una dintre componentele vehiculului modern care a cunoscut schimbări dramatice în ultimele două decenii este bateria auto. La Clore, spunem adesea că bateria vehiculului s-a schimbat mai mult în ultimii 12 ani decât în ultimii 60 de ani. Având în vedere acest lucru, ne-am gândit că este un moment bun pentru a privi înapoi la istoria bateriei auto, precum și pentru a căuta opinii ale experților cu privire la Direcția bateriilor în următorii 20 de ani.

origini antice?

unii oameni de știință cred că s-au găsit dovezi care susțin teoria că un dispozitiv asemănător bateriei a fost folosit de vechii parți, care au condus zona a ceea ce este acum Bagdad în 200 î.HR. În timp ce săpau linii de cale ferată în anii 1930 în Bagdad, muncitorii au găsit borcane de lut lungi de 13 cm care, la o inspecție detaliată, păreau să semene cu bateriile. Acestea au fost complete cu un terminal pozitiv (o tijă de fier) și un terminal negativ (un cilindru de cupru) și se crede că o soluție asemănătoare oțetului a fost utilizată ca electrolit care a permis reacția chimică necesară funcționării bateriei. Nu toți experții sunt de acord că aceste dispozitive de oală de lut erau, de fapt, Baterii și nici nu există un consens cu privire la ceea ce ar fi fost folosite. Acestea fiind spuse, replicile moderne au arătat capacitatea de a genera între 0,8 V-2,0 V cu fiecare oală. Deci, bateriile ar fi putut începe cu 2000 de ani în urmă.

Fast Forward la prima baterie plumb Acid

în timp ce s-au făcut pași mici în progresul bateriei la începutul anilor 1700, următorul moment major în evoluția bateriei a venit cu Alessandro Volta, care în 1800 a făcut mai multe descoperiri cheie care au stimulat progresul în dezvoltarea bateriei. În primul rând, el a identificat că anumite lichide au generat un flux continuu de energie electrică atunci când sunt utilizate ca conductor. De asemenea, el și-a dat seama că diferite metale dobândesc și eliberează electroni la rate diferite (potențial de tensiune). În cele din urmă, el a descoperit că ar putea crește tensiunea totală prin stivuirea celulelor sale una peste alta.

aceste și alte descoperiri au stimulat invenția ulterioară, culminând cu proiectarea primei baterii de producție în masă de William Cruickshank în 1802. Cruickshank a aranjat plăcile de zinc și cupru într-o cutie de lemn sigilată și le-a scufundat într-un electrolit de saramură. Bateriile sale și alte baterii au evoluat în anii următori, dar toate au împărtășit o dilemă comună: toate erau baterii de unică folosință, incapabile să fie reîncărcate.

în 1859, un fizician francez pe nume Gaston Plant, a rezolvat dilema de unică folosință prin dezvoltarea primei baterii plumb-acid, în general același concept folosit pentru majoritatea bateriilor de pornire a vehiculelor de astăzi. Proiectarea uzinei a fost realizată de un anod (electrod negativ) din plumb și un catod (electrod pozitiv) din dioxid de plumb. A fost prima baterie care a folosit un singur electrolit pentru ambii electrozi. Dar marea sa descoperire a fost faptul că designul său a permis reîncărcarea bateriei prin inversarea reacției chimice naturale. În timp ce designul său a avut unele deficiențe, cum ar fi durata scurtă de livrare a energiei, a marcat un pas major în evoluția bateriei și este precursorul clar al bateriilor auto de astăzi. În 1881, Camille Alphonse Faure, un inginer chimist francez, a îmbunătățit conceptul uzinei, creând o structură mai bună pentru baterie. Spre deosebire de designul spiralat al Plant XV, Faure a dezvoltat o rețea de rețea de plumb în care a fost presată o pastă de oxid de plumb, formând o placă. Acest design a permis combinarea mai multor plăci pentru un potențial mare de putere și a fost mult mai ușor de produs în masă.

o componentă esențială în proiectarea vehiculelor

deși s-au înregistrat progrese semnificative în proiectarea bateriilor de la modelele originale ale uzinei din 1859 până la începutul secolului, bateriile plumb-acid nu au fost utilizate în sistemele timpurii ale vehiculelor. Acest lucru s-a datorat faptului că majoritatea acestor vehicule nu aveau cerere electrică în timpul funcționării și au început să utilizeze o formă de proces mecanic, cum ar fi un sistem de manivelă. Drept urmare, nu a existat o nevoie urgentă de capacitatea de stocare a capacității electrice în acele vehicule.

