鋰離子電池如何為非公路設(shè)備的轉(zhuǎn)變提供動(dòng)力

隨著物料搬運(yùn)和地面支持設(shè)備行業(yè)采用鋰離子電池和戶外充電基礎(chǔ)設(shè)施，他們需要在設(shè)計(jì)電池連接器時(shí)考慮到創(chuàng)新的密封和熱管理解決方案。這是一篇由兩部分組成的文章的第一部分，探討了向鋰離子技術(shù)的轉(zhuǎn)變及其對(duì)連接器設(shè)計(jì)的影響。下一部分將重點(diǎn)介紹密封要求、熱注意事項(xiàng)以及工程師在為戶外和快速充電環(huán)境選擇連接器時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮的關(guān)鍵功能。

鋰離子 （Li-ion） 電池將為未來的非公路設(shè)備提供動(dòng)力。越來越多的物料搬運(yùn)和機(jī)場運(yùn)營商正在從內(nèi)燃機(jī) （ICE） 和鉛酸電池系統(tǒng)過渡到更高效的鋰離子解決方案。在運(yùn)營效率提高、可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃和鋰離子技術(shù)增強(qiáng)的推動(dòng)下，這種“萬物電氣化”的趨勢(shì)預(yù)計(jì)將持續(xù)下去。

然而，新的電源帶來了新的技術(shù)要求。鋰離子供電設(shè)備需要?jiǎng)?chuàng)新的電池連接器，這些連接器可以處理更高的熱負(fù)載并支持增強(qiáng)的電池監(jiān)控。戶外充電的增長也要求密封連接器能夠承受潮濕、灰塵和碎屑的影響。

如今，新型電池連接器正在進(jìn)入市場，為工程師提供增強(qiáng)的性能和更多的功能，以支持他們的下一代電氣設(shè)備。

比較：ICE、鉛酸還是鋰離子？

要了解最新的電池連接器設(shè)計(jì)，比較當(dāng)今可用的主要電源選項(xiàng)并了解鋰離子電池為何會(huì)經(jīng)歷如此快速增長，這將很有幫助。工程師在評(píng)估非公路設(shè)備（如叉車、皮帶裝載機(jī)和挖掘機(jī)）的電源解決方案時(shí)，通常會(huì)從三個(gè)主要選項(xiàng)中進(jìn)行選擇：

1. 內(nèi)燃機(jī) （ICE）： ICE 系統(tǒng)使用內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)為其運(yùn)行提供動(dòng)力。這些發(fā)動(dòng)機(jī)通常依賴化石燃料，例如汽油或柴油，但也可以使用可再生或替代燃料，包括天然氣或乙醇。

2. 鉛酸電池：鉛酸動(dòng)力設(shè)備發(fā)明于 1859 年，依靠浸入硫酸的鉛板之間的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。

3. 鋰離子電池：鋰離子電池于 1990 年代首次商業(yè)化生產(chǎn)，其功能是通過電解質(zhì)釋放正負(fù)鋰離子電池，從而產(chǎn)生電流。

非公路領(lǐng)域顯然正在走向電氣化。電池成本的降低和鋰離子電池供應(yīng)鏈產(chǎn)能的擴(kuò)大正在加速電動(dòng)汽車 （EV） 的采用。研究提供商 BloombergNEF 報(bào)告稱，電池電動(dòng)汽車 （BEV） 的價(jià)格在 2024 年首次突破 100 美元/kWh 門檻， 電動(dòng)汽車和固定儲(chǔ)能的電池需求預(yù)計(jì)將以 53% 的速度同比增長。

物料搬運(yùn)叉車是電氣化程度提高的一個(gè)突出例子。到 2020 年，美國境內(nèi)運(yùn)輸?shù)牟孳囍杏?69% 是電動(dòng)的。雖然當(dāng)今使用的大多數(shù)電動(dòng)叉車仍然依賴傳統(tǒng)的鉛酸電池，但由于 擁有成本的降低和運(yùn)營效率的提高，鋰離子電池型號(hào)的市場份額正在迅速增長。

圖 1.技術(shù)人員在維護(hù)期間將大功率電池連接器連接到叉車，強(qiáng)調(diào)了耐用充電解決方案在物料搬運(yùn)環(huán)境中的重要性。

