Proste dobieranie akumulatorów do pojazdów AGV: jak dopasować napięcie, pojemność i prąd rozładowania do rzeczywistych wymagań

Praktyczny przewodnik inżynierski dotyczący zapobiegania niedoborom zasilania, ograniczania przestojów oraz tworzenia bardziej niezawodnych pojazdów z automatycznym systemem naprowadzania

Wybór akumulatora do pojazdu z automatycznym systemem naprowadzania (AGV) to coś więcej niż tylko wybór napięcia znamionowego lub dużej pojemności wyrażonej w amperogodzinach. Akumulator może zapewniać wystarczającą ilość energii na kilka godzin pracy, ale nie być w stanie dostarczyć prądu wymaganego podczas przyspieszania. Inny akumulator może spełniać początkowe wymagania pojazdu dotyczące czasu pracy, ale z trudem wytrzymać całą zmianę, ponieważ jego pojemność stopniowo spada.

Problemy te często mają swoje źródło już na etapie projektowania, kiedy napięcie, pojemność, prąd rozładowania i warunki pracy są oceniane osobno, a nie jako elementy jednego układu elektrycznego.

Dla producentów pojazdów AGV, integratorów systemów i operatorów flot celem jest dobór akumulatora, który zapewni wystarczającą ilość energii, sprosta wymagającym obciążeniom mocy i zachowa niezawodność przez cały przewidziany okres eksploatacji. RICHYE wyjaśnia podstawowe obliczenia i praktyczne kwestie związane z doborem odpowiedniego systemu akumulatorowego dla pojazdów AGV.

1. Zacznij od architektury elektrycznej pojazdu AGV

Wybór akumulatora należy rozpocząć od zapotrzebowania elektrycznego pojazdu, a nie od preferowanej pojemności akumulatora.

Na parametry akumulatora wpływają: sterownik silnika, silniki trakcyjne, mechanizmy podnoszące, komputery pokładowe, czujniki, moduły komunikacyjne oraz inne urządzenia pomocnicze. Przed porównaniem dostępnych opcji akumulatorów należy ustalić nominalne napięcie systemu pojazdu, dopuszczalny zakres napięcia, średnie zużycie energii, maksymalne zapotrzebowanie na prąd oraz dostępną przestrzeń montażową.

Ogólne Akumulator AGV Dostępne klasy napięcia to 24 V, 36 V, 48 V i 72 V, choć odpowiednia konfiguracja zależy od konstrukcji pojazdu i zastosowania.

Układ 24 V może być odpowiedni dla kompaktowego pojazdu AGV o stosunkowo niewielkich wymaganiach mocy. Układ 48 V może być odpowiedni dla większego pojazdu do transportu materiałów, natomiast architektury o wyższym napięciu mogą obsługiwać zastosowania wymagające większego przesyłu mocy. Są to ogólne przykłady, a nie uniwersalne zasady: to sterownik silnika i inne podłączone komponenty decydują o tym, jaki zakres napięcia jest dopuszczalny.

Najważniejszą zasadą jest dostosowanie napięcia akumulatora do całego układu elektrycznego. Zwiększanie napięcia wyłącznie dlatego, że wydaje się to zapewniać większą moc, nie jest bezpieczną ani niezawodną strategią modernizacji. Każda zmiana musi uwzględniać ograniczenia sterownika, parametry znamionowe komponentów, wymagania dotyczące ładowania, urządzenia zabezpieczające oraz interfejsy komunikacyjne.

2. Oblicz pojemność akumulatora na podstawie rzeczywistego zużycia energii

Pojemność akumulatora, wyrażona w amperogodzinach (Ah), wskazuje, ile energii akumulator może zmagazynować. Jednak sama wartość Ah nie informuje, ile energii akumulator może dostarczyć w trakcie jednej zmiany roboczej.

Aby uzyskać bardziej miarodajne porównanie, należy obliczyć energię w watogodzinach (Wh) lub kilowatogodzinach (kWh).

