鋰電池在剪叉式高空作業(yè)平臺中的應用

路 攀 文繼勇

上海宏信設備工程有限公司 上海 201806

1 高空作業(yè)平臺概述

剪叉式高空作業(yè)平臺如圖1所示,它能夠利用自身動力在工作場地或場地之間短距離行走,用來運送工作人員和器材到指定高度進行作業(yè),具有結構簡單緊湊、靈活便捷、操作方便、維修簡易等優(yōu)點,廣泛應用于機場、酒店、廠房、辦公樓宇、商超物業(yè)等場所。該平臺一般都采用動力電池為其提供動力,并通過車載式充電器完成電池的充電。動力電池在極端條件下的安全性決定了平臺操作的安全性,電池的電性能及能量密度決定了平臺的續(xù)航能力,電池的循環(huán)壽命決定了租賃商和終端用戶的使用成本。租賃商及終端客戶對動力電池考慮的主要因素有日常使用能耗、維護需求、循環(huán)壽命、充電時間、可回收性、成本、安全等。

目前,平臺的動力電池一般采用富液式鉛酸電池及免維護閥控電池,這些電池存在著一些突出缺點,如富液式開口鉛酸電池在使用過程中會有水的損耗和酸液的溢出,需經(jīng)常補充蒸餾水。免維護電池相比鋰電池具有充電時間長、壽命短、能量密度低等缺點。

圖1 剪叉式高空作業(yè)平臺

近年來,高空作業(yè)平臺的銷售業(yè)績呈現(xiàn)增長態(tài)勢。2020年全年高空作業(yè)平臺累計銷售超過10.3萬臺,遠超2019年的4.8萬臺,2021年全年累計銷售超過16萬臺,同比增長54.6%。2020～2021年高空作業(yè)平臺各型號銷售數(shù)量如圖2所示。

近年來,新能源鋰電池叉車在電動叉車中的份額也在逐步提升,2019年新能源鋰電池叉車銷售超7.4萬臺,2020年銷售超16.1萬臺。鋰電池叉車銷售量占總電動叉車比例從2018年的9.31%、2019年的25.03%,提高到2020年的39.31%。

圖2 2021～2022年高空作業(yè)平臺銷售數(shù)量

2 鉛酸電池概述

1859年,Plante發(fā)明了鉛酸蓄電池,它以氧化鉛為正極板,以海綿鉛為負極板,硫酸水溶液為電解液,充放電過程依靠極板上活性物質(zhì)與電解液發(fā)生化學反應來實現(xiàn)。鉛酸電池具有成熟的技術,可以大批量生產(chǎn),生產(chǎn)成本低,價格便宜,使用上有充分的可靠性,至今仍大規(guī)模應用。

新一代閥控式密封鉛酸蓄電池不需維護,允許深度放電,可循環(huán)使用,然而它依舊有著鉛酸蓄電池存在比能量和比功率低等致命弱點,根本原因是金屬鉛的密度較大。功率密度雖可以通過增大電極的表面積來提高,但會增加侵蝕速度而縮短電池的使用壽命。充放電方式也會嚴重影響它的使用壽命,長期過充電產(chǎn)生的氣體會導致極板的活性物質(zhì)脫落,不適合放電到低于額定容量的20%,反復過度放電同樣會導致使用壽命急劇縮短?；诖?平臺的電源控制策略一般會設置兩級報警。當放電深度≥80%時,提示低電壓并觸發(fā)一級報警,此時設備限止高速行走。當放電深度≥90%時,提示低電壓錯誤并觸發(fā)二級報警,此時設備切斷所有功能動作。

此外,鉛酸電池在沒有定期充滿電的情況下會有硫酸鹽晶體析出,硫酸鹽晶體會使電池的孔隙度降低,限制活性物質(zhì)的進入,導致電池的容量減小,俗稱硫酸鹽化。租賃商及用戶的非正常使用和維護情況,如放電后未及時充電,貯存期間未定期充電,長期充電不足等,都會加劇硫酸鹽化。硫化后的電池在充電時,可能出現(xiàn)的現(xiàn)象為恒流階段電壓上升很快,恒壓階段電流快速下降,充電很快結束。

