Uno dei componenti del veicolo moderno che ha visto cambiamenti drammatici negli ultimi due decenni è la batteria automobilistica. A Clore, diciamo spesso che la batteria del veicolo è cambiata di più negli ultimi 12 anni rispetto ai precedenti 60 anni. Con questo in mente, abbiamo pensato che questo fosse un buon momento per guardare indietro alla storia della batteria automobilistica e lanciare per le opinioni degli esperti su dove le batterie sono dirette nei prossimi 20 anni.
Origini antiche?
Alcuni scienziati ritengono che siano state trovate prove a sostegno della teoria che un dispositivo simile a una batteria fosse usato dagli antichi Parti, che governarono l’area di quella che oggi è Baghdad nel 200 AC. Mentre scavavano linee ferroviarie nel 1930 a Baghdad, i lavoratori hanno trovato vasi di argilla lunghi 13 cm che, dopo un’ispezione dettagliata, sembravano assomigliare a batterie. Erano completi di un terminale positivo (un’asta di ferro) e di un terminale negativo (un cilindro di rame) e si ritiene che una soluzione simile all’aceto sia stata utilizzata come elettrolita che ha permesso la reazione chimica necessaria per il funzionamento a batteria. Non tutti gli esperti concordano sul fatto che questi dispositivi pot argilla erano, infatti, batterie, né c’è consenso su ciò che sarebbero stati utilizzati per. Detto questo, le repliche moderne hanno dimostrato la capacità di generare tra 0.8 V-2.0 V con ogni piatto. Quindi, le batterie potrebbero aver avuto il loro inizio fino a 2000 + anni fa.
Fast Forward alla prima batteria al piombo
Mentre ci sono stati piccoli passi nel progresso della batteria nei primi anni del 1700, il prossimo momento importante nell’evoluzione della batteria è venuto con Alessandro Volta, che nel 1800 ha fatto diverse scoperte chiave che hanno stimolato i progressi sullo sviluppo della batteria. In primo luogo, ha identificato che alcuni liquidi hanno generato un flusso continuo di energia elettrica quando usato come conduttore. Ha anche capito che diversi metalli acquisiscono e rilasciano elettroni a velocità diverse (potenziale di tensione). Infine, ha scoperto che poteva aumentare la tensione totale impilando le sue celle una sopra l’altra.
Queste e altre scoperte stimolarono un’ulteriore invenzione, culminata nella progettazione della prima batteria di produzione di massa da parte di William Cruickshank nel 1802. Cruickshank sistemò lastre di zinco e rame in una scatola di legno sigillata e le immerse in un elettrolita di salamoia. Le sue e altre batterie si sono evolute nel corso degli anni successivi, ma tutti hanno condiviso un dilemma comune: erano tutte batterie monouso, incapaci di essere ricaricate.
Nel 1859, un fisico francese di nome Gaston Planté risolse il dilemma monouso sviluppando la prima batteria al piombo, generalmente lo stesso concetto utilizzato per la maggior parte delle batterie di avviamento dei veicoli di oggi. Il progetto di Planté utilizzava un anodo (elettrodo negativo) fatto di piombo e un catodo (elettrodo positivo) fatto di biossido di piombo. La sua è stata la prima batteria ad utilizzare un singolo elettrolita per entrambi gli elettrodi. Ma il suo grande passo avanti è stato il fatto che il suo design ha permesso alla batteria di essere ricaricata invertendo la reazione chimica naturale. Mentre il suo design ha avuto alcune carenze, come la sua breve durata di erogazione di potenza, ha segnato un passo importante nell’evoluzione della batteria ed è il chiaro precursore delle batterie automobilistiche di oggi. Nel 1881, Camille Alphonse Faure, un ingegnere chimico francese, perfezionò il concetto di Planté creando una migliore struttura per la batteria. A differenza del disegno a spirale di Planté, Faure sviluppò un reticolo a griglia di piombo in cui veniva pressata una pasta di ossido di piombo, formando una piastra. Questo design ha permesso di combinare più piastre per un grande potenziale di potenza ed è stato molto più facile da produrre in serie.
