دليل هندسي عملي للوقاية من انقطاع التيار الكهربائي، وتقليل فترات التعطل، وتصنيع مركبات موجهة آليًا أكثر موثوقية

لا يقتصر اختيار بطارية لمركبة ذاتية التوجيه (AGV) على مجرد تحديد الجهد الكهربائي أو السعة الكبيرة بالأمبير/ساعة. فقد توفر إحدى البطاريات طاقة كافية لعدة ساعات من التشغيل، لكنها تفشل في توفير التيار المطلوب أثناء التسارع. في حين قد تلبي بطارية أخرى متطلبات التشغيل الأولية للمركبة، لكنها تواجه صعوبة في إكمال نوبة عمل كاملة مع انخفاض سعتها تدريجيًا.

غالبًا ما تنشأ هذه المشكلات خلال مرحلة التصميم، عندما يتم تقييم الجهد والسعة وتيار التفريغ وظروف التشغيل بشكل منفصل، بدلاً من اعتبارها أجزاءً من نظام كهربائي واحد.

بالنسبة لمصنعي المركبات ذاتية القيادة (AGV) ومزودي خدمات تكامل الأنظمة ومشغلي الأساطيل، يتمثل الهدف في اختيار بطارية توفر طاقة كافية، وتدعم أحمال الطاقة الشاقة، وتظل موثوقة طوال عمرها التشغيلي المقصود. يشرح تقرير RICHYE الحسابات الأساسية والاعتبارات العملية التي تكمن وراء نظام بطاريات المركبات ذاتية القيادة (AGV) المتوافق بشكل جيد.

1. ابدأ بالبنية الكهربائية لمركبة AGV

ينبغي أن يبدأ اختيار البطارية بالمتطلبات الكهربائية للمركبة، وليس بالسعة المفضلة للبطارية.

تؤثر كل من وحدة التحكم في المحرك، ومحركات الدفع، وآليات الرفع، وأجهزة الكمبيوتر المدمجة، وأجهزة الاستشعار، ووحدات الاتصال، والمعدات المساعدة الأخرى، على مواصفات البطارية. وقبل مقارنة خيارات البطاريات، يجب تحديد الجهد الاسمي لنظام المركبة، ونطاق الجهد المسموح به، ومتوسط استهلاك الطاقة، والحد الأقصى للتيار المطلوب، والمساحة المتاحة للتركيب.

شائع بطارية AGV تشمل فئات الجهد 24 فولت و36 فولت و48 فولت و72 فولت، على الرغم من أن التكوين المناسب يعتمد على تصميم المركبة واستخدامها.

قد يكون النظام الذي يعمل بجهد 24 فولت مناسبًا لمركبة AGV صغيرة الحجم ذات متطلبات طاقة متواضعة نسبيًا. وقد يكون النظام الذي يعمل بجهد 48 فولت مناسبًا لمركبة أكبر حجمًا مخصصة لمناولة المواد، في حين أن البنى ذات الجهد الأعلى يمكنها دعم التطبيقات التي تتطلب نقل طاقة أكبر. وهذه أمثلة عامة وليست قواعد مطلقة: فوحدة التحكم في المحرك والمكونات الأخرى المتصلة هي التي تحدد نطاق الجهد المقبول.

المبدأ الأهم هو مطابقة جهد البطارية مع النظام الكهربائي بأكمله. إن زيادة الجهد الكهربائي لمجرد أنه يبدو أكثر قوة لا تُعد استراتيجية ترقية آمنة أو موثوقة. يجب أن يأخذ أي تغيير في الاعتبار حدود وحدة التحكم، ومواصفات المكونات، ومتطلبات الشحن، وأجهزة الحماية، وواجهات الاتصال.

2. حساب سعة البطارية بناءً على الاستهلاك الفعلي للطاقة

تشير سعة البطارية، المُعبَّر عنها بوحدة الأمبير-ساعة (Ah)، إلى مقدار الشحنة التي يمكن للبطارية تخزينها. ومع ذلك، فإن وحدة الأمبير-ساعة (Ah) وحدها لا توضح مقدار الطاقة التي يمكن للبطارية توفيرها خلال نوبة عمل واحدة.

لإجراء مقارنة أكثر دقة، احسب الطاقة بالواط/ساعة (Wh) أو بالكيلوواط/ساعة (kWh).

الصيغة الأساسية هي:

استهلاك الطاقة (واط/ساعة) = متوسط استهلاك الطاقة (واط) × مدة التشغيل (ساعة)

على سبيل المثال، لنفترض أن هناك مركبة ذاتية القيادة (AGV) تستهلك في المتوسط 600 واط خلال نوبة عمل مدتها ثماني ساعات.

