Een praktische technische gids voor het voorkomen van stroomtekorten, het verminderen van stilstandtijd en het bouwen van betrouwbaardere automatisch geleide voertuigen

Bij het kiezen van een accu voor een automatisch geleid voertuig (AGV) gaat het om meer dan alleen het selecteren van een nominale spanning of een grote capaciteit in ampère-uur. De ene accu kan weliswaar voldoende energie leveren voor enkele uren bedrijf, maar toch niet de benodigde stroom leveren tijdens het optrekken. Een andere accu voldoet misschien wel aan de aanvankelijke eisen voor de bedrijfstijd van het voertuig, maar heeft moeite om een volledige dienst te voltooien omdat de capaciteit geleidelijk afneemt.

Deze problemen ontstaan vaak al in de ontwerpfase, wanneer spanning, capaciteit, ontlaadstroom en bedrijfsomstandigheden afzonderlijk worden beoordeeld in plaats van als onderdelen van één elektrisch systeem.

Voor fabrikanten van AGV’s, systeemintegrators en wagenparkbeheerders is het doel om een accu te kiezen die voldoende energie levert, hoge vermogensbelastingen aankan en gedurende de gehele beoogde levensduur betrouwbaar blijft. RICHYE legt de essentiële berekeningen en praktische overwegingen uit die ten grondslag liggen aan een goed afgestemd AGV-accusysteem.

1. Begin met de elektrische architectuur van de AGV

Bij de keuze van een accu moet je uitgaan van de elektrische behoeften van het voertuig, en niet van een gewenste accucapaciteit.

De motorregelaar, de aandrijfmotoren, de hefmechanismen, de boordcomputers, de sensoren, de communicatiemodules en andere hulpapparatuur zijn allemaal van invloed op de specificaties van de accu. Voordat u accuopties gaat vergelijken, moet u de nominale systeemspanning, het toegestane spanningsbereik, het gemiddelde stroomverbruik, de maximale stroombehoefte en de beschikbare inbouwruimte van het voertuig vaststellen.

Algemeen AGV-batterij De spanningsklassen omvatten 24 V, 36 V, 48 V en 72 V, hoewel de juiste configuratie afhangt van het ontwerp en de toepassing van het voertuig.

Een 24V-systeem kan geschikt zijn voor een compacte AGV met relatief bescheiden vermogensbehoeften. Een 48V-systeem kan geschikt zijn voor een groter materiaalverwerkingsvoertuig, terwijl systemen met een hogere spanning toepassingen kunnen ondersteunen die een grotere vermogensoverdracht vereisen. Dit zijn algemene voorbeelden, geen universele regels: de motorregelaar en andere aangesloten componenten bepalen welk spanningsbereik acceptabel is.

Het belangrijkste uitgangspunt is dat de accuspanning moet zijn afgestemd op het gehele elektrische systeem. Het verhogen van de spanning louter omdat dit krachtiger lijkt, is geen veilige of betrouwbare upgradestrategie. Bij elke wijziging moet rekening worden gehouden met de beperkingen van de controller, de nominale waarden van de componenten, de laadvereisten, de beveiligingsinrichtingen en de communicatie-interfaces.

2. De accucapaciteit berekenen op basis van het werkelijke energieverbruik

De accucapaciteit, uitgedrukt in ampère-uur (Ah), geeft aan hoeveel lading een accu kan opslaan. Ah alleen zegt echter nog niets over hoeveel energie de accu tijdens een werkdag kan leveren.

Voor een beter vergelijkbare uitdrukking kunt u de energie berekenen in wattuur (Wh) of kilowattuur (kWh).

De basisformule luidt:

Energieverbruik (Wh) = Gemiddeld stroomverbruik (W) × Gebruiksduur (h)

Neem bijvoorbeeld een AGV die tijdens een dienst van acht uur gemiddeld 600 W verbruikt.

600 W × 8 uur = 4.800 Wh, oftewel 4,8 kWh.

Dit is de geschatte energiebehoefte, waarbij nog geen rekening is gehouden met de bedrijfslimieten van de accu, veroudering, temperatuureffecten en ontwerpreserves.

Om de benodigde energie om te rekenen naar een geschatte accucapaciteit, gebruik je de volgende formule:

Accucapaciteit (Ah) = Benodigde energie (Wh) ÷ Nominale accuspanning (V)

Voor een 48V-accu luidt de berekening als volgt:

4.800 Wh ÷ 48 V = 100 Ah.

Een accu van 48 V en 100 Ah slaat echter ongeveer 4,8 kWh nominale energie op. Dit betekent niet dat onder alle bedrijfsomstandigheden ook daadwerkelijk de volledige 4,8 kWh als bruikbare energie beschikbaar is.

