Зарядка по мере необходимости не приводит к автоматическому повреждению литиевой батареи вилочного погрузчика. При правильном выполнении короткие частичные зарядки могут снизить количество циклов глубокой разрядки и обеспечить бесперебойную работу в течение нескольких смен. При неправильном выполнении чрезмерное нагревание, длительное нахождение батареи в состоянии высокой заряженности, несоответствие зарядного устройства и слишком высокий ток могут быстро сократить срок службы батареи.
Нет — при правильном контроле периодической зарядки срок службы литиевых аккумуляторов вилочных погрузчиков, как правило, не сокращается.
Однако к этому ответу следует добавить предупреждение, поскольку термин “зарядка по возможности” превратился в расплывчатый маркетинговый слоган, под который подпадает всё: от тщательно контролируемой 15-минутной дозарядки при умеренной силе тока до перегревающегося зарядного устройства высокой мощности, которое шесть раз за смену «забивает» почти полностью заряженную батарею.
Это не одни и те же условия эксплуатации.
Жара выводит аккумуляторы из строя.
А когда оператор автопарка поддерживает аккумуляторную батарею LiFePO4 в нагретом состоянии, неоднократно доводит её уровень заряда до значения 100%, игнорирует ограничения по току, заданные системой управления аккумулятором, или использует профиль зарядки, разработанный для аккумуляторов другого химического состава, то в причине повреждения винят «зарядку по случаю», хотя на самом деле истинной причиной является некачественное проектирование системы.
Итак, наносит ли «зарядка по возможности» вред литиевым батареям?
Не сама по себе. Результат зависит от стратегии зарядки, температуры, диапазона уровня заряда, силы тока и взаимодействия между аккумулятором и зарядным устройством.
Под «зарядкой по возможности» понимается подключение электрического вилочного погрузчика к совместимому зарядному устройству во время обычных периодов простоя: перерывов, обеда, смены смен, задержек при погрузке, времени на уборку или плановых пауз. Аккумулятор остается в погрузчике, и оператор заряжает только столько энергии, сколько необходимо для обеспечения работы в следующем рабочем блоке.
В текущих рекомендациях Toyota проводится различие между «зарядкой по возможности» и более интенсивной «быстрой зарядкой»: при «зарядке по возможности» обычно используются более низкие скорости зарядки во время перерывов и смены смен, тогда как при «быстрой зарядке» применяется более высокий ток для более быстрого восполнения энергии. Компания «Тойота» также отмечает, что литий-ионные аккумуляторы лучше переносят такие режимы зарядки, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, которые могут требовать выравнивания заряда, периодов охлаждения и более строгого графика технического обслуживания. См. Оценка компании «Тойота» способов зарядки вилочных погрузчиков.
Это различие имеет значение.
20-минутная зарядка от уровня заряда 35% до 55% не равнозначна принудительной зарядке нагретой батареи от 85% до 100% с использованием максимального тока, который может обеспечить зарядное устройство. Оба случая могут отображаться в журнале зарядного устройства как “зарядки по возможности”, но их влияние на срок службы литиевой батареи погрузчика может быть совершенно разным.
Мое прямолинейное мнение заключается в том, что многие споры о сроке службы аккумуляторов на самом деле являются спорами о технических характеристиках. Отдел закупок приобрел аккумуляторный блок, ориентируясь на напряжение и емкость в ампер-часах, эксплуатационный отдел изменил график смен, отдел технического обслуживания продолжал использовать неподходящее зарядное устройство, и никто не проверял данные о тепловых характеристиках, пока емкость не начала снижаться.
И тогда вину возлагают на литий.
Почему?
Ведь свалить вину на химию проще, чем признать, что план зарядки так и не был разработан.
Для настройки на уровне склада начните с реального План развития инфраструктуры для зарядки вилочных погрузчиков в режиме «по мере необходимости» а не рассматривать каждую розетку как способ зарядки.
Важный вопрос заключается не в том, “сколько раз мы подключали его к розетке?”
Уместно задать вопрос: “Какие электрохимические и термические нагрузки возникали при каждом цикле зарядки?”
