jednym z elementów nowoczesnego pojazdu, który doświadczył dramatycznych zmian w ciągu ostatnich dwóch dekad, jest akumulator samochodowy. W Clore często mówimy, że akumulator pojazdu zmienił się bardziej w ciągu ostatnich 12 lat niż w poprzednich 60 latach. Mając to na uwadze, pomyśleliśmy, że to dobry czas, aby spojrzeć wstecz na historię akumulatorów samochodowych, a także rzucić okiem na opinie ekspertów na temat tego, dokąd zmierzają akumulatory w ciągu najbliższych 20 lat.

starożytne pochodzenie?

niektórzy naukowcy uważają, że znaleziono dowody potwierdzające teorię, że urządzenie podobne do baterii było używane przez starożytnych Partów, którzy rządzili terenem dzisiejszego Bagdadu w 200 pne. Podczas kopania linii kolejowych w latach 30. XX wieku w Bagdadzie robotnicy znaleźli 13-centymetrowe gliniane słoje, które po szczegółowym oględzinach wyglądały jak baterie. Były one w komplecie z dodatnim zaciskiem (żelazny pręt) i ujemnym zaciskiem (miedziany cylinder) i uważa się, że jako elektrolit użyto roztworu podobnego do octu, który umożliwił reakcję chemiczną niezbędną do pracy akumulatora. Nie wszyscy eksperci zgadzają się, że te urządzenia z glinianego garnka były w rzeczywistości bateriami, ani nie ma konsensusu co do tego, do czego byłyby używane. To powiedziawszy, nowoczesne repliki wykazały zdolność do generowania między 0.8 V-2.0 V z każdej puli. Tak więc Baterie mogły mieć swój początek tak długo, jak 2000 + lat temu.

przejdź do pierwszej baterii kwasowo-ołowiowej

chociaż na początku XVII wieku podjęto małe kroki w rozwoju baterii, kolejnym ważnym momentem w ewolucji baterii był Alessandro Volta, który w 1800 dokonał kilku kluczowych odkryć, które pobudziły postęp w rozwoju baterii. Po pierwsze, zidentyfikował, że niektóre ciecze generowały ciągły przepływ energii elektrycznej, gdy były używane jako przewodnik. Odkrył również, że różne metale pozyskują i uwalniają elektrony w różnym tempie (potencjał napięciowy). W końcu odkrył, że może zwiększyć całkowite napięcie, układając swoje komórki jeden na drugim.

te i inne odkrycia zachęciły do dalszych wynalazków, których kulminacją było zaprojektowanie pierwszej masowej produkcji baterii przez Williama Cruickshanka w 1802 roku. Cruickshank umieścił cynkowe i miedziane płyty w szczelnym drewnianym pudełku i zanurzył je w elektrolicie solanki. Jego i inne baterie ewoluowały w następnych latach, ale wszystkie miały wspólny dylemat: wszystkie były bateriami jednorazowego użytku, których nie można było naładować.

w 1859 roku francuski fizyk Gaston Planté rozwiązał dylemat jednorazowego użytku, opracowując pierwszą baterię kwasowo-ołowiową, zasadniczo taką samą koncepcję stosowaną w większości dzisiejszych akumulatorów rozruchowych. W konstrukcji Planté wykorzystano anodę (elektrodę ujemną) wykonaną z ołowiu i katodę (elektrodę dodatnią) wykonaną z dwutlenku ołowiu. Był to pierwszy akumulator, w którym zastosowano jeden elektrolit dla obu elektrod. Ale jego wielkim przełomem był fakt, że jego konstrukcja pozwoliła na naładowanie akumulatora poprzez odwrócenie naturalnej reakcji chemicznej. Podczas gdy jego konstrukcja miała pewne niedociągnięcia, takie jak krótki czas dostawy energii, była ważnym krokiem w ewolucji akumulatorów i jest wyraźnym prekursorem dzisiejszych akumulatorów samochodowych. W 1881 roku Camille Alphonse Faure, francuski inżynier chemiczny, udoskonalił koncepcję Planté, tworząc lepszą konstrukcję baterii. W przeciwieństwie do spiralnego projektu Planté, Faure opracował siatkę ołowianą, w którą wciskano pastę z tlenku ołowiu, tworząc płytkę. Ta konstrukcja umożliwiła łączenie wielu płyt w celu uzyskania dużego potencjału mocy i była znacznie łatwiejsza do masowej produkcji.