Podstawowy wzór brzmi:

Zużycie energii (Wh) = Średni pobór mocy (W) × Czas pracy (h)

Weźmy na przykład pojazd AGV, który zużywa średnio 600 W podczas ośmiogodzinnej zmiany.

600 W × 8 godz. = 4 800 Wh, czyli 4,8 kWh.

Jest to szacunkowe zapotrzebowanie na energię przed uwzględnieniem ograniczeń eksploatacyjnych akumulatora, starzenia się, wpływu temperatury oraz rezerw projektowych.

Aby przeliczyć zapotrzebowanie na energię na przybliżoną pojemność akumulatora, należy skorzystać z następującego wzoru:

Pojemność akumulatora (Ah) = Wymagana energia (Wh) ÷ Napięcie znamionowe akumulatora (V)

W przypadku akumulatora 48 V obliczenia wyglądają następująco:

4 800 Wh ÷ 48 V = 100 Ah.

Jednak akumulator o napięciu 48 V i pojemności 100 Ah magazynuje około 4,8 kWh energii nominalnej. Nie oznacza to jednak, że w każdych warunkach pracy zapewnia on pełne 4,8 kWh energii użytkowej.

Jeśli w projekcie założono, że podczas normalnej pracy zużywana jest jedynie energia nominalna rzędu 80%, to akumulator o pojemności 100 Ah zapewniłby w oparciu o to uproszczone założenie około 80 Ah pojemności użytkowej. Rzeczywista energia użytkowa zależy od składu chemicznego akumulatora, limitów rozładowania, temperatury, profilu obciążenia oraz konfiguracji systemu zarządzania akumulatorem (BMS).

Obliczenia należy zatem skorygować tak, aby odzwierciedlały zakładany zakres pracy.

Konto rezerw na starzenie się aktywów i rezerw operacyjnych

Nowa bateria nie zachowuje swojej pierwotnej pojemności w nieskończoność. Powtarzające się cykle ładowania i rozładowania, działanie temperatury oraz upływ czasu stopniowo zmniejszają ilość energii dostępnej do pracy.

Załóżmy, że pojazd AGV zużywa 4,8 kWh energii użytkowej na zmianę. Jeśli konstrukcja musi nadal spełniać ten wymóg, gdy pojemność akumulatora spadnie do 80% pierwotnej pojemności, a normalna praca jest ograniczona do 80% dostępnej pojemności nominalnej, uproszczone nominalne zapotrzebowanie na energię wynosi:

4,8 kWh ÷ (0,80 × 0,80) = 7,5 kWh.

Przy napięciu znamionowym 48 V odpowiada to około 156 Ah.

Jest to raczej przykładowe obliczenie wymiarowania niż uniwersalna specyfikacja. Przyjęty zakres pracy akumulatora 80% oraz jego pojemność pod koniec okresu eksploatacji należy zweryfikować w oparciu o dane dotyczące wydajności wybranego akumulatora oraz wymagania eksploatacyjne danego zastosowania.

Wniosek jest prosty: należy dobrać pojemność akumulatora pod kątem wymaganej wydajności przez cały przewidywany okres eksploatacji, a nie tylko przez pierwsze kilka miesięcy po montażu.

3. Dowiedz się, dlaczego prąd rozładowania ma równie duże znaczenie jak pojemność

Pojemność określa, ile energii jest magazynowane. Prąd rozładowania określa, jak szybko energia ta może zostać dostarczona.

Pojazd AGV rzadko pracuje przy stałym poziomie mocy. Zapotrzebowanie na prąd może gwałtownie wzrosnąć, gdy pojazd przyspiesza, wjeżdża na rampę, przewozi ciężki ładunek, uruchamia mechanizm podnoszący lub wielokrotnie zmienia kierunek jazdy.

W przybliżeniu zależność między mocą elektryczną, napięciem i prądem wygląda następująco:

Prąd (A) = Moc (W) ÷ Napięcie (V)

Na przykład pojazd AGV o napięciu 48 V i poborze mocy 1 200 W wymaga prądu o natężeniu około 25 A w idealnych warunkach przy napięciu nominalnym.

