電動フォークリフト用のリチウム電池をカスタマイズするには？

電動フォークリフトは、倉庫、製造施設、物流センター、物流業務、その他の資材運搬現場で使用されています。フォークリフトの機種によって、バッテリーの電圧、容量、寸法、放電電流、充電方法、通信機能などに対する要件は大きく異なる場合があります。.

このため、一般的なリチウム電池が、必ずしも機器や使用環境に適しているとは限りません。.

フォークリフトの電気系統、設置可能なスペース、稼働スケジュール、充電方法、および制御要件に合わせて、カスタマイズされたリチウムイオンバッテリーパックを設計することができます。.

LiFePO4は、特に繰り返し充放電が求められる用途において、電動フォークリフトへの採用が検討できる電池化学の一つです。しかし、バッテリーのカスタマイズには、単にセルの化学組成を選択するだけでは不十分です。.

この記事では、電動フォークリフト用のカスタムリチウム電池を開発する際に考慮すべき主な要素について解説します。.

1. フォークリフトの電気的要件から確認する

まず最初に、フォークリフトの電気的仕様を確認する必要があります。.

バッテリー電圧は、フォークリフトのモーター、コントローラー、充電器、および電気系統と互換性がある必要があります。.

一般的な産業用フォークリフトのバッテリー電圧範囲には、次のようなものがあります：

• 24V
• 36V
• 48V
• 60V
• 72V
• 80V

実際の電圧は、フォークリフトメーカーの仕様に従って選定する必要があります。.

電圧が不適切なバッテリーを使用すると、機器の動作に影響を及ぼし、互換性や安全上の問題を引き起こす可能性があります。.

カスタマイズを開始する前に、バッテリーメーカーは、そのフォークリフトの純正バッテリーの仕様または電気系統に関する情報を入手しておく必要があります。.

2. 必要なバッテリー容量を決定する

バッテリーの容量は、通常、アンペア時（Ah）またはワット時（Wh）で表されます。.

例えば、こうだ：

バッテリー容量（Wh）＝公称電圧（V）× 容量（Ah）

48V 100Ahのバッテリーの公称エネルギーは、およそ次の通りです：

48 × 100 = 4,800 Wh

ただし、バッテリーの選定は、定格エネルギーだけに基づいて行うべきではありません。.

実際の要件は、以下の要因によって異なります：

• フォークリフトの消費電力
• 積載重量
• 平均稼働時間
• 移動距離
• リフトの頻度
• 動作環境
• シフト数
• 充電の機会
• 必要準備能力

容量が小さすぎるバッテリーは頻繁な充電が必要になる場合がありますが、逆に不必要に容量が大きすぎるバッテリーは、重量やコストの増加、および設置上の要件の増加につながる可能性があります。.

したがって、目標積載量はフォークリフトの実際の稼働率に基づいて設定すべきです。.

3. フォークリフトの稼働スケジュールを検討する

バッテリーのカスタマイズにおいては、稼働スケジュールが特に重要です。.

1日数時間稼働するフォークリフトと、複数のシフトにわたって連続稼働するフォークリフトでは、バッテリーの要件が異なります。.

例えば、倉庫では、次のような用途に電動フォークリフトを使用することがあります：

• 1日1シフト
• 1日2シフト
• 1日3交代制
• 24時間365日体制

複数シフト体制での運用においては、バッテリーの設計において、充電の実施方法やタイミングを考慮する必要があります。.

フォークリフトに予定されたアイドル時間があれば、機会充電が可能となる場合があります。.

これにより、必要なバッテリー容量が変わる可能性があります。というのも、バッテリーは必ずしも充電前にシフト全体分の電力を供給する必要がないからです。.

4. 適切なリチウム電池の化学組成を選択する

リチウムイオン電池にはさまざまな化学組成が用いられており、それぞれ異なる特性を持っています。.

産業用フォークリフトの用途においては、LiFePO4も検討すべき選択肢の一つです。.

LiFePO4電池は、繰り返しの充放電サイクルと安定した動作特性が求められる用途において、しばしば採用されます。.

化学系を選定する際、電池メーカーは以下の点を考慮すべきである：

• 必要なエネルギー密度
• 動作温度
• 充電に関する要件
• 放電電流
• サイクル要件
• 利用可能な設置スペース
• 安全要件
• 想定される運転条件

最適な薬剤の選択は、薬剤そのものだけでなく、使用するフォークリフトの種類や稼働環境によっても左右されます。.

5. バッテリーセルを選択する

セル選定は、カスタムバッテリーの設計において重要な要素です。.

バッテリーメーカーは、以下の点を決定する必要があります：

• セルの書式
• セル容量
• 細胞化学
• 連続吐出機能
• 最大吐出能力
• 充電電流
• 動作温度
• 細胞の一貫性
• 想定される応募要件

例えば、比較的高容量のエネルギーを必要とするフォークリフトには、大容量のLiFePO4電池が適している一方、高いピーク出力が求められる用途には、別の構成の電池の方が適している場合があります。.

