Тяговые аккумуляторы для погрузчиков. Преимущества LIFePO4 аккумуляторов для погрузчиков.

Содержание

• Роль тяговых аккумуляторных батарей в работе погрузчиков
• Классификация АКБ для погрузчиков
  • Свинцово-кислотные с жидким электролитом
  • Литиевые аккумуляторы (LIFePO4)
• Особенности призматических элементов LiFePO4
• Использование LIFePO4 батарей с подогревом
  
• Преимущества тяговых аккумуляторов LiFePO4 для вилочных погрузчиков
  
• Правила эксплуатации тяговых аккумуляторов
  

Тяговые аккумуляторы для погрузчиков

Складские, вилочные погрузчики нередко эксплуатируются в условиях закрытого пространства. Соответственно, они не могут использовать традиционные двигатели внутреннего сгорания в рамках действующих правил безопасности. Поэтому в них чаще всего устанавливают именно электродвигатели.

Для их питания применяются аккумуляторные батареи. Если ранее для этого чаще всего применялись гелевые свинцово-кислотные батареи (AGM GEL), то сейчас их постепенно вытесняют литиевые аккумуляторы, потому что по всем параметрам они выигрывают, а вот существенных недостатков у них нет.

Ключевые преимущества LIFePO4 аккумуляторов

• Длительный срок службы
• Меньший вес
• Быстрая зарядка
• Высокая эффективность
• Безопасность

Роль тяговых аккумуляторных батарей в работе погрузчиков

Тяговые аккумуляторы обеспечивают складскую технику, в частности, различные вариации погрузчиков, электрическим током. Для этого применяются тяговые аккумуляторы с напряжением от 12 до 80 Вольт. Одни из самых распространенных — на 48 Вольт.

Классификация АКБ для погрузчиков

Самыми распространенными тяговыми аккумуляторами для погрузчиков являются:

• свинцово-кислотные с жидким электролитом;
• литиевые аккумуляторы.

Свинцово-кислотные с жидким электролитом

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с жидким электролитом популярны за счет того, что их цена покупки очень доступная.

Ключевые спецификации свинцово-кислотных аккумуляторов с жидким электролитом:

1. В качестве электролита используется раствор сульфатной (серной) кислоты.
2. В качестве сепаратора выступают пластины с окисью свинца.
3. Удельная емкость: от 25 до 40 Вт*ч/кг. То есть, они достаточно объемные, габаритные и в то же время — тяжелые.
4. КПД в диапазоне от 70 до 80%.
5. Можно эксплуатировать при температуре от -40 до +40 градусов по Цельсию, согласно техническим спецификациям, которые публикуют сами производители.

Структура таких АКБ — ячеечная. Такие аккумуляторные батареи в большинстве случаев являются обслуживаемыми. То есть, при активной и регулярной эксплуатации необходимо следить за плотностью раствора электролита, так как она прямо влияет на электрическую проводимость ячеек и пластин. Номинальная в большинстве случаев — в районе 1,29 – 1,31 г/см3.

Ключевые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторных батарей:

1. Низкая цена. Среди всех АКБ — одни из самых дешевых.
2. Высокие значения предельной силы тока. Что и позволяет их использовать в качестве тяговых.

Недостатков у таких батарей тоже достаточно много. В частности:

