Литий-ионные аккумуляторы в поломоечных машинах BECKER

Комплекты установки аккумуляторов на разные модели поломоечных машин:

• Комплект АКБ и ЗУ BECKER Li-ion Kit CT15
• Комплект АКБ и ЗУ BECKER Li-ion Kit A4
• Комплект АКБ и ЗУ BECKER Li-ion Kit A5-CT40
• Комплект АКБ и ЗУ BECKER Li-ion Kit A12-CT110

Чем Li-ion аккумуляторы отличаются от гелевых?

В первую очередь, обратим внимание на таблицу сравнительных характеристик:

Аккумулятор (химический источник тока) является настоящим прорывом не только для всех видов промышленности, но и для повседневной жизни. Поэтому с каждым годом выпускаются все новые и новые виды аккумуляторов из разных веществ. Особенно вопрос выбора актуален, когда речь идет о тяговых аккумуляторах для погрузочной (электроштабелеры, электропогрузчики, ричтраки) и поломоечной техники. Так как в этом случае речь идет не только о непрекращающемся процессе работы, но и о безопасности сотрудников.

Какой же аккумулятор лучше – гелевый или литий-ионный? Давайте разбираться.

1. Срок службы. Некоторые литий-ионные аккумуляторы имеют срок службы до 10 лет, в то время как гелевые работают в среднем около 3 лет.
2. Стоимость. Литий-ионные аккумуляторы значительно дороже гелевых и любых других батарей, имеющихся на рынке. Однако, можно сказать, что это практически единственный существенный его недостаток.
3. Максимальное количество зарядов. В этом аспекте литий-ионные батареи заметно выигрывают, так как количество циклов заряда-разряда ровно 3000, к сожалению, гелевые аккумуляторы сработают всего на 800 циклов при глубине заряда равной 80%. При этом у li-on аккумуляторов отсутствует «эффект памяти», то есть нет необходимости полностью разряжать, а потом заряжать аккумулятор перед работой. После разряда гелевые аккумуляторы необходимо полностью зарядить, чтобы они прослужили весь заявленный срок гарантии.
4. Безопасность и экологичность. Литиевые аккумуляторы абсолютно безопасны, так как не выделяют никаких вредных веществ в окружающую среду. Более того, их легко утилизировать, благодаря встроенной электронной защите, которая блокируется в экстренных ситуациях. Гелевые аккумуляторы, в свою очередь, содержат вещество «силикагель». Оно представляет собой твердое вещество с множеством микропор, где и находится электролит. Он является неопасным, но токсичным веществом.
5. Температура. Li-on аккумуляторы способны работать при температуре от 0 до +40 градусов, при этом гелевые батареи могут выполнять свои функции даже при отрицательных значениях.
6. Вес и размер. Еще одно преимущество литий-ионных аккумуляторов в том, что их вес практически в 3 раза меньше, чем у гелевых батарей.
7. Стоимость обслуживания. Стоимость обслуживания гелевого аккумулятора достаточно высока, тогда как литий-ионного практически равна нулю.

По многим показателям литий-ионные аккумуляторы выглядят лучше: их срок службы больше, чем у гелевых батарей, а количество циклов заряда-разряда намного превышает всех конкурентов-аналогов. Единственный аспект, который может заставить обратить внимание на гелевые аккумуляторы – это их стоимость. Они намного дешевле, чем литий-ионные представители.

Сравнение литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов при работе в стационарных системах хранения энергии

Сегодня существует широкий выбор способов хранения энергии для стационарных систем электроснабжения. В их числе — суперконденсаторы, сжатый воздух, гидроаккумулирующие станции, маховики и заряжаемые аккумуляторные батареи. Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют области их применения. В этой статье рассматриваются 2 технологии аккумуляторных батарей, использующих химическое преобразование для хранения энергии: свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы. Основный вывод исследования: определить наиболее эффективные аккумуляторы можно только после изучения ряда факторов, и уже сейчас есть огромный сегмент рынка, где литий-ионные аккумуляторы показывают меньшую стоимость хранения энергии, чем свинцово-кислотные. На рисунке ниже показаны 11 факторов, которые должны рассматриваться при выборе типа аккумуляторной батареи для данной конкретной системы электроснабжения.

В системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии до недавнего времени доминировали свинцово-кислотные и никелевые (щелочные) аккумуляторные батареи. Никелевые батареи (NiCd, NiMH) практически ушли с рынка ввиду высокой цены и вреда окружающей среде. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются более 100 лет и будут одними из основных в обозримое время вследствие их низкой цены и массового производства.

