een van de componenten van het moderne voertuig dat in de afgelopen twee decennia een dramatische verandering heeft ondergaan, is de autoaccu. Bij Clore zeggen we vaak dat de accu van het voertuig meer is veranderd in de afgelopen 12 jaar dan de voorgaande 60 jaar. Met dat in gedachten, we dachten dat dit was een goed moment om terug te kijken naar de geschiedenis van de auto-batterij, alsmede cast over voor deskundige adviezen over waar batterijen worden geleid in de komende 20 jaar.
oude oorsprong?
Fast Forward to the First Lead Acid Battery
hoewel er kleine stappen werden gezet in de batterijvoortgang in de vroege jaren 1700, kwam het volgende belangrijke moment in de evolutie van de batterij met Alessandro Volta, die in 1800 verschillende belangrijke ontdekkingen deed die de ontwikkeling van de batterij stimuleerden. Ten eerste stelde hij vast dat bepaalde vloeistoffen een continue stroom van elektrische energie genereerden wanneer ze als geleider werden gebruikt. Hij kwam er ook achter dat verschillende metalen elektronen verkrijgen en afgeven met verschillende snelheden (spanningspotentiaal). Uiteindelijk ontdekte hij dat hij de totale spanning kon verhogen door zijn cellen op elkaar te stapelen.deze en andere ontdekkingen stimuleerden verdere uitvindingen, culminerend in het ontwerp van de eerste massaproductie batterij door William Cruickshank in 1802. Cruickshank regelde zink-en koperen platen in een verzegelde houten kist en dompelde ze in een elektrolyt van pekel. Zijn en andere batterijen evolueerden in de daaropvolgende jaren, maar ze deelden allemaal een gemeenschappelijk dilemma: ze waren allemaal eenmalig gebruik batterijen, niet in staat om te worden opgeladen.
in 1859 loste de Franse natuurkundige Gaston Planté het dilemma voor eenmalig gebruik op door de eerste lood-zuurbatterij te ontwikkelen, over het algemeen hetzelfde concept dat wordt gebruikt voor de meeste startaccu ‘ s van voertuigen. Planté ‘ s ontwerp maakte gebruik van een anode (negatieve elektrode) gemaakt van lood en een kathode (positieve elektrode) gemaakt van looddioxide. Hij was de eerste batterij die één elektrolyt gebruikte voor beide elektroden. Maar zijn grote doorbraak was het feit dat zijn ontwerp het mogelijk maakte de batterij op te laden door de natuurlijke chemische reactie om te keren. Hoewel zijn ontwerp enkele tekortkomingen had, zoals de korte duur van de stroomafgifte, markeerde het een belangrijke stap in de evolutie van de batterij en is het de duidelijke voorloper van de huidige auto-batterijen. In 1881 verbeterde Camille Alphonse Faure, een Frans chemisch ingenieur, Planté ‘ s concept door een betere structuur voor de batterij te creëren. In tegenstelling tot Planté ‘ s spiraalontwerp ontwikkelde Faure een loodrooster waarin een loodoxidepasta werd geperst, waardoor een plaat werd gevormd. Dit ontwerp maakte het mogelijk om meerdere platen te combineren voor een groot vermogenspotentieel en was veel gemakkelijker in massa te produceren.
een essentieel onderdeel in het ontwerp van voertuigen
hoewel er aanzienlijke vooruitgang werd geboekt in het ontwerp van batterijen vanaf de oorspronkelijke ontwerpen van Planté in 1859 tot de eeuwwisseling, werden loodzuurbatterijen niet gebruikt in vroege voertuigsystemen. Dit was omdat de meeste van deze voertuigen geen elektrische vraag tijdens het gebruik en werden gestart met behulp van een vorm van mechanisch proces, zoals een crank systeem. Als gevolg daarvan was er geen dringende noodzaak voor de mogelijkheid om elektrische capaciteit op te slaan in die voertuigen.