1. Малый эксплуатационный ресурс. Тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы, в среднем, начинают активно терять свою емкость уже после 80 – 150 циклов заряда/разряда (в зависимости от нагрузок, от температуры эксплуатации). Это для погрузчиков буквально 2 – 4 месяца регулярного использования.
2. Малая удельная емкость. То есть, на одном цикле заряда техника проработает сравнительно недолго. И потребуется вручную заменять аккумуляторы на запасные.
3. Долгая зарядка. Свинцово-кислотные АКБ требуется заряжать слабым по силе таком. И весь цикл зарядки может занимать порой даже больше 20 часов. Опять же, это приносит определенные ограничения для их активного применения в условиях складского помещения (особенно, если погрузчик необходимо эксплуатировать в режиме 24/7).
4. Необходимость в проведении регулярного профилактического обслуживания. Имеется ввиду, нужно контролировать плотность электролита, добавлять сульфатную кислоту или дистиллированную воду. Если этого всего не делать, то эксплуатационный ресурс батарей существенно уменьшится.
5. Плохо переносят пиковые продолжительные нагрузки. Например, на аккумуляторных батареях может быть указано, что они рассчитаны на нагрузку в 600А. Но если она длится более 1 минуты, то это очень часто приводит к повреждению пластин сепаратора из-за «кипения» электролита с выделением газа: он увеличивает внутреннее давление и буквально спрессовывает все элементы, помещенные в корпус.
6. При нагрузке значительно проседает напряжение. Соответственно, если с них «забирать» ток с высокой силой, то фактически свою указанную емкость они не выдают. Порой, она будет снижена почти в 2 раза.
7. Пожаро и взрывоопасность при зарядке — необходимы спец помещения с вентиляцией (газ Брауна).
8. Значительные постоянные эксплуатационные расходы.

Получается, что единственным весомым преимуществом свинцово-кислотных АКБ является их дешевизна первичного приобретения.

Литиевые аккумуляторы (LIFePO4)

Сейчас всё чаще применяются тяговые аккумуляторы для погрузчиков с литиевым электролитом. Да, они стоят на порядок дороже свинцово-кислотных, но существенно превосходят их и по эксплуатационным, и по ресурсным характеристикам. В большинстве случаев их покупка в финансовом плане вполне оправдана.

Основные их спецификации:

1. Рабочее напряжение в диапазоне от 12 до 80 Вольт.
2. Электролит — тетрафторборат лития.
3. Сепараторы — из полиэтилена и полипропилена.
4. Удельная емкость — от 90 до 170 Вт*ч/кг.
5. Эксплуатационный ресурс: от 3 до 8 тысяч циклов заряда/разряда.
6. Диапазон рабочих температур: от -20 до 65 градусов по Цельсию (может быть расширен за счет системы обогрева).

Главное их преимущество — это именно огромный эксплуатационный ресурс. Срок их хранения, в среднем, составляет около 15 лет с момента производства. При тяговой нагрузке напряжение у них не сильно проседает, в сравнении со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями.

Следует упомянуть, что под тяговыми литиевыми аккумуляторами чаще всего подразумевают литий железо-фосфатные. Они — одни из самых современных, разработаны в 1996 году. Существуют дополнительно литий-ионные, они схожи во многом и в плане конструкции, и по спецификациям. Но их эксплуатационный ресурс в десятки раз ниже, в диапазоне от 300 до 1000 циклов.

Литий-железо-фосфатные имеют и перед ними преимущества. Единственное, в чем литий-ионные выигрывают, так это в удельной емкости на килограмм (в среднем, плотность удерживаемого заряда у них на 20% выше).

Преимущества литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей:

1. Высокая удельная емкость. Они почти в 2,5 раза меньше по объему, чем свинцово-кислотные АКБ.
2. Огромный эксплуатационный ресурс. В среднем, от 3 до 8 тысяч циклов заряда/разряда.
3. Их можно заряжать током в районе 1С. Рекомендуемые значения: от 0,25 до 0,50С. Это означает, что полная их зарядка занимает от 1 до 4 часов.
4. Повышенный КПД до 97%. На порядок выше, чем у любых других аккумуляторных батарей.
5. Ячейки литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей обладают крайне низким сопротивлением. Поэтому они не нагреваются в процессе эксплуатации, как обычные литий-ионные батареи.
6. Нагрев даже при значительных нагрузках незначительный. Как правило, каждый тяговой аккумулятор оснащается специальной защитой от перегрева, которая снижает или же полностью отключает нагрузку при возникновении аварийной ситуации.
7. Не требуется никакого технического, профилактического обслуживания. Может, иногда лишь потребуется очистить полюса от окислов (если клеммы надевались без антикоррозийной смазки).
8. Емкость в процессе всего периода эксплуатации не уменьшается. По заявлениям производителей, снижение емкости может наблюдаться лишь после 4 – 8 тысяч циклов заряда/разряда (не более 20% от первоначальной емкости, указанной в технических спецификациях).
9. Легко переносят вибрацию. А свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом при постоянной вибрационной нагрузке нередко выходят из строя (из-за внутреннего замыкания ячеек).
10. Абсолютно не обладают эффектом памяти в отличии от свинцовых батарей.