Als in het ontwerp wordt uitgegaan van een nominaal energieverbruik van slechts 80% tijdens normaal gebruik, zou een accu van 100 Ah onder die vereenvoudigde aanname ongeveer 80 Ah aan bruikbare capaciteit leveren. De daadwerkelijk bruikbare energie hangt af van de chemische samenstelling van de accu, de ontladingslimieten, de temperatuur, het belastingsprofiel en de configuratie van het BMS.

De berekening moet daarom worden aangepast om rekening te houden met het beoogde werkingsbereik.

Boekhoudkundige verwerking van veroudering en exploitatiereserves

Een nieuwe accu behoudt zijn oorspronkelijke capaciteit niet voor onbepaalde tijd. Door herhaaldelijk opladen en ontladen, blootstelling aan temperatuurschommelingen en het verstrijken van de tijd neemt de beschikbare energie voor gebruik geleidelijk af.

Stel dat een AGV 4,8 kWh bruikbare energie per dienst nodig heeft. Als het ontwerp nog steeds aan deze eis moet voldoen wanneer de accu is afgenomen tot 80% van zijn oorspronkelijke capaciteit, en de normale werking beperkt is tot 80% van de beschikbare nominale capaciteit, dan wordt de vereenvoudigde nominale energiebehoefte:

4,8 kWh ÷ (0,80 × 0,80) = 7,5 kWh.

Bij een nominale spanning van 48 V komt dit neer op ongeveer 156 Ah.

Dit is een illustratieve berekening voor de dimensionering en geen algemene specificatie. Het veronderstelde werkingsbereik van de 80% en de capaciteit aan het einde van de levensduur van de 80% moeten worden getoetst aan de prestatiegegevens van de gekozen accu en de gebruiksvereisten van de toepassing.

De les is duidelijk: kies de capaciteit van de accu op basis van de vereiste prestaties gedurende de gehele beoogde levensduur, en niet alleen voor de eerste paar maanden na de installatie.

3. Begrijp waarom de ontlaadstroom net zo belangrijk is als de capaciteit

De capaciteit bepaalt hoeveel energie er wordt opgeslagen. De ontlaadstroom bepaalt hoe snel die energie kan worden afgegeven.

Een AGV werkt zelden op een constant vermogensniveau. De stroombehoefte kan sterk toenemen wanneer het voertuig versnelt, een helling oprijdt, een zware lading vervoert, een hefmechanisme in werking stelt of herhaaldelijk van richting verandert.

De benaderende relatie tussen elektrisch vermogen, spanning en stroom is:

Stroom (A) = Vermogen (W) ÷ Spanning (V)

Een 48V-AGV die 1.200 W verbruikt, heeft bijvoorbeeld onder ideale omstandigheden bij nominale spanning ongeveer 25 A nodig.

Als het benodigde vermogen stijgt tot 2.400 W, neemt de bijbehorende stroomsterkte toe tot ongeveer 50 A.

De werkelijke batterijstroom kan hoger zijn als gevolg van omzettingsverliezen en spanningsval, en bij de berekening moet de relevante bedrijfsspanning worden gebruikt in plaats van ervan uit te gaan dat de nominale spanning constant blijft.

Een accu met een nominale capaciteit van 100 Ah is niet automatisch geschikt voor elke ontlaadstroom die het voertuig zou kunnen vragen. De toegestane continue en piekstromen zijn afhankelijk van de capaciteiten van de cellen, de thermische omstandigheden, de onderlinge verbindingen en de beperkingen van het BMS.

Bij het specificeren van een AGV-batterij, maken we onderscheid tussen drie vereisten:

• Continue ontladingsstroom: De stroom die de batterij tijdens normaal gebruik moet leveren zonder haar elektrische of thermische grenzen te overschrijden.

• Piekstroom: De hogere stroomsterkte die nodig is tijdens het accelereren, heffen of andere veeleisende handelingen, in combinatie met de duur en frequentie van die handelingen.

• Herhaalde kortstondige belastingen: Korte pieken die zo vaak voorkomen dat ze van invloed zijn op de opwarming van de accu, de spanningsstabiliteit en de prestaties op lange termijn.

Een accu die een kortstondige stroompiek aankan, is mogelijk niet geschikt voor herhaalde pieken tijdens een zware dienst. Zowel de grootte als de duur van de stroom moeten worden beoordeeld.

4. Gebruik de C-waarde om de ontladingscapaciteit van de accu te vergelijken

De C-waarde geeft de laad- of ontlaadstroom weer in verhouding tot de nominale capaciteit van de accu.

Bij een accu van 100 Ah komt een ontladingsstroom van 1C overeen met 100 A. Een ontladingsstroom van 0,5C komt overeen met 50 A, terwijl een ontladingsstroom van 2C overeenkomt met 200 A.