3 鋰電池概述

當前,鋰電池在平臺上的應用還處于起步階段。筆者通過對鋰電池的選型、鋰電池組解決方案以及與傳統(tǒng)富液式開口鉛酸電池、閥控式密封鉛酸蓄電池的對比,分析鋰電池在平臺上應用的性能表現(xiàn),希望能為鋰電池在平臺上的合理應用提供參考。

3.1 種類與選型

鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。1912年,鋰金屬電池最早由Lewis研究并提出。20世紀70年代,Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。鋰金屬電池以二氧化錳為正極材料,金屬鋰或其合金金屬為負極材料,使用非水電解質(zhì)溶液。鋰離子電池以鋰合金金屬氧化物為正極材料,石墨為負極材料,使用非水電解質(zhì)溶液。

磷酸鐵鋰電池使用磷酸鐵鋰作為正極材料,它的能量密度較三元鋰電池低,但安全性較好,具有大電流放電特性,特別適合動力電池使用,因此選擇磷酸鐵鋰電池作為平臺的動力電池使用更適合。

3.2 相關術語

(1) 容量。容量單位一般為mA·h或A·h,在使用時又有額定容量和實際容量的區(qū)別。額定容量指滿充的鋰離子電池在實驗室條件下,以某一特定的放電倍率放電到截止電壓時所能提供的總電量。實際容量一般不等于額定容量,它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關。

(2) 內(nèi)阻。電池在充放電時電流流過電池內(nèi)阻所受到的阻力,一般分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻,歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜電阻、各零件的接觸電阻所組成,極化內(nèi)阻是電化學反應時由極化引起的電阻,包括電化學極化和濃差極化引起的電阻。內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要參數(shù),對于電池的功率特性及熱特性均有重要影響。

(3) 倍率。電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需的電流值,在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù),通常以C表示。

(4) 電壓。開路電壓指在無電流且電池電壓達到足夠平衡狀態(tài)時,正負極之間的電位差。工作電壓指電池外接負載或電源時,正負極之間的電位差。因電池內(nèi)阻的存在,放電狀態(tài)時的工作電壓低于開路電壓,充電時的工作電壓高于開路電壓。截止電壓是指電池在放電/充電時,電壓下降/上升到電池不宜再繼續(xù)放電/充電的最低/最高工作電壓。

(5) 荷電狀態(tài)。荷電狀態(tài)指在特定條件下,電池中儲存的電量占當前可用容量的百分比。荷電狀態(tài)是表征電池狀態(tài)的最重要參量之一。

(6) 放電深度。放電深度指在特定工況下,電池放出的電量占當前可用容量的百分比。

(7) 循環(huán)壽命。在理想溫濕度下,以額定的充放電電流進行深度的充放電,電池容量衰減到額定容量的80%時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)為循環(huán)壽命。

(8) CC-CV充電。是電池充電的一種制度,CC表示恒電流,CV表示恒電壓,CC-CV表示對電池先進行恒流充電,達到某一電壓值后,保持恒壓充電狀態(tài)。

4 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池對比

磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池性能對比見表1,磷酸鐵鋰電池放電曲線如圖3所示。分析后可知,在1C放電時,磷酸鐵鋰電池的容量并未明顯減少,說明磷酸鐵鋰電池比鉛酸電池更適合應用于經(jīng)常大電流放電的平臺上。在組成直流24 V電池組時,鉛酸電池一般采用的是四個6 V電池串聯(lián)或四個12 V電池串并聯(lián)的組成方式,額定電壓為24 V。磷酸鐵鋰電池組普遍采用的是八個單體串聯(lián)的方式,單體電壓3.2 V,額定電壓為25.6 V。

5 磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢

依據(jù)表1及圖3的數(shù)據(jù)分析可知,磷酸鐵鋰電池相對于鉛酸電池具有以下優(yōu)點。

表1 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池性能對比

圖3 磷酸鐵鋰電池放電曲線

(1) 能量密度較高。磷酸鐵鋰電池相對鉛酸電池在結構上具有能量密度高、體積小的優(yōu)勢,使整體產(chǎn)品更容易進行輕量化設計,結合從產(chǎn)品的整體結構來看,產(chǎn)品結構特性更加優(yōu)化。