600 واط × 8 ساعات = 4,800 واط/ساعة، أو 4.8 كيلوواط/ساعة.

هذا هو الاحتياج التقديري للطاقة قبل أخذ حدود تشغيل البطارية، وتقادمها، وتأثيرات درجة الحرارة، واحتياطيات التصميم في الحسبان.

لتحويل احتياج الطاقة إلى سعة تقريبية للبطارية، استخدم الصيغة التالية:

سعة البطارية (أمبير/ساعة) = الطاقة المطلوبة (واط/ساعة) ÷ الجهد الاسمي للبطارية (فولت)

بالنسبة لبطارية بجهد 48 فولت، يصبح الحساب كما يلي:

4,800 واط/ساعة ÷ 48 فولت = 100 أمبير/ساعة.

ومع ذلك، فإن بطارية بجهد 48 فولت وسعة 100 أمبير/ساعة تخزن ما يقارب 4.8 كيلوواط/ساعة من الطاقة الاسمية. وهي لا توفر بالضرورة كامل هذه الكمية البالغة 4.8 كيلوواط/ساعة كطاقة قابلة للاستخدام في جميع ظروف التشغيل.

إذا افترض التصميم أنه يجب استخدام 80% فقط من الطاقة الاسمية أثناء التشغيل العادي، فإن بطارية سعة 100 أمبير/ساعة ستوفر حوالي 80 أمبير/ساعة من السعة القابلة للاستخدام في ظل هذا الافتراض المبسط. وتعتمد الطاقة القابلة للاستخدام الفعلية على التركيب الكيميائي للبطارية، وحدود التفريغ، ودرجة الحرارة، وخصائص الحمل، وتكوين نظام إدارة البطارية (BMS).

لذلك، يجب تعديل الحساب بحيث يعكس نطاق التشغيل المقصود.

حساب احتياطيات التقادم والتشغيل

لا تحتفظ البطارية الجديدة بسعتها الأصلية إلى الأبد. فعمليات الشحن والتفريغ المتكررة، والتعرض لدرجات الحرارة المرتفعة، ومرور الوقت، كلها عوامل تؤدي إلى انخفاض تدريجي في الطاقة المتاحة للتشغيل.

لنفترض أن مركبة ذاتية القيادة (AGV) تحتاج إلى 4.8 كيلوواط/ساعة من الطاقة القابلة للاستخدام في كل نوبة عمل. وإذا كان لا بد أن يفي التصميم بهذا المطلب حتى عندما تنخفض سعة البطارية إلى 80% من سعتها الأصلية، ويقتصر التشغيل العادي على 80% من السعة الاسمية المتاحة، فإن متطلبات الطاقة الاسمية المبسطة تصبح:

4.8 كيلوواط/ساعة ÷ (0.80 × 0.80) = 7.5 كيلوواط/ساعة.

عند جهد اسمي يبلغ 48 فولت، فإن هذا يعادل حوالي 156 أمبير/ساعة.

يُعد هذا حسابًا توضيحيًّا لتحديد السعة وليس مواصفةً عامة. يجب التحقق من نطاق التشغيل المفترض لـ 80% وسعة 80% عند نهاية العمر التشغيلي، مقارنةً ببيانات أداء البطارية المختارة ومتطلبات الخدمة الخاصة بالتطبيق.

الدرس واضح وبسيط: يجب اختيار سعة البطارية بما يضمن الأداء التشغيلي المطلوب طوال عمرها التشغيلي المتوقع، وليس فقط خلال الأشهر القليلة الأولى بعد تركيبها.

3. فهم سبب أهمية تيار التفريغ بقدر أهمية السعة

تحدد السعة مقدار الطاقة المخزنة. ويحدد تيار التفريغ السرعة التي يمكن بها توصيل تلك الطاقة.

نادرًا ما تعمل المركبة ذاتية القيادة (AGV) بمستوى طاقة ثابت. فقد يرتفع الطلب على التيار بشكل حاد عندما تتسارع المركبة، أو تصعد منحدرًا، أو تحمل حمولة ثقيلة، أو تشغل آلية رفع، أو تغير اتجاهها بشكل متكرر.

العلاقة التقريبية بين الطاقة الكهربائية والجهد والتيار هي:

التيار (أمبير) = القدرة (واط) ÷ الجهد (فولت)

على سبيل المثال، تحتاج مركبة ذاتية القيادة (AGV) بجهد 48 فولت تستهلك 1,200 واط إلى تيار يبلغ حوالي 25 أمبير في ظل ظروف الجهد الاسمي المثالية.

