yksi modernin ajoneuvon osista, joka on nähnyt dramaattisen muutoksen kahden viime vuosikymmenen aikana, on autoakku. Clorella sanomme usein, että ajoneuvon akku on muuttunut viimeisen 12 vuoden aikana enemmän kuin edeltävän 60 vuoden aikana. Tässä mielessä ajattelimme, että tämä oli hyvä aika katsoa taaksepäin auton akun historiaan sekä esittää asiantuntijalausuntoja siitä, mihin akut ovat menossa seuraavan 20 vuoden aikana.
Ancient Origins?
jotkut tutkijat uskovat, että on löydetty todisteita, jotka tukevat teoriaa, jonka mukaan akunkaltaista laitetta käyttivät muinaiset parthialaiset, jotka hallitsivat nykyisen Bagdadin aluetta 200 eaa. Kaivaessaan rautateitä 1930-luvulla Bagdadissa työläiset löysivät 13cm pitkiä savipurkkeja, jotka yksityiskohtaisen tarkastuksen jälkeen näyttivät muistuttavan paristoja. Niissä oli positiivinen pääte (rautasauva) ja negatiivinen pääte (kuparisylinteri), ja elektrolyyttinä uskotaan käytetyn etikan kaltaista liuosta, joka mahdollisti paristojen toiminnan edellyttämän kemiallisen reaktion. Kaikki asiantuntijat eivät ole yhtä mieltä siitä, että nämä saviruukkulaitteet olisivat itse asiassa olleet paristoja, eikä ole yksimielisyyttä siitä, mihin niitä olisi käytetty. Se sanoi, moderni jäljennökset ovat osoittaneet kyky tuottaa välillä 0.8 V-2.0 V jokaisen potin. Niinpä akut ovat saattaneet saada alkunsa jo 2000 + vuotta sitten.
pikakelaus ensimmäiseen Lyijyakkuun
vaikka akun kehityksessä otettiin pieniä askeleita 1700-luvun alussa, seuraava merkittävä hetki akun kehityksessä tuli Alessandro Voltalla, joka vuonna 1800 teki useita avainlöytöjä, jotka vauhdittivat akkujen kehitystä. Ensinnäkin hän tunnisti, että tietyt nesteet saivat aikaan jatkuvan sähkövirran, kun niitä käytettiin johtimena. Hän myös keksi, että eri metallit hankkivat ja vapauttavat elektroneja eri nopeudella (jännitepotentiaali). Lopulta hän huomasi pystyvänsä lisäämään kokonaisjännitettä pinoamalla solunsa päällekkäin.
nämä ja muut löydöt vauhdittivat uusia keksintöjä, jotka huipentuivat William Cruickshankin suunnittelemaan ensimmäiseen massatuotantopatteriin vuonna 1802. Cruickshank järjesti sinkki-ja kuparilevyt suljettuun puulaatikkoon ja upotti ne suolavedessä olevaan elektrolyyttiin. Hänen akkunsa ja muut akkunsa kehittyivät seuraavien vuosien aikana, mutta niillä kaikilla oli yhteinen ongelma: ne olivat kaikki kertakäyttöisiä akkuja, joita ei voinut ladata uudelleen.
vuonna 1859 ranskalainen fyysikko nimeltä Gaston Planté ratkaisi kertakäyttöisen dilemman kehittämällä ensimmäisen lyijyhappoakun, jota käytetään yleensä useimmissa nykyisissä ajoneuvojen käynnistysakuissa. Plantén suunnittelussa hyödynnettiin lyijystä tehtyä anodia (negatiivinen elektrodi) ja lyijydioksidista tehtyä katodia (positiivinen elektrodi). His oli ensimmäinen akku, joka käytti yhtä elektrolyyttiä molempiin elektrodeihin. Mutta hänen suuri läpimurtonsa oli se, että hänen suunnittelunsa mahdollisti akun lataamisen kääntämällä luonnollisen kemiallisen reaktion. Vaikka hänen suunnittelussaan oli joitakin puutteita, kuten sen lyhyt virrantoimitusaika, se merkitsi suurta askelta akkujen kehityksessä ja on selkeä edeltäjä nykypäivän autojen akuille. Vuonna 1881 ranskalainen kemian insinööri Camille Alphonse Faure paransi Plantén konseptia luomalla paristolle paremman rakenteen. Plantén spiraalirakenteesta poiketen Faure kehitti lyijyverkkohilan, johon puristettiin lyijyoksidipasta muodostaen levyn. Tämä rakenne mahdollisti useiden levyjen yhdistämisen suuren voimapotentiaalin saavuttamiseksi ja oli paljon helpompi massatuotanto.