podstawowy element konstrukcji pojazdu

chociaż poczyniono znaczne postępy w projektowaniu akumulatorów od oryginalnych projektów Planté w 1859 roku do przełomu wieków, akumulatory ołowiowo-kwasowe nie były wykorzystywane we wczesnych systemach pojazdów. Było tak dlatego, że większość tych pojazdów nie miała zapotrzebowania na energię elektryczną podczas pracy i zaczęto używać jakiejś formy procesu mechanicznego, takiego jak system korbowy. W rezultacie nie było pilnej potrzeby magazynowania mocy elektrycznej w tych pojazdach.

elektryczny rozrusznik był rozwinięciem, które zmieniło krajobraz i spowodowało potrzebę zmagazynowanej pojemności elektrycznej w pojeździe. Pierwszym pojazdem wyposażonym w elektryczny rozrusznik w USA był Cadillac z 1912 roku. Samonapędzacz został opracowany przez Henry ’ ego M. Leland i Charles Kettering w Cadillac, później zakupiony przez General Motors. Leland zmusił Ketteringa do zaprojektowania alternatywy dla Systemów rozruchowych po tym, jak inny inżynier Cadillac został uderzony w głowę i zabity przez korbę rozruchową, gdy jego silnik wypalił.

w połowie lat młodzieńczych w samochodach stosowano wiele mechanizmów ROZRUCHOWYCH, ale do 1920 roku większość nowych pojazdów była wyposażona w rozruszniki elektryczne. Zmiana ta szybko zwiększyła zapotrzebowanie na niezawodne zasilanie w architekturze pojazdu, dzięki czemu akumulator kwasowo-ołowiowy stał się istotnym elementem przemysłu motoryzacyjnego. W 1918 roku Hudson Motor Car Company jako pierwszy zastosował standardowy rozmiar baterii zgodnie ze specyfikacjami BCI (Battery Council International). Rozmiary grup baterii BCI są nadal używane do dziś (Grupa 24, Grupa 27 itp.).

w tym okresie i w latach 50.XX wieku akumulatory rozruchowe pojazdów i systemy elektryczne były systemami 6V. Duża zmiana nastąpiła w latach pięćdziesiątych, ponieważ większe samochody i większe silniki wymagały większej mocy zapewnianej przez akumulatory i systemy 12V. Sugerujemy, że była to ostatnia poważna zmiana w konstrukcji systemu akumulatorów/pojazdów przed końcem XX wieku.

w tym okresie nastąpił postęp. Ważnym krokiem dla wygody właścicieli pojazdów było wprowadzenie w 1971 roku akumulatora Delco-Remy Freedom, pierwszego bezobsługowego akumulatora kwasowo-ołowiowego stosowanego w przemyśle motoryzacyjnym. W latach 70. pojawiły się również akumulatory VRLA AGM, choć do ostatnich lat były one w dużej mierze ograniczone do specjalnych zastosowań.

Epoka współczesna – akumulatory AGM

jak widać w równoległej ewolucji technologii akumulatorów i konstrukcji pojazdów, rozwój w jednym często napędza potrzebę możliwości zmiany w drugim. Nie inaczej jest w epoce nowożytnej. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną w pojazdach w latach 90. i 2000., spowodowanym zarówno wzrostem udogodnień w kabinie, jak i stale rosnącym systemem elektrycznym, stało się jasne, że tradycyjny akumulator kwasowo-ołowiowy osiąga swój limit pod względem zaspokajania potrzeb systemowych. Spowodowało to potrzebę nowych konstrukcji i nowych środków chemicznych.

jedną z głównych odpowiedzi na zmieniające się zapotrzebowanie na energię w dzisiejszych pojazdach jest przyjęcie akumulatorów AGM. Akumulatory AGM (Absorbed Glass Mat) zaczęły być stosowane w zastosowaniach wojskowych w połowie lat 80. te regulowane zaworem akumulatory kwasowo-ołowiowe (VRLA) przynoszą wiele korzyści w projektowaniu systemów pojazdów. Po pierwsze, zwykle mają znacznie niższy opór wewnętrzny niż tradycyjne zalane baterie, co oznacza, że będą się mniej nagrzewać w typowym cyklu ładowania/rozładowania, co poprawia żywotność. Ponadto akumulatory AGM mogą być głębiej rozładowywane niż tradycyjne baterie zalane. Jest to krytyczna korzyść, ponieważ zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną nowoczesnych pojazdów oznacza, że akumulator musi spełniać maksymalne obciążenia, gdy moc alternatora jest ograniczona. Wreszcie, baterie AGM, ze względu na swoją konstrukcję, są bardziej odporne na wibracje niż tradycyjne baterie zalane, a ponieważ są szczelne i wolne od wycieków, mogą być przechowywane i obsługiwane w dowolnej orientacji.