Недостатков у литий-железо-фосфатных на порядок меньше, в частности:

1. Их нельзя заряжать при отрицательных температурах;
2. При работе при температуре ниже 0 градусов по Цельсию у них снижается незначительно емкость, а также падает эксплуатационный ресурс (всё это можно нивелировать за счет использования системы подогрева);

В плане стоимости они получаются дороже примерно в 5 раз за свинцово-кислотные. Но не следует забывать, что их эксплуатационный ресурс почти в 30 – 50 раз больше. Так что покупка литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей для использования в складских погрузчиках вполне себя оправдывает. И для предпринимателя оказывается в разы выгодней.

Особенности призматических элементов LiFePO4

Практически все тяговые аккумуляторы для погрузчиков на основе литий-железо-фосфатных батарей выпускаются в форме призматических элементов (так называемых «ячеек»). От цилиндрических они отличаются только формой и соответственно строением корпуса. Но именно в призматических удается достичь наибольшей удельной емкости на занимаемый объем.

Внутренняя структура таких аккумуляторных батарей следующая:

1. Литий-железо-фосфатный катод — положительный.
2. Отрицательный катод — графитовый.
3. Для катодной подложки используется полимерная основа с нанесенным алюминием.
4. Для анодной подложки используется полимерная основа с медным напылением.
5. Электроды проходят только по внешней цепи, сепаратор пропускает только ионы, что полностью нивелирует вероятность короткого замыкания. Да даже если это происходит, то ничего критического и опасного не происходит.

Конструкция призматических литиевых аккумуляторов хорошо продумана и в то же время безопасна. Такой вариант позволяет достичь максимально возможной плотности, обеспечить абсолютную пожарную безопасность, а также удобство для создания тяговых АКБ (сборки из призматических элементов). Для промышленного применения они подходят идеально.

Использование LIFePO4 батарей с подогревом

Нередко складские погрузчики эксплуатируются в условиях критически низких температур окружающей среды. Например, в промышленных холодильниках, где средняя температура составляет от -30 до -18 градусов по Цельсию. В теории, использовать литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи в этом случае можно. Но деградация ячеек в этом случае может происходить быстрее обычного.

Что предпринять в таких случаях? Использовать LifePo4 батареи с подогревом.  Как правило, в них встраивается дополнительная плата защиты с термальным датчиком. Вместе с этим есть нагревательный элемент, размещенный по внутренней стороне корпуса.

Соответственно, такие АКБ автоматически нагреваются до оптимальной рабочей температуры в +5 — +10 градусов по Цельсию. Конструкция получается тоже безопасной, так как нагрев там автоматически отключается, если температура возрастает до критических значений. Стоимость таких АКБ лишь незначительно выше.

Существуют погрузчики, в которых уже встроен механизм автоматического подогрева. Но работает он только при подключенном заряженном аккумуляторе. Сама зарядка в дальнейшем все равно производится при положительных температурах.

Как работает подогрев? В большинстве случаев схема следующая:

1. В качестве нагревательных элементов используются пластины с высоким сопротивлением. Когда на них подается электрический ток, то напряжение рассеивается в виде тепла.
2. Температура нагрева незначительная, всего в районе 10 – 20 градусов от текущего значения окружающей среды. Как правило, там устанавливается целая серия независимых термодатчиков, которые и контролируют текущий уровень нагрева.
3. Электричество для работы нагревательных элементов берется из самого аккумулятора. Включение и отключение нагрева выполняется автоматически с помощью дополнительной платы. И чтобы избежать глубокой разрядки, напряжение, при котором срабатывает плата BMS, составляет 20% от основного номинала. Таким образом нивелируется возможность той самой глубокой разрядки даже при последующем хранении.
4. Корпус таких батарей изнутри покрывается теплоизоляционным материалом. Это позволяет сэкономить на расходе тепла. И в процессе эксплуатации на подогрев аккумуляторной батареи тратится всего 5 – 10% от всего номинала аккумулятора. То есть, существенно снижения времени работы не будет.