Jeśli zapotrzebowanie na moc wzrośnie do 2 400 W, odpowiadający mu prąd wzrośnie do około 50 A.

Rzeczywisty prąd akumulatora może być wyższy ze względu na straty związane z konwersją i spadek napięcia, dlatego w obliczeniach należy uwzględnić rzeczywiste napięcie robocze, a nie zakładać, że napięcie nominalne pozostaje stałe.

Akumulator o pojemności znamionowej 100 Ah niekoniecznie jest w stanie zapewnić każdy prąd rozładowania, jakiego może wymagać pojazd. Jego dopuszczalne prądy ciągłe i szczytowe zależą od parametrów ogniw, warunków termicznych, połączeń wewnętrznych oraz ograniczeń systemu zarządzania akumulatorem (BMS).

Podczas określania Akumulator AGV, należy rozróżnić trzy wymagania:

• Prąd ciągły: Prąd, jaki akumulator musi utrzymywać podczas normalnej pracy, nie przekraczając przy tym swoich limitów elektrycznych ani termicznych.

• Maksymalny prąd rozładowania: Większy prąd wymagany podczas przyspieszania, podnoszenia lub innych sytuacji wymagających dużego obciążenia, a także czas trwania i częstotliwość występowania tych sytuacji.

• Powtarzające się obciążenia przejściowe: Krótkie impulsy, które występują na tyle często, że mają wpływ na nagrzewanie się akumulatora, stabilność napięcia oraz jego długoterminową wydajność.

Akumulator, który wytrzymuje krótkotrwały skok prądu, może nie nadawać się do pracy w warunkach powtarzających się skoków prądu podczas wymagającej zmiany. Należy wziąć pod uwagę zarówno wielkość prądu, jak i czas jego trwania.

4. Wykorzystaj wskaźnik C-Rate do porównania wydajności rozładowania akumulatora

Współczynnik C określa prąd ładowania lub rozładowania w stosunku do pojemności znamionowej akumulatora.

W przypadku akumulatora o pojemności 100 Ah natężenie rozładowania 1C odpowiada prądowi 100 A. Natężenie 0,5C odpowiada prądowi 50 A, natomiast natężenie 2C odpowiada prądowi 200 A.

Dzięki temu współczynnik C jest przydatny przy porównywaniu akumulatorów o różnej pojemności, jednak nigdy nie powinien zastępować sprawdzenia rzeczywistych wartości prądu podanych przez producenta.

Rozważmy dwa warianty akumulatorów 48 V, z których każdy ma pojemność znamionową 100 Ah. Oba mają energię nominalną wynoszącą około 4,8 kWh. Jednak jeden z nich może zapewnić ciągły prąd rozładowania o natężeniu 50 A, podczas gdy drugi może być zaprojektowany do ciągłego rozładowania prądem o natężeniu 100 A.

Ich pojemność energetyczna jest podobna, ale ich przydatność do zastosowania w pojazdach AGV o dużej mocy może się znacznie różnić.

Jeśli pojazd wymaga stałego prądu o natężeniu 80 A w określonym trybie pracy, pierwszy akumulator nie spełniłby tego wymagania, mimo że jego pojemność i napięcie wydają się prawidłowe. Drugi akumulator może być odpowiedni, o ile jego ograniczenia rozładowania, właściwości termiczne, zdolność do dostarczania prądu szczytowego oraz interfejsy systemowe również spełniają wymagania danego zastosowania.

Właśnie dlatego specyfikacje akumulatorów powinny wyraźnie określać prąd ciągły, prąd szczytowy, czas trwania szczytu oraz dopuszczalne warunki pracy, zamiast opierać się wyłącznie na wartościach pojemności wyrażonych w Ah.

5. Należy dokonywać obliczeń w oparciu o rzeczywisty cykl pracy, a nie tylko o moc znamionową silnika podaną na tabliczce znamionowej

Dane dotyczące mocy znamionowej silnika stanowią przydatny punkt wyjścia, ale niekoniecznie odzwierciedlają średnie zużycie energii przez pojazd AGV.