إذا ارتفع استهلاكها للطاقة إلى 2,400 واط، فإن التيار المقابل يرتفع إلى حوالي 50 أمبير.

قد يكون التيار الفعلي للبطارية أعلى من ذلك بسبب خسائر التحويل وانخفاض الجهد، وينبغي أن يستخدم الحساب جهد التشغيل ذي الصلة بدلاً من افتراض أن الجهد الاسمي يظل ثابتًا.

لا تدعم البطارية التي تبلغ سعتها 100 أمبير/ساعة تلقائيًّا كل تيار تفريغ قد تحتاجه المركبة. وتعتمد التيارات المستمرة والقصوى المسموح بها على قدرات الخلايا، والظروف الحرارية، والوصلات الداخلية، وحدود نظام إدارة البطارية (BMS).

عند تحديد بطارية AGV, ، نميز بين ثلاثة متطلبات:

• تيار التفريغ المستمر: يجب أن تحافظ البطارية على هذا التيار أثناء التشغيل العادي دون تجاوز حدودها الكهربائية أو الحرارية.

• ذروة تيار التفريغ: ارتفاع التيار المطلوب أثناء التسارع أو الرفع أو أي عمليات أخرى تتطلب جهدًا كبيرًا، إلى جانب مدة تلك العمليات وتكرارها.

• الأحمال العابرة المتكررة: نوبات قصيرة تتكرر بوتيرة كافية لتؤثر على ارتفاع درجة حرارة البطارية، واستقرار الجهد الكهربائي، والأداء على المدى الطويل.

قد لا تكون البطارية التي تتحمل ذروة تيار قصيرة مناسبة لمواجهة الذروات المتكررة طوال فترة عمل شاقة. لذا، يجب تقييم كل من مقدار التيار ومدته.

4. استخدم معدل C لمقارنة قدرة تفريغ البطارية

يعبر معدل C عن تيار الشحن أو التفريغ بالنسبة إلى السعة المقدرة للبطارية.

بالنسبة لبطارية سعة 100 أمبير/ساعة، فإن معدل التفريغ 1C يعادل 100 أمبير. أما معدل 0.5C فيعادل 50 أمبير، في حين أن معدل 2C يعادل 200 أمبير.

وهذا يجعل معدل C مفيدًا عند مقارنة البطاريات ذات السعات المختلفة، ولكن لا ينبغي أبدًا أن يحل محل التحقق من القيم الفعلية للتيار التي تحددها الشركة المصنعة.

لنفترض وجود خيارين لبطاريات بجهد 48 فولت، تبلغ السعة الاسمية لكل منهما 100 أمبير/ساعة. وتبلغ الطاقة الاسمية لكل منهما حوالي 4.8 كيلوواط/ساعة. ومع ذلك، قد تدعم إحداهما تيار تفريغ مستمر يبلغ 50 أمبير، في حين أن الأخرى قد تكون مصممة لتفريغ مستمر يبلغ 100 أمبير.

تتشابه الطاقة المخزنة في كل منهما، لكن مدى ملاءمتهما لاستخدامها في مركبة ذاتية القيادة (AGV) عالية الطاقة قد يختلف بشكل كبير.

إذا كانت المركبة تحتاج إلى تيار مستمر بقيمة 80 أمبير خلال وضع تشغيل معين، فإن البطارية الأولى لن تفي بهذا المطلب، على الرغم من أن سعتها والجهد الكهربائي يبدوان صحيحين. أما البطارية الثانية فقد تكون مناسبة إذا كانت حدود تفريغها، وأدائها الحراري، وقدرتها على تحمل التيار الأقصى، وواجهات النظام الخاصة بها تفي أيضًا بمتطلبات الاستخدام.

ولهذا السبب، ينبغي أن تحدد مواصفات البطارية بشكل صريح التيار المستمر، والتيار الأقصى، ومدة الذروة، وظروف التشغيل المسموح بها، بدلاً من الاعتماد على قيم الأمبير-ساعة وحدها.

5. احسب دورة التشغيل الفعلية، لا تقتصر على القوة المذكورة على لوحة بيانات المحرك فقط

تُعد القيم المقدرة لقوة المحرك نقاط انطلاق مفيدة، لكنها لا تمثل بالضرورة متوسط استهلاك الطاقة للمركبة ذاتية القيادة (AGV).

قد تقضي المركبة وقتًا طويلاً في التحرك بسرعة ثابتة، أو الانتظار عند محطة عمل، أو الانعطاف، أو التسارع، أو رفع الأحمال، أو التواصل مع أنظمة إدارة المستودعات. وتساهم كل نشاط من هذه الأنشطة بشكل مختلف في إجمالي الطلب على الطاقة.