oleellinen osa ajoneuvojen suunnittelua
vaikka akkujen suunnittelussa saavutettiin merkittävää edistystä Plantén alkuperäisistä suunnitelmista vuonna 1859 vuosisadan vaihteeseen, lyijyakkuja ei hyödynnetty varhaisissa ajoneuvojärjestelmissä. Tämä johtui siitä, että useimmilla noista ajoneuvoista ei ollut käytössä sähköntarvetta, ja ne aloitettiin jonkinlaisella mekaanisella prosessilla, kuten kampijärjestelmällä. Näin ollen sähköntuotantokapasiteetin varastoimiselle kyseisissä ajoneuvoissa ei ollut pakottavaa tarvetta.
sähkökäynnistin oli kehitys, joka muutti maisemaa ja ajoi tarpeeseen varastoida sähkökapasiteettia autoon. Ensimmäinen sähkökäynnistimellä varustettu ajoneuvo Yhdysvalloissa oli vuoden 1912 Cadillac. Omatoimisen käynnistimen kehitti Henry M. Leland ja Charles Kettering Cadillacilla, jonka General Motors myöhemmin osti. Leland patisti Ketteringiä suunnittelemaan vaihtoehdon kampien käynnistysjärjestelmille sen jälkeen, kun toinen Cadillacin insinööri sai osuman päähänsä ja sai surmansa käynnistyskammesta, kun sen moottori sammui.
Keski-teini-iässä autojen käytössä oli monia käynnistysmekanismeja, mutta vuoteen 1920 mennessä useimmat uudet ajoneuvot oli varustettu sähkökäynnistimillä. Tämä muutos lisäsi nopeasti luotettavan virtalähteen tarvetta ajoneuvoarkkitehtuurissa, minkä vuoksi lyijyakku on olennainen osa autoteollisuutta. Vuonna 1918 Hudson Motor Car Company otti ensimmäisenä käyttöön BCI: n (Battery Council International) määritysten mukaisen vakioakkukoon. BCI-akkujen ryhmäkoot ovat edelleen käytössä (ryhmä 24, Ryhmä 27 jne.).
tänä aikana ja 1950-luvulle asti ajoneuvojen käynnistysakut ja sähköjärjestelmät olivat 6V-järjestelmiä. Suuri muutos tapahtui 1950-luvulla, kun suuremmat autot ja suuremmat moottorit vaativat suuremman tehon 12 voltin akuilla ja järjestelmillä. Ehdotamme, että tämä oli viimeinen merkittävä muutos akun / ajoneuvon järjestelmän suunnitteluun ennen 20. vuosisadan loppua.
se sanoi, että tällä kaudella on tapahtunut edistystä. Merkittävä askel ajoneuvon omistajan mukavuudelle oli Delco-Remy Freedom Battery-akun käyttöönotto vuonna 1971.se oli ensimmäinen huoltovapaa lyijyakku, jota käytettiin autosovelluksessa. 1970-luvulla syntyi myös VRLA AGM-akut, jotka tosin rajoittuivat viime vuosiin asti lähinnä erikoissovelluksiin.
Nykyaika – AGM-akut
kuten akkuteknologian ja ajoneuvosuunnittelun rinnakkainen kehitys osoittaa, toisen kehitys ajaa usein tarvetta mahdollisuuksiin muuttua toisessa. Nykyaika ei ole sen kummempi. Kun ajoneuvojen sähköntarve kasvoi 1990-ja 2000-luvuilla sekä matkustamon mukavuuksien että yhä kasvavan sähköjärjestelmän ansiosta, oli selvää, että perinteinen lyijyakku oli saavuttamassa rajansa järjestelmätarpeiden täyttämisessä. Tämä ajoi tarvetta uusille rakennelmille ja uusille kemisteille.
yksi merkittävä vastaus nykyisten ajoneuvojen muuttuviin voimantarpeisiin on ollut AGM-akkujen käyttöönotto. AGM (Absorbed Glass Mat)-akkuja alettiin käyttää sotilassovelluksissa 1980-luvun puolivälissä. nämä Valve Regulated Lead Acid (VRLA) – akut tuovat monia etuja ajoneuvojärjestelmän suunnitteluun. Ensinnäkin niillä on tyypillisesti paljon pienempi sisäinen vastus kuin perinteisillä tulvivilla akuilla, mikä tarkoittaa, että ne kuumenevat vähemmän tyypillisessä lataus – /purkusyklissä, mikä parantaa pitkäikäisyyttä. Lisäksi AGM-akut voidaan purkaa syvemmin kuin perinteiset tulvivat akut. Tämä on kriittinen etu, koska nykyaikaisten ajoneuvojen lisääntyneet sähkövaatimukset merkitsevät sitä, että akun on täytettävä huippukuormitukset, kun laturin teho on maksimoitu. AGM-akut ovat rakenteensa vuoksi tärinänkestävämpiä kuin perinteiset tulvivat Akut, ja koska ne ovat suljettuja ja vuotamattomia, niitä voidaan varastoida ja käyttää missä tahansa suunnassa.
