Устройства электропитания для промышленного транспорта

Виды, конструкции и эксплуатация тяговых аккумуляторных батарей (АКБ)

А. Пашков

В настоящее время во всех отраслях промышленности все больше внимания уделяется механизации производственных циклов, наблюдается тенденция к максимальной замене ручного труда техническими средствами. В полной мере это относится и к складским комплексам, где ряд физически тяжелых для человека операций – перемещение, подъем-опускание грузов – выполняет оборудование с электроприводом. Стройная система технологических процессов здесь во многом определяется надежностью работы промышленного транспорта – погрузчиков, штабелеров, тележек, автоматических транспортных средств, робокаров, подъемников и другой техники. Экологические и экономические преимущества электротранспорта перед другими видами моторизованной техники очевидны, что способствует его широкому распространению.

Основным источником энергоснабжения электродвигателей транспортных средств на складах разного назначения являются тяговые аккумуляторные батареи (АКБ). Их широко применяют и в качестве источников питания поломоечных и подметающих машин, шахтных электровозов, общественного транспорта, средств бытового назначения – инвалидных колясок, катеров и проч. Тяговые АКБ легко установить и подключить, они просты и надежны в эксплуатации и при хранении.

Виды аккумуляторов

Несмотря на большое количество довольно эффективных и разных по конструкции источников питания, в качестве тяговых применяют аккумуляторы двух видов – щелочные и кислотные. В щелочных АКБ используют железоникелевые или кадмий-никелевые электроды (иногда с небольшими добавками гидроксида лития), помещенные в раствор гидроксида калия (натрия). В нашей стране щелочные железоникелевые АКБ продолжительное время использовались для питания электротранспорта. Их выпускают и применяют до сих пор, однако в последние десятилетия во всем мире их место повсеместно заняли АКБ с электродами из сплавов на основе свинца и кислотным электролитом, у которых бо’льшая емкость на единицу стоимости и более высокий КПД по емкости и энергии. Кроме того, коррекция уровня электролита в таких конструкциях осуществляется дистиллированной водой, а не раствором щелочи, что более безопасно. Тем не менее, если требуется перевести машины на свинцовые АКБ, возникают определенные сложности: надо либо сразу менять весь парк АКБ, либо использовать два изолированных зарядных помещения. Кроме того, требуется приобрести и новое, пригодное для этого зарядное устройство.

Конструкция свинцовых АКБ

Тяговая свинцово-кислотная АКБ представляет собой жесткую металлическую конструкцию (ящик-контейнер) с антикоррозионным, чаще всего пластиковым покрытием, внутри которой находятся аккумуляторные элементы напряжением 2 В. Число элементов тяговой батареи определяет ее напряжение (4, 6, 12, 24, 40, 48, 72 и 80 В), а тип элементов – емкость (от 110 до 1550 А·ч). Широкое применение нашли классические свинцовые АКБ типа PzS с положительными пластинами из свинцово-сурьмянистого сплава (панцирного типа) и отрицательными пластинами из чистого свинца (намазного типа).

Устройство тяговой батареи: 1, 5 – отрицательные пластины; 2, 4 – микропористый сепаратор; 3 – положительная панцирная пластина; 6, 7 – блоки пластин с полюсной перемычкой и болтовым полюсом; 8 – пробка; 9 – блок пластин; 10 – призма; 11, 12 – корпус и крышка элемента; 13 – полюсное уплотнение; 14 – гибкое межэлементное соединение; 15 – защитный колпачок; 16 – полюсный болт; 17 – пробки для централизованного долива воды с контролем уровня; 18 – шланговый провод системы долива; 19 – корпус батареи

Электролитом в них служит водный раствор серной кислоты. Конструкция этих устройств следующая. Положительная пластина состоит из решетки расположенных рядом тонких свинцовых стержней, помещенных в трубки из специального кислотопроницаемого изоляционного материала (например, из нетканого полиэстера). Между свинцовым стержнем и тканевым панцирем находится активная масса положительных электродов (диоксид свинца). Отрицательная пластина выполнена в виде свинцовой решетки с нанесенной на нее пастой из активной массы. Разные производители АКБ используют разные составы сплавов для электродов и разные составы активной массы, способы изготовления и нанесения последней. Положительные и отрицательные электроды в АКБ разделены ребристыми пористыми сепараторами из изоляционного материала. Блок электродов помещен в кислотоустойчивый и стойкий к ударам пластмассовый (например, из полипропилена) корпус прямоугольной формы. Сверху к кромкам бака термоконтактным способом приваривается пластмассовая крышка. Сварной шов выполнен герметичным в целях предотвращения вытекания электролита. Крышка АКБ имеет горловину для заливки и контроля состояния электролита, которая закрывается вентиляционной пробкой. Полюсные выводы защищены от внешних коротких замыканий (к.з.) и воздействия кислоты пластмассовыми крышками.