Счетчик циклов заряда может вводить в заблуждение, поскольку десять небольших подзарядок не всегда соответствуют десяти полным циклам заряда аккумулятора погрузчика. Старение аккумулятора в большей степени зависит от общего объема пропущенной энергии, глубины разряда, времени нахождения на напряженных уровнях заряда (SOC), температуры, зарядного тока, баланса элементов и календарного времени.
Тепло ускоряет побочные реакции внутри литий-ионных элементов и увеличивает нагрузку на электролит, границу раздела с анодом, разъемы, шины и электронику аккумуляторного блока. Зарядное устройство может быть электрически совместимым, но при этом привести к сокращению срока службы, если аккумуляторный блок остается горячим в течение нескольких смен подряд.
Национальные лаборатории Сандия опубликовали результаты многолетнего исследования, в ходе которого проводилось сравнение коммерческих аккумуляторных элементов на основе LFP, NCA и NMC при различных скоростях разряда, глубинах разряда и температурах окружающей среды. Вывод, который следует запомнить менеджерам автопарков, прост: характер деградации зависит от химического состава и условий эксплуатации, поэтому одного универсального “правила зарядки литиевых аккумуляторов” недостаточно. Читайте Исследование деградации коммерческих литий-ионных аккумуляторов, проводимое Sandia/OSTI.
Даже небольшие разницы в температуре имеют значение.
Аккумуляторная батарея, заряжающаяся при температуре 25 °C, находится в совершенно иных условиях, чем батарея, которая поступает на зарядное устройство уже сильно нагретой после интенсивной работы и продолжает заряжаться вблизи своего верхнего температурного предела. Если ваша система управления батареей (BMS) фиксирует повторяющиеся предупреждения о высокой температуре, сокращение времени зарядки без снижения тепловыделения не является стратегией обеспечения работоспособности. Это лишь отсрочка выхода из строя.
Скорость заряда обычно обозначается как C-rate. Зарядка со скоростью 1C теоретически позволяет зарядить аккумулятор до его номинальной ёмкости примерно за один час; скорость 0,5C предполагает примерно два часа, до учёта снижения скорости заряда и системных потерь.
Но «выше» не всегда означает «лучше».
В ходе исследований Министерства энергетики США по сверхбыстрой зарядке тестировались элементы при скоростях зарядки от 1C до 9C. При более высоких скоростях исследователи зафиксировали более выраженные механизмы старения: при скорости выше 6C потеря активного материала катода превосходила по интенсивности другие механизмы, а при 9C на катоде появлялись видимые трещины уже на 25-м цикле в рамках испытательной программы. Речь идет об экстремальной лабораторной зарядке, а не о обычной зарядке по мере возможности, как это делается с вилочными погрузчиками, но это доказывает, почему покупатели должны перестать рассматривать силу тока зарядного устройства как предмет гордости. См. Исследование Министерства энергетики США по катодам для быстрой зарядки.
Быстрая зарядка не бесплатна.
Правильный ток зависит от конструкции элементов, ёмкости аккумуляторного блока, ограничений системы управления аккумуляторной батареей (BMS), номинальной нагрузки разъёма, сечения кабеля, температуры окружающей среды, температуры аккумулятора и доступного времени зарядки. Зарядное устройство на 200 А может быть подходящим для одного аккумуляторного блока ёмкостью 400 А·ч, но неприемлемым для другого блока, в котором используются другие элементы, система охлаждения или настройки BMS.
Литиевые аккумуляторы не нужно полностью заряжать после каждого короткого периода работы.
Неоднократное дозаряжение аккумулятора вилочного погрузчика до уровня 100% и поддержание его в таком состоянии в течение нескольких часов может усилить нагрузку, связанную с календарным старением, особенно если аккумуляторная батарея нагрета. Ирония ситуации очевидна: парк погрузчиков может внедрить систему «заряжания по возможности», чтобы избежать глубокой разрядки, но при этом создать новую проблему, поддерживая заряд каждого погрузчика на уровне, близком к полному, в течение всего дня.
Полная зарядка по-прежнему имеет своё место. В некоторых конструкциях систем управления батареей (BMS) время нахождения в верхней зоне SOC используется для балансировки элементов, а в некоторых режимах работы действительно требуется максимальный запас энергии. Однако правило “заряжать до 100% при каждой остановке” не должно применяться автоматически, если только это прямо не предусмотрено эксплуатационной стратегией производителя батареи.
