锂离子电池如何为非公路设备的转变提供动力

随着物料搬运和地面支持设备行业采用锂离子电池和户外充电基础设施，他们需要在设计电池连接器时考虑到创新的密封和热管理解决方案。这是一篇由两部分组成的文章的第一部分，探讨了向锂离子技术的转变及其对连接器设计的影响。下一部分将重点介绍密封要求、热注意事项以及工程师在为户外和快速充电环境选择连接器时应优先考虑的关键功能。

锂离子 （Li-ion） 电池将为未来的非公路设备提供动力。越来越多的物料搬运和机场运营商正在从内燃机 （ICE） 和铅酸电池系统过渡到更高效的锂离子解决方案。在运营效率提高、可持续发展计划和锂离子技术增强的推动下，这种“万物电气化”的趋势预计将持续下去。

然而，新的电源带来了新的技术要求。锂离子供电设备需要创新的电池连接器，这些连接器可以处理更高的热负载并支持增强的电池监控。户外充电的增长也要求密封连接器能够承受潮湿、灰尘和碎屑的影响。

如今，新型电池连接器正在进入市场，为工程师提供增强的性能和更多的功能，以支持他们的下一代电气设备。

比较：ICE、铅酸还是锂离子？

要了解最新的电池连接器设计，比较当今可用的主要电源选项并了解锂离子电池为何会经历如此快速增长，这将很有帮助。工程师在评估非公路设备（如叉车、皮带装载机和挖掘机）的电源解决方案时，通常会从三个主要选项中进行选择：

1. 内燃机 （ICE）： ICE 系统使用内部发动机为其运行提供动力。这些发动机通常依赖化石燃料，例如汽油或柴油，但也可以使用可再生或替代燃料，包括天然气或乙醇。

2. 铅酸电池：铅酸动力设备发明于 1859 年，依靠浸入硫酸的铅板之间的电化学反应来发电。

3. 锂离子电池：锂离子电池于 1990 年代首次商业化生产，其功能是通过电解质释放正负锂离子电池，从而产生电流。

非公路领域显然正在走向电气化。电池成本的降低和锂离子电池供应链产能的扩大正在加速电动汽车 （EV） 的采用。研究提供商 BloombergNEF 报告称，电池电动汽车 （BEV） 的价格在 2024 年首次突破 100 美元/kWh 门槛， 电动汽车和固定储能的电池需求预计将以 53% 的速度同比增长。

物料搬运叉车是电气化程度提高的一个突出例子。到 2020 年，美国境内运输的叉车中有 69% 是电动的。虽然当今使用的大多数电动叉车仍然依赖传统的铅酸电池，但由于 拥有成本的降低和运营效率的提高，锂离子电池型号的市场份额正在迅速增长。

图 1.技术人员在维护期间将大功率电池连接器连接到叉车，强调了耐用充电解决方案在物料搬运环境中的重要性。

电气化在地面支持设备 （GSE）、建筑和农业领域也越来越受欢迎。 随着机场寻求减少碳足迹，电动 GSE 正在迅速普及。 新的建筑设备（如电动挖掘机、起重机和灯塔） 在降噪和快速充电方面取得了进步。 在农业中，这种转变速度较慢，因为农民需要一次充电即可运行一整天的重型电气设备。

然而，势头正在增强。越来越多的农民正在采用下一代设备，例如电动拖拉机和农作物喷洒无人机。除了向电气化转变之外，与传统技术相比，锂离子电池还带来了一些实际优势。

锂离子优势

锂离子电池增长的一个重要原因涉及该技术固有的作便利性。传统的铅酸电池需要较长的充电和冷却周期（通常每个长达 8 小时），并且应在充电前完全放电。部分充电会导致不利影响，包括缩短电池寿命和增加维护需求。

这些限制会导致额外的劳动力和基础设施成本。设备作员必须经常在不方便的时候（例如轮班期间）将放电的铅酸电池更换为充满电的铅酸电池。为了方便这些更换，车主还必须购买额外的电池库存并在现场聘请训练有素的技术人员。

相比之下，锂离子电池支持机会充电或在任何停机时刻充电，无论剩余电量是多少。锂离子电池的电量可以在员工休息或换班期间快速充电，为设备提供足够的电力来持续一整个工作日。