demarorul electric a fost dezvoltarea care a schimbat peisajul și a condus la necesitatea capacității electrice stocate în vehicul. Primul vehicul echipat cu un demaror electric în SUA a fost Cadillac din 1912. Auto-starterul a fost dezvoltat de Henry M. Leland și Charles Kettering la Cadillac, achiziționate ulterior de General Motors. Leland l-a împins pe Kettering să proiecteze o alternativă la sistemele de pornire a manivelei după ce un alt inginer Cadillac a fost lovit în cap și ucis de o manivelă de pornire când motorul său s-a defectat.

la mijlocul adolescenței, existau multe mecanisme de pornire folosite de automobile, dar, până în 1920, majoritatea vehiculelor noi erau echipate cu demaroare electrice. Această schimbare a crescut rapid necesitatea unei surse de alimentare fiabile în cadrul arhitecturii vehiculului, făcând bateria plumb-acid o componentă esențială a industriei auto. În 1918, Hudson Motor Car Company a fost primul care a utilizat o dimensiune standard a bateriei conform specificațiilor BCI (Battery Council International). Dimensiunile grupului de baterii BCI sunt încă utilizate astăzi (Grupa 24, Grupa 27 etc.).

în această perioadă și în anii 1950, bateriile de pornire a vehiculelor și sistemele electrice erau sisteme de 6v. O schimbare majoră a avut loc în anii 1950, deoarece mașinile mai mari și motoarele mai mari au necesitat puterea mai mare furnizată de bateriile și sistemele de 12V. Am sugera că aceasta a fost ultima schimbare majoră a designului sistemului de baterii/vehicule înainte de sfârșitul secolului 20.

acestea fiind spuse, au existat progrese în această perioadă. Un pas major pentru confortul proprietarului vehiculului a fost introducerea în 1971 a bateriei Delco-Remy Freedom, prima baterie plumb-acid fără întreținere utilizată într-o aplicație auto. Anii 1970 au văzut, de asemenea, apariția VRLA AGM baterii, deși acestea au fost în mare parte limitate la aplicații de specialitate până în ultimii ani.

Era Modernă – bateriile AGM

după cum se poate observa prin evoluția paralelă a tehnologiei bateriilor și a designului vehiculului, evoluțiile într-una determină adesea nevoia de oportunitate de a se schimba în cealaltă. Epoca modernă nu este diferită. Pe măsură ce cererea electrică a vehiculelor a crescut în anii 1990 și 2000, determinată atât de creșterea facilităților din cabină, cât și de un sistem electric în continuă creștere, era clar că bateria tradițională cu plumb acid își atingea limita în ceea ce privește satisfacerea nevoilor sistemului. Acest lucru a condus la nevoia de noi construcții și noi chimii.

un răspuns major la nevoile de energie în schimbare ale vehiculelor de astăzi a fost adoptarea bateriilor AGM. Bateriile AGM (covoraș de sticlă absorbit) au început să fie utilizate în aplicații militare la mijlocul anilor 1980. Aceste baterii reglementate cu acid de plumb (VRLA) aduc multe beneficii proiectării sistemului vehiculului. În primul rând, au de obicei o rezistență internă mult mai mică decât bateriile tradiționale inundate, ceea ce înseamnă că se vor încălzi mai puțin în ciclul tipic de încărcare/descărcare, ceea ce îmbunătățește longevitatea. În plus, bateriile AGM pot fi descărcate mai profund decât bateriile tradiționale inundate. Acesta este un beneficiu critic, deoarece cerințele electrice crescute ale vehiculelor moderne înseamnă că bateria trebuie să îndeplinească sarcini de vârf atunci când puterea alternatorului este maximă. În cele din urmă, bateriile AGM, datorită construcției lor, sunt mai rezistente la vibrații decât bateriile tradiționale inundate și, deoarece sunt sigilate și fără scurgeri, pot fi depozitate și operate în orice orientare.