Лучше спросить: какой объем резерва на самом деле требуется для следующего рабочего блока?
Другая крайность также приводит к проблемам. Эксплуатация грузовика до момента снижения мощности или отключения из-за низкого напряжения вынуждает операторов допускать глубокую разрядку аккумулятора, повышенный токопотребность, поспешную зарядку и нестабильную работу во время смены.
В этом случае может помочь зарядка по мере возможности.
За счет подзарядки небольшим количеством энергии во время запланированных пауз автопарк может избежать повторяющихся глубоких разрядов и поддерживать аккумулятор в более благоприятном рабочем диапазоне. Исследователи из Стэнфорда обнаружили, что реалистичные динамические циклы увеличивают срок службы аккумулятора на 38% по сравнению с лабораторными циклами с постоянным током на тестируемых ими элементах для электромобилей. Данное исследование не проводилось на аккумуляторных батареях LFP для вилочных погрузчиков, поэтому его результаты не следует использовать при прогнозировании срока гарантии, однако оно подтверждает более общий вывод: реальные рабочие циклы, периоды простоя и частичные заряды могут отличаться от упрощённых предположений, основанных на полных циклах. См. исследование Стэнфордского университета исследование динамического цикла службы аккумуляторов велосипедов.
Частичное использование — это не враг.
Ненадлежащее использование — это...
Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов вилочных погрузчиков должно соответствовать не только номинальному напряжению. Оно также должно соответствовать утвержденной кривой зарядки, максимальному току, режимам отключения, типу разъема, протоколу связи, температурным ограничениям и логике системы управления аккумуляторной батареей (BMS).
Именно в этом и заключается проблема недорогих переоборудований.
Зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов может обеспечивать аналогичное напряжение, но при этом использовать неподходящий профиль заряда, этап выравнивания или метод завершения заряда. Разъем может физически подходить, но его номинальный ток, полярность, система блокировки или схема связи могут не соответствовать требованиям.
Для автопарков, проходящих модернизацию, используйте Контрольный список по переоборудованию вилочного погрузчика с свинцово-кислотных аккумуляторов на литиевые прежде чем утверждать аккумулятор или зарядное устройство. Одно лишь напряжение не является критерием проверки совместимости.
Приведенные ниже цифры отражают принципы эксплуатации, а не универсальные гарантийные ограничения. Письменные технические характеристики производителя аккумулятора всегда имеют приоритет над общими ориентировочными значениями.
| Переменная зарядки | Модель работы с пониженным риском | Модель повышенного риска | Влияние на срок службы литиевой батареи вилочного погрузчика |
|---|---|---|---|
| Окно состояния заряда | Частые частичные зарядки, позволяющие избежать как длительного нахождения аккумулятора в состоянии низкого уровня заряда (SOC), так и ненужных периодов полной зарядки | Многократная зарядка до 100% и длительная парковка в нагретом состоянии | Более высокий средний уровень заряда (SOC) может усилить нагрузку, связанную с календарным старением |
| Ток заряда | Ток, удерживаемый внутри элемента питания, система управления батареей (BMS), разъем, кабель и температурные ограничения | Выбор зарядного устройства с максимальной мощностью без проверки на уровне аккумуляторной батареи | Превышение номинального тока может привести к повышению температуры, увеличению риска образования нагара, возникновению неисправностей и износу компонентов |
| Температура аккумулятора | Зарядка начинается в пределах допустимого температурного диапазона, при этом журналы анализируются на предмет случаев перегрева | Зарядка сразу после интенсивной эксплуатации, когда аккумуляторная батарея уже нагрелась | Нагрев ускоряет износ и может привести к снижению номинальной мощности или отключению системы управления батареей (BMS) |
| Глубина разгрузки | Энергия подается до того, как грузовик достигнет уровня срабатывания защиты от пониженного напряжения | Операторы обычно эксплуатируют грузовик до момента вынужденной остановки | Глубокие циклы заряда-разряда могут привести к повышенной нагрузке на систему и сбоям в работе |
| Профиль зарядного устройства | Утвержденный производителем профиль заряда литиевых/LiFePO4-аккумуляторов с правильными параметрами отключения и связи | Повторно использованное свинцово-кислотное зарядное устройство или непроверенное зарядное устройство стороннего производителя | Несоответствие может привести к неполной зарядке, возникновению перенапряжения, перегреву или спорам по поводу гарантии |
| Расписание перерывов | Предсказуемые 10–30-минутные интервалы, привязанные к измеренному спросу на энергию | Случайные плагины без целевого SOC или правила для автопарка | Непоследовательное поведение приводит как к недозарядке, так и к ненужному нахождению в режиме высокого уровня заряда (SOC) |
| Анализ данных | Ежемесячно анализируются показатели SOC, температура, ток, неисправности и пропускная способность по энергии | Система Fleet полагается на память оператора и индикаторы на приборной панели | Проблемы остаются незаметными до тех пор, пока не станет очевидной потеря производительности при выполнении программы |
Эта таблица демонстрирует суровую реальность: наиболее эффективные методы зарядки литий-ионных аккумуляторов для вилочных погрузчиков — это, в основном, методы управления, основанные на данных системы управления аккумуляторной батареей (BMS).
