鋰離子電池如何為非公路設備的轉變提供動力
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隨著物料搬運和地面支持設備行業采用鋰離子電池和戶外充電基礎設施，他們需要在設計電池連接器時考慮到創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的轉變及其對連接器設計的影響。下一部分將重點介紹密封要求、熱注意事項以及工程師在為戶外和快速充電環境選擇連接器時應優先考慮的關鍵功能。
鋰離子 （Li-ion） 電池將為未來的非公路設備提供動力。越來越多的物料搬運和機場運營商正在從內燃機 （ICE） 和鉛酸電池系統過渡到更高效的鋰離子解決方案。在運營效率提高、可持續發展計劃和鋰離子技術增強的推動下，這種“萬物電氣化”的趨勢預計將持續下去。
然而，新的電源帶來了新的技術要求。鋰離子供電設備需要創新的電池連接器，這些連接器可以處理更高的熱負載并支持增強的電池監控。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入市場，為工程師提供增強的性能和更多的功能，以支持他們的下一代電氣設備。
比較：ICE、鉛酸還是鋰離子？
要了解最新的電池連接器設計，比較當今可用的主要電源選項并了解鋰離子電池為何會經歷如此快速增長，這將很有幫助。工程師在評估非公路設備（如叉車、皮帶裝載機和挖掘機）的電源解決方案時，通常會從三個主要選項中進行選擇：
內燃機 （ICE）： ICE 系統使用內部發動機為其運行提供動力。這些發動機通常依賴化石燃料，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。
鉛酸電池：鉛酸動力設備發明于 1859 年，依靠浸入硫酸的鉛板之間的電化學反應來發電。
鋰離子電池：鋰離子電池于 1990 年代首次商業化生產，其功能是通過電解質釋放正負鋰離子電池，從而產生電流。
非公路領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鏈產能的擴大正在加速電動汽車 （EV） 的采用。研究提供商 BloombergNEF 報告稱，電池電動汽車 （BEV） 的價格在 2024 年首次突破 100 美元/kWh 門檻， 電動汽車和固定儲能的電池需求預計將以 53% 的速度同比增長。
物料搬運叉車是電氣化程度提高的一個突出例子。到 2020 年，美國境內運輸的叉車中有 69% 是電動的。雖然當今使用的大多數電動叉車仍然依賴傳統的鉛酸電池，但由于 擁有成本的降低和運營效率的提高，鋰離子電池型號的市場份額正在迅速增長。
圖 1.技術人員在維護期間將大功率電池連接器連接到叉車，強調了耐用充電解決方案在物料搬運環境中的重要性。
電氣化在地面支持設備 （GSE）、建筑和農業領域也越來越受歡迎。 隨著機場尋求減少碳足跡，電動 GSE 正在迅速普及。 新的建筑設備（如電動挖掘機、起重機和燈塔） 在降噪和快速充電方面取得了進步。 在農業中，這種轉變速度較慢，因為農民需要一次充電即可運行一整天的重型電氣設備。
然而，勢頭正在增強。越來越多的農民正在采用下一代設備，例如電動拖拉機和農作物噴灑無人機。除了向電氣化轉變之外，與傳統技術相比，鋰離子電池還帶來了一些實際優勢。
鋰離子優勢
鋰離子電池增長的一個重要原因涉及該技術固有的作便利性。傳統的鉛酸電池需要較長的充電和冷卻周期（通常每個長達 8 小時），并且應在充電前完全放電。部分充電會導致不利影響，包括縮短電池壽命和增加維護需求。
這些限制會導致額外的勞動力和基礎設施成本。設備作員必須經常在不方便的時候（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場聘請訓練有素的技術人員。
相比之下，鋰離子電池支持機會充電或在任何停機時刻充電，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，為設備提供足夠的電力來持續一整個工作日。
因此，機會充電消除了耗時的電池更換需求。