Как правило, посадочные места для литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей в вилочных погрузчиках также оснащаются системой автоматического контроля температуры, там же есть термоизоляция. На случай эксплуатации в условиях высоких температур, все это можно снять для обеспечения охлаждения через естественную вентиляцию.

Аккумуляторные батареи с подогревом эксплуатируются активно уже более 20 лет. Они доказали свою эффективность, экономичность, безопасность и удобство.

Преимущества тяговых аккумуляторов LiFePO4 для вилочных погрузчиков

Почему именно литий-железо-фосфатные тяговые аккумуляторы 48V следует использовать в вилочных погрузчиках? Можно выделить следующие их ключевые преимущества:

1. Это экономически выгодно и обосновано. Если погрузчик используется регулярно, то покупка и обслуживание свинцово-кислотных аккумуляторных батарей обойдется значительно дороже по итогу.
2. Их можно эксплуатировать буквально в любых условиях. Их корпус надежно защищен от попадания влаги, пыли. В них можно интегрировать систему автоматического подогрева. Это позволяет их использовать и в условиях промышленных холодильных установок, и непосредственно на улице в любую погоду.
3. Высокая удельная емкость. То есть, вилочный погрузчик от одного полностью заряженного аккумулятора проработает значительно дольше, чем от свинцово-кислотных аккумуляторных батарей любого типа (хоть с жидким, хоть с гелеобразным электролитом).
4. Абсолютная пожарная безопасность. Соответственно, вилочные погрузчики с литий-железо-фосфатными аккумуляторными батареями допускается эксплуатировать даже в тех складских помещениях, где хранятся легковоспламеняющиеся материалы.
5. Быстрая зарядка. Для каждого вилочного погрузчика, чтобы обеспечить их бесперебойную круглосуточную работу, потребуется комплект из двух аккумуляторных батарей. Если же применять свинцово-кислотные АКБ, то таковых потребуется, в среднем, от 4 до 6 штук.
6. Широкий диапазон рабочих температур. Можно использовать как в холодильных установках, так и под прямыми солнечными лучами: это никоим образом не скажется на эксплуатационном ресурсе, на их технических характеристиках и спецификациях.
7. Высокая плотность энергии. Проще говоря, аккумуляторы занимают мало места, но обеспечивают длительное время работы на одном полном заряде.
8. Экологичность. Срок службы каждой литий-железо-фосфатной батареи составляет в районе 15 лет. И их в дальнейшем можно утилизировать и перерабатывать. То есть, какого-либо вреда для окружающей среды они не наносят.
9. Им требуется минимальное обслуживание. Главное — это следить, чтобы батареи не простаивали в разряженном состоянии, потому что это приводит к ускоренной деградации ячеек. А если имеется встроенная плата BMS, то она может вовсе заблокировать дальнейшую эксплуатацию ячеек. И тогда для зарядки АКБ придется обращаться в сервисный центр, где вручную поднимут напряжение каждой батареи до необходимого минимума (для каждой платы BMS это индивидуальное значение, которое производитель составляет индивидуально).
10. Очень низкий уровень саморазряда. Практика показывает, что после хранения на протяжении 12 месяцев литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи теряют всего до 10% от своего первоначального заряда. То есть, они всегда остаются готовыми к эксплуатации.
11. Буквально все литий-железо-фосфатные батареи оснащаются защитой от неправильного подключения нагрузки. Даже если оператор каким-либо образом перепутает полюса, то ни техника, ни сам аккумулятор при этом в 99% случаев не пострадают. В свинцово-кислотных аккумуляторах каких-либо защитных функций, как правило, вовсе нет. При переполюсовке — возникает короткое замыкание с отдачей максимального пикового электрического тока.

