Ein praktischer technischer Leitfaden zur Vermeidung von Stromausfällen, zur Reduzierung von Ausfallzeiten und zur Entwicklung zuverlässigerer fahrerloser Transportfahrzeuge

Bei der Auswahl einer Batterie für ein fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) geht es um mehr als nur die Wahl einer Nennspannung oder einer hohen Amperestunden-Kapazität. Eine Batterie kann zwar ausreichend Energie für mehrere Betriebsstunden liefern, ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, den bei der Beschleunigung erforderlichen Strom bereitzustellen. Eine andere Batterie erfüllt zwar die anfänglichen Anforderungen an die Laufzeit des Fahrzeugs, hat jedoch Schwierigkeiten, eine gesamte Schicht zu absolvieren, da ihre Kapazität allmählich abnimmt.

Diese Probleme entstehen häufig bereits in der Konstruktionsphase, wenn Spannung, Kapazität, Entladestrom und Betriebsbedingungen getrennt voneinander und nicht als Bestandteile eines einzigen elektrischen Systems bewertet werden.

Für Hersteller von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF), Systemintegratoren und Flottenbetreiber besteht das Ziel darin, eine Batterie auszuwählen, die ausreichend Energie liefert, hohe Leistungsanforderungen erfüllt und über ihre gesamte geplante Lebensdauer hinweg zuverlässig bleibt. RICHYE erläutert die wesentlichen Berechnungen und praktischen Überlegungen, die hinter einem optimal abgestimmten FTF-Batteriesystem stehen.

1. Beginnen Sie mit der elektrischen Architektur des AGV

Bei der Auswahl der Batterie sollte man von den elektrischen Anforderungen des Fahrzeugs ausgehen und nicht von einer bevorzugten Batteriekapazität.

Die Motorsteuerung, die Fahrmotoren, die Hubvorrichtungen, die Bordcomputer, die Sensoren, die Kommunikationsmodule und sonstige Zusatzausrüstung beeinflussen alle die Batteriespezifikation. Bevor Sie verschiedene Batterieoptionen vergleichen, sollten Sie die Nennsystemspannung des Fahrzeugs, den zulässigen Spannungsbereich, den durchschnittlichen Stromverbrauch, den maximalen Strombedarf und den verfügbaren Einbauraum ermitteln.

Allgemein AGV-Batterie Zu den Spannungsklassen gehören 24 V, 36 V, 48 V und 72 V, wobei die geeignete Konfiguration von der Fahrzeugkonstruktion und dem Einsatzzweck abhängt.

Ein 24-V-System kann für ein kompaktes fahrerloses Transportfahrzeug (AGV) mit relativ geringem Leistungsbedarf geeignet sein. Ein 48-V-System kann für ein größeres Materialtransportfahrzeug geeignet sein, während Hochspannungsarchitekturen Anwendungen unterstützen können, die eine höhere Leistungsübertragung erfordern. Dies sind allgemeine Beispiele, keine allgemeingültigen Regeln: Die Motorsteuerung und andere angeschlossene Komponenten bestimmen, welcher Spannungsbereich akzeptabel ist.

Das wichtigste Prinzip besteht darin, die Batteriespannung auf das gesamte elektrische System abzustimmen. Eine Erhöhung der Spannung allein deshalb, weil sie leistungsstärker erscheint, ist keine sichere oder zuverlässige Strategie zur Leistungssteigerung. Bei jeder Änderung müssen die Grenzen des Reglers, die Nennleistungen der Komponenten, die Ladeanforderungen, die Schutzvorrichtungen und die Kommunikationsschnittstellen berücksichtigt werden.

2. Berechnung der Batteriekapazität anhand des tatsächlichen Energieverbrauchs

Die Batteriekapazität, ausgedrückt in Amperestunden (Ah), gibt an, wie viel Ladung eine Batterie speichern kann. Die Angabe in Ah allein sagt jedoch nichts darüber aus, wie viel Energie die Batterie während einer Arbeitsschicht abgeben kann.

Um einen aussagekräftigeren Vergleich zu erhalten, berechnen Sie den Energieverbrauch in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh).

Die Grundformel lautet:

Energieverbrauch (Wh) = Durchschnittliche Leistungsaufnahme (W) × Betriebszeit (h)

Nehmen wir zum Beispiel ein fahrerloses Transportfahrzeug (AGV), das während einer achtstündigen Schicht durchschnittlich 600 W verbraucht.