Литиевые аккумуляторы — это также хорошо проработанная технология и они широко используются в гаджетах и портативных электронных устройствах. Им еще предстоит завоевать свое место в больших системах электроснабжения. Они уже широко применяются в системах, где объем, вес, чувствительность к температуре и малое обслуживание более важны, чем начальная стоимость. На диаграмме ниже показаны типы аккумуляторов, применяемых в системах с возобновляемыми источниками энергии.

Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов.

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны. Различия — в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная «губка» для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. «Буферные» герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных — они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы «глубокого разряда», которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени.

Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO2.

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese. Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в «литий-полимерных» аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать «мешочек»  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 группы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese — Оксид марганца лития (LiMn2O4) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO2)). БатареиLiMn2O4и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгоранию в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

Сравнение литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными

Типичный допустимый разряд показывает, что для свинцово-кислотные аккумуляторы должны иметь бОльшую номинальную емкость по сравнению с литиевыми для обеспечения хранения одинакового количества энергии.

Вследствие больших различий в технических и экономических характеристиках, выбор «лучшего» типа аккумулятора зависит от конкретной ситуации. Ниже разберем более подробно эти параметры.

Сравнение по количеству циклов

Литий-ионные аккумуляторы имеют гораздо больше возможных циклов заряда-разряда, особенно при глубоком разряде. Различие увеличивается также при увеличении температуры. Количество циклов для каждого типа аккумуляторной батареи может быть увеличено путем ограничения глубины разряда (DoD), разрядного тока и температуры, но свинцово-кислотные аккумуляторы в общем случае намного чувствительнее к этим факторам.

Так как количество циклов зависит от глубины разряда, на рисунке показаны различные кривые для разной глубины разряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Видно, что AGM аккумуляторы должны разряжаться на 30% для того, чтобы по количеству циклов их можно было сравнивать с литиевыми аккумуляторами с глубиной разряда 75%. Это означает, что номинальная емкость AGM аккумуляторов должна быть примерно в 2,5 раза больше, чем у литиевых аккумуляторов для того, чтобы обеспечить сопоставимые срок службы и количество сохраняемой энергии.

В жарком климате при средних температурах около 33°С, различия между AGM и литий-ионными аккумуляторами усиливается. Количество циклов для свинцово-кислотных аккумуляторов снижается в 2 разар, в то время как для литий-ионных оно сохраняется стабильным до 45°С.

Разрядные характеристики

Свинцово-кислотные аккумуляторы отдают меньше емкости при увеличении тока разряда. Это нужно учитывать при проектировании системы электроснабжения. Чем короче время разряда, тем меньшую емкость отдает СК АКБ.

Так,  100 А*ч VRLA АКБ отдаст только 80А*ч при 4-часовом разряде. С другой стороны, 100А*ч литий-ионный аккумулятор отдасть 92А*ч даже при 30-минутном разряде. Литий-ионные аккумуляторы особенно выгодно применять в системах, где разряд длится менее 8 часов.

Работа при низких температурах

Оба типа аккумуляторов снижают полезную емкость при понижении температуры. Литий-ионные аккумуляторы теряют емкость существенном меньше. На потерю емкости свинцово-кислотных аккумуляторов влияет ток разряда.

Влияние на окружающую среду

Свинцово-кислотные аккумуляторы проигрывают литий-ионным в части экологической безопасности. Они требуют во много раз больше сырья, чем литий-ионные, для получения одинаковой полезной емкости для хранения энергии. Экологический ущерб при добыче сырья для свинцово-кислотных аккумуляторов гораздо выше; получение свинца также потребляет много энергии, что в свою очередь ведет к связанным с генерацией энергии выбросам загрязняющих веществ в окружающую среду.  Несмотря на то, что свинец очень ядовит, готовые свинцово-кислотные батареи не представляют риска для здоровья человека. К положительным моментам можно отнести то, что более 97% свинца из отработанных аккумуляторов можно повторно использовать.