Правила эксплуатации тяговых аккумуляторов

Основные правила эксплуатации тяговых аккумуляторов:

1. После разряда литий-железо-фосфатного аккумулятора, его необходимо как можно скорее поставить на зарядку.
2. В процессе заряда нужно контролировать напряжение. Но, как правило, для этого предусмотрены платы BMS. Они и отключают зарядку при достижении максимально требуемого напряжения, предотвращают переразрядку, а вместе с этим снижают ток зарядки, если батарея нагрелась до критической температуры. Современные BMS-платы дополнительно выполняют функцию балансировки ячеек, тем самым обеспечивая их равномерный износ.
3. При эксплуатации с температурой ниже 0 градусов по Цельсию рекомендуется использовать системы автоматического подогрева. Которые прогревают АКБ до 5 – 10 градусов (и перед пуском, и уже во время эксплуатации).
4. Не держать в разряженном состоянии АКБ более 12 часов. Как раз во избежание того, чтобы плата BMS не «заблокировала» ячейку, приняв её за неисправную.
5. Регулярно проводить визуальный осмотр аккумуляторной батареи. Необходимо обращать внимание на то, что силовой кабель не поврежден, клеммы не окислились, никаких признаков механического повреждения корпуса нет.
6. Вскрывать, заменять элементы (ячейки) литий-железо-фосфатных батарей запрещено! Это допускается делать только в условиях сервисного центра. Да и то, если один из элементов уже не рабочий или же его емкость снизилась меньше критической точки, то такая батарея по правилам должна идти на утилизацию и последующую переработку. Это положительно скажется и на экологии, и на эксплуатационном ресурсе самой складской техники.

Как правильно выбрать тяговый аккумулятор для погрузчика

Выбирая тяговые аккумуляторы 48V, необходимо учитывать следующие параметры:

1. Рабочее напряжение. Оно должно быть именно 48 Вольт. И рекомендуется заранее уточнить эту информацию в технической документации к вилочному складскому погрузчику. Там указывается рабочее напряжение (в форме диапазона). Этот показатель должен полностью совпадать с тем, который свойственен используемой аккумуляторной батарее.
2. Габаритные размеры должны подходить под посадочное место. Именно поэтому подбор выполняется по модели или серийному номеру используемому складскому погрузчику.
3. Полюсовка должна соответствовать той, как располагаются клеммы для подключения. В большинстве случаев плюсовой контакт расположен слева, минусовой — справа. Но в некоторых моделях тех же японских погрузчиков полюса клемм для подключения могут располагаться наоборот. Опять же, все это необходимо проверять заблаговременно.
4. Нужно уточнить, оснащен ли погрузчик платой BMS и контроллером заряда. В большинстве случаев она отсутствует. В таком случае тяговой аккумулятор следует подбирать тот, в котором плата BMS интегрирована. Кстати, есть модели с установленным Bluetooth-модулем. Это позволяет прямо со смартфона уточнить оставшийся заряд, время окончания зарядки, температуру и прочие параметры. Нередко таким образом можно также узнать расчетный оставшийся эксплуатационный ресурс.
5. Если вилочный погрузчик планируется использовать в условиях склада с температурой менее 0 градусов по Цельсию, то следует отдавать предпочтение батареям с подогревом. Или же система прогрева должна быть интегрирована в само посадочное место для АКБ загрузчика: такие модели тоже сейчас часто встречаются.

Тяговые литий-железо-фосфатные аккумуляторы по всем критериям превосходят любые другие. Они безопасные, их эксплуатация обходится дешевле, они  полностью соответствуют стандартам ГОСТ и ISO, они быстро заряжаются. Самое главное: они обладают огромным эксплуатационным ресурсом, буквально в 50 раз превышающих тот, который имеется у свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с жидким электролитом.

Именно благодаря всем этим критериями они сейчас являются самыми распространенными. Сейчас даже в более 40% всех выпускаемых электромобилях используется точно такой же тип аккумуляторных батарей.