鋰離子電池還有助于更輕松、更快速地充電。設備作員無需經過培訓的技術人員即可插入設備進行充電。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工作。減少停機時間對于地面支持設備行業尤為重要，在繁忙的機場運營中，快速恢復工作崗位至關重要。
充電便利性是推動從鉛酸電池轉向鋰離子電池的主要因素。然而，與鉛酸和 ICE 供電設備相比，鋰離子電池的其他性能優勢包括：
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，并隨著時間的推移保持更一致的性能。鉛酸電池在其生命周期結束時往往會更快地退化，并且充電速度更慢。
更少的維護：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，隨著時間的推移，它們的維護成本通常會更高。最近的一項行業研究發現，鋰離子電池的生命周期成本低于鉛酸電池，這主要是因為它們的使用壽命更長、容量更高且維護需求更少。一般來說，電氣設備也比 ICE 驅動的設備更容易維修，因為其運行中涉及的液體、油和冷卻劑更少。
更安靜的運行：與 ICE 車輛相比，電池供電設備在運行時產生的噪音要小得多。這在當地噪聲限制的建筑環境中是一個特別的優勢。
零排放： 鋰離子系統消除了與室內廢氣排放相關的擔憂。ICE 車輛會排放有害的汽油或柴油排放物，如果在室內使用，則需要通風系統進行處理。零排放電氣設備避免了安裝此類系統的麻煩和費用。
鋰離子技術面臨的一個持續挑戰涉及其復雜的回收過程。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，不同的國家正在投資更多的回收設施。美國能源部最近通過了一項法案，為鋰回收撥款 3.35 億美元。
電氣化如何推動可持續發展
鋰離子電池的另一個優勢涉及其環境效益。可持續性是地面支持設備市場特別關注的問題，其中包括支持機場運營的設備。這包括電動皮帶裝載機、牽引車、后推車、登機橋和除冰車等應用。
減少排放是許多機場未來目標的關鍵支柱。航空業約占全球二氧化碳排放量的 2.5%，機場是戰略性的單點排放源，非常適合實施可持續發展計劃。32 個歐洲國家的 300 多個機場已經承諾到 2050 年實現凈零碳排放。全球許多其他機場都采用了類似的決議來減少碳足跡。
圖 2.電池電動地面支持設備（如貨物裝載機）正在幫助機場減少排放，同時對惡劣條件下的連接器性能提出了新的要求。請繼續關注本文的第 II 部分，該部分探討了先進的連接器設計如何支持安全性、耐用性和高壓系統集成。
為了實現更可持續的運營，越來越多的機場正在改用電動地面支持設備 （eGSE）。最近的一項歐洲研究發現，與傳統內燃機的 GSE 相比，電動 GSE 可減少 48% 的二氧化碳排放。電動 GSE 設備還有助于機場滿足當地的空氣質量標準，并降低排放物對機場工作人員和附近社區的健康風險。
政府政策也激勵了這種轉變，尤其是在機場和運輸部門。在美國，美國聯邦航空管理局 （Federal Aviation Administration） 的自愿機場低排放 （VALE） 計劃幫助機場為購買低排放和零排放車輛和充電基礎設施提供資金。自 2021 年以來，歐盟已向多個項目撥款超過 13 億歐元（約合 14 億美元），這些項目使 63 個機場的地面運營電氣化。
更廣泛的可持續發展法規也影響著整個非公路市場。歐盟已宣布到 2035 年全面禁止銷售內燃機 （ICE） 汽車，這是其朝著到 2050 年完全實現碳中和的目標邁出的重要一步。歐洲前 15 家原始設備制造商 （OEM） 中有 13 家已經宣布將禁止使用內燃機汽車以實現其減排目標。
總結
隨著越來越多的設備所有者轉向鋰離子系統，以獲得卓越的效率、更低的維護和可持續性優勢，工程師還必須重新考慮實現可靠日常作的組件。從機會充電到降低總擁有成本，非公路應用正在加速向鋰離子的轉變。
在下一部分中，我們將探討戶外充電基礎設施的具體連接器要求，以及 IP68 密封、接觸溫度感應和高級信號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。
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