De elektrische starter was de ontwikkeling die het landschap veranderde en de behoefte aan opgeslagen elektrische capaciteit in het voertuig deed toenemen. Het eerste voertuig uitgerust met een elektrische starter in de VS was de 1912 Cadillac. De self-starter werd ontwikkeld door Henry M. Leland en Charles Kettering bij Cadillac, later gekocht door General Motors. Leland duwde Kettering om een alternatief voor crank startsystemen te ontwerpen nadat een andere Cadillac ingenieur in het hoofd werd geraakt en gedood door een startende crank toen zijn motor averechts werkte.in het midden van de tienerjaren werden veel startmechanismen gebruikt door auto ‘ s, maar in 1920 waren de meeste nieuwe voertuigen uitgerust met elektrische starters. Deze verandering verhoogde snel de behoefte aan een betrouwbare voeding binnen de voertuigarchitectuur, waardoor de lood-zuurbatterij een essentieel onderdeel van de auto-industrie is. In 1918 was de Hudson Motor Car Company de eerste die een standaard batterijgrootte gebruikte volgens BCI (Battery Council International) SPECIFICATIES. BCI battery Group formaten worden nog steeds gebruikt vandaag (groep 24, groep 27, enz.).
gedurende deze periode en tot in de jaren vijftig waren startaccu ‘ s en elektrische systemen 6V-systemen. Een belangrijke verschuiving vond plaats in de jaren 1950, omdat grotere auto ‘ s en grotere motoren het grotere vermogen van 12V batterijen en systemen nodig hadden. Wij stellen voor dat dit de laatste belangrijke verandering was in het ontwerp van de batterij/het voertuig vóór het einde van de 20e eeuw.
Dit gezegd zijnde, waren er vorderingen in deze periode. Een belangrijke stap voor het gemak van de voertuigeigenaar was de introductie in 1971 van de Delco-Remy Freedom Battery, de eerste onderhoudsvrije loodzuurbatterij die in een automotive-toepassing wordt gebruikt. De jaren zeventig zagen ook de opkomst van VRLA AGM-batterijen, hoewel deze grotendeels beperkt waren tot speciale toepassingen tot de afgelopen jaren.
Het moderne tijdperk-AGM-batterijen
zoals blijkt uit de parallelle evolutie van de batterijtechnologie en het voertuigontwerp, drijven ontwikkelingen in het ene vaak de behoefte aan de mogelijkheid om in het andere te veranderen. De moderne tijd is niet anders. Toen de vraag naar elektrische auto ‘ s in de jaren 90 en 2000 toenam, zowel door een toename van het comfort in de cabine als door een steeds groeiend elektrisch systeem, was het duidelijk dat de traditionele loodzuurbatterij zijn limiet bereikte wat betreft het voldoen aan de systeembehoeften. Dit dreef de behoefte aan nieuwe constructies en nieuwe chemie.
een belangrijke reactie op de veranderende stroombehoeften van de huidige voertuigen was de invoering van AGM-batterijen. AGM (geabsorbeerd glas Mat) batterijen begonnen te worden gebruikt in militaire toepassingen in het midden van de jaren 1980. deze ventiel gereguleerde loodzuur (VRLA) batterijen bieden vele voordelen voor het voertuig systeemontwerp. Ten eerste hebben ze meestal een veel lagere interne weerstand dan traditionele overstroomde batterijen, wat betekent dat ze minder opwarmen in de typische laad – /ontlaadcyclus, wat de levensduur verbetert. Bovendien kunnen AGM-batterijen dieper worden ontladen dan traditionele ondergelopen batterijen. Dit is een cruciaal voordeel, omdat de verhoogde elektrische eisen van moderne voertuigen betekenen dat de accu aan piekbelastingen moet voldoen wanneer het vermogen van de alternator maximaal is. Tot slot zijn AGM-batterijen door hun constructie trillingsbestendiger dan traditionele overstroomde batterijen en kunnen ze, omdat ze zijn verzegeld en morsvrij zijn, in elke richting worden opgeslagen en gebruikt.
een belangrijke ontwikkeling van systemen die de populariteit van AGM-batterijen drijft, is de invoering van Start-Stop-motorsystemen, die de motor uitzetten wanneer het voertuig volledig tot stilstand komt en onmiddellijk weer opstart wanneer de voet van de rem wordt genomen. Deze systemen, die fabrikanten in staat stellen de brandstofefficiëntie te verbeteren, worden doorgaans gebruikt door een of meer AGM-batterijen. De batterijen in dergelijke systemen kunnen standaard AGM-batterijen, speciale Start-Stop AGM-batterijen of een combinatie van de twee zijn. Andere batterijtypes zullen naar verwachting de komende modeljaren in deze systemen worden geïntegreerd, maar op dit moment zijn AGM-batterijen de dominante constructie die wordt gebruikt.
