en af komponenterne i det moderne køretøj, der har set dramatiske ændringer i de sidste to årtier, er bilbatteriet. Hos Clore siger vi ofte, at køretøjets batteri har ændret sig mere i de sidste 12 år end de foregående 60 år. Med det i tankerne troede vi, at det var et godt tidspunkt at se tilbage på bilbatteriets historie samt kaste om ekspertudtalelser om, hvor batterierne er på vej i de næste 20 år.
gammel oprindelse?
Nogle forskere mener, at der er fundet beviser, der understøtter teorien om, at en batterilignende enhed blev brugt af de gamle Parthere, der styrede området for det, der nu er Bagdad i 200 F.kr. Mens man gravede jernbanelinjer i 1930 ‘ erne i Bagdad, fandt arbejderne 13 cm lange lerkrukker, som efter detaljeret inspektion syntes at ligne batterier. De var komplette med en positiv terminal (en jernstang) og en negativ terminal (en kobbercylinder), og det antages, at en eddikelignende opløsning blev brugt som elektrolytten, der tillod den kemiske reaktion, der var nødvendig for batteridrift. Ikke alle eksperter er enige om, at disse lerpotteenheder faktisk var batterier, og der er heller ikke enighed om, hvad de ville have været brugt til. Når det er sagt, har moderne replikaer vist evnen til at generere mellem 0.8 V-2.0 V med hver pot. Så batterier kan have haft deres start så længe som 2000+ år siden.
hurtigt frem til det første blybatteri
mens der blev taget små skridt i batterifremskridt i begyndelsen af 1700 ‘ erne, kom det næste store øjeblik i udviklingen af batteriet med Alessandro Volta, der i 1800 lavede flere vigtige opdagelser, der ansporede fremskridt med batteriudvikling. Først identificerede han, at visse væsker genererede en kontinuerlig strøm af elektrisk strøm, når de blev brugt som leder. Han fandt også ud af, at forskellige metaller erhverver og frigiver elektroner ved forskellige hastigheder (spændingspotentiale). Endelig opdagede han, at han kunne øge den samlede spænding ved at stable sine celler oven på hinanden.
disse og andre opdagelser ansporede yderligere opfindelse, der kulminerede i designet af det første masseproduktionsbatteri af Vilhelm Cruickshank i 1802. Cruickshank arrangerede sink – og kobberplader i en forseglet trækasse og nedsænkede dem i en elektrolyt af saltlage. Hans og andre batterier udviklede sig i de efterfølgende år, men de delte alle et fælles dilemma: de var alle engangsbatterier, der ikke kunne genoplades.
i 1859 løste en fransk fysiker ved navn Gaston Plant Karrus engangsdilemmaet ved at udvikle det første bly-syrebatteri, generelt det samme koncept, der blev brugt til de fleste af nutidens køretøjsbatterier. Planterets design anvendte en anode (negativ elektrode) lavet af bly og en katode (positiv elektrode) lavet af bly. Hans var det første batteri, der brugte en enkelt elektrolyt til begge elektroder. Men hans store gennembrud var det faktum, at hans design gjorde det muligt at genoplade batteriet ved at vende den naturlige kemiske reaktion. Mens hans design havde nogle mangler, såsom dets korte strømleveringstid, markerede det et stort skridt i batteriudviklingen og er den klare forløber for nutidens bilbatterier. I 1881 forbedrede Camille Alphonse Faure, en fransk Kemiingeniør, Planterkonceptet ved at skabe en bedre struktur for batteriet. I modsætning til Planterets spiraldesign udviklede Faure et blygittergitter, hvori der blev presset en blygitterpasta, der dannede en plade. Dette design gjorde det muligt at kombinere flere plader for stort kraftpotentiale og var meget lettere at masseproducere.