يتمثل التقييم الأكثر دقة في تقسيم دورة التشغيل إلى أنشطة تمثيلية وتقدير الطاقة المستهلكة خلال كل منها.

على سبيل المثال:

النشاط التشغيلي	متوسط الطاقة	المدة	الطاقة المستهلكة
السفر ومناولة المواد	700 واط	5 ساعات	3.5 كيلوواط/ساعة
التسارع والانعطاف	1,200 واط	1 ساعة	1.2 كيلوواط/ساعة
عمليات الرفع والعمليات المساعدة	500W	1 ساعة	0.5 كيلوواط/ساعة
فترات الاستعداد والتوقف	100 واط	1 ساعة	0.1 كيلوواط/ساعة
المجموع	-	8 ساعات	5.3 كيلوواط/ساعة

يُظهر هذا المثال المبسط أن إجمالي الطاقة المطلوبة لهذه الوردية يبلغ 5.3 كيلوواط/ساعة. ويُعد هذا المثال أكثر دقة من ضرب القوة المقدرة القصوى للمحرك في ثماني ساعات — وهو ما قد يؤدي إلى المبالغة بشكل كبير في تقدير الاستهلاك — أو استخدام تقدير منخفض لقوة التشغيل العادية يتجاهل العمليات التي تتطلب جهدًا كبيرًا.

وحيثما أمكن، قم بجمع بيانات التيار والجهد من مركبة ذاتية القيادة (AGV) تعمل في ظل أحمال مسموح بها ومسارات وظروف أرضية وجداول إنتاج تمثيلية. وقم بتضمين معدات الرفع والأجهزة الإلكترونية المثبتة على متن المركبة والأحمال المساعدة الأخرى.

توفر دورة التشغيل المقاسة أساسًا أكثر صلابة لتحديد سعة البطارية، وتقلل من خطر شراء بطارية غير ملائمة أو أكبر من اللازم.

6. فحص انخفاض الجهد ومسار توصيل الطاقة بأكمله

حتى عندما تستوفي البطارية مواصفات الجهد والتيار الاسمية، قد تتعرض السيارة لانقطاعات غير متوقعة في الطاقة.

أثناء التشغيل بتيار عالي، تحدث انخفاضات في الجهد عبر الخلايا والكابلات والموصلات والصمامات والموصلات الكهربائية والمكونات الأخرى. كما تساهم المقاومة الداخلية للبطارية في انخفاض الجهد.

إذا انخفض الجهد الكهربائي في وحدة التحكم بالمحرك إلى ما دون الحد الأدنى المسموح به للتشغيل، فقد يقوم المركب الآلي (AGV) بتخفيض الطاقة، أو إصدار إشارة خطأ، أو التوقف بشكل غير متوقع.

ولهذا السبب، يجب أن يراعي اختيار البطارية أدنى جهد تشغيل متوقع، وليس فقط الجهد الاسمي المطبوع في ورقة المواصفات.

يجب فحص نظام تزويد الطاقة بالكامل للتأكد مما يلي:

• القيم الاسمية للتيار في الكابلات والموصلات.

• انخفاض الجهد تحت الأحمال المستمرة وأحمال الذروة.

• عتبات التيار الزائد في نظام إدارة البطارية (BMS) وسلوك الاستجابة.

• القيم الاسمية للصمامات الكهربائية والموصلات الكهربائية.

• حدود الجهد المنخفض لوحدة التحكم في المحرك.

• تولد الحرارة أثناء التشغيل المتكرر بتيار عالي.

إن استخدام بطارية ذات سعة أكبر لا يحل هذه المشكلات تلقائيًا. بل يجب تصميم النظام بحيث تعمل الخلايا، ونظام إدارة البطارية (BMS)، والأسلاك، والموصلات، ووحدة التحكم في المركبة ضمن حدود متوافقة.

7. مواءمة البطارية مع استراتيجية الشحن ومتطلبات نظام إدارة البطارية (BMS)

تؤثر طريقة شحن المركبة ذاتية القيادة (AGV) على سعة البطارية المطلوبة وأدائها على المدى الطويل.

قد تحتاج المركبات التي تعمل في نوبة واحدة وتُعاد شحنها بين النوبات إلى طاقة قابلة للاستخدام تكفي طوال النوبة بأكملها. وقد تتمكن الأساطيل التي تستخدم «الشحن عند الفرصة» من العمل ببطارية أصغر حجمًا إذا كانت فترات الشحن متكررة بما يكفي وطويلة بما يكفي لتعويض الطاقة المستهلكة.

