostituiranno l'intero sistema elettrico in una volta; il vecchio sistema alimenterà ancora i tergicristalli, la radio e i fari, mentre il nuovo sistema ad alta tensione attiverà i freni elettrificati o le valvole del motore. Nell'interesse della compatibilità, David Perreault, SM '91, PhD '97, ha smontato un alternatore standard e ha capito come usarlo per fornire un sistema a 42 volt attrezzandolo con nuovi controlli di commutazione.
Ma questa è solo una misura provvisoria. Alla fine, le auto dovranno guardare oltre l'alternatore per un aumento di potenza, perché se il motore di un'auto si spegne al semaforo, l'alternatore è inutile. E questo lascia i componenti, in particolare i condizionatori golosi, senza una fonte di alimentazione.
Una soluzione è creare una piccola centrale elettrica a bordo. Un gruppo in laboratorio sta progettando un dispositivo che prenda in prestito trucchi dalle celle fotovoltaiche, che producono energia elettrica dalla luce solare, per generare elettricità sotto il cofano. All'interno del dispositivo proposto, la luce proveniente da un emettitore ceramico luminoso riscaldato da una fiamma di benzina agirebbe come la luce solare, mentre un semiconduttore come l'antimonide di gallio trasformerebbe l'energia dei fotoni in elettricità.
Un tale dispositivo sarebbe efficiente solo del 15% circa, il che può sembrare basso, ma in realtà rappresenta un notevole miglioramento rispetto all'efficienza del 9% di un alternatore convenzionale. Inoltre, il calore disperso potrebbe aiutare ad alimentare un cosiddetto condizionatore d'aria ad assorbimento, che utilizza uno scambiatore di calore anziché un compressore. In definitiva, questa sarebbe l'unica fonte di elettricità sul veicolo, afferma Keim, il quale ammette che il progetto è là fuori verso la fine visionaria. Tuttavia, il laboratorio è in trattative con un partner industriale senza nome per sviluppare un prototipo.
Ciò ha richiesto molte analisi iniziali perché è così rivoluzionario, afferma Kassakian. La maggior parte delle persone pensa che le celle a combustibile forniranno questa potenza ausiliaria, ma questo generatore di bordo è molto più a breve termine delle celle a combustibile. Il dispositivo potrebbe essere sviluppato in cinque anni, dice, mentre le celle a combustibile che utilizzano benzina sono più lontane.
Il lavoro sia sul mondano che sul visionario rende il consorzio prezioso per l'industria, afferma John Miller, ingegnere elettrico e co-leader sulla governance della tecnologia ibrida presso i laboratori di ricerca di Ford Motor a Dearborn, MI. C'è un alto valore nel consorzio, perché ora stiamo entrando nei dettagli dell'implementazione, dice. Aiutano ad affrontare problemi che sono ancora fonte di preoccupazione per l'ampia comunità automobilistica, come fusibili, relè e interruttori per 42 volt.
In effetti, afferma Miller, Ford sta progettando di lanciare un veicolo ibrido sportivo-utility, la Escape del 2004, con un motore ad avviamento istantaneo. Anche se questo cambiamento verrà effettuato all'interno del sistema a 14 volt, Miller afferma che lo sforzo nascente sta beneficiando dei lavori nel seminterrato dell'Edificio 10.