(2) 動力性好。搭載磷酸鐵鋰電池的平臺其動力性能更強,根據(jù)鋰電池的特性可知,磷酸鐵鋰電池具備大電流放電能力,具備更強的爬坡能力,加速性能也得到了提升,同時支持大功率充放電,在正常情況下,磷酸鐵鋰電池可以持續(xù)以2倍的電池容量放電。

(3) 循環(huán)壽命長、性價比高。磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定性好,鋰離子的嵌入和脫出對晶格的影響不大,有良好的可逆性,可以充放電2 000次以上,長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在400～800次。在同等使用條件下,鉛酸電池可使用1～2 a,磷酸鐵鋰電池可使用7～8 a,后者使用年限為前者的3～4倍。

(4) 運行效率高。磷酸鐵鋰電池具備快速充電、滿載大電流放電和大電流充電的功能,搭載鋰電池后的運營效率更高。鋰電池的生產(chǎn)制造具有高精度、高速度和高智能化的特點,保證了鋰電池組中的電池具有較高的一致性。鉛酸電池使用中的欠充或過放,很容易產(chǎn)生硫化現(xiàn)象,從而使鉛酸電池的使用壽命大大縮短。鋰電池電源管理系統(tǒng)可以監(jiān)控和管理電池的充放電,有利于延長鋰電池的使用壽命。

6 鋰電池電源管理系統(tǒng)

高空作業(yè)平臺鋰電池電源管理系統(tǒng)的主要功能是管理鋰電池的充放電,處理電池組工作過程中出現(xiàn)的異常情況,保證電池組能夠安全可靠地運行,延長電池組循環(huán)使用壽命,最終實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。管理系統(tǒng)的基本保護功能為過壓、欠壓、過溫、低溫、過流、短路等,它一般由數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、均衡控制模塊、繼電器控制模塊、通信及顯示模塊等組成。采集模塊是電源管理系統(tǒng)的工作基礎,實現(xiàn)監(jiān)測功能。基于采集模塊傳回的數(shù)據(jù),主控模塊會進行數(shù)據(jù)分析,動態(tài)制定電池管理策略,具有熱管理、均衡管理、電荷狀態(tài)估算、充放電管理、信息交互等功能。通信模塊負責電源管理系統(tǒng)各模塊間的通信,以及電源管理系統(tǒng)與整車之間的通信。鋰電池電源管理系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 鋰電池電源管理系統(tǒng)

在主控模塊中,電荷狀態(tài)估算和均衡管理是重點技術。電荷狀態(tài)估算精度是核心技術指標之一,精度越高,鋰電池電源管理系統(tǒng)的上層應用越能發(fā)揮作用,并提高電池組的使用效率。筆者采用電流積分法進行電荷狀態(tài)估算,并采用主動均衡技術。通過主動均衡技術,可以極大地避免長時間使用后的累計容量差異問題,多種電荷狀態(tài)估算方法的對比見表2。

7 鋰離子電池檢測標準和要求

鋰電子電池檢測標準和方法可參照電動汽車并從電性能、循環(huán)壽命、安全性三個維度進行評測,檢測標準和測試內(nèi)容見表3,同時參照行業(yè)標準T/CCMA 0111—2020《工業(yè)車輛用鋰離子電池及其系統(tǒng)》。單體電池應滿足GB/T 31484—2015《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》、GB/T 31486—2015《電動汽車用動力蓄電池性能要求及試驗方法》、GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》的相關要求,鋰離子電池組/包或者系統(tǒng)外觀不應有變形及裂紋,且應干燥、無污染。工業(yè)車輛用鋰離子電池組/包或系統(tǒng)外殼的防護等級不應低于GB/T 4208—2017《外殼防護等級(IP代碼)》中規(guī)定的IP54,金屬材料外殼耐腐蝕性應滿足GB/T 2423.18—2021《環(huán)境試驗 第2部分:試驗方法 試驗Kb:鹽霧,交變(氟化鈉溶液)》中規(guī)定的嚴酷等級5的要求,電驅間隙和爬電距離應符合GB/T 18384—2020《電動汽車安全要求》的要求,端子極性標識應正確、清晰,用于連接車輛的外部端子應采取防誤操作和防松脫的措施。鋰離子電池組/包或系統(tǒng)正、負極與外部裸露可導電部分之間的絕緣電阻不應小于100 Ω/V,鋰離子電池包或系統(tǒng)中宜有熱管理系統(tǒng),使電池工作溫度控制在-10～65 ℃,并應進行熱管理系統(tǒng)失效試驗,應不起火、不爆炸,試驗后的絕緣電阻應符合TCCMA 0111—2020中5.2.8的要求。電池系統(tǒng)保護電路應設計成使單體電池保持在正常工作的電壓、電流和溫度范圍內(nèi),如果超出正常限值,保護電路應限值或停止充電或放電。

