锂电池在剪叉式高空作业平台中的应用

2023-01-04文继勇

上海电气技术 2022年3期

路攀文继勇

上海宏信设备工程有限公司上海 201806

1 高空作业平台概述

剪叉式高空作业平台如图1所示,它能够利用自身动力在工作场地或场地之间短距离行走,用来运送工作人员和器材到指定高度进行作业,具有结构简单紧凑、灵活便捷、操作方便、维修简易等优点,广泛应用于机场、酒店、厂房、办公楼宇、商超物业等场所。该平台一般都采用动力电池为其提供动力,并通过车载式充电器完成电池的充电。动力电池在极端条件下的安全性决定了平台操作的安全性,电池的电性能及能量密度决定了平台的续航能力,电池的循环寿命决定了租赁商和终端用户的使用成本。租赁商及终端客户对动力电池考虑的主要因素有日常使用能耗、维护需求、循环寿命、充电时间、可回收性、成本、安全等。

目前,平台的动力电池一般采用富液式铅酸电池及免维护阀控电池,这些电池存在着一些突出缺点,如富液式开口铅酸电池在使用过程中会有水的损耗和酸液的溢出,需经常补充蒸馏水。免维护电池相比锂电池具有充电时间长、寿命短、能量密度低等缺点。

图1 剪叉式高空作业平台

近年来,高空作业平台的销售业绩呈现增长态势。2020年全年高空作业平台累计销售超过10.3万台,远超2019年的4.8万台,2021年全年累计销售超过16万台,同比增长54.6%。2020～2021年高空作业平台各型号销售数量如图2所示。

近年来,新能源锂电池叉车在电动叉车中的份额也在逐步提升,2019年新能源锂电池叉车销售超7.4万台,2020年销售超16.1万台。锂电池叉车销售量占总电动叉车比例从2018年的9.31%、2019年的25.03%,提高到2020年的39.31%。

图2 2021～2022年高空作业平台销售数量

2 铅酸电池概述

1859年,Plante发明了铅酸蓄电池,它以氧化铅为正极板,以海绵铅为负极板,硫酸水溶液为电解液,充放电过程依靠极板上活性物质与电解液发生化学反应来实现。铅酸电池具有成熟的技术,可以大批量生产,生产成本低,价格便宜,使用上有充分的可靠性,至今仍大规模应用。

新一代阀控式密封铅酸蓄电池不需维护,允许深度放电,可循环使用,然而它依旧有着铅酸蓄电池存在比能量和比功率低等致命弱点,根本原因是金属铅的密度较大。功率密度虽可以通过增大电极的表面积来提高,但会增加侵蚀速度而缩短电池的使用寿命。充放电方式也会严重影响它的使用寿命,长期过充电产生的气体会导致极板的活性物质脱落,不适合放电到低于额定容量的20%,反复过度放电同样会导致使用寿命急剧缩短。基于此,平台的电源控制策略一般会设置两级报警。当放电深度≥80%时,提示低电压并触发一级报警,此时设备限止高速行走。当放电深度≥90%时,提示低电压错误并触发二级报警,此时设备切断所有功能动作。

此外,铅酸电池在没有定期充满电的情况下会有硫酸盐晶体析出,硫酸盐晶体会使电池的孔隙度降低,限制活性物质的进入,导致电池的容量减小,俗称硫酸盐化。租赁商及用户的非正常使用和维护情况,如放电后未及时充电,贮存期间未定期充电,长期充电不足等,都会加剧硫酸盐化。硫化后的电池在充电时,可能出现的现象为恒流阶段电压上升很快,恒压阶段电流快速下降,充电很快结束。

3 锂电池概述

当前,锂电池在平台上的应用还处于起步阶段。笔者通过对锂电池的选型、锂电池组解决方案以及与传统富液式开口铅酸电池、阀控式密封铅酸蓄电池的对比,分析锂电池在平台上应用的性能表现,希望能为锂电池在平台上的合理应用提供参考。

3.1 种类与选型

锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。1912年,锂金属电池最早由Lewis研究并提出。20世纪70年代,Whittingham提出并开始研究锂离子电池。锂金属电池以二氧化锰为正极材料,金属锂或其合金金属为负极材料,使用非水电解质溶液。锂离子电池以锂合金金属氧化物为正极材料,石墨为负极材料,使用非水电解质溶液。