Батарея не способна исправить плохо составленный график.
А зарядное устройство большей мощности не сможет исправить ситуацию с аккумулятором недостаточной ёмкости.
Прежде чем выбрать мощность, смоделируйте реальный рабочий день с помощью План подбора емкости литиевых аккумуляторов для вилочных погрузчиков с учетом режима работы. Для автопарка, работающего в двухсменном режиме с тремя надежными 20-минутными интервалами зарядки, может потребоваться аккумуляторная батарея другого типа, чем для автопарка, работающего в односменном режиме и эксплуатируемого в интенсивном режиме в течение восьми часов без перерыва.
Вот правила, которые я бы хотел разместить на профессиональном складе.
Установите нормальный рабочий диапазон с учетом измеренного энергопотребления и рекомендаций производителя аккумулятора. Многие автопарки могут избежать как глубокой разрядки, так и постоянного нахождения аккумулятора в состоянии полной заряженности, используя среднее значение целевого уровня заряда (SOC) в течение дня, однако точные пределы должны определяться конструкцией аккумуляторной батареи и требованиями к резерву мощности для сменной работы.
Не применяйте правила, предназначенные для аккумуляторов мобильных телефонов, к промышленным аккумуляторным батареям напряжением 48 В, 80 В или 76,8 В.
Укажите на этикетке напряжение зарядного устройства, выходной ток, тип разъема, химический состав аккумулятора и группу грузовых автомобилей, для которых оно одобрено. Смешанные автопарки приводят к ошибкам, которых можно избежать, особенно в тех случаях, когда в одном здании одновременно эксплуатируются свинцово-кислотные и литиевые аккумуляторы.
Вилка не является защитой.
Устанавливайте зарядные устройства в тех местах, где грузовики и так останавливаются, и где кабели можно защитить от колес, вил погрузчиков, пешеходов и движения на погрузочной площадке. Технически безупречное зарядное устройство, расположенное в 80 метрах, останется без внимания; а небезопасное зарядное устройство, установленное рядом с перекрестком с ограниченной видимостью, будет использоваться и создаст другую проблему.
Руководство CoreSpark по проектирование зоны зарядки литиевых вилочных погрузчиков охватывает вопросы размещения, разделения потоков, электрической мощности, защиты кабелей и правил эксплуатации.
Учитывайте количество ампер-часов или киловатт-часов, а не только количество подключений. Два цикла разряда и заряда аккумулятора 50% соответствуют примерно одному полному циклу пропускания энергии, даже если в журнале зарядного устройства отображаются два сеанса.
Это имеет значение при сравнении гарантийных условий.
Поставщик, заявляющий о 4 000 циклов, может по-разному определять понятия «цикл», «температура испытания», «глубина разряда», «емкость в конце срока службы» и «скорость заряда» по сравнению с другим поставщиком. Уточняйте условия испытаний. Каждый раз.
Проанализируйте данные системы управления батареей (BMS) на предмет температуры заряда, пикового тока, предупреждений о перегреве, дисбаланса, отключения при высоком напряжении, блокировки при низкой температуре и сбоев связи зарядного устройства.
Одна ошибка — это подсказка.
Периодический сбой — это системный сбой.
