en av komponenterna i det moderna fordonet som har sett dramatiska förändringar under de senaste två decennierna är bilbatteriet. På Clore säger vi ofta att fordonsbatteriet har förändrats mer under de senaste 12 åren än de tidigare 60 åren. Med det i åtanke tyckte vi att det var en bra tid att se tillbaka på bilbatteriets historia samt kasta om för expertutlåtanden om var batterierna är på väg under de närmaste 20 åren.

Forntida ursprung?

Vissa forskare tror att bevis har hittats som stöder teorin att en batteriliknande enhet användes av de gamla Parthierna, som styrde området för det som nu är Bagdad 200 f.Kr. När man grävde järnvägslinjer på 1930-talet i Bagdad hittade arbetare 13 cm långa lerburkar som vid detaljerad inspektion tycktes likna batterier. De var kompletta med en positiv terminal (en järnstav) och en negativ terminal (en kopparcylinder) och man tror att en vinägerliknande lösning användes som elektrolyt som möjliggjorde den kemiska reaktionen som var nödvändig för batteridrift. Inte alla experter är överens om att dessa lerkruka enheter var, i själva verket, batterier, inte heller finns det enighet om vad de skulle ha använts för. Med detta sagt har moderna replikor visat förmågan att generera mellan 0,8 V-2,0 V med varje kruka. Så, batterier kan ha haft sin start så länge som 2000 + år sedan.

spola fram till det första Blybatteriet

medan det fanns små steg i batteriframsteg i början av 1700-talet kom nästa stora ögonblick i batteriutvecklingen med Alessandro Volta, som 1800 gjorde flera viktiga upptäckter som sporrade framsteg på batteriutveckling. Först identifierade han att vissa vätskor genererade ett kontinuerligt flöde av elektrisk kraft när de användes som ledare. Han räknade också ut att olika metaller förvärvar och släpper elektroner i olika hastigheter (spänningspotential). Slutligen upptäckte han att han kunde öka den totala spänningen genom att stapla sina celler ovanpå varandra.

dessa och andra upptäckter sporrade ytterligare uppfinning, kulminerade i utformningen av det första massproduktionsbatteriet av William Cruickshank 1802. Cruickshank arrangerade zink-och kopparplattor i en förseglad trälåda och nedsänkte dem i en elektrolyt av saltlösning. Hans och andra batterier utvecklades under de följande åren, men de delade alla ett gemensamt dilemma: de var alla engångsbatterier, som inte kunde laddas.

år 1859 löste en fransk fysiker vid namn Gaston-anläggningen Jacobs dilemma för engångsbruk genom att utveckla det första blybatteriet, i allmänhet samma koncept som används för de flesta av dagens fordonsstartbatterier. Växtjagis design använde en anod (negativ elektrod) gjord av bly och en katod (positiv elektrod) gjord av blydioxid. Hans var det första batteriet som använde en enda elektrolyt för båda elektroderna. Men hans stora genombrott var det faktum att hans design gjorde det möjligt att ladda batteriet genom att vända den naturliga kemiska reaktionen. Medan hans design hade vissa brister, till exempel dess korta kraftleveranstid, markerade det ett stort steg i batteriutvecklingen och är den tydliga föregångaren till dagens bilbatterier. År 1881 förbättrade Camille Alphonse Faure, en fransk kemiingenjör, på anläggningen A. C. S koncept genom att skapa en bättre struktur för batteriet. Till skillnad från Växtjagis spiraldesign utvecklade Faure ett blygallergitter i vilket en blyoxidpasta pressades och bildade en platta. Denna design gjorde det möjligt att kombinera flera plattor för stor kraftpotential och var mycket lättare att massproducera.

en väsentlig komponent i fordonsdesign

även om betydande framsteg gjordes i batteridesign från anläggning Ubics ursprungliga design 1859 till sekelskiftet, användes inte blybatterier i tidiga fordonssystem. Detta berodde på att de flesta av dessa fordon inte hade någon elektrisk efterfrågan under drift och startades med någon form av mekanisk process, såsom ett vevsystem. Som ett resultat fanns det inget pressande behov av förmågan att lagra elektrisk kapacitet i dessa fordon.

den elektriska startaren var utvecklingen som förändrade landskapet och körde behovet av lagrad elektrisk kapacitet i fordonet. Det första fordonet utrustat med en elektrisk startare i USA var Cadillac 1912. Självstartaren utvecklades av Henry M. Leland och Charles Kettering på Cadillac, senare köpt av General Motors. Leland drev Kettering för att designa ett alternativ till vevstartsystem efter att en annan Cadillac-ingenjör slogs i huvudet och dödades av en startvev när motorn slog tillbaka.

i mitten av tonåren fanns det många startmekanismer som användes av bilar, men år 1920 var de flesta nya fordon utrustade med elektriska förrätter. Denna förändring ökade snabbt behovet av en tillförlitlig strömförsörjning inom fordonsarkitekturen, vilket gjorde blybatteriet till en viktig del av bilindustrin. År 1918 var Hudson Motor Car Company den första som använde en standard batteristorlek enligt BCI (Battery Council International) SPECIFIKATIONER. BCI – batterigruppstorlekar används fortfarande idag (Grupp 24, Grupp 27, etc.).

under denna period och in på 1950-talet var fordonsstartbatterier och elektriska system 6V-system. Ett stort skifte inträffade på 1950-talet, eftersom större bilar och större motorer krävde större kraft från 12V-batterier och system. Vi föreslår att detta var den sista stora förändringen av batteri/fordonssystemdesign före slutet av 20-talet.