磷酸铁锂电池使用磷酸铁锂作为正极材料,它的能量密度较三元锂电池低,但安全性较好,具有大电流放电特性,特别适合动力电池使用,因此选择磷酸铁锂电池作为平台的动力电池使用更适合。

3.2 相关术语

(1) 容量。容量单位一般为mA·h或A·h,在使用时又有额定容量和实际容量的区别。额定容量指满充的锂离子电池在实验室条件下,以某一特定的放电倍率放电到截止电压时所能提供的总电量。实际容量一般不等于额定容量,它与温度、湿度、充放电倍率等直接相关。

(2) 内阻。电池在充放电时电流流过电池内阻所受到的阻力,一般分为欧姆内阻和极化内阻,欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻、各零件的接触电阻所组成,极化内阻是电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。内阻是衡量电池性能的一个重要参数,对于电池的功率特性及热特性均有重要影响。

(3) 倍率。电池在规定的时间内放出其额定容量时所需的电流值,在数值上等于电池额定容量的倍数,通常以C表示。

(4) 电压。开路电压指在无电流且电池电压达到足够平衡状态时,正负极之间的电位差。工作电压指电池外接负载或电源时,正负极之间的电位差。因电池内阻的存在,放电状态时的工作电压低于开路电压,充电时的工作电压高于开路电压。截止电压是指电池在放电/充电时,电压下降/上升到电池不宜再继续放电/充电的最低/最高工作电压。

(5) 荷电状态。荷电状态指在特定条件下,电池中储存的电量占当前可用容量的百分比。荷电状态是表征电池状态的最重要参量之一。

(6) 放电深度。放电深度指在特定工况下,电池放出的电量占当前可用容量的百分比。

(7) 循环寿命。在理想温湿度下,以额定的充放电电流进行深度的充放电,电池容量衰减到额定容量的80%时所经历的循环次数为循环寿命。

(8) CC-CV充电。是电池充电的一种制度,CC表示恒电流,CV表示恒电压,CC-CV表示对电池先进行恒流充电,达到某一电压值后,保持恒压充电状态。

4 磷酸铁锂电池与铅酸电池对比

磷酸铁锂电池与铅酸电池性能对比见表1,磷酸铁锂电池放电曲线如图3所示。分析后可知,在1C放电时,磷酸铁锂电池的容量并未明显减少,说明磷酸铁锂电池比铅酸电池更适合应用于经常大电流放电的平台上。在组成直流24 V电池组时,铅酸电池一般采用的是四个6 V电池串联或四个12 V电池串并联的组成方式,额定电压为24 V。磷酸铁锂电池组普遍采用的是八个单体串联的方式,单体电压3.2 V,额定电压为25.6 V。

5 磷酸铁锂电池优势

依据表1及图3的数据分析可知,磷酸铁锂电池相对于铅酸电池具有以下优点。

表1 磷酸铁锂电池与铅酸电池性能对比

图3 磷酸铁锂电池放电曲线

(1) 能量密度较高。磷酸铁锂电池相对铅酸电池在结构上具有能量密度高、体积小的优势,使整体产品更容易进行轻量化设计,结合从产品的整体结构来看,产品结构特性更加优化。

(2) 动力性好。搭载磷酸铁锂电池的平台其动力性能更强,根据锂电池的特性可知,磷酸铁锂电池具备大电流放电能力,具备更强的爬坡能力,加速性能也得到了提升,同时支持大功率充放电,在正常情况下,磷酸铁锂电池可以持续以2倍的电池容量放电。

(3) 循环寿命长、性价比高。磷酸铁锂晶格稳定性好,锂离子的嵌入和脱出对晶格的影响不大,有良好的可逆性,可以充放电2 000次以上,长寿命铅酸电池的循环寿命在400～800次。在同等使用条件下,铅酸电池可使用1～2 a,磷酸铁锂电池可使用7～8 a,后者使用年限为前者的3～4倍。

(4) 运行效率高。磷酸铁锂电池具备快速充电、满载大电流放电和大电流充电的功能,搭载锂电池后的运营效率更高。锂电池的生产制造具有高精度、高速度和高智能化的特点,保证了锂电池组中的电池具有较高的一致性。铅酸电池使用中的欠充或过放,很容易产生硫化现象,从而使铅酸电池的使用寿命大大缩短。锂电池电源管理系统可以监控和管理电池的充放电,有利于延长锂电池的使用寿命。