o evoluție majoră a sistemelor care determină popularitatea bateriilor AGM este adoptarea sistemelor de Motor Start-Stop, care opresc motorul atunci când vehiculul se oprește complet și îl pornește imediat când piciorul șoferului este scos din frână. Aceste sisteme, care permit producătorilor să îmbunătățească eficiența consumului de combustibil, sunt de obicei implementate folosind una sau mai multe baterii AGM. Bateriile găsite în astfel de sisteme pot fi baterii AGM standard, baterii AGM speciale Start-Stop sau o combinație a celor două. Se așteaptă ca alte tipuri de baterii să fie încorporate în aceste sisteme în următorii ani de model, dar în prezent, bateriile AGM sunt construcția dominantă utilizată.

litiu, hibrizi și EV

Mai mulți producători de OE au început să încorporeze bateriile cu litiu în modelele tradiționale ca baterii de pornire (Porsche este un bun exemplu), precum și componente din sistemele Start-Stop. Chimiile bateriilor cu litiu sunt foarte dense din punct de vedere energetic, furnizează cantități mari de energie (fie putere de pornire, fie putere de rezervă) într-un pachet mic și ușor. Chimia dominantă a litiului bateriei de pornire este LiFePO4 (fosfat de fier de litiu). Această chimie oferă o densitate mare de putere fără volatilitatea altor chimii de litiu, făcându-l o baterie de înlocuire adecvată pentru multe aplicații sau vehicule în care sunt instalate baterii plumb-acid.

dezvoltarea hibrizilor, hibrizilor plug-in și ve a creat o cerere pentru o putere mult mai mare a bateriei, dar greutatea soluțiilor plumb-acid le-a făcut impracticabile pentru aceste aplicații. Pentru a face față provocării de putere/greutate, hibrizii timpurii au folosit predominant baterii NiMH (hidrură de nichel-metal) pentru a rezolva această problemă. De exemplu, Toyota Prius din 2010 a încorporat un pachet de baterii NiMH de 1,31 kWh.

aceeași nevoie de a crește puterea fără greutate adăugată care a condus trecerea de la acidul plumb la NiMH a provocat, de asemenea, o trecere de la NiMH la pachetele de baterii Li-ion. În plus, bateriile Li-ion pot fi descărcate mai profund decât bateriile NiMH, ceea ce înseamnă că mai mult din baterie poate fi utilizată în timpul fiecărui ciclu de descărcare – în termeni tradiționali, este ca și cum ai putea conduce mașina cu gaz până când ajunge la rezervorul de la sută față de rezervorul de la sută înainte de a fi nevoie să reîncărcați. Folosind Prius ca exemplu, Prius 2016 folosește un 207v, .75 kWh Li-ion acumulator cu o greutate de doar 54 lbs. vs vechi 202v, 1.31 kWh NiMH acumulator greutate 89 lbs.

hibrizii Plug-in și vehiculele electrice (Ev) cresc exponențial necesarul de putere, făcând Li-ion chimia aleasă pentru modelele actuale. Dar, odată cu creșterea puterii livrate de aceste pachete de baterii vine o creștere proporțională a greutății, chiar și cu construcțiile Li-ion. Acumulatorul Li-ion de 4,4 kWh din modelele Plug-in Prius pre-2016 cântărea 180 lbs, EV-urile au nevoie exponențial de o capacitate mai mare a bateriei, cu care vine o greutate suplimentară. Pachetul de baterii Li-ion Nissan Leaf de 24 kWh cântărește 480 lbs (cu modul de control), în timp ce pachetul de baterii Li-ion de 85 kWh găsit în Tesla Model S vine la aproximativ 1200 lbs.

este rezonabil să ne așteptăm ca bateriile Li-ion să-și atingă în curând limita în ceea ce privește livrarea de energie într-un interval de greutate rezonabil. Multe produse chimice noi pentru baterii, precum și tehnologii concurente, cum ar fi celulele de combustie cu hidrogen, se luptă să devină următoarea sursă de energie preferată pentru vehiculele electrice. După cum am văzut în ultimii 15 ani, schimbarea nevoilor sistemului și impulsul constant pentru performanțe îmbunătățite creează oportunități pentru noile tehnologii. Deoarece schimbarea ratei este în creștere, ne poate surprinde în 2030 să vedem ce alimentează vehiculele de pasageri.