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Une nouvelle norme de 42 volts
Il y a neuf ans, les ingénieurs de Daimler-Benz en Allemagne ont lancé un appel à l'aide. Ils se sont rendu compte que les garnitures de luxe sur les automobiles qu'ils concevaient finiraient par engloutir plus de puissance que les systèmes électriques existants de 14 volts ne pouvaient en supporter. Ils ont donc réuni des chercheurs du MIT pour discuter du problème et les conseiller sur le choix d'un système plus puissant et, plus important encore, pour aider à convaincre d'autres constructeurs automobiles de l'adopter.
Les discussions ont payé. En 1995, l'industrie s'est mise d'accord avec l'aide du Laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques du MIT sur une nouvelle norme de 42 volts. Les leaders de l'industrie ont également réalisé qu'il était logique de créer un consortium formel, dont le siège est au MIT, pour aider à mettre en œuvre la norme. Aujourd'hui, quelque 52 entreprises - constructeurs automobiles et principaux fournisseurs - contribuent chacune 50 000 $ par an au laboratoire pour soutenir le MIT/Industry Consortium on Advanced Automotive Electrical/Electronic Components and Systems, basé dans le laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques.
Nous sommes le principal endroit où la communauté automobile internationale peut se réunir dans un forum neutre pour aborder des problèmes d'intérêt commun et les résoudre, déclare le directeur du laboratoire John Kassakian '65, SM '67, EE '67, ScD '73.
Bien sûr, l'intérêt international ne se limite pas à la construction de garnitures de luxe. Une tension plus élevée conduira également à un meilleur rendement énergétique.
Moins de 30 pour cent de l'énergie contenue dans l'essence fait bouger les voitures ; le reste est de la chaleur perdue brûlée au ralenti et gaspillée par des composants inefficaces. Un système électrique plus puissant pourrait permettre à des composants électroniques efficaces de remplacer les systèmes comparativement inefficaces que l'on trouve aujourd'hui, qui sont entraînés par des courroies connectées au moteur. Et si les voitures étaient équipées de démarreurs suffisamment puissants pour permettre un démarrage instantané en appuyant sur la pédale d'accélérateur, elles pourraient alors s'éteindre à la plupart des feux de circulation, éliminant ainsi la marche au ralenti inutile. Individuellement, certains de ces composants électroniques peuvent être pris en charge par les systèmes 14 volts existants. Pris ensemble, cependant, ils nécessiteront 42 volts.
Ces systèmes plus puissants mettront une décennie à atteindre les salles d'exposition en nombre. Mais les grands constructeurs automobiles prennent des mesures précoces. Toyota Motor a déjà commencé à vendre (au Japon uniquement) une berline de luxe de 42 volts. Et General Motors prévoit de dévoiler son système 42 volts de première génération dans une camionnette hybride gaz-électrique en 2004.
Les constructeurs automobiles partagent des préoccupations communes concernant ces systèmes 42 volts - et c'est là qu'intervient le MIT. Les constructeurs automobiles doivent éviter les courts-circuits destructeurs, trouver des moyens de fusionner les anciens et les nouveaux systèmes et peut-être même créer des sources d'alimentation entièrement nouvelles au-delà de l'alternateur familier - et -Combinaison de batterie. À ces fins, les concurrents automobiles de Tokyo à Stuttgart en passant par Dearborn se tournent vers les chercheurs dans un dédale encombré de laboratoires au sous-sol du bâtiment 10.
De banal à visionnaire
Juste dans un couloir sombre des horloges poinçonnées par les équipes de gardiennage du MIT, les chercheurs des laboratoires font des choses comme l'autopsie du système électrique d'un Mercury Sable squelettique. Nous gérons une gamme de programmes, du banal et pratique au visionnaire, explique Thomas Keim, SM '70, ScD '73, le directeur du consortium. Keim est également ingénieur de recherche principal au laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques, qui comprend neuf professeurs en génie électrique et en informatique, six chercheurs et environ 50 étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs.
Premièrement, dit Keim, les systèmes électriques automobiles doivent être sûrs et fiables. Prenez la tendance de l'électricité à l'arc à faire des sauts semblables à des éclairs dans les airs. Un seul arc provenant, par exemple, d'un fil effiloché pourrait ruiner une pièce auparavant bonne, ou même provoquer un incendie.