6 锂电池电源管理系统

高空作业平台锂电池电源管理系统的主要功能是管理锂电池的充放电,处理电池组工作过程中出现的异常情况,保证电池组能够安全可靠地运行,延长电池组循环使用寿命,最终实现经济效益最大化。管理系统的基本保护功能为过压、欠压、过温、低温、过流、短路等,它一般由数据采集模块、主控模块、均衡控制模块、继电器控制模块、通信及显示模块等组成。采集模块是电源管理系统的工作基础,实现监测功能。基于采集模块传回的数据,主控模块会进行数据分析,动态制定电池管理策略,具有热管理、均衡管理、电荷状态估算、充放电管理、信息交互等功能。通信模块负责电源管理系统各模块间的通信,以及电源管理系统与整车之间的通信。锂电池电源管理系统如图4所示。

图4 锂电池电源管理系统

在主控模块中,电荷状态估算和均衡管理是重点技术。电荷状态估算精度是核心技术指标之一,精度越高,锂电池电源管理系统的上层应用越能发挥作用,并提高电池组的使用效率。笔者采用电流积分法进行电荷状态估算,并采用主动均衡技术。通过主动均衡技术,可以极大地避免长时间使用后的累计容量差异问题,多种电荷状态估算方法的对比见表2。

7 锂离子电池检测标准和要求

锂电子电池检测标准和方法可参照电动汽车并从电性能、循环寿命、安全性三个维度进行评测,检测标准和测试内容见表3,同时参照行业标准T/CCMA 0111—2020《工业车辆用锂离子电池及其系统》。单体电池应满足GB/T 31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》、GB/T 31486—2015《电动汽车用动力蓄电池性能要求及试验方法》、GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》的相关要求,锂离子电池组/包或者系统外观不应有变形及裂纹,且应干燥、无污染。工业车辆用锂离子电池组/包或系统外壳的防护等级不应低于GB/T 4208—2017《外壳防护等级(IP代码)》中规定的IP54,金属材料外壳耐腐蚀性应满足GB/T 2423.18—2021《环境试验第2部分:试验方法试验Kb:盐雾,交变(氟化钠溶液)》中规定的严酷等级5的要求,电驱间隙和爬电距离应符合GB/T 18384—2020《电动汽车安全要求》的要求,端子极性标识应正确、清晰,用于连接车辆的外部端子应采取防误操作和防松脱的措施。锂离子电池组/包或系统正、负极与外部裸露可导电部分之间的绝缘电阻不应小于100 Ω/V,锂离子电池包或系统中宜有热管理系统,使电池工作温度控制在-10～65 ℃,并应进行热管理系统失效试验,应不起火、不爆炸,试验后的绝缘电阻应符合TCCMA 0111—2020中5.2.8的要求。电池系统保护电路应设计成使单体电池保持在正常工作的电压、电流和温度范围内,如果超出正常限值,保护电路应限值或停止充电或放电。

表2 电荷状态估算方法对比

表3 锂离子电池检测标准和测试内容

8 实际装车测试及分析

为了验证锂离子电池和铅酸电池在实际应用中的不同效果,笔者选取了两台举升高度12 m的剪叉式高空作业平台,并安装了不同的电池进行试验。由于锂电池组的重量要比铅酸电池组轻很多,所以给锂电池组加了相应的配重块。为了使试验条件相同,按照JB/T 9229—2013《剪叉式升降工作平台》条款6.1.2试验环境要求进行试验,并按照JB/T 9229—2013条款6的试验方法进行各种状态下的电流峰值和稳定值测试。安装不同的电池后,选择按照标准工况循环测试的试验方法进行工况下的测试,通过处于相同工况下的电压、电流来对比不同电池的功率特性。用测得电流的值来判断不同电池在相同工况下的情况,电流值越小,说明电池压降越小,同时电流值的降低也利于降低电机、电控的温升,提高整车的使用寿命。实测结果见表4,铅酸电池由于无锂电池电源管理系统,电荷状态采用电压对照法进行预估。

通过表4可以看出,高速行走时,磷酸铁锂电池平台的电流要小于铅酸电池平台,但实际工作时电池放电电流值是持续波动的,仅凭单一状态电流值还无法很完整地评判蓄电池的整体性能,还需要依照实际工况在连续放电情况下进行评估,试验方法可以按照标准工况进行循环测试。另外,配置磷酸铁锂电池平台的循环次数明显优于配置铅酸电池平台的循环次数,在相同容量下,设备循环次数增加约25.9%,提高了整车的续航能力,由于具有更长的使用时间,会减少相应的充电次数,延长了锂电池的使用寿命。