600 W × 8 h = 4.800 Wh oder 4,8 kWh.

Dies ist der geschätzte Energiebedarf, bevor die Betriebsgrenzen der Batterie, Alterung, Temperatureinflüsse und Konstruktionsreserven berücksichtigt werden.

Um den Energiebedarf in eine ungefähre Batteriekapazität umzurechnen, verwenden Sie folgende Formel:

Batteriekapazität (Ah) = Energiebedarf (Wh) ÷ Nennspannung der Batterie (V)

Bei einer 48-V-Batterie lautet die Berechnung wie folgt:

4.800 Wh ÷ 48 V = 100 Ah.

Eine 48-V-Batterie mit 100 Ah speichert jedoch etwa 4,8 kWh Nennenergie. Diese 4,8 kWh stehen jedoch nicht unter allen Betriebsbedingungen vollständig als nutzbare Energie zur Verfügung.

Wenn bei der Auslegung davon ausgegangen wird, dass im Normalbetrieb nur 80% der Nennenergie verbraucht werden soll, würde eine 100-Ah-Batterie unter dieser vereinfachten Annahme eine nutzbare Kapazität von etwa 80 Ah bereitstellen. Die tatsächlich nutzbare Energie hängt von der Batteriechemie, den Entladungsgrenzen, der Temperatur, dem Lastprofil und der BMS-Konfiguration ab.

Die Berechnung muss daher angepasst werden, um den vorgesehenen Betriebsbereich widerzuspiegeln.

Konto für Fälligkeitsaufschlüsselung und Betriebsrücklagen

Eine neue Batterie behält ihre ursprüngliche Kapazität nicht unbegrenzt bei. Wiederholte Lade- und Entladezyklen, Temperatureinflüsse und der Zeitablauf führen dazu, dass die für den Betrieb verfügbare Energie allmählich abnimmt.

Angenommen, ein fahrerloses Transportfahrzeug (AGV) benötigt pro Schicht 4,8 kWh nutzbare Energie. Wenn die Konstruktion diese Anforderung auch dann noch erfüllen muss, wenn die Batteriekapazität auf 80% ihrer ursprünglichen Kapazität gesunken ist, und der Normalbetrieb auf 80% der verfügbaren Nennkapazität beschränkt ist, ergibt sich der vereinfachte Nennenergiebedarf wie folgt:

4,8 kWh ÷ (0,80 × 0,80) = 7,5 kWh.

Bei einer Nennspannung von 48 V entspricht dies etwa 156 Ah.

Hierbei handelt es sich eher um eine anschauliche Dimensionierungsberechnung als um eine allgemeingültige Spezifikation. Der angenommene 80%-Betriebsbereich und die 80%-Kapazität am Ende der Lebensdauer müssen anhand der Leistungsdaten der ausgewählten Batterie und der Betriebsanforderungen der Anwendung überprüft werden.

Die Lehre daraus ist klar: Die Batterie sollte so dimensioniert werden, dass sie die erforderliche Betriebsleistung über ihre gesamte geplante Lebensdauer hinweg erbringt – und nicht nur in den ersten Monaten nach der Installation.

3. Verstehen, warum der Entladestrom genauso wichtig ist wie die Kapazität

Die Kapazität bestimmt, wie viel Energie gespeichert wird. Der Entladestrom bestimmt, wie schnell diese Energie abgegeben werden kann.

Ein fahrerloses Transportfahrzeug (AGV) arbeitet selten mit konstanter Leistung. Der Strombedarf kann stark ansteigen, wenn das Fahrzeug beschleunigt, eine Rampe hinauffährt, eine schwere Last transportiert, einen Hubmechanismus in Gang setzt oder wiederholt die Richtung wechselt.

Die ungefähre Beziehung zwischen elektrischer Leistung, Spannung und Strom lautet:

Strom (A) = Leistung (W) ÷ Spannung (V)

Beispielsweise benötigt ein 48-V-Förderfahrzeug mit einer Leistungsaufnahme von 1.200 W unter idealen Nennspannungsbedingungen etwa 25 A.

Steigt der Strombedarf auf 2.400 W, erhöht sich der entsprechende Strom auf etwa 50 A.

