Einführung in die Batterien elektrischer Geräte, Teil 2: Fortschrittliche Technologien

Anmerkung des Herausgebers: Der folgende Beitrag wurde vom Batteriehersteller EnerSys aus Reading, Pennsylvania, exklusiv für Power Progress verfasst und hinsichtlich Länge und Stil redigiert. Er ist Teil einer dreiteiligen Serie von EnerSys zum Verständnis der Batterietechnologie für elektrische Geräte und Fahrzeuge.

In den letzten Jahrzehnten haben Bedenken hinsichtlich Emissionen, Kraftstoffpreisen, Wartungskosten und Gesamteffizienz dazu geführt, dass batterieelektrische (BE) Industriegeräte zunehmend Geräte mit Verbrennungsmotoren (ICEs) ersetzen.

Wie kürzlich besprochen , haben sich herkömmliche Bleibatterien als Energiequelle für viele Industrieanwendungen bewährt, beispielsweise für Gabelstapler und Bodenreinigungsgeräte. Allerdings unterliegen sie hinsichtlich Leistungsdichte und Wartung einigen Einschränkungen.

Um diese Mängel zu beheben, sind in letzter Zeit fortschrittlichere Batterietechnologien auf den Markt gekommen. Dazu gehören dünne Plattenbatterien aus reinem Blei (TPPL) und Lithium-Ionen-Batterien – beide erfreuen sich in vielen Industrie- und E-Commerce-Anwendungen zunehmender Beliebtheit. Sie können anspruchsvollere Anwendungen unterstützen, bei denen herkömmliche Blei-Säure-Batterien versagen.

Da sie wartungsfrei sind und eine höhere Leistung als herkömmliche Bleibatterien bieten, werden TPPL- und Lithium-Ionen-Batterien zunehmend zur bevorzugten Energiequelle für Gabelstapler, Bodenpflegegeräte und andere Nutzgeräte.

Bewährte TPPL-Technologie

Obwohl die TPPL-Batterie in der industriellen Fahrzeuganwendung relativ neu ist, handelt es sich seit den 1970er Jahren um eine bewährte Technologie. Die zu 99 Prozent aus reinem Blei bestehenden Platten beschleunigen die Energieübertragung während kürzerer Ladezeiten. Gleichzeitig bieten die dünneren Platten eine maximale Oberfläche für eine schnellere Energieübertragung und -gewinnung sowie eine Steigerung der Energiespeicherdichte.

Eine Vielzahl von TPPL-Batterien. (Foto: EnerSys)

Die TPPL-Technologie wurde ursprünglich für unternehmenskritische militärische Anwendungen entwickelt, die eine zuverlässige Stromversorgung und schnelleres Laden erforderten. Daher wurden diese Batterien schnell für Anwendungen im Materialtransport und in der Lagerhaltung übernommen.

Heute sind TPPL-Batterien in verschiedenen Leistungsstärken und Konfigurationen erhältlich. Sie haben eine etwas höhere Leistungsdichte als Bleibatterien mit flüssiger Säure und werden daher für leichte bis mittelschwere Anwendungen empfohlen.

Die größten Vorteile von TPPL-Batterien sind ihre Schnellladefähigkeit und der geringe Wartungsaufwand. TPPL-Batterien müssen beispielsweise nicht gewässert, gewaschen oder lange Ausgleichszyklen durchlaufen, was sie ideal für Flottenbesitzer macht, die ihren Wasserverbrauch senken und den Wartungsaufwand vermeiden möchten.

Darüber hinaus müssen sie bei längerer Nichtbenutzung normalerweise alle 6 Monate aufgeladen werden, ohne dass die Batterielebensdauer dadurch beeinträchtigt wird.

Und schließlich erfordern TPPL-Batterien keine langen Ladezeiten. Sie können immer dann angeschlossen werden, wenn das Gerät nicht verwendet wird, beispielsweise während Pausen, zwischen Schichten und anderen Ausfallzeiten.

Die typische Lebenserwartung einer TPPL-Batterie beträgt 4–5 Jahre, abhängig von der Intensität der Nutzung.

Alles über Lithium-Ionen

Während Lithium-Ionen-Akkus in der Gabelstapler- und Bodenpflegeindustrie eine relativ neue Technologie darstellen, sind sie aus der Verwendung in der Unterhaltungselektronik und in Elektrofahrzeugen wohlbekannt.

Es gibt mehrere Ansätze für die Lithium-Ionen-Chemie. Die wichtigsten Versionen, die in Materialtransportgeräten und industriellen Anwendungen verwendet werden, sind Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Nickel-Mangan-Kobalt (NMC). Die Automobilindustrie verlässt sich hauptsächlich auf NMC aufgrund seiner überlegenen Fähigkeit, Energie aufzunehmen und zu speichern – was ein schnelleres Laden und längere Laufzeiten zwischen den Ladevorgängen ermöglicht.

Lithium-Ionen-Batterien eignen sich besonders gut für den intensiven Einsatz in Geräten, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Blei-Säure-Batterien eine deutlich höhere Ladeeffizienz aufweisen. Wie TPPL sind Lithium-Ionen-Batterien für das Zwischenladen konzipiert, wenn das Gerät nicht verwendet wird. Sie erfordern auch keine routinemäßige Wartung, wie z. B. das Nachfüllen von Wasser oder den Ausgleich.

Eine der größten Herausforderungen bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist jedoch gleichzeitig das, was sie so attraktiv macht: ihre hohe Energiedichte. In Verbindung mit ihrer erhöhten Energiedurchsatzkapazität kann dies eine robustere elektrische Infrastruktur erfordern, um ein ordnungsgemäßes Laden zu gewährleisten.

Für einen sicheren Betrieb sind außerdem spezielle Steuerungen erforderlich. Ein Batteriemanagementsystem (BMS), ein kleiner Bordcomputer, der für die jeweilige Batterie entwickelt wurde, überwacht und steuert normalerweise die Aktivität der Batterie. Es ist für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung.

Schlecht konstruierte Lithium-Ionen-Akkus mit fragwürdiger BMS-Steuerung können Sicherheitsrisiken bergen. Diese Probleme lassen sich am besten vermeiden, indem man ein ganzheitlich konzipiertes System verwendet, das aus Akku, BMS und Ladegerät besteht. Außerdem sollten alle Systemkomponenten eindeutig als von anerkannten Drittorganisationen zertifiziert gekennzeichnet sein, wie beispielsweise Underwriters Laboratories (UL), Conformité Européenne (CE), der Internationalen Organisation für Normung (ISO) und anderen.

Die potenziellen Sicherheitsrisiken können dazu führen, dass einige Versicherungsanbieter den Versicherungsschutz verweigern oder zusätzliche Klauseln, Inspektionen oder Überprüfungen verlangen, bevor sie eine Anlage versichern, in der Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Lithium-Ionen-Batterien haben je nach Nutzung eine typische Lebensdauer von 5–7 Jahren.

In Teil 3 dieser Artikelserie werden Überlegungen zur Auswahl der richtigen Batterietechnologien für verschiedene Anwendungen erörtert.

Eine Einführung in Batterien für elektrische Geräte, Teil 1: Traditionelle Technologien Die traditionelle Nassbleibatterie ist noch immer eine zuverlässige Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen in Industriefahrzeugen und -geräten.

TPPL-Batterien in Materialhandhabungsanwendungen: heute und morgen. Max Khabur von OneCharge befasst sich mit dünnen Plattenbatterien aus reinem Blei (TPPL) für elektrische Gabelstapler und untersucht ihre Zukunft im Wettbewerb mit ihren Lithium-Pendants.