Некоторые аккумуляторные батареи требуют периодической полной зарядки для оптимальной балансировки или калибровки уровня заряда (SOC). В других случаях используется иная логика балансировки. Следуйте письменному графику, предоставленному производителем, а не придумывайте еженедельный ритуал, заимствованный из практики обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов.
После внедрения системы зарядки по возможности сравните запланированные и фактические показатели: упущенные окна зарядки, уровень заряда аккумулятора (SOC) в конце смены, температуру аккумуляторной батареи, загрузку зарядного устройства, температуру разъема, неисправности и соблюдение операторами установленных требований.
Первый месяц — это честность.
Брошюры — это не то.
Срок службы аккумуляторов и безопасность зарядки регулируются одними и теми же основными факторами: правильным оборудованием, специально отведенными местами, управлением тепловым режимом, защитой кабелей, правилами для операторов и документированными проверками.
Стандарт OSHA по промышленным погрузчикам с двигателем внутреннего сгорания требует, чтобы установки для зарядки аккумуляторов располагались в специально отведенных местах, и содержит положения, касающиеся противопожарной защиты, защиты зарядных устройств от повреждений со стороны погрузчиков, вентиляции для отвода газов, выделяющихся из аккумуляторов, размещения погрузчиков и контроля зажигания. Использование литиевых аккумуляторов изменяет некоторые виды опасностей по сравнению с заливными свинцово-кислотными аккумуляторами, но не снимает с работодателя обязанности обеспечить соответствующую организацию зоны зарядки. См. OSHA 29 CFR 1910.178.
А вот один нюанс, который покупатели часто упускают из виду: забота о сроке службы аккумулятора также способствует защите разъемов.
Ослабленный, поврежденный, загрязненный или несоответствующего размера разъем может вызывать сопротивление и нагрев. Аккумулятор может оставаться в пределах заявленного токового ограничения, в то время как место соединения перегревается. Именно поэтому ток зарядного устройства, номинальные характеристики разъема, состояние кабеля и инфракрасный осмотр должны фигурировать в одном и том же документе по техническому обслуживанию.
Зарядка по мере необходимости может сократить срок службы литий-ионных аккумуляторов вилочных погрузчиков при наличии одного или нескольких из следующих условий:
Ни один из этих сбоев не доказывает, что частичная зарядка литий-ионных аккумуляторов сама по себе вредна.
Они доказывают, что система была плохо подобрана.
«Зарядка по возможности» — это метод пополнения заряда литиевой батареи во время коротких запланированных периодов простоя. Как правило, такая зарядка не наносит ущерба аккумуляторной батарее вилочного погрузчика, соответствующей техническим требованиям, при условии, что ток зарядки, напряжение, температура, целевые значения уровня заряда (SOC), номинальные характеристики разъемов и параметры управления системой управления батареей (BMS) находятся в пределах эксплуатационных ограничений, указанных производителем.
Вероятность повреждения возрастает, если флот агрессивно заряжает аккумуляторные батареи, в течение длительного времени поддерживает их заряд на уровне 100% SOC, использует несовместимые зарядные устройства или игнорирует повторяющиеся сбои системы управления батареями (BMS).
Литиевую батарею вилочного погрузчика обычно можно подзаряжать несколько раз в день, поскольку небольшие частичные заряды не учитываются автоматически как отдельные полные циклы; допустимая частота зависит от совокупной пропущенной энергии, зарядного тока, температуры батареи, диапазона уровня заряда (SOC), конструкции элементов, настроек системы управления батареей (BMS) и утвержденного производителем профиля эксплуатации.
Более подходящим показателем эффективности является эквивалентная пропускная способность за полный цикл в кВт·ч или А·ч, а не количество раз, когда оператор подключает вилку.
При быстрой зарядке используется более высокий ток для восполнения энергии за более короткий промежуток времени, тогда как при зарядке в удобное время обычно применяется умеренный ток во время запланированных перерывов; быстрая зарядка может вызывать более сильную тепловую и электрохимическую нагрузку, если для конкретного аккумуляторного блока не контролируются такие параметры, как коэффициент разряда (C-rate), температура, время нахождения в состоянии высокой заряженности (SOC), пропускная способность разъема или охлаждение.
Хорошо спроектированная система быстрой зарядки может и работать эффективно, но “максимальная мощность зарядного устройства” ни в коем случае не должна быть установлена по умолчанию.
