Ein neuer 42-Volt-Standard

Vor neun Jahren riefen Ingenieure von Daimler-Benz in Deutschland um Hilfe. Sie erkannten, dass Luxusausstattungen an den von ihnen entwickelten Automobilen schließlich mehr Energie verschlingen würden, als vorhandene 14-Volt-Bordnetze bewältigen könnten. Also versammelten sie Forscher vom MIT, um das Problem zu diskutieren und sie bei der Auswahl eines leistungsstärkeren Systems zu beraten und – was noch wichtiger ist – andere Autohersteller davon zu überzeugen, es zu übernehmen.

Die Gespräche haben sich gelohnt. 1995 einigte sich die Industrie mit Hilfe des MIT-Labors für elektromagnetische und elektronische Systeme auf einen neuen Standard von 42 Volt. Branchenführer erkannten auch, dass es sinnvoll war, ein formelles Konsortium mit Sitz am MIT zu gründen, um die Implementierung des Standards zu unterstützen. Heute tragen etwa 52 Unternehmen – Automobilhersteller und große Zulieferer – jeweils 50.000 US-Dollar pro Jahr zum Labor zur Unterstützung des MIT/Industry Consortium on Advanced Automotive Electrical/Electronic Components and Systems bei, das im Labor für elektromagnetische und elektronische Systeme angesiedelt ist.

Wir sind der wichtigste Ort, an dem sich die internationale Automobil-Community in einem neutralen Forum treffen kann, um gemeinsame Probleme anzusprechen und zu lösen, sagt Laborleiter John Kassakian '65, SM '67, EE '67, ScD '73.



Natürlich dreht sich das internationale Interesse nicht nur darum, Luxus-Accessoires zu bauen. Eine höhere Spannung führt auch zu einer höheren Kraftstoffeffizienz.

Tik-Tok-Bart-Typ

Weniger als 30 Prozent der Energie im Benzin bringen Autos tatsächlich in Bewegung; der Rest ist Abwärme, die im Leerlauf verbrannt und von ineffizienten Komponenten verschwendet wird. Ein leistungsfähigeres elektrisches System könnte es ermöglichen, die heute vergleichsweise ineffizienten Systeme, die über mit dem Motor verbundene Riemen angetrieben werden, durch effiziente elektronische Komponenten zu ersetzen. Und wenn Autos Startermotoren hätten, die stark genug wären, um beim Antippen des Gaspedals einen sofortigen Start zu ermöglichen, könnten sie an den meisten Ampeln abschalten und unnötigen Leerlauf vermeiden. Einzeln können einige dieser elektronischen Komponenten von bestehenden 14-Volt-Systemen unterstützt werden. Zusammengenommen benötigen sie jedoch 42 Volt.

Es wird ein Jahrzehnt dauern, bis diese leistungsstärkeren Systeme in beliebiger Zahl in den Ausstellungsräumen erhältlich sind. Aber die großen Autokonzerne machen frühe Schritte. Toyota Motor hat bereits mit dem Verkauf (nur in Japan) einer 42-Volt-Luxuslimousine begonnen. Und General Motors plant, 2004 sein 42-Volt-System der ersten Generation in einem Hybrid-Benzin-Elektro-Pickup vorzustellen.

Autohersteller teilen einige gemeinsame Bedenken bezüglich dieser 42-Volt-Systeme – und hier kommt MIT ins Spiel. Die Autohersteller müssen zerstörerische Kurzschlüsse verhindern, Wege finden, alte und neue Systeme zu verschmelzen und vielleicht sogar völlig neue Stromquellen jenseits der bekannten Lichtmaschine zu schaffen – und -Batterie-Kombination. Zu diesem Zweck wenden sich Automobilkonkurrenten von Tokio über Stuttgart bis Dearborn an die Forscher in einem überfüllten Labyrinth von Kellerlabors in Gebäude 10.

Vom Alltäglichen zum Visionär

Welcher der folgenden Planeten erlebt einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt?

Nur einen schwachen Flur von den Zeituhren entfernt, die von den Wachmannschaften des MIT gestempelt wurden, führen die Forscher des Labors Dinge wie die Autopsie des elektrischen Systems eines skelettartigen Mercury Sable durch. Wir betreiben eine Reihe von Programmen, von banal und praktisch bis zu visionär, sagt Thomas Keim, SM '70, ScD '73, der Direktor des Konsortiums. Keim ist außerdem leitender Forschungsingenieur am Labor für elektromagnetische und elektronische Systeme, das neun Fakultäten der Elektrotechnik und Informatik, sechs Forscher und etwa 50 Studenten und Doktoranden umfasst.

gruselig aus der Ferne

Erstens, sagt Keim, müssen elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen sicher und zuverlässig sein. Nehmen Sie die Tendenz der Lichtbogenelektrizität, blitzartige Sprünge durch die Luft zu machen. Ein einziger Lichtbogen – beispielsweise von einem ausgefransten Draht – könnte ein zuvor gut erhaltenes Teil zerstören oder sogar einen Brand verursachen.