ومع ذلك، يجب أن تدعم البطارية والشاحن ونظام إدارة البطارية (BMS) ونظام التحكم في المركبة عملية الشحن عند الفرصة المتاحة. ويجب أخذ حدود تيار الشحن، والقيود المتعلقة بدرجة الحرارة، وقدرة البطارية على استقبال الشحن، وسلوك الاتصال في الاعتبار.

يجب أن يوفر نظام إدارة البطارية (BMS) الحماية المناسبة ضد الجهد الزائد والجهد المنخفض والتيار الزائد وارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب الاتصال بوحدة التحكم في المركبة أو نظام إدارة الأسطول، يجب التأكد من البروتوكول المطلوب ونقاط البيانات، مثل حالة الشحن، وإنذارات البطارية، ودرجة الحرارة، وتيار الشحن أو التفريغ المسموح به.

تُعتبر بطاريات LiFePO₄ خيارًا شائعًا في المركبات ذاتية القيادة الصناعية (AGVs) نظرًا لاستقرارها الحراري وإمكانية تحقيقها لعمر دورة طويل. ومع ذلك، فإن الأداء الفعلي يعتمد على جودة الخلايا، وتصميم حزمة البطاريات، وظروف التشغيل، وطرق الشحن. ولا يمكن لتركيبة البطارية وحدها أن تضمن عمر خدمة معينًا أو سرعة شحن معينة.

كما يجب أن يتوافق الشاحن مع التركيب الكيميائي للبطارية وتكوين حزمة البطاريات. ولا ينبغي توصيل بطارية مصممة لوضع شحن معين بشاحن ذي إعدادات جهد أو تيار غير متوافقة.

8. وضع المواصفات بناءً على التطبيق

قبل الموافقة على تصميم بطارية مركبة ذاتية القيادة (AGV)، تأكد من أن المواصفات تستوفي المتطلبات التالية:

• الجهد الاسمي ونطاق الجهد التشغيلي المسموح به.

• الطاقة القابلة للاستخدام المطلوبة لكل نوبة عمل.

• السعة المقدرة والافتراضات المستخدمة في حسابها.

• تيار التفريغ المستمر والذروي، بما في ذلك مدة الذروة.

• العمر التشغيلي المستهدف وتكرار الدورات المتوقع.

• جهد الشحن، وتيار الشحن الأقصى، وجدول الشحن.

• حدود درجات الحرارة أثناء التشغيل والشحن.

• الأبعاد والوزن الأقصى للبطارية.

• وظائف الحماية في نظام إدارة البطارية (BMS) ومتطلبات الاتصال.

• توافق الموصلات والكابلات ووحدات التثبيت والعلب.

بالنسبة لمشاريع تصنيع المعدات الأصلية (OEM)، يجب تحديد هذه التفاصيل قبل الانتهاء من تصميم البطارية. أما بالنسبة لمشاريع استبدال البطاريات، فإن ملصق البطارية الأصلي يُعد مفيدًا، ولكن يجب أيضًا مراجعة مواصفات وحدة التحكم في المركبة ومتطلبات الشاحن ودورة التشغيل الفعلية قبل تغيير الجهد أو السعة.

خاتمة

يُعد اختيار بطارية المركبة ذاتية القيادة (AGV) المناسبة عملية هندسية تهدف إلى تحقيق التوازن بين الطاقة المخزنة، وتوفير الطاقة، وتوافق النظام، وعمر التشغيل.

يجب أن يتوافق الجهد الكهربائي مع البنية الكهربائية للمركبة. ويجب أن تغطي السعة الاستهلاك الفعلي للطاقة طوال فترة التشغيل المطلوبة. كما يجب أن يدعم تيار التفريغ كلاً من الأحمال المستمرة وذروات الاستهلاك قصيرة المدى. ومن ثم، فإن استراتيجية الشحن، وانخفاض الجهد، ودرجة الحرارة، وتقادم البطارية هي العوامل التي تحدد ما إذا كان النظام المختار سيظل موثوقًا به في التشغيل اليومي.

RICHYE تقدم حلول بطاريات الليثيوم للتطبيقات الصناعية، بما في ذلك المركبات ذاتية القيادة (AGV) ومعدات مناولة المواد. ومن خلال تقييم متطلبات البطاريات في ضوء ظروف التشغيل الفعلية والتحقق من الواجهة الكهربائية بالكامل، يمكن للمصنعين ومشغلي الأساطيل وضع مواصفات أكثر استنارة، وتقليل فترات التعطل التي يمكن تجنبها، وبناء أساس أكثر موثوقية لمناولة المواد الآلية.