Un componente essenziale nella progettazione del veicolo
Sebbene siano stati fatti progressi significativi nella progettazione delle batterie dai progetti originali di Planté nel 1859 alla fine del secolo, le batterie al piombo non sono state utilizzate nei primi sistemi del veicolo. Questo perché la maggior parte di questi veicoli non aveva alcuna domanda elettrica durante il funzionamento e sono stati avviati utilizzando una qualche forma di processo meccanico, come un sistema a manovella. Di conseguenza, non c’era bisogno urgente della capacità di immagazzinare la capacità elettrica in quei veicoli.
L’avviamento elettrico è stato lo sviluppo che ha cambiato il paesaggio e ha spinto la necessità di capacità elettrica immagazzinata nel veicolo. Il primo veicolo equipaggiato con un avviatore elettrico negli Stati Uniti fu la Cadillac del 1912. Il self-starter è stato sviluppato da Henry M. Leland e Charles Kettering alla Cadillac, in seguito acquistata dalla General Motors. Leland ha spinto Kettering a progettare un’alternativa ai sistemi di avviamento a manovella dopo che un altro ingegnere Cadillac è stato colpito alla testa e ucciso da una manovella di partenza quando il suo motore si è ritorto contro.
A metà degli anni dell’adolescenza, c’erano molti meccanismi di avviamento impiegati dalle automobili, ma, nel 1920, la maggior parte dei nuovi veicoli erano dotati di avviatori elettrici. Questo cambiamento ha rapidamente aumentato la necessità di un alimentatore affidabile all’interno dell’architettura del veicolo, rendendo la batteria al piombo un componente essenziale dell’industria automobilistica. Nel 1918, la Hudson Motor Car Company fu la prima ad utilizzare una batteria standard secondo le specifiche BCI (Battery Council International). Le dimensioni dei gruppi di batterie BCI sono ancora utilizzate oggi (Gruppo 24, Gruppo 27, ecc.).
Durante questo periodo e nel 1950, batterie di avviamento del veicolo e sistemi elettrici erano sistemi 6V. Un cambiamento importante si è verificato nel 1950, come le auto più grandi e motori più grandi hanno reso necessaria la maggiore potenza fornita da batterie e sistemi 12V. Vorremmo suggerire che questo è stato l’ultimo grande cambiamento nella progettazione del sistema batteria / veicolo prima della fine del 20 ° secolo.
Detto questo, ci sono stati progressi durante questo periodo. Un passo importante per la comodità del proprietario del veicolo è stata l’introduzione nel 1971 della Delco-Remy Freedom Battery, la prima batteria al piombo senza manutenzione utilizzata in un’applicazione automobilistica. Il 1970 ha visto anche l’emergere di batterie VRLA AGM, anche se questi sono stati in gran parte confinati alle applicazioni speciali fino a recenti anni.
L’era moderna – Batterie AGM
Come si può vedere dall’evoluzione parallela della tecnologia delle batterie e del design dei veicoli, gli sviluppi in uno spesso guidano la necessità di opportunità di cambiare nell’altro. L’era moderna non è diversa. Mentre la domanda elettrica del veicolo aumentava negli anni 1990 e 2000, spinta sia da un aumento delle comodità in cabina che da un sistema elettrico in continua crescita, era chiaro che la tradizionale batteria al piombo stava raggiungendo il suo limite in termini di esigenze del sistema. Questo ha spinto la necessità di nuove costruzioni e nuove chimiche.
Uno dei maggiori in risposta alle mutevoli esigenze di alimentazione dei veicoli di oggi è stata l’adozione di batterie AGM. Le batterie AGM (Absorbed Glass Mat) hanno iniziato ad essere utilizzate in applicazioni militari a metà degli anni 1980. Queste batterie al piombo (VRLA) regolate da valvole apportano molti vantaggi alla progettazione del sistema del veicolo. Innanzitutto, in genere hanno una resistenza interna molto inferiore rispetto alle tradizionali batterie allagate, il che significa che si riscalderanno meno nel tipico ciclo di carica/scarica, il che migliora la longevità. Inoltre, le batterie AGM possono essere scaricate più profondamente rispetto alle tradizionali batterie allagate. Questo è un vantaggio fondamentale, dal momento che l’aumento delle esigenze elettriche dei veicoli moderni significa che la batteria deve soddisfare i carichi di picco quando l’uscita dell’alternatore è al massimo. Infine, le batterie AGM, grazie alla loro costruzione, sono più resistenti alle vibrazioni rispetto alle tradizionali batterie allagate e, poiché sono sigillate e prive di fuoriuscite, possono essere immagazzinate e utilizzate in qualsiasi orientamento.