som sagt, det fanns framsteg under denna period. Ett viktigt steg för fordonsägarens bekvämlighet var introduktionen 1971 av Delco-Remy Freedom Battery, det första underhållsfria blybatteriet som användes i en fordonsapplikation. På 1970-talet uppstod också VRLA AGM-batterier, även om dessa till stor del var begränsade till specialapplikationer fram till de senaste åren.

den moderna eran – AGM-batterier

som framgår av den parallella utvecklingen av batteriteknik och fordonsdesign driver utvecklingen i en ofta behovet av möjlighet att förändras i den andra. Den moderna eran är inte annorlunda. När efterfrågan på fordon ökade under 1990-och 2000-talet, drivet av både en ökning av bekvämligheter i kabinen och ett ständigt växande elsystem, var det tydligt att det traditionella blybatteriet nådde sin gräns när det gäller att möta systemets behov. Detta drev behovet av nya konstruktioner och nya kemikalier.

ett stort svar på de förändrade kraftbehoven hos dagens fordon har varit antagandet av AGM-batterier. AGM-batterier (Absorbed Glass Mat) började användas i militära applikationer i mitten av 1980-talet. dessa ventilreglerade blysyrabatterier (VRLA) ger många fördelar för fordonssystemets design. För det första har de vanligtvis mycket lägre internt motstånd än traditionella översvämmade batterier, vilket innebär att de kommer att värma upp mindre i den typiska laddnings – /urladdningscykeln, vilket förbättrar livslängden. Dessutom kan AGM-batterier vara djupare urladdade än traditionella översvämmade batterier. Detta är en kritisk fördel, eftersom de ökade elektriska kraven hos moderna fordon innebär att batteriet måste uppfylla toppbelastningar när generatorutgången är maxad ut. Slutligen är AGM-batterier på grund av sin konstruktion mer vibrationsbeständiga än traditionella översvämmade batterier och kan, eftersom de är förseglade och spillfria, lagras och användas i vilken riktning som helst.

en viktig systemutveckling som driver AGM-batteriernas popularitet är antagandet av Start-Stop-motorsystem, som stänger av motorn när fordonet stannar helt och omedelbart startar det igen när förarens fot tas av bromsen. Dessa system, som gör det möjligt för tillverkare att förbättra bränsleeffektiviteten, används vanligtvis med ett eller flera AGM-batterier. Batterierna som finns i sådana system kan vara standard AGM-batterier, specialstart-stopp AGM-batterier eller en kombination av de två. Andra batterityper förväntas införlivas i dessa system under de kommande modellåren, men för närvarande är AGM-batterier den dominerande konstruktionen som används.

litium, hybrider och EVs

flera OE-tillverkare har börjat införliva litiumbatterier i traditionella mönster som startbatterier (Porsche är ett bra exempel) samt komponenter inom Start-Stop-system. Litiumbatterikemi är mycket energitäta, levererar stora mängder ström (antingen startkraft eller reservkraft) i ett litet, lättviktspaket. Den dominerande startbatteriet litiumkemi är LiFePO4 (Litiumjärnfosfat). Denna kemi ger en hög effekttäthet utan volatiliteten hos andra litiumkemi, vilket gör det till ett lämpligt ersättningsbatteri för många applikationer eller fordon där blybatterier installeras.

utvecklingen av hybrider, plug-in hybrider och EVs skapade en efterfrågan på mycket större batterikraft, men vikten av blysyralösningar gjorde dem opraktiska för dessa applikationer. För att möta power/weight-utmaningen använde tidiga hybrider främst NiMH-batterier (Nickelmetallhydrid) för att lösa detta problem. Som ett exempel införlivade Toyota Prius 2010 ett 1,31 kWh NiMH batteripaket.

samma behov av att öka kraften utan extra vikt som drev övergången från blysyra till NiMH orsakade också en övergång från NiMH till Li-ion batteripaket. Dessutom kan Li-ion-batterier vara djupare urladdade än NiMH – batterier, vilket innebär att mer av batteriet kan användas under varje urladdningscykel-i traditionella termer är det som att kunna köra din gasdrivna bil tills den når en tank mot en tank innan du behöver fylla på. Använda Prius som ett exempel, den 2016 Prius använder en 207v,.75 kWh Li-ion batteripaket som väger bara 54 kg. vs den gamla 202v, 1.31 kWh NiMH batteripaket som väger 89 kg.

Plug-in hybrider och elfordon (EVs) ökar effektbehovet exponentiellt, vilket gör Li-ion till den kemi som valts för nuvarande modeller. Men med den ökade kraften som levereras av dessa batteripaket kommer en motsvarande viktökning, även med Li-ion-konstruktioner. 4.4 kWh Li-ion batteripaket i Prius Plug-In-modeller före 2016 vägde 180 lbs, EVs behöver exponentiellt mer batterikapacitet, med vilken ytterligare vikt kommer. Nissan Leaf 24 kWh Li-ion batteripaket väger 480 lbs (med kontrollmodul), medan 85 kWh Li-ion batteripaket som finns i Tesla Model S kommer in på cirka 1200 lbs.

det är rimligt att förvänta sig att Li-ion-batterier snart kommer att nå sin gräns när det gäller kraftleverans inom ett rimligt viktområde. Många nya batterikemi, liksom konkurrerande tekniker som vätebränsleceller, tävlar om att bli nästa föredragna kraftkälla för elfordon. Som vi har sett under de senaste 15 åren skapar förändrade systembehov och den ständiga drivkraften för förbättrad prestanda möjligheter för ny teknik. Eftersom ränteförändringen ökar kan det överraska oss 2030 för att se vad som driver personbilar.