Guía práctica de ingeniería para prevenir cortes de suministro eléctrico, reducir el tiempo de inactividad y fabricar vehículos guiados automatizados más fiables

La selección de una batería para un vehículo guiado automáticamente (AGV) implica algo más que elegir una tensión nominal o una gran capacidad en amperios-hora. Una batería puede proporcionar energía suficiente para varias horas de funcionamiento, pero no ser capaz de suministrar la corriente necesaria durante la aceleración. Otra puede cumplir los requisitos iniciales de autonomía del vehículo, pero tener dificultades para completar un turno completo a medida que su capacidad disminuye gradualmente.

Estos problemas suelen tener su origen en la fase de diseño, cuando la tensión, la capacidad, la corriente de descarga y las condiciones de funcionamiento se evalúan por separado, en lugar de como partes de un mismo sistema eléctrico.

Para los fabricantes de vehículos guiados automáticamente (AGV), los integradores de sistemas y los operadores de flotas, el objetivo es seleccionar una batería que proporcione la energía suficiente, soporte cargas eléctricas exigentes y mantenga su fiabilidad a lo largo de toda su vida útil prevista. RICHYE explica los cálculos esenciales y las consideraciones prácticas que hay detrás de un sistema de baterías para AGV bien adaptado.

1. Empezamos por la arquitectura eléctrica del AGV

La elección de la batería debe partir de los requisitos eléctricos del vehículo, y no de la capacidad de batería que se prefiera.

El controlador del motor, los motores de tracción, los mecanismos de elevación, los ordenadores de a bordo, los sensores, los módulos de comunicación y el resto de equipos auxiliares influyen en las especificaciones de la batería. Antes de comparar las opciones de batería, determina la tensión nominal del sistema del vehículo, el rango de tensión permitido, el consumo medio de energía, la demanda máxima de corriente y el espacio de instalación disponible.

Común Batería de AGV Las clases de tensión incluyen 24 V, 36 V, 48 V y 72 V, aunque la configuración adecuada depende del diseño del vehículo y de su aplicación.

Un sistema de 24 V puede ser adecuado para un vehículo guiado automático (AGV) compacto con unos requisitos de potencia relativamente modestos. Un sistema de 48 V puede ser adecuado para un vehículo de manipulación de materiales de mayor tamaño, mientras que las arquitecturas de mayor tensión pueden dar respuesta a aplicaciones que requieran una mayor transferencia de potencia. Se trata de ejemplos generales, no de reglas universales: el controlador del motor y otros componentes conectados determinan qué rango de tensión es aceptable.

El principio más importante es adaptar la tensión de la batería al sistema eléctrico en su conjunto. Aumentar la tensión simplemente porque parece ofrecer mayor potencia no es una estrategia de mejora segura ni fiable. Cualquier cambio debe tener en cuenta los límites del controlador, las características nominales de los componentes, los requisitos de carga, los dispositivos de protección y las interfaces de comunicación.

2. Calcular la capacidad de la batería a partir del consumo real de energía

La capacidad de la batería, expresada en amperios-hora (Ah), indica cuánta carga puede almacenar una batería. Sin embargo, el valor en Ah por sí solo no indica cuánta energía puede suministrar la batería durante un turno de trabajo.

Para realizar una comparación más significativa, calcula la energía en vatios-hora (Wh) o kilovatios-hora (kWh).

La fórmula básica es:

Consumo de energía (Wh) = Consumo medio de potencia (W) × Tiempo de funcionamiento (h)

Por ejemplo, pensemos en un vehículo guiado automáticamente (AGV) que consume una media de 600 W durante un turno de ocho horas.

600 W × 8 h = 4.800 Wh, es decir, 4,8 kWh.

Esta es la necesidad energética estimada antes de tener en cuenta los límites de funcionamiento de la batería, el desgaste, los efectos de la temperatura y las reservas de diseño.

Para convertir el consumo de energía en una capacidad aproximada de la batería, utiliza la siguiente fórmula:

Capacidad de la batería (Ah) = Energía necesaria (Wh) ÷ Tensión nominal de la batería (V)

En el caso de una batería de 48 V, el cálculo es el siguiente:

4.800 Wh ÷ 48 V = 100 Ah.

Sin embargo, una batería de 48 V y 100 Ah almacena aproximadamente 4,8 kWh de energía nominal. Esto no significa necesariamente que proporcione los 4,8 kWh completos como energía útil en todas las condiciones de funcionamiento.