Und Lichtbogenbildung in einem 42-Volt-System ist eine viel ernstere Angelegenheit als in einem 14-Volt-System. Wie viel schwerwiegender ist, wurde letztes Jahr bestätigt, als der ehemalige Forschungsassistent Alan Wu nachwies, dass die Lichtbogenenergie in 42-Volt-Systemen 50- bis 100-mal höher ist. Diese Erkenntnis half Autoteileherstellern weltweit, neue Teile zu entwickeln, um solche Lichtbögen zu unterdrücken. Jetzt forscht das Labor nach besseren Möglichkeiten, sie zu erkennen.

Dann gibt es praktische Bedenken. Die Gruppe arbeitet daran, herauszufinden, wie ein Auto sowohl ein 42-Volt- als auch ein 14-Volt-System aufnehmen kann. Das liegt daran, dass die Autohersteller nicht das gesamte elektrische System auf einmal ersetzen werden; das alte System versorgt weiterhin Scheibenwischer, Radio und Scheinwerfer mit Strom, während das neue Hochvoltsystem die elektrifizierten Bremsen oder Motorventile befeuert. Im Interesse der Kompatibilität zerlegte David Perreault, SM '91, PhD '97, einen handelsüblichen Generator und fand heraus, wie man ihn zur Versorgung eines 42-Volt-Systems verwenden kann, indem er ihn mit neuen Schaltreglern aufrüstet.

Aber das ist nur eine Notlösung. Schließlich müssen Autos nach einer Leistungssteigerung über die Lichtmaschine hinausschauen, denn wenn der Motor eines Autos an einer Ampel ausgeht, ist die Lichtmaschine nutzlos. Und das lässt Komponenten – insbesondere gefräßige Klimaanlagen – ohne Stromquelle.

Eine Lösung besteht darin, ein kleines Kraftwerk an Bord zu schaffen. Eine Gruppe im Labor entwickelt ein Gerät, das Tricks von Photovoltaikzellen ausleiht, die aus Sonnenlicht elektrischen Strom erzeugen, um unter der Haube Strom zu erzeugen. Im Inneren des vorgeschlagenen Geräts würde das Licht eines hell leuchtenden Keramikstrahlers, der von einer Benzinflamme erhitzt wird, als Sonnenlicht wirken, während ein Halbleiter wie Galliumantimonid die Energie der Photonen in Elektrizität umwandeln würde.

Ein solches Gerät hätte nur einen Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent – ​​was gering erscheinen mag, aber tatsächlich eine erhebliche Verbesserung gegenüber den neun Prozent Wirkungsgrad eines herkömmlichen Generators darstellt. Abwärme könnte zudem eine sogenannte Absorptionsklimaanlage befeuern, die statt eines Kompressors einen Wärmetauscher nutzt. Letztendlich sei dies die einzige Stromquelle am Fahrzeug, sagt Keim, der einräumt, dass das Projekt auf dem visionären Ende steht. Dennoch ist das Labor mit einem ungenannten Industriepartner in Gesprächen, um einen Prototyp zu entwickeln.

Dies erforderte viele Vorabanalysen, weil es so revolutionär ist, sagt Kassakian. Die meisten Leute denken, dass Brennstoffzellen diese Hilfsenergie liefern werden, aber dieser Bordgenerator ist viel kurzfristiger als Brennstoffzellen. Das Gerät könnte in fünf Jahren entwickelt werden, sagt er, während Brennstoffzellen, die Benzin verwenden, weiter weg sind.

Hockeyschläger-Diagramm vs. Realität

Die Arbeit sowohl am Alltäglichen als auch am Visionären macht das Konsortium für die Industrie wertvoll, sagt John Miller, Elektroingenieur und Co-Leiter für Hybridtechnologie-Governance in den Forschungslabors von Ford Motor in Dearborn, MI. Das Konsortium hat einen hohen Stellenwert, denn jetzt stecken wir in der Umsetzung, sagt er. Sie helfen bei der Lösung von Problemen, die für die breite Automobilbranche immer noch von Bedeutung sind, wie Sicherungen, Relais und Schalter für 42 Volt.

Tatsächlich, sagt Miller, plant Ford, ein Hybrid-Sport-Utility-Fahrzeug, den 2004 Escape, mit einem Sofortstartmotor auf den Markt zu bringen. Obwohl diese Änderung innerhalb des 14-Volt-Systems vorgenommen wird, profitieren laut Miller die aufkommenden Bemühungen von den Basteleien im Keller von Gebäude 10.

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