Оптимальный диапазон SOC — это утвержденный производителем рабочий диапазон, который обеспечивает питание на следующий рабочий период, позволяя при этом избежать ненужных глубоких разрядов и длительного нахождения аккумулятора в состоянии высокого SOC; многие автопарки используют циклы частичной зарядки в среднем диапазоне, однако универсального правила «20–80%», применимого ко всем литий-железо-фосфатным элементам, конструкциям систем управления аккумуляторными батареями (BMS), графикам смен или гарантийным условиям, не существует.
Используйте фактические данные об энергопотреблении в режиме переключения и требуемую резервную мощность для установки целевого значения, а затем сверьте его с предельными значениями, указанными в документации поставщика аккумуляторов.
Чтобы продлить срок службы литиевой батареи вилочного погрузчика, необходимо контролировать факторы, приводящие к её износу: поддерживать зарядный ток в пределах допустимых значений, снижать нагрев, избегать длительного нахождения батареи в состоянии очень высокого уровня заряда (SOC), предотвращать повторяющиеся глубокие разряды, использовать совместимое зарядное устройство, защищать разъёмы, анализировать данные системы управления батареей (BMS) и подбирать емкость батарейного блока с учётом реальной продолжительности рабочей смены.
Зачастую наиболее эффективной мерой по техническому обслуживанию вовсе не является физическое обслуживание, а корректировка режима зарядки до того, как аномальные температурные показатели и признаки неисправности приведут к необратимой потере емкости.
Литиевые аккумуляторы для вилочных погрузчиков не всегда требуют ежедневной полной зарядки, поскольку аккумуляторные батареи LiFePO4 могут работать при частичной зарядке; однако некоторым системам управления аккумуляторами может потребоваться периодическая зарядка с высоким уровнем заряда (SOC) для балансировки элементов или калибровки уровня заряда в соответствии с конкретной стратегией управления производителя и письменным графиком технического обслуживания.
Не применяйте методы выравнивания заряда, предназначенные для свинцово-кислотных аккумуляторов, к литиевым аккумуляторам. Следуйте инструкциям по эксплуатации аккумуляторной батареи, техническим характеристикам зарядного устройства и рекомендациям системы управления батареей (BMS) для данной конкретной модели.
Зарядка по мере необходимости не влияет негативно на срок службы литиевых аккумуляторов вилочных погрузчиков.
Неэффективный контроль — это...
Аккумуляторная батарея LiFePO4 правильного размера в сочетании с сертифицированным зарядным устройством и при использовании в рамках стратегии контроля уровня заряда (SOC) и температуры способна выдерживать кратковременные частичные зарядки, сокращая при этом частоту замены аккумуляторов, работу с низким уровнем заряда (SOC) и простои между сменами. Однако аккумулятор, размер которого не соответствует требованиям, перегретый, перезаряженный или подключенный к несоответствующему режиму работы, будет преждевременно изнашиваться независимо от химического состава, указанного на этикетке.
Начните с шести показателей: напряжение на вилочном погрузчике, ёмкость аккумулятора в А·ч, ёмкость аккумулятора в кВт·ч, измеренное суточное потребление энергии, максимальная продолжительность непрерывной работы и общее количество доступных минут зарядки.
Затем добавьте детали, которые часто упускают при закупках: размеры батарейного отсека, необходимый противовес, номинальные характеристики разъема, пиковый ток погрузчика, температура окружающей среды, протокол связи системы управления батареей (BMS), входная мощность зарядного устройства и требования к сертификации.
Для обзора на уровне пакета воспользуйтесь CoreSpark Battery’s Технические возможности по разработке LiFePO4 для OEM/ODM и предоставить информацию о модели грузовика, техническую табличку, график переключения передач, интервалы зарядки, целевое напряжение, емкость, габариты, вес, разъем и требования к связи через Страница контактов по проекту «Аккумуляторы на заказ».
Не спрашивайте только: “Как быстро заряжается эта батарея?”
Задайте вопрос, который поможет обеспечить бесперебойную работу оборудования и защитить инвестиции: “Как следует заряжать эту батарею в нашем здании и в рамках наших рабочих смен, чтобы обеспечить максимально возможный обоснованный срок службы?”