Электроды каждой полярности соединены между собой наплавленными мостиками, от которых отходят токовыводы (борны) с отверстиями для болтового крепления соединительных перемычек. Соединения базовых элементов внутри АКБ выполняются в двух основных вариантах – с помощью гибких или жестких перемычек. Жесткое соединение элементов тяговых батарей осуществляют свинцовыми или освинцованными медными перемычками, которые приваривают к выводам элементов. Ремонт соединений такого типа более сложен. Для соединений второго типа применяют гибкие медные кабели, закрепляемые на выводе элемента болтами. Они отличаются лучшей ремонтопригодностью, а также эффективнее защищают от к.з. В этом случае при необходимости отсоединения элемента от батареи не требуется сварка; работы по монтажу занимают 10...15 мин, а не целый день, как в случае со сварными соединениями. Кроме того, если при использовании жестких сварных соединений «рост» положительных борнов может привести к разрыву корпуса элемента или поломке соединителя, то благодаря гибкости болтовых соединений этого не происходит.

Все тяговые АКБ для электротранспорта можно разделить на обслуживаемые, малообслуживаемые и необслуживаемые. Для зарядки АКБ первых двух типов необходимо специальное зарядное помещение с приточно-вытяжной вентиляцией. Необслуживаемые АКБ появились сравнительно недавно, но они очень перспективны, поскольку процесс зарядки безопасен и не требует отдельной комнаты. К сожалению, отечественные производители такие аккумуляторы пока не выпускают.

На электропогрузчиках АКБ обычно размещены под сиденьем водителя и служат противовесом

Батареи для погрузчиков

Классические батареи типа PzS (DIN 43567) получили наибольшее распространение во всем мире. Они используются очень давно, имеют надежную конструкцию, проверенную временем, а их производительность соответствует самым высоким современным требованиям. АКБ PzS отлично подходят для многосменного режима работы и имеют запас мощности, достаточный для работы в самых тяжелых условиях. Диапазон емкости батарей 120...1550 А·ч, время зарядки 5,5...14 ч. Средний интервал долива воды – 1 раз в неделю (7 циклов).

Малообслуживаемые АКБ, сохранив достоинства классической конструкции, представляют собой продукт принципиально нового поколения. Особая конструкция в сочетании с технологией заряда (подача специальных импульсов тока на заключительной стадии процесса заряда обеспечивает однородное перемешивание электролита) позволяет значительно увеличить интервал обслуживания (до 60 дней, или 70 циклов) без снижения надежности и при сохранении отличных технических характеристик. При замене классических АКБ на малообслуживаемые необходимо менять и зарядные устройства, однако некоторые компании, в частности концерн Exide Technologies, выпускают устройства, требующие лишь перенастройки платы управления. Диапазон емкости малообслуживаемых АКБ – 120...1550 А·ч, срок службы – 1500 циклов (DIN/EN 60254-1, IEC 254 1), время зарядки – 8...14 ч, средний интервал долива воды – 1 раз в 2 месяца (70 циклов).

В современных тяговых батареях введено много усовершенствований, которые позволили увеличить их емкость и обеспечить более высокие электрические и эксплуатационные характеристики, сократить до минимума время ухода за ними. Так, ряд моделей ведущих производителей может комплектоваться системой перемешивания электролита. Она нужна для оптимального использования активной массы, что достигается за счет равномерного распределения плотности электролита по высоте пластин путем перемешивания.