Der tatsächliche Batteriestrom kann aufgrund von Umwandlungsverlusten und Spannungsabfall höher ausfallen; bei der Berechnung sollte daher die jeweilige Betriebsspannung zugrunde gelegt werden, anstatt davon auszugehen, dass die Nennspannung konstant bleibt.

Eine Batterie mit einer Nennkapazität von 100 Ah unterstützt nicht automatisch jeden Entladestrom, den das Fahrzeug möglicherweise benötigt. Ihre zulässigen Dauer- und Spitzenströme hängen von den Eigenschaften der Zellen, den thermischen Bedingungen, den Verbindungen sowie den Grenzwerten des BMS ab.

Bei der Angabe eines AGV-Batterie, unterscheiden zwischen drei Anforderungen:

• Dauerstrom: Der Strom, den die Batterie im Normalbetrieb liefern muss, ohne dabei ihre elektrischen oder thermischen Grenzwerte zu überschreiten.

• Spitzenableitstrom: Der bei Beschleunigung, beim Anheben oder bei anderen anspruchsvollen Vorgängen erforderliche höhere Strom sowie die Dauer und Häufigkeit dieser Vorgänge.

• Wiederkehrende kurzzeitige Belastungen: Kurze Entladungsspitzen, die häufig genug auftreten, um die Erwärmung der Batterie, die Spannungsstabilität und die Langzeitleistung zu beeinflussen.

Eine Batterie, die eine kurze Stromspitze verkraften kann, ist möglicherweise nicht für wiederholte Stromspitzen während einer anspruchsvollen Schicht geeignet. Sowohl die Stromstärke als auch die Dauer müssen berücksichtigt werden.

4. Verwenden Sie die C-Rate zum Vergleich der Entladeleistung von Akkus

Die C-Rate gibt den Lade- oder Entladestrom im Verhältnis zur Nennkapazität der Batterie an.

Bei einer 100-Ah-Batterie entspricht eine Entladungsrate von 1C einem Strom von 100 A. Eine Entladungsrate von 0,5C entspricht einem Strom von 50 A, während eine Entladungsrate von 2C einem Strom von 200 A entspricht.

Daher ist die C-Rate beim Vergleich von Akkus unterschiedlicher Kapazität hilfreich, sollte jedoch keinesfalls die Überprüfung der vom Hersteller angegebenen tatsächlichen Nennströme ersetzen.

Betrachten wir zwei 48-V-Batterieoptionen mit einer Nennkapazität von jeweils 100 Ah. Beide verfügen über eine Nennenergie von etwa 4,8 kWh. Die eine kann jedoch einen Dauerentladestrom von 50 A liefern, während die andere für einen Dauerentladestrom von 100 A ausgelegt ist.

Ihre gespeicherte Energie ist zwar ähnlich, doch ihre Eignung für ein leistungsstarkes fahrerloses Transportfahrzeug (AGV) kann erheblich variieren.

Wenn ein Fahrzeug in einem bestimmten Betriebsmodus kontinuierlich 80 A benötigt, würde die erste Batterie diese Anforderung nicht erfüllen, auch wenn ihre Kapazität und Spannung auf den ersten Blick korrekt erscheinen. Die zweite Batterie könnte geeignet sein, sofern ihre Entladungsgrenzen, ihre thermische Leistung, ihre Spitzenstromfähigkeit und ihre Systemschnittstellen ebenfalls den Anforderungen der Anwendung entsprechen.

Aus diesem Grund sollten in den Batteriespezifikationen der Dauerstrom, der Spitzenstrom, die Spitzendauer und die zulässigen Betriebsbedingungen ausdrücklich angegeben werden, anstatt sich allein auf die Ah-Angaben zu stützen.

5. Berechnen Sie den tatsächlichen Arbeitszyklus und nicht nur die auf dem Typenschild angegebene Motorleistung

Die Nennleistungen der Motoren sind nützliche Anhaltspunkte, geben jedoch nicht unbedingt den durchschnittlichen Energieverbrauch des fahrerlosen Transportfahrzeugs (AGV) wieder.

Ein Fahrzeug kann einen Großteil seiner Zeit damit verbringen, mit konstanter Geschwindigkeit zu fahren, an einem Arbeitsplatz zu warten, zu wenden, zu beschleunigen, Lasten zu heben oder mit Lagerverwaltungssystemen zu kommunizieren. Jede dieser Aktivitäten trägt in unterschiedlichem Maße zum Gesamtenergiebedarf bei.