en væsentlig komponent i køretøjsdesign
selvom der blev gjort betydelige fremskridt inden for batteridesign fra Plant Karts originale design i 1859 til århundredeskiftet, blev blybatterier ikke brugt i tidlige køretøjssystemer. Dette skyldtes, at de fleste af disse køretøjer ikke havde nogen elektrisk efterspørgsel, mens de var i drift og blev begyndt at bruge en eller anden form for mekanisk proces, såsom et krumtapsystem. Som et resultat var der ikke noget presserende behov for evnen til at opbevare elektrisk kapacitet i disse køretøjer.
den elektriske starter var udviklingen, der ændrede landskabet og kørte behovet for lagret elektrisk kapacitet i køretøjet. Det første køretøj udstyret med en elektrisk starter i USA var 1912 Cadillac. Selvstarteren blev udviklet af Henry M. Leland og Charles Kettering på Cadillac, senere købt af General Motors. Leland skubbede Kettering til at designe et alternativ til krumtapstartsystemer, efter at en anden Cadillac-ingeniør blev ramt i hovedet og dræbt af en startsving, da motoren vendte tilbage.
i midten af teenagere var der mange startmekanismer anvendt af biler, men i 1920 var de fleste nye køretøjer udstyret med elektriske startere. Denne ændring øgede hurtigt behovet for en pålidelig strømforsyning inden for køretøjsarkitekturen, hvilket gjorde blysyrebatteriet til en væsentlig komponent i bilindustrien. I 1918 blev den Hudson Motor Car Company var den første til at bruge en standard batteristørrelse i henhold til BCI (Battery Council International) SPECIFIKATIONER. BCI batterigruppestørrelser bruges stadig i dag (Gruppe 24, gruppe 27 osv.).
i denne periode og ind i 1950 ‘ erne var køretøjets startbatterier og elektriske systemer 6V-systemer. Et stort skift skete i 1950 ‘ erne, da større biler og større motorer nødvendiggjorde den større effekt, der blev leveret af 12v batterier og systemer. Vi vil foreslå, at dette var sidste store ændring af batteri/køretøjssystemdesign inden slutningen af det 20.århundrede.
når det er sagt, var der fremskridt i denne periode. Et stort skridt for køretøjsejerens bekvemmelighed var introduktionen i 1971 af Delco-Remy Freedom Battery, det første vedligeholdelsesfrie blysyrebatteri, der blev brugt i en bilapplikation. I 1970 ‘ erne så også fremkomsten af VRLA AGM-batterier, skønt disse stort set var begrænset til specialapplikationer indtil de senere år.
den moderne æra – AGM-batterier
som det kan ses af den parallelle udvikling af batteriteknologi og køretøjsdesign, skaber udviklingen i den ene ofte behovet for mulighed for at ændre sig i den anden. Den moderne æra er ikke anderledes. Da køretøjets elektriske efterspørgsel steg i 1990 ‘erne og 2000’ erne, drevet af både en stigning i kabinekomfort og et stadigt voksende elektrisk system, var det klart, at det traditionelle blybatteri nåede sin grænse med hensyn til at imødekomme systembehov. Dette drev behovet for nye konstruktioner og nye kemikalier.
et stort svar på de skiftende strømbehov i dagens køretøjer har været vedtagelsen af AGM-batterier. AGM (Absorbed Glass Mat) batterier begyndte at blive brugt i militære applikationer i midten af 1980 ‘ erne. disse Ventilregulerede blysyre (VRLA) batterier giver mange fordele ved køretøjets systemdesign. For det første har de typisk meget lavere intern modstand end traditionelle oversvømmede batterier, hvilket betyder, at de vil varme op mindre i den typiske opladnings – /afladningscyklus, hvilket forbedrer levetiden. Derudover kan AGM-batterier aflades dybere end traditionelle oversvømmede batterier. Dette er en kritisk fordel, da de øgede elektriske krav fra moderne køretøjer betyder, at batteriet skal opfylde spidsbelastninger, når generatorens output maksimeres. Endelig er AGM-batterier på grund af deres konstruktion mere vibrationsbestandige end traditionelle oversvømmede batterier, og fordi de er forseglet og spildfri, kan de opbevares og betjenes i enhver retning.