電氣化在地面支持設(shè)備 （GSE）、建筑和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也越來越受歡迎。 隨著機(jī)場尋求減少碳足跡，電動(dòng) GSE 正在迅速普及。 新的建筑設(shè)備（如電動(dòng)挖掘機(jī)、起重機(jī)和燈塔） 在降噪和快速充電方面取得了進(jìn)步。 在農(nóng)業(yè)中，這種轉(zhuǎn)變速度較慢，因?yàn)檗r(nóng)民需要一次充電即可運(yùn)行一整天的重型電氣設(shè)備。

然而，勢(shì)頭正在增強(qiáng)。越來越多的農(nóng)民正在采用下一代設(shè)備，例如電動(dòng)拖拉機(jī)和農(nóng)作物噴灑無人機(jī)。除了向電氣化轉(zhuǎn)變之外，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，鋰離子電池還帶來了一些實(shí)際優(yōu)勢(shì)。

鋰離子優(yōu)勢(shì)

鋰離子電池增長的一個(gè)重要原因涉及該技術(shù)固有的作便利性。傳統(tǒng)的鉛酸電池需要較長的充電和冷卻周期（通常每個(gè)長達(dá) 8 小時(shí)），并且應(yīng)在充電前完全放電。部分充電會(huì)導(dǎo)致不利影響，包括縮短電池壽命和增加維護(hù)需求。

這些限制會(huì)導(dǎo)致額外的勞動(dòng)力和基礎(chǔ)設(shè)施成本。設(shè)備作員必須經(jīng)常在不方便的時(shí)候（例如輪班期間）將放電的鉛酸電池更換為充滿電的鉛酸電池。為了方便這些更換，車主還必須購買額外的電池庫存并在現(xiàn)場聘請(qǐng)訓(xùn)練有素的技術(shù)人員。

相比之下，鋰離子電池支持機(jī)會(huì)充電或在任何停機(jī)時(shí)刻充電，無論剩余電量是多少。鋰離子電池的電量可以在員工休息或換班期間快速充電，為設(shè)備提供足夠的電力來持續(xù)一整個(gè)工作日。

因此，機(jī)會(huì)充電消除了耗時(shí)的電池更換需求。

鋰離子電池還有助于更輕松、更快速地充電。設(shè)備作員無需經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員即可插入設(shè)備進(jìn)行充電。由于鋰離子電池的充電速度比鉛酸電池快，因此鋰離子電池可以更快地恢復(fù)工作。減少停機(jī)時(shí)間對(duì)于地面支持設(shè)備行業(yè)尤為重要，在繁忙的機(jī)場運(yùn)營中，快速恢復(fù)工作崗位至關(guān)重要。

充電便利性是推動(dòng)從鉛酸電池轉(zhuǎn)向鋰離子電池的主要因素。然而，與鉛酸和 ICE 供電設(shè)備相比，鋰離子電池的其他性能優(yōu)勢(shì)包括：

• 更高的能量容量：鋰離子電池提供的可用能量容量大約是鉛酸型號(hào)的 3 到 10 倍。它們還提供更高的能量密度。

• 更高的耐用性：與鉛酸電池相比，鋰離子電池可以承受更多的充電/放電循環(huán)，并隨著時(shí)間的推移保持更一致的性能。鉛酸電池在其生命周期結(jié)束時(shí)往往會(huì)更快地退化，并且充電速度更慢。

• 更少的維護(hù)：雖然鉛酸電池的購買和安裝成本低于鋰離子電池，但由于需要定期澆水和清潔，隨著時(shí)間的推移，它們的維護(hù)成本通常會(huì)更高。最近的一項(xiàng)行業(yè)研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的生命周期成本低于鉛酸電池，這主要是因?yàn)樗鼈兊氖褂脡勖L、容量更高且維護(hù)需求更少。一般來說，電氣設(shè)備也比 ICE 驅(qū)動(dòng)的設(shè)備更容易維修，因?yàn)槠溥\(yùn)行中涉及的液體、油和冷卻劑更少。

• 更安靜的運(yùn)行：與 ICE 車輛相比，電池供電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音要小得多。這在當(dāng)?shù)卦肼曄拗频慕ㄖh(huán)境中是一個(gè)特別的優(yōu)勢(shì)。