Bei einer genaueren Bewertung wird der Betriebszyklus in repräsentative Tätigkeiten unterteilt und der Energieverbrauch bei jeder einzelnen davon geschätzt.

Zum Beispiel:

Betriebliche Tätigkeit	Durchschnittliche Leistung	Dauer	Energieverbrauch
Reisen und Materialtransport	700 W	5 Std.	3,5 kWh
Beschleunigung und Kurvenfahrt	1.200 W	1 Stunde	1,2 kWh
Hebevorgänge und Hilfsarbeiten	500W	1 Stunde	0,5 kWh
Standby- und Leerlaufzeiten	100 W	1 Stunde	0,1 kWh
Gesamt	-	8 Std.	5,3 kWh

Dieses vereinfachte Beispiel ergibt einen Gesamtenergiebedarf von 5,3 kWh für die Schicht. Es ist aussagekräftiger als die Multiplikation der maximalen Nennleistung des Motors mit acht Stunden – was zu einer erheblichen Überschätzung des Verbrauchs führen könnte – oder die Verwendung einer niedrigen Schätzung der Dauerleistung, bei der anspruchsvolle Betriebszustände außer Acht gelassen werden.

Erfassen Sie nach Möglichkeit Strom- und Spannungsdaten eines FTS, das unter repräsentativen Lastbedingungen, auf repräsentativen Routen, bei repräsentativen Bodenverhältnissen und gemäß repräsentativen Produktionsplänen betrieben wird. Berücksichtigen Sie dabei Hebevorrichtungen, die Bordelektronik und sonstige Zusatzlasten.

Der gemessene Arbeitszyklus bietet eine solidere Grundlage für die Dimensionierung der Batterie und verringert das Risiko, eine Batterie zu kaufen, die entweder nicht ausreicht oder unnötig groß ist.

6. Spannungsabfall und den gesamten Stromversorgungspfad überprüfen

Selbst wenn eine Batterie die Nennspannungs- und Nennstromangaben erfüllt, kann es im Fahrzeug zu unerwarteten Stromausfällen kommen.

Im Hochstrombetrieb kommt es zu Spannungsabfällen an Zellen, Kabeln, Steckverbindern, Sicherungen, Schützen und anderen Komponenten. Auch der interne Batteriewiderstand trägt zum Spannungsabfall bei.

Wenn die Spannung am Motorsteuergerät unter den zulässigen Betriebsgrenzwert fällt, kann das fahrerlose Transportfahrzeug (AGV) die Leistung drosseln, eine Störung auslösen oder unerwartet anhalten.

Aus diesem Grund muss bei der Auswahl der Batterie die niedrigste zu erwartende Betriebsspannung berücksichtigt werden und nicht nur die im Datenblatt angegebene Nennspannung.

Das gesamte Kraftübertragungssystem sollte auf Folgendes überprüft werden:

• Strombelastbarkeit von Kabeln und Steckverbindern.

• Spannungsabfall bei Dauer- und Spitzenlasten.

• BMS-Überstromschwellenwerte und Reaktionsverhalten.

• Nennwerte von Sicherungen und Schützen.

• Unterspannungsgrenzwerte des Motorsteuergeräts.

• Wärmeentwicklung bei wiederholtem Betrieb mit hohen Stromstärken.

Eine Batterie mit höherer Kapazität löst diese Probleme nicht automatisch. Das System muss so ausgelegt sein, dass die Zellen, das BMS, die Verkabelung, die Steckverbinder und die Fahrzeugsteuerung innerhalb kompatibler Grenzwerte arbeiten.

7. Abstimmung der Batterie auf die Ladestrategie und die Anforderungen an das Batteriemanagementsystem (BMS)

Die Art und Weise, wie ein fahrerloses Transportfahrzeug (AGV) aufgeladen wird, hat Einfluss auf die erforderliche Batteriekapazität und dessen langfristige Leistungsfähigkeit.

Fahrzeuge, die in einer Schicht im Einsatz sind und zwischen den Schichten aufgeladen werden, benötigen möglicherweise ausreichend nutzbare Energie für die gesamte Schicht. Flotten, die das Gelegenheitsladen nutzen, können möglicherweise mit einer kleineren Batterie auskommen, sofern die Ladefenster häufig genug stattfinden und lang genug sind, um den Energieverbrauch auszugleichen.