Si el diseño parte de la base de que, durante el funcionamiento normal, solo se debe utilizar una energía nominal de 80%, una batería de 100 Ah proporcionaría aproximadamente 80 Ah de capacidad útil según esa hipótesis simplificada. La energía útil real depende de la composición química de la batería, los límites de descarga, la temperatura, el perfil de carga y la configuración del BMS.

Por lo tanto, el cálculo debe ajustarse para reflejar el intervalo de funcionamiento previsto.

Cuenta de maduración y reservas de explotación

Una batería nueva no conserva su capacidad original de forma indefinida. Los ciclos de carga y descarga repetidos, la exposición a la temperatura y el paso del tiempo reducen gradualmente la energía disponible para su funcionamiento.

Supongamos que un vehículo guiado automáticamente (AGV) necesita 4,8 kWh de energía útil por turno. Si el diseño debe seguir cumpliendo este requisito cuando la batería ha perdido capacidad hasta alcanzar el 80% de su capacidad original, y el funcionamiento normal se limita al 80% de la capacidad nominal disponible, el requisito de energía nominal simplificado queda así:

4,8 kWh ÷ (0,80 × 0,80) = 7,5 kWh.

A una tensión nominal de 48 V, esto equivale a aproximadamente 156 Ah.

Se trata de un cálculo ilustrativo para determinar el tamaño adecuado, y no de una especificación universal. El rango de funcionamiento y la capacidad al final de la vida útil del modelo 80% que se han tomado como referencia deben verificarse comparándolos con los datos de rendimiento de la batería seleccionada y los requisitos de servicio de la aplicación.

La lección es clara: hay que dimensionar la batería en función del rendimiento operativo necesario a lo largo de su vida útil prevista, y no solo para los primeros meses tras su instalación.

3. Comprender por qué la corriente de descarga es tan importante como la capacidad

La capacidad determina la cantidad de energía almacenada. La corriente de descarga determina la rapidez con la que se puede suministrar esa energía.

Un vehículo guiado automáticamente (AGV) rara vez funciona a un nivel de potencia constante. La demanda de corriente puede aumentar bruscamente cuando el vehículo acelera, sube una rampa, transporta una carga pesada, pone en marcha un mecanismo de elevación o cambia de dirección repetidamente.

La relación aproximada entre la potencia eléctrica, la tensión y la corriente es la siguiente:

Corriente (A) = Potencia (W) ÷ Tensión (V)

Por ejemplo, un vehículo guiado automáticamente (AGV) de 48 V que consume 1.200 W requiere aproximadamente 25 A en condiciones ideales de tensión nominal.

Si su consumo de potencia aumenta hasta los 2.400 W, la corriente correspondiente aumenta hasta aproximadamente 50 A.

La corriente real de la batería puede ser superior debido a las pérdidas por conversión y a la caída de tensión, por lo que en el cálculo se debe utilizar la tensión de funcionamiento correspondiente, en lugar de suponer que la tensión nominal se mantiene constante.

Una batería con una capacidad nominal de 100 Ah no soporta automáticamente todas las corrientes de descarga que el vehículo pueda requerir. Sus corrientes continuas y máximas admisibles dependen de las prestaciones de las celdas, las condiciones térmicas, las interconexiones y los límites del sistema de gestión de la batería (BMS).

Al especificar un Batería de AGV, distinguimos entre tres requisitos:

• Corriente de descarga continua: La corriente que la batería debe mantener durante el funcionamiento normal sin sobrepasar sus límites eléctricos o térmicos.

• Corriente de descarga máxima: La mayor intensidad de corriente necesaria durante la aceleración, la elevación u otras situaciones exigentes, junto con la duración y la frecuencia de dichas situaciones.

• Cargas transitorias repetidas: Pequeñas ráfagas que se producen con la suficiente frecuencia como para influir en el calentamiento de la batería, la estabilidad del voltaje y el rendimiento a largo plazo.

Una batería capaz de soportar un pico de corriente breve puede no ser adecuada para picos repetidos a lo largo de un turno exigente. Es necesario evaluar tanto la intensidad como la duración de la corriente.

4. Utiliza la tasa C para comparar la capacidad de descarga de la batería

La tasa C expresa la corriente de carga o descarga en relación con la capacidad nominal de la batería.

En el caso de una batería de 100 Ah, una tasa de descarga de 1 C equivale a 100 A. Una tasa de 0,5 C equivale a 50 A, mientras que una tasa de 2 C equivale a 200 A.