• 零排放： 鋰離子系統(tǒng)消除了與室內(nèi)廢氣排放相關(guān)的擔(dān)憂。ICE 車輛會(huì)排放有害的汽油或柴油排放物，如果在室內(nèi)使用，則需要通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行處理。零排放電氣設(shè)備避免了安裝此類系統(tǒng)的麻煩和費(fèi)用。

鋰離子技術(shù)面臨的一個(gè)持續(xù)挑戰(zhàn)涉及其復(fù)雜的回收過程。鋰離子電池中的稀有礦物需要專門的工藝才能分解。作為回應(yīng)，不同的國家正在投資更多的回收設(shè)施。美國能源部最近通過了一項(xiàng)法案，為鋰回收撥款 3.35 億美元。

電氣化如何推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展

鋰離子電池的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)涉及其環(huán)境效益。可持續(xù)性是地面支持設(shè)備市場特別關(guān)注的問題，其中包括支持機(jī)場運(yùn)營的設(shè)備。這包括電動(dòng)皮帶裝載機(jī)、牽引車、后推車、登機(jī)橋和除冰車等應(yīng)用。

減少排放是許多機(jī)場未來目標(biāo)的關(guān)鍵支柱。航空業(yè)約占全球二氧化碳排放量的 2.5%，機(jī)場是戰(zhàn)略性的單點(diǎn)排放源，非常適合實(shí)施可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃。32 個(gè)歐洲國家的 300 多個(gè)機(jī)場已經(jīng)承諾到 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。全球許多其他機(jī)場都采用了類似的決議來減少碳足跡。

圖 2.電池電動(dòng)地面支持設(shè)備（如貨物裝載機(jī)）正在幫助機(jī)場減少排放，同時(shí)對(duì)惡劣條件下的連接器性能提出了新的要求。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注本文的第 II 部分，該部分探討了先進(jìn)的連接器設(shè)計(jì)如何支持安全性、耐用性和高壓系統(tǒng)集成。

為了實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的運(yùn)營，越來越多的機(jī)場正在改用電動(dòng)地面支持設(shè)備 （eGSE）。最近的一項(xiàng)歐洲研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的 GSE 相比，電動(dòng) GSE 可減少 48% 的二氧化碳排放。電動(dòng) GSE 設(shè)備還有助于機(jī)場滿足當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并降低排放物對(duì)機(jī)場工作人員和附近社區(qū)的健康風(fēng)險(xiǎn)。

政府政策也激勵(lì)了這種轉(zhuǎn)變，尤其是在機(jī)場和運(yùn)輸部門。在美國，美國聯(lián)邦航空管理局 （Federal Aviation Administration） 的自愿機(jī)場低排放 （VALE） 計(jì)劃幫助機(jī)場為購買低排放和零排放車輛和充電基礎(chǔ)設(shè)施提供資金。自 2021 年以來，歐盟已向多個(gè)項(xiàng)目撥款超過 13 億歐元（約合 14 億美元），這些項(xiàng)目使 63 個(gè)機(jī)場的地面運(yùn)營電氣化。

更廣泛的可持續(xù)發(fā)展法規(guī)也影響著整個(gè)非公路市場。歐盟已宣布到 2035 年全面禁止銷售內(nèi)燃機(jī) （ICE） 汽車，這是其朝著到 2050 年完全實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)邁出的重要一步。歐洲前 15 家原始設(shè)備制造商 （OEM） 中有 13 家已經(jīng)宣布將禁止使用內(nèi)燃機(jī)汽車以實(shí)現(xiàn)其減排目標(biāo)。

總結(jié)

隨著越來越多的設(shè)備所有者轉(zhuǎn)向鋰離子系統(tǒng)，以獲得卓越的效率、更低的維護(hù)和可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)，工程師還必須重新考慮實(shí)現(xiàn)可靠日常作的組件。從機(jī)會(huì)充電到降低總擁有成本，非公路應(yīng)用正在加速向鋰離子的轉(zhuǎn)變。

在下一部分中，我們將探討戶外充電基礎(chǔ)設(shè)施的具體連接器要求，以及 IP68 密封、接觸溫度感應(yīng)和高級(jí)信號(hào)功能等功能如何幫助工程師滿足不斷變化的鋰離子電池電氣化需求。