したがって、セルの選定は、バッテリーの仕様全体に基づいて行う必要があります。.

6. バッテリーパックの構成を設計する

セルを選択した後、バッテリーメーカーは直列・並列の接続方式を決定することができます。.

直列に接続されたセルの数が電池の電圧を決定する一方、並列接続は利用可能な容量と電流容量を決定します。.

基本的な考え方は次のとおりです：

直列接続 → 電圧

並列接続 → 容量と電流容量

最終的な構成では、以下の点も考慮する必要があります：

• 細胞電圧の範囲
• バッテリーの公称電圧
• 最大充電電圧
• 最大放電電流
• パッケージの寸法
• 熱管理
• BMSの要件

適切に設計された構成により、バッテリーはフォークリフトの電気系統および物理的要件に適合しやすくなります。.

7. バッテリーの寸法をカスタマイズする

フォークリフト用バッテリーのカスタマイズにおいて、物理的な寸法はしばしば最も重要な要件の一つとなります。.

バッテリーは、フォークリフトの既存のバッテリー収納部または指定された設置場所に収まるものでなければなりません。.

メーカーは、以下の点をカスタマイズする必要がある場合があります：

• 長さ
• 幅
• 高さ
• バッテリー収納ケース
• 取り付け位置
• ハンドルの位置
• ケーブルの配線
• コネクタの位置
• サービスへのアクセス

バッテリーの重量についても考慮する必要があります。.

フォークリフトは、特定のバッテリー重量範囲を基準に設計されています。バッテリーの重量を大幅に変更すると、機器の重量配分や動作特性に影響を及ぼす可能性があります。.

したがって、バッテリーメーカーは、以下の両方を評価すべきである。 電気的適合性および機械的適合性.

8. フォークリフトの要件に基づいてBMSを設計する

バッテリー管理システム（BMS）は、リチウムイオン式フォークリフト用バッテリーの重要な構成要素です。.

BMSでは、次のようなパラメータを監視することができます：

• 個々の細胞の電位
• パック電圧
• 充電電流
• 放電電流
• 細胞温度
• バッテリー温度
• 充電状態
• 故障状態

保護機能には、次のようなものがあります：

• 過充電保護
• 過放電保護
• 過電流保護
• 短絡保護
• 過熱保護
• 低温保護機能

BMSのパラメータは、選択したバッテリーセルおよびフォークリフトの運用要件に応じて設定する必要があります。.

産業用途においては、設計および検証の過程においても、関連するバッテリーの安全要件を考慮する必要があります。.

9. フォークリフトとの連携について検討する

最新の電動フォークリフトでは、バッテリーと車両コントローラー間の通信が必要となる場合があります。.

機器によっては、通信に次のようなプロトコルが使用される場合があります：

• CAN
• CAN FD
• RS485
• UART

通信を通じて、バッテリーは次のような情報を提供することができます：

• SOC
• SOH
• バッテリー電圧
• 現在
• 温度
• 残りの容量
• 障害情報
• 充電状況

例えば、フォークリフトのコントローラーは、バッテリーのSOC情報を利用して、車両がいつ充電のために戻るべきかを判断することができます。.

元のフォークリフトがCAN通信を採用している場合、カスタムバッテリーは当該車両の通信要件に従って設計・試験を行う必要があります。.

10. バッテリーコネクタをカスタマイズする

バッテリーの開発にあたっては、コネクタについても考慮する必要があります。.

バッテリーコネクタは、フォークリフトの電気的および機械的な要件を満たす必要があります。.

重要なパラメータには、次のようなものがあります：

• 定格電圧
• 定格電流
• コネクタの寸法
• 極性
• ケーブルのサイズ
• 接続方法
• 保護要件

大電流を流す用途では、ケーブルおよびコネクタの選定は、予想される連続電流およびピーク電流に基づいて行う必要があります。.

コネクタやケーブルの適合性が悪いと、抵抗の増加や発熱を招く可能性があります。.

11. バッテリーと充電器を正しく組み合わせる

充電器は、カスタマイズされたリチウムイオンフォークリフト用バッテリーシステムのもう一つの重要な構成要素です。.

充電器は以下の条件を満たす必要があります：

• 電池の化学組成
• 公称電圧
• 最大充電電圧
• 充電電流
• BMSの要件
• 充電可能温度範囲
• 通信要件

例えば、LiFePO4バッテリーパックには、そのセル構成に適した充電パラメータが必要です。.

したがって、バッテリー、BMS、および充電器は、1つのシステムとして評価すべきである。.

機会充電の用途においては、バッテリーの設計時に充電電流と充電周波数についても考慮する必要があります。.

12. 温度管理について検討する

フォークリフトは、倉庫、冷蔵倉庫、製造工場、あるいは屋外の荷積み場などで稼働することがあります。.

温度は、バッテリーの性能や充電状態に影響を与える可能性があります。.