Dit maakt de C-waarde handig bij het vergelijken van accu’s met verschillende capaciteiten, maar het mag nooit in de plaats komen van het controleren van de daadwerkelijke stroomwaarden die door de fabrikant worden opgegeven.

Laten we eens kijken naar twee 48V-accu’s, elk met een nominale capaciteit van 100 Ah. Beide hebben een nominale energie van ongeveer 4,8 kWh. De ene kan echter een continue ontlaadstroom van 50 A aan, terwijl de andere is ontworpen voor een continue ontlaadstroom van 100 A.

Hun opgeslagen energie is vergelijkbaar, maar hun geschiktheid voor een AGV met hoog vermogen kan aanzienlijk verschillen.

Als een voertuig in een bepaalde bedrijfsmodus continu 80 A nodig heeft, zou de eerste accu niet aan die eis voldoen, ook al lijken de capaciteit en de spanning ervan correct te zijn. De tweede accu kan geschikt zijn als de ontladingslimieten, thermische prestaties, piekstroomcapaciteit en systeeminterfaces ook aan de eisen van de toepassing voldoen.

Daarom moeten in de specificaties van accu’s expliciet de continue stroomsterkte, de piekstroomsterkte, de piekduur en de toegestane bedrijfsomstandigheden worden vermeld, in plaats van uitsluitend uit te gaan van de Ah-waarden.

5. Reken uit op basis van de werkelijke inschakelduur, niet alleen op basis van het op het typeplaatje vermelde motorvermogen

Het nominale motorvermogen is een nuttig uitgangspunt, maar geeft niet noodzakelijkerwijs het gemiddelde energieverbruik van de AGV weer.

Een voertuig kan een aanzienlijke tijd besteden aan het rijden met constante snelheid, het wachten bij een werkstation, het maken van bochten, het optrekken, het heffen van ladingen of het communiceren met magazijnbeheersystemen. Elke activiteit draagt op een andere manier bij aan het totale energieverbruik.

Bij een nauwkeurigere beoordeling wordt de bedrijfscyclus opgedeeld in representatieve activiteiten en wordt het energieverbruik tijdens elke activiteit geschat.

Bijvoorbeeld:

Bedrijfsactiviteiten	Gemiddeld vermogen	Duur	Energieverbruik
Reizen en goederenbehandeling	700 W	5 uur	3,5 kWh
Versnellen en bochten nemen	1.200 W	1 uur	1,2 kWh
Hijs- en ondersteunende werkzaamheden	500W	1 uur	0,5 kWh
Stand-by- en stilstandperiodes	100 W	1 uur	0,1 kWh
Totaal	-	8 uur	5,3 kWh

Dit vereenvoudigde voorbeeld komt uit op een totale energiebehoefte van 5,3 kWh voor de dienst. Dit geeft een beter beeld dan het vermenigvuldigen van het maximale nominale vermogen van de motor met acht uur – wat zou kunnen leiden tot een aanzienlijke overschatting van het verbruik – of het hanteren van een lage schatting van het kruisvermogensverbruik, waarbij geen rekening wordt gehouden met veeleisende bedrijfsomstandigheden.

Verzamel, waar mogelijk, stroom- en spanningsgegevens van een AGV die onder representatieve laadvermogens, routes, vloeromstandigheden en productieschema’s wordt ingezet. Houd daarbij rekening met hefapparatuur, boordelektronica en andere bijkomende belastingen.

De gemeten inschakelfrequentie biedt een betere basis voor het bepalen van de juiste accucapaciteit en verkleint het risico dat er een te kleine of juist onnodig grote accu wordt aangeschaft.

6. Controleer de spanningsval en het gehele stroomtoevoertraject

Zelfs wanneer een accu voldoet aan de nominale spannings- en stroomspecificaties, kan het voertuig te maken krijgen met onverwachte stroomonderbrekingen.

Bij gebruik met hoge stroomsterkte treden spanningsdalingen op in cellen, kabels, connectoren, zekeringen, schakelaars en andere componenten. Ook de interne weerstand van de accu draagt bij aan spanningsdalingen.

Als de spanning bij de motorregelaar onder de toegestane bedrijfsdrempel daalt, kan de AGV het vermogen verminderen, een storing activeren of onverwacht tot stilstand komen.

Om deze reden moet bij de keuze van een accu rekening worden gehouden met de laagst verwachte bedrijfsspanning, en niet alleen met de nominale spanning die op het specificatieblad staat vermeld.

Het volledige stroomtoevoersysteem moet worden gecontroleerd op:

• Stroomwaarden van kabels en connectoren.

• Spanningsval bij continue en piekbelasting.

• BMS-drempelwaarden voor overstroom en reactiegedrag.

• Nominale waarden van zekeringen en schakelaars.

• Onderspanningsgrenzen van de motorregelaar.