Esto hace que la tasa C resulte útil a la hora de comparar baterías de diferentes capacidades, pero nunca debe sustituir a la consulta de los valores nominales de corriente reales indicados por el fabricante.

Consideremos dos opciones de baterías de 48 V, cada una con una capacidad nominal de 100 Ah. Ambas tienen aproximadamente 4,8 kWh de energía nominal. Sin embargo, una puede soportar una corriente de descarga continua de 50 A, mientras que la otra puede estar diseñada para una descarga continua de 100 A.

Su energía almacenada es similar, pero su idoneidad para un vehículo guiado automático (AGV) de alta potencia puede variar considerablemente.

Si un vehículo necesita 80 A de forma continua durante un modo de funcionamiento concreto, la primera batería no cumpliría ese requisito, aunque su capacidad y tensión parezcan correctas. La segunda podría ser adecuada si sus límites de descarga, su rendimiento térmico, su capacidad de corriente máxima y sus interfaces con el sistema también se ajustan a la aplicación.

Por eso, las especificaciones de las baterías deben indicar explícitamente la corriente continua, la corriente máxima, la duración del pico y las condiciones de funcionamiento permitidas, en lugar de basarse únicamente en los valores de Ah.

5. Realiza los cálculos teniendo en cuenta el ciclo de trabajo real, no solo la potencia indicada en la placa de características del motor

Las potencias nominales de los motores son puntos de partida útiles, pero no representan necesariamente el consumo medio de energía del AGV.

Un vehículo puede pasar mucho tiempo circulando a velocidad constante, esperando en un puesto de trabajo, girando, acelerando, elevando cargas o comunicándose con los sistemas de gestión de almacenes. Cada actividad contribuye de forma diferente a la demanda energética total.

Una evaluación más precisa divide el ciclo de funcionamiento en actividades representativas y calcula la energía consumida durante cada una de ellas.

Por ejemplo:

Actividad operativa	Potencia media	Duración	Energía consumida
Transporte y manipulación de mercancías	700 W	5 h	3,5 kWh
Aceleración y giros	1.200 W	1 h	1,2 kWh
Operaciones de elevación y auxiliares	500W	1 h	0,5 kWh
Períodos de espera y de inactividad	100 W	1 h	0,1 kWh
Total	-	8 h	5,3 kWh

Este ejemplo simplificado arroja un consumo energético total de 5,3 kWh para el turno. Resulta más revelador que multiplicar la potencia nominal máxima del motor por ocho horas —lo que podría sobreestimar considerablemente el consumo— o que utilizar una estimación baja de la potencia de crucero que no tenga en cuenta las operaciones más exigentes.

Siempre que sea posible, recopile datos de corriente y tensión de un vehículo guiado automáticamente (AGV) que funcione con cargas útiles, rutas, condiciones del suelo y horarios de producción representativos. Incluya los equipos de elevación, la electrónica de a bordo y otras cargas auxiliares.

El ciclo de trabajo medido ofrece una base más sólida para el dimensionamiento de la batería y reduce el riesgo de adquirir una batería que resulte insuficiente o innecesariamente grande.

6. Comprueba la caída de tensión y todo el recorrido de la línea de alimentación

Incluso cuando una batería cumple con las especificaciones nominales de tensión y corriente, el vehículo puede sufrir cortes de alimentación inesperados.

Durante el funcionamiento con corrientes elevadas, se producen caídas de tensión en las celdas, los cables, los conectores, los fusibles, los contactores y otros componentes. La resistencia interna de la batería también contribuye a la caída de tensión.

Si la tensión en el controlador del motor desciende por debajo del umbral de funcionamiento permitido, el AGV podría reducir la potencia, activar una alarma de fallo o detenerse de forma inesperada.

Por este motivo, a la hora de elegir una batería hay que tener en cuenta la tensión de funcionamiento más baja prevista, y no solo la tensión nominal que figura en la ficha técnica.

Se debe comprobar el sistema completo de suministro de energía para verificar:

• Intensidades nominales de los cables y conectores.

• Caída de tensión bajo cargas continuas y de punta.

• Umbrales de sobrecorriente del BMS y comportamiento de respuesta.

• Características nominales de los fusibles y los contactores.

• Límites de subtensión del controlador del motor.

• Generación de calor durante el funcionamiento repetido con corrientes elevadas.