Одним из крупнейших производителей и поставщиков АКБ является концерн EXIDE Technologies, контролирующий более 50% европейского рынка аккумуляторных батарей. В России этого производителя представляет компания ЗАО «Акку-Фертриб», работающая на российском рынке более 11 лет и имеющая филиалы в шести городах России и пяти странах СНГ. Среди поставляемой продукции – классические тяговые АКБ (EPzS) c рекордным сроком службы, малообслуживаемые АКБ (EPzSLMX), а также знаменитые полностью необслуживаемые гелевые АКБ dryfit® (EPzV). В гамму оборудования, поставляемого ЗАО «Акку-Фертриб», входят также зарядные устройства, системы долива воды и перемешивания электролита, системы очистки воды, различные запчасти и комплектующие. Специалисты компании помогают профессионально подобрать требуемое оборудование, а сервисная служба всегда готова оказать заказчикам срочную помощь.

Перемешивание осуществляется с помощью встроенной в АКБ системы трубочек, по которым с помощью мембранного насоса подается воздух. Применять систему рекомендуется для увеличения емкости, сокращения времени зарядки и недопущения перегрева АКБ при заряде. Используя ее, можно производить промежуточные зарядки для восстановления емкости и подготовки АКБ к дальнейшей эксплуатации во время перерывов в работе транспорта. В качестве опции многие производители АКБ предлагают централизованную систему долива воды, в том числе автоматизированную, с управляемым магнитным клапаном. Специальные пробки элементов позволяют доливать воду до оптимального уровня и измерять плотность электролита. Для автоматического обмена данными о параметрах АКБ, уровне электролита, температуре и состоянии зарядки между АКБ и зарядным устройством служит специальный контроллер. С его помощью зарядное устройство автоматически подбирает зарядный профиль и устанавливает оптимальный зарядный режим.

Абсолютно герметизированные, так называемые гелевые АКБ являются полностью необслуживаемыми на протяжении всего срока службы, поскольку не требуют долива воды. Электролит в них загущен до консистенции геля, состоящего из высокодисперсной смеси серной кислоты и диоксида кремния. Материал положительной пластины (сплав свинца и кальция с высоким содержанием олова), состав активной массы и сепаратор подобраны в соответствии с особыми требованиями. Благодаря внутренней рекомбинации и специальным зарядным режимам практически исключается потребление воды и запаса электролита хватает на весь срок службы АКБ.

Помимо прочего, такая структура исключает не только вытекание электролита, но и расслоение его во время цикличной эксплуатации; в 6 раз по сравнению с обычными батареями уменьшается саморазряд. Гелевые АКБ имеют чрезвычайно малое газовыделение при зарядке, поэтому не нуждаются в специальном зарядном помещении и применяются в условиях с повышенными требованиями к чистоте окружающей среды. Поскольку электролит находится в желеобразном состоянии, исключены и все возможные неприятности, связанные с выплескиванием электролита. Диапазон емкости гелевых АКБ – 110...1200 А·ч, срок службы – 1200 циклов (DIN/EN 60254 1, IEC 254 1), время зарядки – 12...14 ч.

Аккумуляторы малой ёмкости

АКБ малой емкости предназначены для питания небольших устройств на электротяге, таких как уборочные машины, электроштабелеры малой мощности, подъемные платформы и т. д. Производят их в виде батарейных блоков.

Классические блочные батареи малой емкости (FF и FT) сочетают в себе компактность, мощность и надежность классической технологии. В конструкции используются решетчатые пластины и жидкий электролит. Диапазон их емкости – 48...225 А·ч, срок службы – 1000...1100 циклов (DIN/EN 60254 1, IEC 254 1), время зарядки – 8...14 ч, средний интервал долива воды – 1 раз в неделю (7 циклов). Требуют специального зарядного помещения.

В необслуживаемых батареях (GF) используются решетчатые пластины из специального сплава и электролит в виде геля. Диапазон емкости – 50...240 А·ч, срок службы – 800 циклов (DIN/EN 60254 1, IEC 254 1), время зарядки – 12...14 ч. Не требуется долив воды и специальное зарядное помещение.

Параметры работы и маркировка

Как уже было отмечено, в зависимости от модели погрузчика элементы могут собираться в батареи напряжением 12, 24, 36, 40, 48, 72, 80 и 96 B. Требуемая емкость АКБ определяется, как правило, продолжительностью рабочей смены и нагрузкой во время смены, поэтому номинальной для тяговых АКБ считается емкость 5-часового разряда. Однако ни один производитель в мире не указывает в своей оригинальной документации срок службы больше 1500 циклов, а все заявления о большем ресурсе – не более чем рекламный трюк торгующих фирм.