表2 電荷狀態(tài)估算方法對比

表3 鋰離子電池檢測標準和測試內(nèi)容

8 實際裝車測試及分析

為了驗證鋰離子電池和鉛酸電池在實際應用中的不同效果,筆者選取了兩臺舉升高度12 m的剪叉式高空作業(yè)平臺,并安裝了不同的電池進行試驗。由于鋰電池組的重量要比鉛酸電池組輕很多,所以給鋰電池組加了相應的配重塊。為了使試驗條件相同,按照JB/T 9229—2013《剪叉式升降工作平臺》條款6.1.2試驗環(huán)境要求進行試驗,并按照JB/T 9229—2013條款6的試驗方法進行各種狀態(tài)下的電流峰值和穩(wěn)定值測試。安裝不同的電池后,選擇按照標準工況循環(huán)測試的試驗方法進行工況下的測試,通過處于相同工況下的電壓、電流來對比不同電池的功率特性。用測得電流的值來判斷不同電池在相同工況下的情況,電流值越小,說明電池壓降越小,同時電流值的降低也利于降低電機、電控的溫升,提高整車的使用壽命。實測結果見表4,鉛酸電池由于無鋰電池電源管理系統(tǒng),電荷狀態(tài)采用電壓對照法進行預估。

通過表4可以看出,高速行走時,磷酸鐵鋰電池平臺的電流要小于鉛酸電池平臺,但實際工作時電池放電電流值是持續(xù)波動的,僅憑單一狀態(tài)電流值還無法很完整地評判蓄電池的整體性能,還需要依照實際工況在連續(xù)放電情況下進行評估,試驗方法可以按照標準工況進行循環(huán)測試。另外,配置磷酸鐵鋰電池平臺的循環(huán)次數(shù)明顯優(yōu)于配置鉛酸電池平臺的循環(huán)次數(shù),在相同容量下,設備循環(huán)次數(shù)增加約25.9%,提高了整車的續(xù)航能力,由于具有更長的使用時間,會減少相應的充電次數(shù),延長了鋰電池的使用壽命。

表4 測試結果對比

9 磷酸鐵鋰電池缺點

磷酸鐵鋰電池雖然具有諸多優(yōu)點,但目前階段還存在兩方面缺點。

第一,相對價格較高,應用磷酸鐵鋰電池的高空作業(yè)平臺一次采購成本隨之升高。

第二,需要配備電池管理系統(tǒng)及專用充電機,相比鉛酸電池而言,初期投入的一次性采購成本增加。后期更換時,因為電池管理系統(tǒng)和充電器都具有通信協(xié)議,可替代性較差。

10 鋰電池使用與維護

建議用戶在電量降至20%或者報警燈亮時及時充電,以免因電量不足而拋錨,不推薦在電量耗盡后再進行充電。

電池總成運輸、裝配和拆卸時,應盡量輕取輕放,嚴格避免電池總成出現(xiàn)跌落、撞擊等現(xiàn)象。

濕氣與熱量對電池總成的影響極壞,電池總成運輸、裝配和拆卸場地應保證無漏雨、無明火、濕度低。

電池總成出廠時電荷狀態(tài)一般為50%～60%,在電池總成與充電機調(diào)試完成之前不要長時間使用,以免電池總成被過放電。

電池低壓報警切斷電后,禁止重啟后繼續(xù)使用,防止電池深度放電造成損壞。