Lithium, hybriden en EVs
verschillende fabrikanten van OE zijn begonnen lithiumbatterijen op te nemen in traditionele ontwerpen als startbatterijen (Porsche is een goed voorbeeld) en onderdelen binnen Start-Stopsystemen. Lithiumbatterijen zijn zeer energiedicht, leveren grote hoeveelheden stroom (startvermogen of reservevermogen) in een klein, lichtgewicht pakket. De dominante beginnende chemie van het batterijlithium is LiFePO4 (het Fosfaat van het lithiumijzer). Deze chemie levert een hoge vermogensdichtheid zonder de volatiliteit van andere lithiumchemie, waardoor het een geschikte vervangende batterij is voor veel toepassingen of voertuigen waar lood-zuurbatterijen zijn geïnstalleerd.
de ontwikkeling van hybriden, plug-inhybriden en EV ‘ s creëerde een vraag naar een veel groter batterijvermogen, maar het gewicht van loodzuuroplossingen maakte deze onpraktisch voor deze toepassingen. Om de kracht/gewicht uitdaging aan te gaan, gebruikten vroege hybriden voornamelijk NiMH-batterijen (nikkel-metaalhydride) om dit probleem op te lossen. Als voorbeeld, de 2010 Toyota Prius bevatte een 1,31 kWh NiMH accu.
dezelfde behoefte om het vermogen te verhogen zonder extra gewicht dat de verschuiving van loodzuur naar NiMH veroorzaakte, veroorzaakte ook een verschuiving van NiMH naar Li-ion batterijpakketten. Bovendien kunnen Li-ion-accu ’s dieper worden ontladen dan NiMH – accu’ s, wat betekent dat meer van de accu kan worden gebruikt tijdens elke ontladingscyclus-in traditionele termen is dit alsof je je op gas aangedreven auto kunt besturen tot hij ¼ tank vs. ½ tank bereikt voordat je moet bijvullen. Met behulp van de Prius als voorbeeld, de 2016 Prius maakt gebruik van een 207V,.75 kWh Li-ion batterijpakket met een gewicht van slechts 54 lbs. vs de oude 202V, 1,31 kWh NiMH batterij met een gewicht van 89 lbs.
Plug-in hybrides en elektrische voertuigen (EV ‘ s) verhogen de energiebehoefte exponentieel, waardoor Li-ion de chemie van de keuze voor huidige modellen. Maar, met het verhoogde vermogen geleverd door deze batterijpakketten komt een evenredige toename in gewicht, zelfs met Li-ion constructies. De 4,4 kWh Li-ion batterijpakket in pre-2016 Prius Plug-in modellen woog 180 lbs, EVs exponentieel nodig meer batterijcapaciteit, met extra gewicht. De Nissan Leaf 24 kWh Li-ion batterij pack weegt 480 lbs (met besturingsmodule), terwijl de 85 kWh Li-ion batterij pack gevonden in de Tesla Model S komt in ongeveer 1200 lbs.
Het is redelijk te verwachten dat Li-ion-accu ‘ s binnen een redelijk gewichtsbereik snel hun limiet zullen bereiken in termen van stroomafgifte. Veel nieuwe batterijchemie, evenals concurrerende technologieën zoals waterstofbrandstofcellen, strijden om de volgende geprefereerde energiebron voor elektrische voertuigen te worden. Zoals we de afgelopen 15 jaar hebben gezien, creëren veranderende systeembehoeften en de constante drang naar betere prestaties kansen voor nieuwe technologieën. Omdat de tariefwijziging toeneemt, kan het ons in 2030 verbazen om te zien wat passagiersvoertuigen aandrijft.