したがって、バッテリーのカスタマイズにあたっては、以下の点を考慮すべきです：

• 最低動作温度
• 最高使用温度
• 充電温度
• 放電温度
• 大電流動作時の発熱
• 筐体換気
• 温度監視

低温環境での使用、特に冷蔵倉庫では、バッテリーに加熱対策や充電制限が必要になる場合があります。.

BMSは、バッテリーの温度を監視し、設定された動作限界に基づいて保護措置を講じることができます。.

13. 安全性および保護に関する要件を検討する

特注のリチウムイオンフォークリフト用バッテリーには、適切な電気的および機械的な保護機能が備わっている必要があります。.

バッテリーの設計に応じて、保護機能には以下が含まれる場合があります：

• BMS保護
• ヒューズ
• コンタクタ
• 回路保護
• 温度センサー
• 断熱
• 筐体の保護
• 緊急遮断
• 適切なコネクタ

フォークリフトは、振動、衝撃、粉塵、湿気が生じうる産業環境で稼働するため、機械的な保護も重要です。.

したがって、バッテリー収納ケースは、フォークリフトの設置環境に合わせて設計する必要があります。.

14. 実際のデューティサイクルに合わせた設計

バッテリーのカスタマイズは、フォークリフトの公称仕様だけでなく、実際の稼働パターンに焦点を当てるべきである。.

例えば、48Vのフォークリフト2台を考えてみましょう。.

フォークリフトA

• 48Vシステム
• 稼働期間が短い
• 軽い荷物
• さまざまな充電方法
• 屋内倉庫

フォークリフトB

• 48Vシステム
• 重量物
• 長期間の稼働
• 頻繁な持ち上げ作業
• 複数のシフト
• 充電時間が限られている

どちらのフォークリフトも48Vシステムを採用していますが、バッテリーの要件には大きな違いがある場合があります。.

このことから、バッテリーのカスタマイズはアプリケーションデータから始めるべきであることがわかります。.

15. 特注フォークリフト用バッテリーに必要な情報

フォークリフトメーカーやシステムインテグレーターがバッテリーメーカーに問い合わせを行う際は、用途に関する情報をできるだけ詳しく提供する必要があります。.

役立つ情報には、次のようなものがあります：

用途に関する情報が詳細であればあるほど、そのフォークリフトに適したバッテリーを開発しやすくなります。.

16. 量産前の試験

特注バッテリーが量産に入る前に、試作品の試験を行う必要があります。.

テストには、以下のものが含まれる場合があります：

電気試験

• 電圧
• 定員
• 充電電流
• 放電電流
• 内部抵抗
• BMS保護

熱試験

• 充電温度
• 放電温度
• 高負荷運転
• 気温の上昇

機械的試験

• 振動
• 影響
• コネクタの安定性
• 筐体の強度

通信テスト

• CAN通信
• SOCデータ
• 障害情報
• 充電通信

システムテスト

また、バッテリーは、実際のフォークリフト、充電器、および制御システムと組み合わせて試験を行う必要があります。.

これにより、量産前に互換性の問題を特定するのに役立ちます。.

17. 電動フォークリフトにおいてカスタマイズが役立つ理由

カスタマイズされたリチウムイオンバッテリーにより、汎用バッテリーに合わせて機器を調整する必要がなく、実際のフォークリフトに合わせてバッテリー設計を最適化することができます。.

カスタマイズには、以下のような内容が含まれます：

• 電圧
• 定員
• セルタイプ
• パッケージの寸法
• バッテリー重量
• ビーエムエス
• 通信プロトコル
• コネクタ
• 充電方法
• 温度管理
• 筐体設計

このアプローチは、さまざまな車両モデルを開発しているフォークリフトのOEMメーカー、倉庫自動化企業、および機器インテグレーターにとって、特に有用であると言えます。.

結論

電動フォークリフト用のリチウム電池をカスタマイズするには、電圧や容量を選ぶだけでは不十分です。.

バッテリーは、フォークリフトのすべての運用要件に基づいて設計されるべきであり、その要件には以下が含まれます：

• 電圧
• 定員
• 読み込み中
• 営業時間
• 充電戦略
• 細胞化学
• セルの構成
• ビーエムエス
• コミュニケーション
• 寸法
• 重量
• コネクタ
• 温度
• 保護要件

LiFePO4は、繰り返しの充放電サイクルや定期的な充電が必要なフォークリフト用途において検討の対象となり得ますが、最終的なバッテリー構成は、常に実際の機器や稼働条件に基づいて決定する必要があります。.

フォークリフトメーカーやシステムインテグレーターにとって、プロジェクトの初期段階で車両および稼働に関する詳細なデータを提供することは、バッテリーメーカーが、そのフォークリフトと電気的、機械的、および運用上の互換性を持つバッテリーパックを開発する上で役立ちます。.

したがって、適切に設計された特注バッテリーは、単にリチウム電池を組み合わせただけのものではありません。それは、機器に合わせて設計された完全な電源システムなのです。.