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Un nuevo estándar de 42 voltios
Hace nueve años, los ingenieros de Daimler-Benz en Alemania pidieron ayuda. Se dieron cuenta de que los adornos de lujo de los automóviles que estaban diseñando acabarían consumiendo más energía de la que podían soportar los sistemas eléctricos de 14 voltios existentes. Así que reunieron a investigadores del MIT para discutir el problema y asesorarlos sobre la selección de un sistema más poderoso y, lo que es más importante, para ayudar a convencer a otros fabricantes de automóviles de que lo adopten.
Las conversaciones dieron sus frutos. En 1995, la industria acordó, con la ayuda del Laboratorio de Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos del MIT, un nuevo estándar de 42 voltios. Los líderes de la industria también se dieron cuenta de que tenía sentido crear un consorcio formal, con sede en MIT, para ayudar a implementar el estándar. En la actualidad, unas 52 empresas (fabricantes de automóviles y proveedores importantes) contribuyen cada una con 50.000 dólares anuales al laboratorio en apoyo del MIT / Industry Consortium on Advanced Automotive Electrical / Electronic Components and Systems, con sede en el laboratorio de sistemas electromagnéticos y electrónicos.
Somos el lugar principal donde la comunidad automotriz internacional puede reunirse en un foro neutral para abordar problemas de interés común y resolverlos, dice el director del laboratorio John Kassakian '65, SM '67, EE '67, ScD '73.
Por supuesto, el interés internacional no se trata solo de construir adornos de lujo. Un voltaje más alto también conducirá a una mayor eficiencia de combustible.
Menos del 30 por ciento de la energía de la gasolina en realidad hace que los automóviles se muevan; el resto es calor residual quemado durante el ralentí y desperdiciado por componentes ineficientes. Un sistema eléctrico más potente podría permitir que los componentes electrónicos eficientes reemplacen los sistemas comparativamente ineficientes que se encuentran en la actualidad, que son impulsados por correas conectadas al motor. Y si los automóviles tuvieran motores de arranque lo suficientemente potentes como para proporcionar un arranque instantáneo con solo presionar el pedal del acelerador, entonces podrían apagarse en la mayoría de los semáforos, eliminando el desperdicio de ralentí. Individualmente, algunos de estos componentes electrónicos pueden ser compatibles con los sistemas existentes de 14 voltios. Sin embargo, en conjunto, requerirán 42 voltios.
Estos sistemas más potentes tardarán una década en llegar a las salas de exposición en cualquier número. Pero las grandes empresas automotrices están tomando medidas tempranas. Toyota Motor ya ha comenzado a vender (solo en Japón) un sedán de lujo de 42 voltios. Y General Motors planea presentar su sistema de 42 voltios de primera generación en una camioneta híbrida de gas y electricidad en 2004.
Los fabricantes de automóviles comparten algunas preocupaciones comunes sobre estos sistemas de 42 voltios, y ahí es donde entra en juego el MIT. Los fabricantes de automóviles necesitan prevenir cortocircuitos destructivos, encontrar formas de fusionar sistemas antiguos y nuevos y tal vez incluso crear fuentes de energía completamente nuevas más allá del alternador familiar, y -batería combinada. Con esos fines, los competidores automotrices desde Tokio hasta Stuttgart y Dearborn están recurriendo a los investigadores en un abarrotado laberinto de laboratorios en el sótano del Edificio 10.
De mundano a visionario
Justo al final de un pasillo oscuro de los relojes de tiempo marcados por los equipos de conserjería del MIT, los investigadores de los laboratorios hacen cosas como autopsiar el sistema eléctrico de un esqueleto Mercury Sable. Llevamos a cabo una variedad de programas, desde los más mundanos y prácticos hasta los visionarios, dice Thomas Keim, SM ‘70, ScD ‘73, director del consorcio. Keim también es ingeniero de investigación principal en el laboratorio de sistemas electromagnéticos y electrónicos, que incluye nueve profesores de ingeniería eléctrica e informática, seis investigadores y alrededor de 50 estudiantes de pregrado y posgrado.