• Warmteontwikkeling bij herhaaldelijk gebruik met hoge stroomsterkte.

Een accu met een grotere capaciteit lost deze problemen niet automatisch op. Het systeem moet zo worden ontworpen dat de cellen, het BMS, de bedrading, de connectoren en de voertuigregelaar binnen compatibele grenzen functioneren.

7. Stem de accu af op de laadstrategie en de BMS-vereisten

De manier waarop een AGV wordt opgeladen, is van invloed op de benodigde accucapaciteit en de prestaties op lange termijn.

Voertuigen die één dienst rijden en tussen de diensten door worden opgeladen, hebben mogelijk voldoende bruikbare energie nodig voor de gehele dienst. Wagenparken die gebruikmaken van tussentijds opladen kunnen mogelijk met een kleinere accu uit de voeten als de oplaadmomenten frequent genoeg zijn en lang genoeg duren om de verbruikte energie aan te vullen.

Opladen wanneer het uitkomt moet echter worden ondersteund door de accu, de lader, het BMS en het besturingssysteem van het voertuig. Er moet rekening worden gehouden met laadstroomlimieten, temperatuurbeperkingen, laadacceptatie en communicatiegedrag.

Het BMS moet voldoende bescherming bieden tegen overspanning, onderspanning, overstroom en te hoge temperaturen. Voor toepassingen waarbij communicatie met de voertuigcontroller of het wagenparkbeheersysteem vereist is, dient u na te gaan welk protocol en welke gegevenspunten vereist zijn, zoals de laadstatus, accualarmen, temperatuur en de toegestane laad- of ontlaadstroom.

LiFePO₄-accu’s worden vaak overwogen voor industriële AGV’s vanwege hun thermische stabiliteit en het potentieel voor een lange levensduur. De daadwerkelijke prestaties hangen echter af van de kwaliteit van de cellen, het ontwerp van het accupakket, de bedrijfsomstandigheden en de laadpraktijken. De chemische samenstelling van de accu alleen kan geen garantie bieden voor een bepaalde levensduur of laadsnelheid.

De lader moet ook geschikt zijn voor de chemische samenstelling van de accu en de configuratie van het accupakket. Een accu die is ontworpen voor een bepaald laadprofiel, mag niet worden aangesloten op een lader met onverenigbare spannings- of stroominstellingen.

8. Stel de specificatie op aan de hand van de toepassing

Controleer, voordat u een ontwerp voor een AGV-accu goedkeurt, of de specificaties aan de volgende eisen voldoen:

• Nominale spanning en toegestaan bedrijfsspanningsbereik.

• Benodigde bruikbare energie per dienst.

• Nominale capaciteit en de aannames die zijn gebruikt om deze te berekenen.

• Continue en piekstroom, inclusief de duur van de piek.

• Beoogde levensduur en verwachte cyclusfrequentie.

• Laadspanning, maximale laadstroom en laadschema.

• Grenswaarden voor bedrijfs- en laadtemperatuur.

• Maximale afmetingen en gewicht van de accu.

• BMS-beveiligingsfuncties en communicatie-eisen.

• Compatibiliteit van connectoren, kabels, bevestigingsmaterialen en behuizingen.

Bij OEM-projecten moeten deze details worden vastgesteld voordat het ontwerp van de accu definitief wordt vastgelegd. Bij vervangingsprojecten is het originele acculabel nuttig, maar moeten ook de specificaties van de voertuigcontroller, de vereisten voor de lader en de daadwerkelijke bedrijfscyclus worden gecontroleerd voordat de spanning of capaciteit wordt gewijzigd.

Conclusie

Het kiezen van de juiste AGV-accu is een technische uitdaging waarbij een evenwicht moet worden gevonden tussen opgeslagen energie, vermogensafgifte, systeemcompatibiliteit en levensduur.

De spanning moet aansluiten bij de elektrische architectuur van het voertuig. De capaciteit moet voldoende zijn om het werkelijke energieverbruik gedurende de vereiste gebruiksperiode te dekken. De ontlaadstroom moet zowel continue belastingen als kortstondige pieken aankunnen. De laadstrategie, spanningsval, temperatuur en veroudering van de accu bepalen vervolgens of het gekozen systeem in het dagelijks gebruik betrouwbaar blijft.

RIJK biedt lithiumbatterijoplossingen voor industriële toepassingen, waaronder AGV’s en materiaalverwerkingsapparatuur. Door de batterijvereisten af te zetten tegen de daadwerkelijke bedrijfsomstandigheden en de volledige elektrische interface te controleren, kunnen fabrikanten en wagenparkbeheerders beter onderbouwde specificaties opstellen, vermijdbare stilstandtijd verminderen en een betrouwbaardere basis leggen voor geautomatiseerde materiaalverwerking.