Pojazd może spędzać znaczną część czasu na poruszaniu się ze stałą prędkością, oczekiwaniu przy stanowisku roboczym, skręcaniu, przyspieszaniu, podnoszeniu ładunków lub komunikowaniu się z systemami zarządzania magazynem. Każda z tych czynności w różnym stopniu wpływa na całkowite zapotrzebowanie na energię.

Bardziej dokładna ocena polega na podziale cyklu pracy na reprezentatywne czynności oraz oszacowaniu energii zużywanej podczas każdej z nich.

Na przykład:

W tym uproszczonym przykładzie całkowite zapotrzebowanie na energię w trakcie zmiany wynosi 5,3 kWh. Jest to bardziej miarodajne niż pomnożenie maksymalnej mocy znamionowej silnika przez osiem godzin — co mogłoby znacznie zawyżyć zużycie — lub zastosowanie niskiego szacunku mocy podczas jazdy z prędkością podróżną, który nie uwzględnia operacji wymagających dużego obciążenia.

W miarę możliwości należy zebrać dane dotyczące prądu i napięcia z pojazdu AGV pracującego przy reprezentatywnych obciążeniach, trasach, warunkach podłogi i harmonogramach produkcji. Należy uwzględnić urządzenia podnoszące, elektronikę pokładową oraz inne obciążenia pomocnicze.

Zmierzony cykl pracy stanowi solidniejszą podstawę do doboru pojemności akumulatora i zmniejsza ryzyko zakupu akumulatora, który okaże się niewystarczający lub niepotrzebnie duży.

6. Sprawdź spadek napięcia oraz całą ścieżkę zasilania

Nawet jeśli akumulator spełnia wymagania dotyczące napięcia i prądu znamionowego, w pojeździe mogą wystąpić nieoczekiwane przerwy w zasilaniu.

Podczas pracy przy wysokim natężeniu prądu występują spadki napięcia na ogniwach, kablach, złączach, bezpiecznikach, stycznikach i innych elementach. Do spadków napięcia przyczynia się również wewnętrzna rezystancja akumulatora.

Jeśli napięcie na sterowniku silnika spadnie poniżej dopuszczalnego progu roboczego, pojazd AGV może zmniejszyć moc, zgłosić awarię lub nieoczekiwanie się zatrzymać.

Z tego powodu przy doborze akumulatora należy uwzględnić najniższe przewidywane napięcie robocze, a nie tylko napięcie nominalne podane w karcie technicznej.

Należy sprawdzić cały układ zasilania pod kątem:

• Wartości znamionowe prądu dla kabli i złączy.

• Spadek napięcia przy obciążeniu ciągłym i szczytowym.

• Progi nadprądowe systemu BMS i charakterystyka reakcji.

• Parametry znamionowe bezpieczników i styczników.

• Limity podnapięcia sterownika silnika.

• Wytwarzanie ciepła podczas wielokrotnej pracy przy wysokim natężeniu prądu.

Akumulator o większej pojemności nie rozwiązuje automatycznie tych problemów. System musi być zaprojektowany w taki sposób, aby ogniwa, system zarządzania akumulatorem (BMS), okablowanie, złącza i sterownik pojazdu działały w ramach zgodnych ze sobą limitów.

7. Dopasowanie akumulatora do strategii ładowania i wymagań systemu zarządzania akumulatorem (BMS)

Sposób ładowania pojazdu AGV ma wpływ na wymaganą pojemność akumulatora oraz jego długoterminową wydajność.

Pojazdy eksploatowane w systemie jednej zmiany, które ładują się w przerwach między zmianami, mogą wymagać ilości energii użytkowej wystarczającej na całą zmianę. Floty korzystające z ładowania okazjonalnego mogą funkcjonować z akumulatorami o mniejszej pojemności, o ile okna ładowania są wystarczająco częste i wystarczająco długie, by uzupełnić zużytą energię.

Ładowanie okazjonalne musi być jednak obsługiwane przez akumulator, ładowarkę, system zarządzania akumulatorem (BMS) oraz układ sterowania pojazdem. Należy uwzględnić ograniczenia prądu ładowania, ograniczenia temperaturowe, zdolność przyjmowania ładunku oraz sposób komunikacji.