Una batería de mayor capacidad no resuelve automáticamente estos problemas. El sistema debe diseñarse de tal forma que las celdas, el sistema de gestión de la batería (BMS), el cableado, los conectores y el controlador del vehículo funcionen dentro de unos límites compatibles.

7. Adaptar la batería a la estrategia de carga y a los requisitos del sistema de gestión de la batería (BMS)

La forma en que se recarga un vehículo guiado automáticamente (AGV) influye en la capacidad necesaria de la batería y en su rendimiento a largo plazo.

Los vehículos que funcionan en un solo turno y se recargan entre turnos pueden necesitar energía útil suficiente para todo el turno. Las flotas que utilizan la recarga ocasional podrían funcionar con una batería más pequeña si los intervalos de recarga son lo suficientemente frecuentes y prolongados como para reponer la energía consumida.

Sin embargo, la recarga ocasional debe ser compatible con la batería, el cargador, el sistema de gestión de la batería (BMS) y el sistema de control del vehículo. Deben tenerse en cuenta los límites de corriente de carga, las restricciones de temperatura, la capacidad de aceptación de la carga y el comportamiento de las comunicaciones.

El sistema de gestión de la batería (BMS) debe proporcionar la protección adecuada contra sobretensiones, subtensiones, sobrecorrientes y temperaturas excesivas. Para aquellas aplicaciones que requieran comunicación con el controlador del vehículo o con el sistema de gestión de flotas, hay que confirmar el protocolo y los datos necesarios, tales como el estado de carga, las alarmas de la batería, la temperatura y la corriente de carga o descarga admisible.

Las baterías de LiFePO₄ son una opción muy extendida para los vehículos guiados automáticos (AGV) industriales debido a su estabilidad térmica y a su potencial de larga vida útil. No obstante, el rendimiento real depende de la calidad de las celdas, el diseño del paquete de baterías, las condiciones de funcionamiento y las prácticas de carga. La composición química de la batería por sí sola no puede garantizar una vida útil concreta ni una velocidad de carga determinada.

El cargador también debe ser compatible con la composición química de la batería y la configuración del paquete. Una batería diseñada para un perfil de carga concreto no debe conectarse a un cargador con ajustes de tensión o corriente incompatibles.

8. Elaborar el pliego de condiciones en función de la solicitud

Antes de aprobar el diseño de una batería para un vehículo guiado automáticamente (AGV), comprueba que las especificaciones cumplan los siguientes requisitos:

• Tensión nominal y rango de tensión de funcionamiento permitido.

• Energía útil necesaria por turno.

• Capacidad nominal y los supuestos utilizados para calcularla.

• Corriente de descarga continua y de pico, incluida la duración del pico.

• Vida útil prevista y frecuencia de ciclos prevista.

• Tensión de carga, corriente máxima de carga y programa de carga.

• Límites de temperatura de funcionamiento y de carga.

• Dimensiones y peso máximos de la batería.

• Funciones de protección del BMS y requisitos de comunicación.

• Compatibilidad de conectores, cables, sistemas de montaje y carcasas.

En el caso de los proyectos OEM, estos detalles deben determinarse antes de ultimar el diseño de la batería. En los proyectos de sustitución, la etiqueta original de la batería resulta útil, pero también deben revisarse las especificaciones del controlador del vehículo, los requisitos del cargador y el ciclo de trabajo real antes de modificar la tensión o la capacidad.

Conclusión

Elegir la batería adecuada para un vehículo guiado automáticamente (AGV) es una tarea de ingeniería que consiste en encontrar el equilibrio entre la energía almacenada, la potencia suministrada, la compatibilidad del sistema y la vida útil.

La tensión debe ajustarse a la arquitectura eléctrica del vehículo. La capacidad debe cubrir el consumo real de energía durante todo el periodo de funcionamiento requerido. La corriente de descarga debe soportar tanto las cargas continuas como los picos de corta duración. La estrategia de carga, la caída de tensión, la temperatura y el envejecimiento de la batería determinan, a su vez, si el sistema seleccionado seguirá siendo fiable en el funcionamiento diario.

Rico ofrece soluciones de baterías de litio para aplicaciones industriales, entre las que se incluyen los vehículos guiados automáticamente (AGV) y los equipos de manipulación de materiales. Al evaluar los requisitos de las baterías en función de las condiciones reales de funcionamiento y verificar la interfaz eléctrica completa, los fabricantes y los operadores de flotas pueden establecer especificaciones más fundamentadas, reducir los tiempos de inactividad evitables y sentar unas bases más fiables para la manipulación automatizada de materiales.