główną ewolucją systemów, która napędza popularność akumulatorów AGM, jest przyjęcie Systemów Silnika Start-Stop, które wyłączają silnik, gdy pojazd dojdzie do całkowitego zatrzymania i natychmiast uruchamia go z powrotem, gdy stopa kierowcy zostanie zdjęta z hamulca. Systemy te, które umożliwiają producentom poprawę efektywności paliwowej, są zazwyczaj wdrażane przy użyciu jednego lub więcej akumulatorów AGM. Baterie znajdujące się w takich systemach mogą być standardowymi bateriami AGM, specjalnymi bateriami Start-Stop AGM lub kombinacją tych dwóch. Oczekuje się, że inne typy baterii zostaną włączone do tych systemów w nadchodzących latach modelowych, ale obecnie dominującą konstrukcją są baterie AGM.

Lithium, hybrydy i EVs

kilku producentów OE zaczęło włączać baterie litowe do tradycyjnych konstrukcji jako baterie rozruchowe (Porsche jest dobrym przykładem), a także komponenty w systemach Start-Stop. Chemikalia akumulatorów litowych są bardzo gęste energetycznie, zapewniają duże ilości mocy (moc rozruchowa lub rezerwowa) w małym, lekkim opakowaniu. Dominującą chemią akumulatora litowego jest LiFePO4 (fosforan Litowo-żelazowy). Ta chemia zapewnia wysoką gęstość mocy bez zmienności innych chemikaliów litowych, dzięki czemu jest odpowiednim akumulatorem zastępczym do wielu zastosowań lub pojazdów, w których zainstalowane są akumulatory kwasowo-ołowiowe.

rozwój hybryd, hybryd wtykowych i pojazdów elektrycznych spowodował zapotrzebowanie na znacznie większą moc baterii, ale waga roztworów kwasowo-ołowiowych sprawiła, że były niepraktyczne w tych zastosowaniach. Aby sprostać wyzwaniom związanym z mocą/wagą, wczesne hybrydy używały głównie akumulatorów NiMH (niklowo-wodorkowych), aby rozwiązać ten problem. Na przykład Toyota Prius z 2010 roku wyposażono w akumulator NiMH o pojemności 1,31 kWh.

ta sama potrzeba zwiększenia mocy bez dodatkowego ciężaru, która napędzała przejście z kwasu ołowiowego na NiMH, spowodowała również przejście z akumulatorów NiMH na litowo-jonowe. Ponadto akumulatory litowo-jonowe mogą być głębiej rozładowywane niż akumulatory NiMH, co oznacza, że podczas każdego cyklu rozładowania można zużyć więcej baterii – w tradycyjnych terminach jest to tak, jakby móc prowadzić samochód zasilany gazem, dopóki nie osiągnie ¼ zbiornika vs. ½ zbiornika przed koniecznością ponownego napełnienia. Na przykładzie Priusa 2016 Prius wykorzystuje 207V, .Akumulator Litowo-jonowy 75 kWh o wadze zaledwie 54 Funtów. vs stary 202v, 1.31 kWh Akumulator NiMH ważący 89 lbs.

hybrydy Plug-in i pojazdy elektryczne (EVs) zwiększają wykładniczo zapotrzebowanie na moc, dzięki czemu Li-ion jest chemia z wyboru dla obecnych modeli. Ale wraz ze zwiększoną mocą dostarczaną przez te akumulatory przychodzi proporcjonalny wzrost wagi, nawet w konstrukcjach Li-ion. Akumulator Litowo-jonowy o pojemności 4,4 kWh w modelach Prius Plug-in sprzed 2016 r. ważył 180 funtów, a Pojazdy elektryczne gwałtownie potrzebują większej pojemności akumulatora, co wiąże się z dodatkową wagą. Akumulator Litowo-jonowy Nissan Leaf 24 kWh waży 480 funtów (z modułem sterującym), podczas gdy akumulator litowo-jonowy 85 kWh znajdujący się w Tesli Model S ma około 1200 funtów.

uzasadnione jest oczekiwanie, że akumulatory Li-ion wkrótce osiągną swój limit w zakresie zasilania w rozsądnym zakresie wagi. Wiele nowych chemikaliów akumulatorowych, a także konkurencyjne technologie, takie jak wodorowe ogniwa paliwowe, walczą o to, aby stać się kolejnym preferowanym źródłem energii dla pojazdów elektrycznych. Jak widzieliśmy w ciągu ostatnich 15 lat, zmieniające się potrzeby systemowe i ciągłe dążenie do poprawy wydajności stwarzają możliwości dla nowych technologii. Ponieważ zmiana stawek rośnie, w 2030 r. może nas zaskoczyć, co napędza samochody osobowe.