merkittävä järjestelmäkehitys, joka ajaa AGM-akkujen suosiota, on Start-Stop-moottorijärjestelmien käyttöönotto, jotka sammuttavat Moottorin ajoneuvon pysähtyessä kokonaan ja käynnistävät sen välittömästi takaisin ylös, kun kuljettajan jalka otetaan pois jarrulta. Nämä järjestelmät, joiden avulla valmistajat voivat parantaa polttoainetehokkuutta, otetaan tyypillisesti käyttöön käyttämällä yhtä tai useampaa AGM-akkua. Näistä järjestelmistä löytyvät akut voivat olla tavallisia AGM-akkuja, specialty Start-Stop AGM-akkuja tai näiden kahden yhdistelmää. Muita akkutyyppejä on tarkoitus sisällyttää näihin järjestelmiin tulevina mallivuosina, mutta tällä hetkellä AGM-akut ovat vallitseva käytössä oleva rakenne.
litium, hybridit ja EVs
useat OE-valmistajat ovat alkaneet sisällyttää litiumparistoja perinteiseen malliin käynnistysakkuina (Porsche on hyvä esimerkki) sekä Start-Stop-järjestelmien komponentteja. Litiumparistojen kemikaalit ovat erittäin energiatiheitä, tuottavat suuria määriä virtaa (joko käynnistystehoa tai varavoimaa) pienessä, kevyessä paketissa. Vallitseva alkuakkujen litiumkemia on LiFePO4 (Litiumrautafosfaatti). Tämä kemia tuottaa suuren tehotiheyden ilman muiden litiumkemikaalien volatiliteettia, joten se on sopiva vaihtoakku moniin sovelluksiin tai ajoneuvoihin, joissa lyijyakut on asennettu.
hybridien, plug-in-hybridien ja EVs: n kehitys loi kysyntää paljon suuremmalle akkuteholle, mutta lyijyhapporatkaisujen paino teki niistä epäkäytännöllisiä näihin sovelluksiin. Vastatakseen teho / paino-haasteeseen varhaiset hybridit käyttivät pääasiassa NiMH-akkuja (nikkelimetallihydridi) tämän ongelman ratkaisemiseksi. Esimerkiksi vuoden 2010 Toyota Prius sisälsi 1,31 kWh: n NiMH-akkupaketin.
sama tarve lisätä tehoa ilman lisäpainoa, joka ajoi siirtymisen lyijyhaposta Nimhiin, aiheutti myös siirtymisen Nimhistä Li-ion-akkupaketteihin. Lisäksi Li-ion-akut voidaan purkaa syvemmin kuin NiMH-akut, mikä tarkoittaa, että enemmän akkua voidaan käyttää jokaisen purkaussyklin aikana – perinteisessä mielessä tämä on kuin pystyisi ajamaan kaasukäyttöistä autoa, kunnes se saavuttaa ¼ -säiliön vs. ½ – säiliön ennen täyttämistä. Käyttämällä Prius esimerkkinä, 2016 Prius käyttää 207v,.75 kWh Li-ion – akkupaketti painaa vain 54 lbs. vs vanha 202v, 1.31 kWh NiMH akku painaa 89 lbs.
Plug-in hybridit ja sähköajoneuvot (EVs) lisäävät tehontarvetta eksponentiaalisesti, mikä tekee Li-ionista nykyisen mallin valitseman kemian. Mutta näiden akkupakettien tuottaman tehon kasvaessa paino kasvaa vastaavasti, jopa Li-ion-rakenteilla. Ennen 2016 Prius Plug-in-mallien 4,4 kWh: n Li-ion-akkupaketti painoi 180 lbs, EVs tarvitsee eksponentiaalisesti lisää akkukapasiteettia, mikä tuo lisäpainoa. Nissan Leafin 24 kWh: n Li-ion-akkupaketti painaa 480 lbs (ohjausmoduulin kanssa), kun taas Tesla Model S: stä löytyvä 85 kWh: n Li-ion-akkupaketti on noin 1200 lbs.
on kohtuullista odottaa, että Li-ion-akut saavuttavat pian rajansa sähköntoimituksessa kohtuullisella painoalueella. Monet uudet akkukemikaalit sekä kilpailevat teknologiat, kuten vetypolttokennot, pyrkivät nousemaan sähköautojen seuraavaksi suosituimmaksi voimanlähteeksi. Kuten olemme nähneet viimeisten 15 vuoden aikana, muuttuvat järjestelmätarpeet ja jatkuva pyrkimys parantaa suorituskykyä luovat mahdollisuuksia uusille teknologioille. Koska taksamuutos kasvaa, voi olla yllätys, että vuonna 2030 nähdään, mikä henkilöautoissa virtaa.