Процесс производства литиевых аккумуляторов также имеет некоторые проблемы для экологии. Основные компоненты литиевого аккумулятора требуют добычи карбоната лития, меди, алюминия и железа. Особенно ресурсоемким является добыча лития, но, к счастью, лития в аккумуляторе меньшая часть от общей его массы. Влияние на окружающую среду от производства алюминия и меди, требуемых для него, гораздо выше. Индустрия вторичной переработки литий-ионных аккумуляторов сейчас только зарождается, но уже сейчас понятно, что большая часть материалов также может быть переработана и использована для производства новых аккумуляторов.

Безопасность

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные аккумуляторы могут войти в «температурный разбег», когда температура элемента быстро растет и может произойти выброс электролита, вредных газов и даже возгорание. Такое более вероятно для литий-ионных аккумуляторов вследствие того, что они имеют намного большую удельную энергоемкость. При производстве аккумуляторов принимаются многочисленные предохранительные меры, чтобы не допустить запуска процесса перегрева, но полностью исключить его пока не удается.

Сравнение по напряжению

При рассмотрении вопроса по замене аккумуляторов в существующей системе на аккумулятор другого типа, наиболее важным является фактор напряжения. Номинальное напряжение LiNMC АКБ технически составляет 25.9В и для LFP — 25.6В.

Напряжение литий-ионных АКБ хорошо согласуется с напряжением аналогичных свинцово-кислотных практически во всем диапазоне рабочего напряжения. Для литиевых аккумуляторов потребуется оборудование, которое может работать при более высоком напряжении. Большая часть современного оборудования может работать с такими напряжениями, и имеет регулировки как для свинцовых, так и для литиевых аккумуляторов.

Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы имеют свои преимущества и недостатки. При принятии решения о выборе технологии необходимо учесть множество факторов — начальную стоимость, срок службы, вес, объем, чувствительность к температуре, удобство и стоимость технического обслуживания, доступность продукта и т.п. Однозначного ответа сейчас нет, но снижение стоимости и доступность литиевых аккумуляторов повышает их привлекательность и делает выбором в ряде ситуаций, особенно в жарком климате и при ежедневном глубоком разряде и заряде.

Безопасность литиевых аккумуляторов существенно лучше у литий-железо-фосфатных аккумуляторов, поэтому именно они получили наиболее широкое применение в стационарных системах энергоснабжения.

На современных складских логистических комплексах для перемещения грузов широко используется техника на электрической тяге. Такой тип складской грузоподъемной техники считается экологически чистым. Традиционно в качестве аккумуляторов электрической энергии здесь в большинстве случаев используются классические кислотные аккумуляторные батареи с жидким электролитом, доля которых составляет по нашему опыту более 90%. В некоторых случаях могут использоваться и необслуживаемые гелевые батареи, которые по конструкции похожи на классические, но почти не выделяют вредных газов в процессе зарядки. Классические и гелевые батареи фактически сейчас доминируют на рынке. Они доступны и стоят относительно недорого. Но настолько ли хорош такой источник питания и есть ли альтернатива?

Невысокая стоимость и массовость — это пожалуй единственные преимущества классических свинцовых аккумуляторов для напольного транспорта. Зато существует множество недостатков. Начнем с того, что они требуют регулярного обслуживания. Время полной зарядки кислотного аккумулятора составляет обычно от 7,5 до 12 часов. Это обстоятельство заставляет в случае многосменной работы использовать поочередно две батареи для одной единицы техники и тратить рабочее время на их замену. Не следует также забывать о затратах на персонал для регулярного контроля своевременности зарядки-разрядки и доливки воды. Это связано с тем, что такие батареи очень чувствительны к небрежному обращению. Например хронические неполные заряды могут быстро вывести батарею из строя.

Кислотные батареи с жидким электролитом

Срок службы традиционных тяговых батарей также невысок. В среднем он составляет 1500 циклов заряда-разряда для обычных и 1200 для гелевых. Далее остаточная емкость снижается и электропогрузчик или штабелер с такой батареей вместо полной 8 часовой смены сможет отработать только 4-6 часов и меньше.

Одним из самых главных недостатков классических тяговых батарей является выделение водорода в процессе зарядки. Смесь водорода с кислородом воздуха является взрывоопасной. Поэтому в местах использования техники с таким типом аккумуляторов необходимо оборудовать специальные комнаты с серьезными требованиями к пожаробезопасности и вентиляции. А это серьезные капитальные затраты. В случае же, когда требуется перейти на технику с электрическим приводом на уже действующем складе, необходимость оборудования зарядной комнаты становиться непреодолимым препятствием для собственника таких складов.