en større systemudvikling, der driver populariteten af AGM-batterier, er vedtagelsen af Start-Stop-motorsystemer, der lukker motoren ned, når køretøjet stopper fuldstændigt og straks starter det igen, når førerens fod tages af bremsen. Disse systemer, der gør det muligt for producenterne at forbedre brændstofeffektiviteten, implementeres typisk ved hjælp af et eller flere AGM-batterier. Batterierne, der findes i sådanne systemer, kan være standard AGM-batterier, specielle Start-Stop AGM-batterier eller en kombination af de to. Andre batterityper forventes at blive indarbejdet i disse systemer i de kommende modelår, men i øjeblikket er AGM-batterier den dominerende konstruktion, der bruges.
Lithium, hybrider og Ev ‘ er
flere OE-producenter er begyndt at indarbejde lithiumbatterier i traditionelle designs som startbatterier (Porsche er et godt eksempel) samt komponenter inden for Start-Stop-systemer. Lithiumbatterikemikalier er meget energitætte, leverer store mængder strøm (enten startkraft eller reservekraft) i en lille, letvægtspakke. Den dominerende startbatteri lithiumkemi er LiFePO4 (Lithiumjernphosphat). Denne kemi leverer en høj effekttæthed uden volatiliteten i andre lithiumkemikalier, hvilket gør det til et passende udskiftningsbatteri til mange applikationer eller køretøjer, hvor blybatterier er installeret.
udviklingen af hybrider, plug-in-hybrider og Ev ‘ er skabte en efterspørgsel efter meget større batteristrøm, men vægten af bly-syreopløsninger gjorde dem upraktiske til disse applikationer. For at imødekomme strøm/vægtudfordringen brugte tidlige hybrider overvejende NiMH (nikkel-metalhydrid) batterier til at løse dette problem. Som et eksempel, 2010 Toyota Prius indarbejdet en 1.31 KH NiMH batteripakke.
det samme behov for at øge strømmen uden ekstra vægt, der kørte skiftet fra blysyre til NiMH, forårsagede også et skift fra NiMH til Li-ion batteripakker. Ud over, Li-ion – batterier kan aflades dybere end NiMH-batterier, hvilket betyder, at mere af batteriet kan bruges under hver afladningscyklus-i traditionelle termer, Dette er som at være i stand til at køre din gasdrevne bil, indtil den når karrus tank vs. karrus tank, før du behøver at genopfylde. Brug af Prius som et eksempel, 2016 Prius bruger en 207v,.75 kg Li-ion batteripakke, der vejer kun 54 kg. vs den gamle 202v, 1.31 KH NiMH batteripakke vejer 89 lbs.
Plug-in hybrider og elektriske køretøjer (EV ‘ er) øger strømbehovet eksponentielt, hvilket gør Li-ion til den valgte kemi for nuværende modeller. Men med den øgede effekt, der leveres af disse batteripakker, kommer en tilsvarende stigning i vægt, selv med Li-ion-konstruktioner. 4.4 Li-ion batteripakke i Prius Plug-In-modeller før 2016 vejede 180 kg, EV ‘ er har eksponentielt brug for mere batterikapacitet, som kommer ekstra vægt med. Nissan Leaf 24 kg Li-ion batteripakke vejer 480 kg (med kontrolmodul), mens den 85 kg Li-ion batteripakke, der findes i Tesla Model S, kommer ind på cirka 1200 kg.
det er rimeligt at forvente, at Li-ion-batterier snart når deres grænse med hensyn til strømforsyning inden for et rimeligt vægtområde. Mange nye batterikemikalier såvel som konkurrerende teknologier som brintbrændselsceller kæmper for at blive den næste foretrukne strømkilde til elektriske køretøjer. Som vi har set i løbet af de sidste 15 år, skaber skiftende systembehov og den konstante drivkraft for forbedret ydeevne muligheder for nye teknologier. Fordi kursændringen stiger, kan det overraske os i 2030 for at se, hvad der driver personbiler.