System BMS powinien zapewniać odpowiednią ochronę przed przepięciami, zbyt niskim napięciem, nadmiernym prądem oraz nadmierną temperaturą. W przypadku zastosowań wymagających komunikacji z jednostką sterującą pojazdu lub systemem zarządzania flotą należy sprawdzić wymagany protokół oraz parametry danych, takie jak stan naładowania, alarmy akumulatora, temperatura oraz dopuszczalny prąd ładowania lub rozładowania.

Akumulatory LiFePO₄ są powszechnie rozważane jako rozwiązanie dla przemysłowych pojazdów AGV ze względu na ich stabilność termiczną i potencjał długiej żywotności cyklicznej. Niemniej jednak rzeczywista wydajność zależy od jakości ogniw, konstrukcji zestawu akumulatorowego, warunków eksploatacji oraz sposobu ładowania. Sama chemia akumulatora nie może zagwarantować określonej żywotności ani prędkości ładowania.

Ładowarka musi również być dostosowana do składu chemicznego akumulatora i konfiguracji zestawu akumulatorowego. Akumulatora zaprojektowanego dla określonego profilu ładowania nie należy podłączać do ładowarki o niezgodnych ustawieniach napięcia lub prądu.

8. Opracuj specyfikację w oparciu o aplikację

Przed zatwierdzeniem projektu akumulatora do pojazdu AGV należy upewnić się, że specyfikacja spełnia następujące wymagania:

• Napięcie znamionowe i dopuszczalny zakres napięcia roboczego.

• Wymagana energia użytkowa na zmianę.

• Moc znamionowa oraz założenia przyjęte przy jej obliczaniu.

• Prąd rozładowania ciągły i szczytowy, w tym czas trwania wartości szczytowej.

• Planowana żywotność i przewidywana częstotliwość cykli pracy.

• Napięcie ładowania, maksymalny prąd ładowania oraz harmonogram ładowania.

• Granice temperatury pracy i ładowania.

• Maksymalne wymiary i masa akumulatora.

• Funkcje zabezpieczające systemu BMS oraz wymagania dotyczące komunikacji.

• Zgodność złączy, kabli, elementów montażowych i obudów.

W przypadku projektów OEM szczegóły te należy ustalić przed sfinalizowaniem projektu akumulatora. W przypadku projektów związanych z wymianą przydatna jest oryginalna etykieta akumulatora, jednak przed zmianą napięcia lub pojemności należy również zapoznać się ze specyfikacjami sterownika pojazdu, wymaganiami dotyczącymi ładowarki oraz rzeczywistym cyklem pracy.

Wnioski

Wybór odpowiedniego akumulatora do pojazdu AGV stanowi zadanie inżynieryjne polegające na znalezieniu równowagi między zgromadzoną energią, dostarczaną mocą, kompatybilnością z systemem oraz okresem eksploatacji.

Napięcie musi być dostosowane do architektury elektrycznej pojazdu. Pojemność musi pokrywać rzeczywiste zużycie energii w całym wymaganym okresie eksploatacji. Prąd rozładowania musi być wystarczający zarówno dla obciążeń ciągłych, jak i krótkotrwałych szczytów. Strategia ładowania, spadek napięcia, temperatura oraz starzenie się akumulatora decydują następnie o tym, czy wybrany system będzie działał niezawodnie w codziennej eksploatacji.

RICHYE oferuje rozwiązania w zakresie akumulatorów litowych do zastosowań przemysłowych, w tym do pojazdów AGV i urządzeń do transportu materiałów. Dzięki analizie wymagań dotyczących akumulatorów w kontekście rzeczywistych warunków eksploatacji oraz weryfikacji całego interfejsu elektrycznego producenci i operatorzy flot mogą opracowywać bardziej przemyślane specyfikacje, ograniczać możliwe do uniknięcia przestoje oraz stworzyć solidniejsze podstawy dla zautomatyzowanego transportu materiałów.