Вопросом является и эффективность кислотных тяговых батарей. Дело в особенности электрохимических преобразований. Во время зарядки часть энергии высвобождается в виде тепла и попросту теряется. Из 100% электроэнергии направленной на зарядку свинцово-кислотной батареи полезными являются только 65-70%.

Тяговые батареи гелевого типа

Конечно некоторых перечисленных выше недостатков не имеют батареи гелевого типа. Выделение водорода у них минимальное, так что в большинстве случаев строительство специальной зарядной комнаты не требуется. Однако многосменная работа с такими батареями может быть проблемой. Гелевые батареи очень чувствительны к повышенным токам зарядки, поэтому время их полного заряда составляет минимум 12-14 часов. Это делает невозможным многосменную работу. Батареи зачастую недозаряжаются и быстро теряют номинальную емкость.

Таким образом свинцово-кислотные батареи имеют ряд недостатков, устранения которых, по мнению специалистов вряд ли следует ожидать в будущем. Многие предрекают в скором времени полный уход с рынка данной технологии. Что же придет взамен?

Наиболее перспективной заменой традиционных тяговых батарей для складской грузоподъемной техники являются Li-Ion (литий-ионные) аккумуляторы.

Li-ion - новая альтернатива для питания электропогрузчиков и складской техники
Литий-ионные аккумуляторы массово выпускались уже давно и в основном использовались как источник питания мобильных телефонов и других небольших устройств. Но все они были довольно дороги и имели не совсем совершенную конструкцию. Некоторые даже были взрывоопасны. В их конструкции в основном использовались литий-кобальтовые и литий марганцевые элементы. С появлением недавно литий-железно-фосфатных LiFePO4 элементов стало возможным использование их для питания электрического грузоподъемного транспорта.

Тяговые батареи с литий-железно-фосфатными LiFePO4 элементами уже реально используются на логистических центрах и на складах предприятий. Они имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными свинцово-кислотными батареями.

• Начнем с того, что время полной зарядки таких аккумуляторов составляет всего 1,5 — 2 часа. Впервые сконструированы батареи, которые заряжаются значительно быстрее, чем отдают энергию. При этом не происходит никаких выделений и батарея практически не нагревается. Кроме того зарядка может производиться совершенно беспорядочно. То есть совершенно не обязательно соблюдать полный цикл заряда-разряда. При этом такая эксплуатация совершенно не влияет на срок службы. Данное обстоятельство позволяет организовать многосменную работу на складе используя всего лишь одну батарею на единицу техники. Во время пауз в течение рабочего дня можно за 30 минут подзарядить батарею на 40%. Не требуется тратить время на замену батарей. Не требуется оборудовать зарядное помещение. Особенно актуально это преимущество для складов, где нет строгого закрепления техники за водителями и отсутствует собственный сервис. Можно не опасаться выхода из строя батарей по причине недозарядки, отсутствия надлежащего обслуживания и т. д.
• Далее срок службы. По заявлениям производителей он составляет от 3000 до 5000 циклов, что как минимум в 2 раза выше, чем у традиционных батарей. На протяжении всего срока службы не требуется какое-либо обслуживание или доливка воды.

Конечно при таких явных преимуществах у таких батарей должны быть и недостатки. Это в первую очередь довольно высокая стоимость. Они как минимум в 2 раза дороже чем гелевые и в 3 раза дороже, чем обычные кислотные батареи с жидким электролитом. Однако не смотря на это обстоятельство они находят своего потребителя. Причем даже при высоких начальных инвестициях они могут оказаться более выгодным приобретением. Дело в том, что благодаря более энерго-эффективной технологии на их зарядку требуется на 30% меньше электроэнергии. Сокращение расходов на обслуживание таких батарей составляет 65%. Таким образом уже через 1-2 года дополнительные инвестиции окупаются и далее поребитель получает дополнительную выгоду.

Таким образом можно констатироровать, что литий-ионная технология уже в ближайшее время может значительно потеснить традиционные тяговые батареи. Уже сейчас  основные производители складской грузоподъемной техники предлагают данный тип батарей на малую складскую технику и вилочные электрические погрузчики. 

Однако наша компания может укомплектовать поставляемую технику собственными вариантами Li-Ion батарей по ценам приемлемым для украинских потребителей. 

Если вы хотите отказаться от зарядной комнаты, персонала для обслуживания классических батарей вилочных погрузчиков, мы с удовольствием проконсультируем вас по современной литий-ионной технологиии.