Для точного подбора АКБ необходимо знать требуемые напряжение и емкость батареи, точную марку и модель погрузчика (или другой техники), а также желательно примерные габаритные размеры и вес батареи. Почти для каждой модели погрузчика используется своя, уникальная АКБ, а разновидностей очень много. Сколько времени проработает от одной зарядки транспортное средство, зависит от потребляемой мощности, которая определяется в основном режимом эксплуатации (при подъеме грузов энергопотребление обычно больше, чем при движении), поэтому время работы t можно рассчитать лишь приблизительно по формуле

T = СUk/W,

где С – емкость батареи при 5-часовом разряде; W – средняя потребляемая мощность; U – напряжение батареи; k – допустимая величина разряда (для классических и малообслуживаемых батарей k = 0,8, для необслуживаемых батарей k = 0,6).

Основой для формирования обозначения тяговой свинцово-панцирной АКБ служат тип и число базовых элементов АКБ, ее напряжение, емкость и вес, дата производства. У разных производителей маркировка может сильно различаться, но приведенная выше информация присутствует всегда.

Правила обращения с АКБ

Необходим регулярный контроль уровня электролита в АКБ – он должен быть на 10...15 мм выше пластин. При необходимости следует доливать в аккумулятор только дистиллированную воду, причем делать это надо в конце зарядки. Электролит можно добавлять только в случае его прямой утечки из АКБ. Концентрированную кислоту заливать в аккумулятор запрещается! Открывать герметизированные гелевые батареи и доливать в них воду нельзя. Для достижения оптимального срока службы АКБ необходимо избегать глубокого разряда (более 80% емкости). Хранить АКБ следует в полностью заряженном состоянии в сухом помещении с положительной температурой. Желательно ежемесячно проводить выравнивающие зарядки.

АКБ необходимо содержать в сухом и чистом виде во избежание возникновения токов утечки. Полюсные выводы аккумулятора всегда должны быть чистыми и сухими. При загрязнении лучше протирать их влажной тряпкой из хлопчатобумажной ткани. Для чистки запрещается применять органические растворители и моющие средства. Обязательно надо следить за тем, чтобы вентиляционные отверстия в пробках не забивались, в противном случае батарея может взорваться при заряде. Желательно покрыть полюсные выводы батареи и клеммы консистентной смазкой (литол, солидол, технический вазелин) во избежание быстрого окисления.

Вес батареи может доходить до 2,5 т, поэтому ее монтаж (демонтаж) в транспортное средство без особых приспособлений сложен. Для замены АКБ на технике небольшой мощности применяют специальные роликовые столы (тележки), на которые батарея выкатывается вручную. Для замены АКБ на погрузчиках можно использовать другой вилочный погрузчик, тельфер или иные подъемные устройства. Следует строго соблюдать требования руководств по эксплуатации АКБ различных типов.

Вместо заключения

Несмотря на то, что свинцово-кислотные АКБ панцирного типа показывают отличные характеристики, работы по альтернативным источникам электропитания не прекращаются. Несколько лет назад в России проводились работы по испытанию в погрузчиках «Балканкар» АКБ нового поколения – на основе конденсаторов с двойным электрическим слоем. Несмотря на неплохие показатели этих устройств – небольшой вес, быстрая зарядка, экологическая чистота производства и др., они так и не получили какого-либо распространения из-за очень высокой стоимости.

Питание электротранспорта может осуществляться и от электросети. Электросетевое питание подается с помощью специального кабеля (для погрузчиков – расположенного сверху) или контакторного устройства, размещенного на вертикальной штанге и похожего на то, что применяют в троллейбусах и трамваях. Так, несколько моделей штабелеров с кабельным питанием выпускает чешская фирма Belet. Встречаются они и у других производителей. Например, в нашей стране кабельные системы питания для погрузчиков выпускает ОАО «УПП «Вектор» (г. Екатеринбург). Основными преимуществами данной системы являются экономия средств до 40% (за счет отсутствия аккумуляторных батарей, зарядных устройств, специальных помещений и персонала) и возможность круглосуточной работы погрузчиков. Погрузчик с такой системой обслуживает погрузочно-разгрузочные площадки и складские помещения размерами до 30х70х6 м и может выезжать из склада на платформу для разгрузки ж.-д. вагонов.

Источник: Журнал практической логистики "СКЛАД&ТЕХНИКА"