Das Gelegenheitsladen muss jedoch von der Batterie, dem Ladegerät, dem BMS und dem Fahrzeugsteuerungssystem unterstützt werden. Dabei müssen Ladestrombegrenzungen, Temperaturbeschränkungen, die Ladeannahme sowie das Kommunikationsverhalten berücksichtigt werden.

Das BMS sollte einen angemessenen Schutz vor Überspannung, Unterspannung, Überstrom und überhöhter Temperatur bieten. Bei Anwendungen, die eine Kommunikation mit der Fahrzeugsteuerung oder dem Flottenmanagementsystem erfordern, sind das erforderliche Protokoll und die Datenpunkte wie Ladezustand, Batteriealarme, Temperatur sowie zulässiger Lade- oder Entladestrom zu überprüfen.

LiFePO₄-Batterien werden aufgrund ihrer thermischen Stabilität und ihres Potenzials für eine lange Zyklenlebensdauer häufig für industrielle fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) in Betracht gezogen. Die tatsächliche Leistung hängt jedoch von der Zellqualität, dem Aufbau des Batteriepacks, den Betriebsbedingungen und den Ladeverfahren ab. Die Batteriechemie allein kann keine bestimmte Lebensdauer oder Ladegeschwindigkeit garantieren.

Das Ladegerät muss zudem auf die Chemie der Batterie und die Konfiguration des Akkupacks abgestimmt sein. Eine Batterie, die für ein bestimmtes Ladeprofil ausgelegt ist, sollte nicht an ein Ladegerät mit inkompatiblen Spannungs- oder Stromeinstellungen angeschlossen werden.

8. Die Spezifikation an der Anwendung ausrichten

Bevor Sie einen Batterietyp für ein fahrerloses Transportfahrzeug (AGV) freigeben, vergewissern Sie sich, dass die Spezifikation die folgenden Anforderungen erfüllt:

• Nennspannung und zulässiger Betriebsspannungsbereich.

• Erforderliche nutzbare Energie pro Schicht.

• Nennkapazität und die zu ihrer Berechnung herangezogenen Annahmen.

• Dauerstrom und Spitzenstrom, einschließlich der Spitzendauer.

• Angestrebte Lebensdauer und erwartete Schaltzyklen.

• Ladespannung, maximaler Ladestrom und Ladeplan.

• Grenzwerte für Betriebs- und Ladetemperatur.

• Maximale Abmessungen und Gewicht der Batterie.

• Schutzfunktionen des BMS und Kommunikationsanforderungen.

• Kompatibilität von Steckverbindern, Kabeln, Befestigungen und Gehäusen.

Bei OEM-Projekten sollten diese Details vor der endgültigen Festlegung des Batterieentwurfs geklärt werden. Bei Austauschprojekten ist das Etikett der Originalbatterie hilfreich, doch sollten vor einer Änderung der Spannung oder Kapazität auch die Spezifikationen der Fahrzeugsteuerung, die Anforderungen an das Ladegerät und der tatsächliche Arbeitszyklus überprüft werden.

Abschluss

Die Auswahl der richtigen AGV-Batterie ist eine technische Herausforderung, bei der es darum geht, gespeicherte Energie, Leistungsabgabe, Systemkompatibilität und Lebensdauer in Einklang zu bringen.

Die Spannung muss mit der elektrischen Architektur des Fahrzeugs übereinstimmen. Die Kapazität muss den tatsächlichen Energieverbrauch über den gesamten erforderlichen Betriebszeitraum abdecken. Der Entladestrom muss sowohl Dauerlasten als auch kurzzeitige Spitzenbelastungen bewältigen können. Ladeverhalten, Spannungsabfall, Temperatur und Alterung der Batterie entscheiden dann darüber, ob das ausgewählte System im täglichen Betrieb zuverlässig bleibt.

RICHYE bietet Lithium-Batterielösungen für industrielle Anwendungen, darunter fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) und Materialtransportgeräte. Durch die Abgleichung der Batterieanforderungen mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen und die Überprüfung der gesamten elektrischen Schnittstelle können Hersteller und Flottenbetreiber fundiertere Spezifikationen festlegen, vermeidbare Ausfallzeiten reduzieren und eine zuverlässigere Grundlage für den automatisierten Materialtransport schaffen.