Primero, dice Keim, los sistemas eléctricos automotrices deben ser seguros y confiables. Considere la tendencia de la electricidad en arco a dar saltos en el aire como un rayo. Un solo arco -de, digamos, un cable deshilachado- podría arruinar una pieza previamente buena o incluso provocar un incendio.
Y la formación de arco en un sistema de 42 voltios es un asunto mucho más serio que en uno de 14 voltios. Cuánto más grave se confirmó el año pasado cuando el ex asistente de investigación Alan Wu verificó que la energía del arco es de 50 a 100 veces mayor en los sistemas de 42 voltios. Este hallazgo ayudó a las empresas de autopartes de todo el mundo a comenzar a diseñar nuevas piezas para suprimir tales arcos. Ahora el laboratorio está investigando mejores formas de detectarlos.
Luego están las preocupaciones prácticas. El grupo está trabajando en mapear cómo un automóvil puede albergar tanto un sistema de 42 voltios como un sistema de 14 voltios. Eso se debe a que los fabricantes de automóviles no reemplazarán todo el sistema eléctrico de una vez; el sistema antiguo seguirá alimentando los limpiaparabrisas, la radio y los faros delanteros, mientras que el nuevo sistema de mayor voltaje activará los frenos electrificados o las válvulas del motor. En aras de la compatibilidad, David Perreault, SM '91, PhD '97, desmanteló un alternador estándar y descubrió cómo usarlo para suministrar un sistema de 42 voltios instalándolo con nuevos controles de conmutación.
Pero esa es solo una medida provisional. Eventualmente, los automóviles deberán mirar más allá del alternador para obtener un aumento de potencia, porque si el motor de un automóvil se apaga en un semáforo, el alternador es inútil. Y eso deja a los componentes, especialmente a los aires acondicionados glotones, sin una fuente de energía.
Una solución es crear una pequeña central eléctrica a bordo. Un grupo en el laboratorio está diseñando un dispositivo que tomaría prestados trucos de las células fotovoltaicas, que producen energía eléctrica a partir de la luz solar, para generar electricidad bajo el capó. Dentro del dispositivo propuesto, la luz de un emisor de cerámica brillante calentado por una llama de gasolina actuaría como la luz del sol, mientras que un semiconductor como el antimonuro de galio transformaría la energía de los fotones en electricidad.
Un dispositivo de este tipo solo tendría una eficiencia de alrededor del 15 por ciento, lo que puede parecer bajo, pero de hecho es una mejora considerable con respecto al nueve por ciento de eficiencia de un alternador convencional. Es más, el calor residual podría ayudar a alimentar el llamado aire acondicionado de absorción, que utiliza un intercambiador de calor en lugar de un compresor. En última instancia, esta sería la única fuente de electricidad en el vehículo, dice Keim, quien reconoce que el proyecto está hacia el final visionario. No obstante, el laboratorio está en conversaciones con un socio industrial anónimo para desarrollar un prototipo.
Esto ha requerido mucho análisis inicial porque es muy revolucionario, dice Kassakian. La mayoría de la gente piensa que las pilas de combustible proporcionarán esta energía auxiliar, pero este generador a bordo está mucho más a corto plazo que las pilas de combustible. El dispositivo podría desarrollarse en cinco años, dice, mientras que las celdas de combustible que usan gasolina están más lejos.
Trabajar tanto en lo mundano como en lo visionario hace que el consorcio sea valioso para la industria, dice John Miller, ingeniero eléctrico y codirector de gobernanza de tecnología híbrida en los laboratorios de investigación de Ford Motor en Dearborn, MI. Hay un gran valor en el consorcio, porque ahora nos estamos metiendo en los aspectos prácticos de la implementación, dice. Ayudan a resolver problemas que todavía preocupan a la amplia comunidad automotriz, como fusibles, relés e interruptores de 42 voltios.
De hecho, dice Miller, Ford planea lanzar un vehículo utilitario deportivo híbrido, el Escape 2004, con un motor de arranque instantáneo. Aunque este cambio se realizará dentro del sistema de 14 voltios, Miller dice que el esfuerzo incipiente se está beneficiando de los retoques en el sótano del Edificio 10.