Et la formation d'arcs dans un système de 42 volts est une affaire beaucoup plus sérieuse que dans un système de 14 volts. À quel point la gravité de l'arc a été confirmée l'année dernière lorsque l'ancien assistant de recherche Alan Wu a vérifié que l'énergie de l'arc est 50 à 100 fois plus élevée dans les systèmes 42 volts. Cette découverte a aidé les fabricants de pièces automobiles du monde entier à commencer à concevoir de nouvelles pièces pour supprimer de tels arcs. Maintenant, le laboratoire recherche de meilleures façons de les détecter.
Ensuite, il y a des problèmes pratiques. Le groupe travaille à déterminer comment une voiture peut abriter à la fois un système de 42 volts et un système de 14 volts. C'est parce que les constructeurs automobiles ne remplaceront pas tout le système électrique à la fois ; l'ancien système alimentera toujours les essuie-glaces, la radio et les phares, tandis que le nouveau système à plus haute tension déclenchera les freins électrifiés ou les soupapes du moteur. Dans l'intérêt de la compatibilité, David Perreault, SM '91, PhD '97, a démonté un alternateur standard et a compris comment l'utiliser pour alimenter un système de 42 volts en l'équipant de nouvelles commandes de commutation.
Mais ce n'est qu'un pis-aller. Finalement, les voitures devront regarder au-delà de l'alternateur pour augmenter la puissance, car si le moteur d'une voiture s'arrête à un feu de circulation, l'alternateur est inutile. Et cela laisse les composants - en particulier les climatiseurs gloutons - sans source d'alimentation.
Une solution consiste à créer une petite centrale électrique à bord. Un groupe du laboratoire conçoit un appareil qui emprunterait des astuces aux cellules photovoltaïques, qui produisent de l'électricité à partir de la lumière du soleil, pour générer de l'électricité sous le capot. À l'intérieur du dispositif proposé, la lumière d'un émetteur en céramique brillant chauffé par une flamme d'essence agirait comme la lumière du soleil, tandis qu'un semi-conducteur tel que l'antimonure de gallium transformerait l'énergie des photons en électricité.
Un tel dispositif n'aurait qu'un rendement d'environ 15 %, ce qui peut sembler faible, mais constitue en fait une amélioration considérable par rapport au rendement de 9 % d'un alternateur conventionnel. De plus, la chaleur résiduelle pourrait aider à alimenter un climatiseur à absorption, qui utilise un échangeur de chaleur au lieu d'un compresseur. En fin de compte, ce serait la seule source d'électricité sur le véhicule, dit Keim, qui concède que le projet est là vers la fin visionnaire. Néanmoins, le laboratoire est en pourparlers avec un partenaire industriel anonyme pour développer un prototype.
Cela a nécessité beaucoup d'analyses en amont car c'est tellement révolutionnaire, dit Kassakian. La plupart des gens pensent que les piles à combustible fourniront cette puissance auxiliaire, mais ce générateur embarqué est beaucoup plus à court terme que les piles à combustible. Le dispositif pourrait être développé en cinq ans, dit-il, alors que les piles à combustible qui utilisent de l'essence sont plus éloignées.
Le travail à la fois banal et visionnaire rend le consortium précieux pour l'industrie, déclare John Miller, ingénieur électricien et co-responsable de la gouvernance des technologies hybrides dans les laboratoires de recherche de Ford Motor à Dearborn, MI. Il y a une grande valeur dans le consortium, car maintenant nous entrons dans les rouages de la mise en œuvre, dit-il. Ils aident à résoudre des problèmes qui préoccupent toujours l'ensemble de la communauté automobile, comme les fusibles, les relais et les commutateurs pour 42 volts.
En effet, dit Miller, Ford prévoit de lancer un véhicule utilitaire sport hybride, l'Escape 2004, avec un moteur à démarrage instantané. Bien que ce changement soit effectué dans le système 14 volts, Miller dit que l'effort naissant bénéficie du bricolage au sous-sol du bâtiment 10.