因此，机会充电消除了耗时的电池更换需求。

锂离子电池还有助于更轻松、更快速地充电。设备作员无需经过培训的技术人员即可插入设备进行充电。由于锂离子电池的充电速度比铅酸电池快，因此锂离子电池可以更快地恢复工作。减少停机时间对于地面支持设备行业尤为重要，在繁忙的机场运营中，快速恢复工作岗位至关重要。

充电便利性是推动从铅酸电池转向锂离子电池的主要因素。然而，与铅酸和 ICE 供电设备相比，锂离子电池的其他性能优势包括：

• 更高的能量容量：锂离子电池提供的可用能量容量大约是铅酸型号的 3 到 10 倍。它们还提供更高的能量密度。

• 更高的耐用性：与铅酸电池相比，锂离子电池可以承受更多的充电/放电循环，并随着时间的推移保持更一致的性能。铅酸电池在其生命周期结束时往往会更快地退化，并且充电速度更慢。

• 更少的维护：虽然铅酸电池的购买和安装成本低于锂离子电池，但由于需要定期浇水和清洁，随着时间的推移，它们的维护成本通常会更高。最近的一项行业研究发现，锂离子电池的生命周期成本低于铅酸电池，这主要是因为它们的使用寿命更长、容量更高且维护需求更少。一般来说，电气设备也比 ICE 驱动的设备更容易维修，因为其运行中涉及的液体、油和冷却剂更少。

• 更安静的运行：与 ICE 车辆相比，电池供电设备在运行时产生的噪音要小得多。这在当地噪声限制的建筑环境中是一个特别的优势。

• 零排放： 锂离子系统消除了与室内废气排放相关的担忧。ICE 车辆会排放有害的汽油或柴油排放物，如果在室内使用，则需要通风系统进行处理。零排放电气设备避免了安装此类系统的麻烦和费用。

锂离子技术面临的一个持续挑战涉及其复杂的回收过程。锂离子电池中的稀有矿物需要专门的工艺才能分解。作为回应，不同的国家正在投资更多的回收设施。美国能源部最近通过了一项法案，为锂回收拨款 3.35 亿美元。

电气化如何推动可持续发展

锂离子电池的另一个优势涉及其环境效益。可持续性是地面支持设备市场特别关注的问题，其中包括支持机场运营的设备。这包括电动皮带装载机、牵引车、后推车、登机桥和除冰车等应用。

减少排放是许多机场未来目标的关键支柱。航空业约占全球二氧化碳排放量的 2.5%，机场是战略性的单点排放源，非常适合实施可持续发展计划。32 个欧洲国家的 300 多个机场已经承诺到 2050 年实现净零碳排放。全球许多其他机场都采用了类似的决议来减少碳足迹。

图 2.电池电动地面支持设备（如货物装载机）正在帮助机场减少排放，同时对恶劣条件下的连接器性能提出了新的要求。请继续关注本文的第 II 部分，该部分探讨了先进的连接器设计如何支持安全性、耐用性和高压系统集成。

为了实现更可持续的运营，越来越多的机场正在改用电动地面支持设备 （eGSE）。最近的一项欧洲研究发现，与传统内燃机的 GSE 相比，电动 GSE 可减少 48% 的二氧化碳排放。电动 GSE 设备还有助于机场满足当地的空气质量标准，并降低排放物对机场工作人员和附近社区的健康风险。

政府政策也激励了这种转变，尤其是在机场和运输部门。在美国，美国联邦航空管理局 （Federal Aviation Administration） 的自愿机场低排放 （VALE） 计划帮助机场为购买低排放和零排放车辆和充电基础设施提供资金。自 2021 年以来，欧盟已向多个项目拨款超过 13 亿欧元（约合 14 亿美元），这些项目使 63 个机场的地面运营电气化。

更广泛的可持续发展法规也影响着整个非公路市场。欧盟已宣布到 2035 年全面禁止销售内燃机 （ICE） 汽车，这是其朝着到 2050 年完全实现碳中和的目标迈出的重要一步。欧洲前 15 家原始设备制造商 （OEM） 中有 13 家已经宣布将禁止使用内燃机汽车以实现其减排目标。

总结

随着越来越多的设备所有者转向锂离子系统，以获得卓越的效率、更低的维护和可持续性优势，工程师还必须重新考虑实现可靠日常作的组件。从机会充电到降低总拥有成本，非公路应用正在加速向锂离子的转变。

在下一部分中，我们将探讨户外充电基础设施的具体连接器要求，以及 IP68 密封、接触温度感应和高级信号功能等功能如何帮助工程师满足不断变化的锂离子电池电气化需求。