Un’importante evoluzione dei sistemi che sta guidando la popolarità delle batterie AGM è l’adozione di sistemi di motore Start-Stop, che spengono il motore quando il veicolo si arresta completamente e lo riavviano immediatamente quando il piede del conducente viene tolto dal freno. Questi sistemi, che consentono ai produttori di migliorare l’efficienza del carburante, sono in genere implementati utilizzando una o più batterie AGM. Le batterie presenti in tali sistemi possono essere batterie AGM standard, batterie AGM Start-Stop speciali o una combinazione dei due. Altri tipi di batterie dovrebbero essere incorporati in questi sistemi nei prossimi anni di modello, ma attualmente, le batterie AGM sono la costruzione dominante utilizzata.
Litio, ibridi e veicoli elettrici
Diversi produttori di OE hanno iniziato a incorporare batterie al litio nei progetti tradizionali come batterie di avviamento (Porsche è un buon esempio) e componenti all’interno dei sistemi Start-Stop. Le chimiche delle batterie al litio sono molto energetiche, forniscono elevate quantità di potenza (potenza iniziale o potenza di riserva) in un pacchetto piccolo e leggero. La chimica del litio della batteria di avviamento dominante è LiFePO4 (fosfato di ferro di litio). Questa chimica offre un’elevata densità di potenza senza la volatilità di altre sostanze chimiche al litio, rendendola una batteria di ricambio adatta per molte applicazioni o veicoli in cui sono installate batterie al piombo.
Lo sviluppo di ibridi, ibridi plug-in e veicoli elettrici ha creato una domanda di molto maggiore potenza della batteria, ma il peso delle soluzioni al piombo-acido li ha resi poco pratici per queste applicazioni. Per affrontare la sfida potenza / peso, i primi ibridi utilizzavano prevalentemente batterie NiMH (nichel-metallo idruro) per risolvere questo problema. Ad esempio, la Toyota Prius del 2010 ha incorporato un pacco batterie NiMH da 1,31 kWh.
La stessa necessità di aumentare la potenza senza peso aggiunto che ha guidato il passaggio dal piombo acido al NiMH ha causato anche uno spostamento da NiMH a batterie agli ioni di litio. Inoltre, le batterie agli ioni di litio possono essere scaricate più profondamente rispetto alle batterie NiMH, il che significa che più della batteria può essere utilizzata durante ogni ciclo di scarica – in termini tradizionali, questo è come essere in grado di guidare la tua auto alimentata a gas fino a raggiungere ¼ serbatoio vs ½ serbatoio prima di dover ricaricare. Utilizzando la Prius come esempio, il 2016 Prius utilizza un 207V,.75 kWh batteria agli ioni di litio del peso di soli 54 libbre. vs il vecchio 202 V, 1.31 kWh NiMH batteria del peso di 89 lbs.
Ibridi plug-in e veicoli elettrici (EV) aumentare il fabbisogno di potenza in modo esponenziale, rendendo Li-ion la chimica di scelta per i modelli attuali. Ma, con l’aumento della potenza erogata da queste batterie arriva un aumento commisurato del peso, anche con le costruzioni agli ioni di litio. Il pacco batteria agli ioni di litio da 4,4 kWh nei modelli plug-in Prius pre-2016 pesava 180 libbre, i veicoli elettrici hanno bisogno esponenzialmente di più capacità della batteria, con la quale viene fornito un peso aggiuntivo. Il pacco batterie agli ioni di litio Nissan Leaf da 24 kWh pesa 480 libbre (con modulo di controllo), mentre il pacco batterie agli ioni di litio da 85 kWh trovato nella Tesla Model S arriva a circa 1200 libbre.
È ragionevole aspettarsi che le batterie agli ioni di litio raggiungano presto il loro limite in termini di erogazione di potenza entro un intervallo di peso ragionevole. Molte nuove batterie chimiche, così come le tecnologie concorrenti come le celle a combustibile a idrogeno, sono in lizza per diventare la prossima fonte di energia preferita per i veicoli elettrici. Come abbiamo visto negli ultimi 15 anni, il cambiamento delle esigenze del sistema e la costante spinta a migliorare le prestazioni creano opportunità per le nuove tecnologie. Poiché la variazione dei tassi è in aumento, potrebbe sorprenderci nel 2030 vedere cosa sta alimentando i veicoli passeggeri.