Xác định dung lượng pin AGV một cách đơn giản: Cách điều chỉnh điện áp, dung lượng và dòng xả sao cho phù hợp với nhu cầu thực tế

Hướng dẫn kỹ thuật thực tiễn nhằm phòng ngừa tình trạng thiếu điện, giảm thời gian ngừng hoạt động và chế tạo các phương tiện tự hành (AGV) đáng tin cậy hơn

Việc lựa chọn ắc-quy cho xe tự hành (AGV) không chỉ đơn thuần là chọn mức điện áp định mức hay dung lượng amp-giờ lớn. Một loại ắc-quy có thể cung cấp đủ năng lượng cho vài giờ hoạt động nhưng lại không đáp ứng được dòng điện cần thiết trong quá trình tăng tốc. Một loại khác có thể đáp ứng được yêu cầu về thời gian hoạt động ban đầu của xe nhưng lại khó có thể hoàn thành trọn vẹn một ca làm việc do dung lượng của nó giảm dần theo thời gian.

Những vấn đề này thường bắt nguồn từ giai đoạn thiết kế, khi điện áp, dung lượng, dòng xả và các điều kiện vận hành được đánh giá riêng rẽ thay vì được xem xét như các thành phần của một hệ thống điện duy nhất.

Đối với các nhà sản xuất xe tự hành (AGV), các nhà tích hợp hệ thống và các đơn vị vận hành đội xe, mục tiêu là lựa chọn loại ắc-quy có khả năng cung cấp đủ năng lượng, đáp ứng được các tải điện đòi hỏi cao và duy trì độ tin cậy trong suốt thời gian sử dụng dự kiến. RICHYE giải thích các phép tính cơ bản và những yếu tố thực tiễn cần xem xét để xây dựng một hệ thống ắc-quy AGV phù hợp.

1. Bắt đầu với kiến trúc điện của xe tự hành (AGV)

Việc lựa chọn ắc-quy nên bắt đầu từ các yêu cầu về hệ thống điện của xe, chứ không phải từ dung lượng ắc-quy mong muốn.

Bộ điều khiển động cơ, động cơ truyền động, cơ cấu nâng, máy tính trên xe, cảm biến, mô-đun truyền thông và các thiết bị phụ trợ khác đều ảnh hưởng đến thông số kỹ thuật của ắc-quy. Trước khi so sánh các tùy chọn ắc-quy, cần xác định điện áp danh định của hệ thống xe, dải điện áp cho phép, mức tiêu thụ điện năng trung bình, dòng điện tối đa cần thiết và không gian lắp đặt có sẵn.

Phổ biến Pin AGV Các mức điện áp bao gồm 24V, 36V, 48V và 72V, mặc dù cấu hình phù hợp phụ thuộc vào thiết kế và ứng dụng của xe.

Hệ thống 24V có thể phù hợp với xe tự hành (AGV) cỡ nhỏ có nhu cầu công suất tương đối khiêm tốn. Hệ thống 48V có thể thích hợp cho xe vận chuyển hàng hóa cỡ lớn hơn, trong khi các kiến trúc điện áp cao hơn có thể hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi khả năng truyền tải công suất lớn hơn. Đây chỉ là những ví dụ chung, không phải là quy tắc áp dụng cho mọi trường hợp: bộ điều khiển động cơ và các linh kiện kết nối khác sẽ quyết định dải điện áp nào là phù hợp.

Nguyên tắc quan trọng nhất là phải đảm bảo điện áp của ắc-quy phù hợp với toàn bộ hệ thống điện. Việc tăng điện áp chỉ vì nó có vẻ mạnh mẽ hơn không phải là một chiến lược nâng cấp an toàn hay đáng tin cậy. Bất kỳ thay đổi nào cũng phải tính đến các giới hạn của bộ điều khiển, thông số kỹ thuật của các linh kiện, yêu cầu sạc, các thiết bị bảo vệ và các giao diện truyền thông.

2. Tính dung lượng pin dựa trên mức tiêu thụ năng lượng thực tế

Dung lượng ắc-quy, được đo bằng đơn vị ampe-giờ (Ah), cho biết lượng điện tích mà ắc-quy có thể tích trữ. Tuy nhiên, chỉ riêng giá trị Ah không thể cho biết lượng năng lượng mà ắc-quy có thể cung cấp trong suốt một ca làm việc.

Để có một so sánh mang tính thực tiễn hơn, hãy tính toán năng lượng bằng đơn vị watt-giờ (Wh) hoặc kilowatt-giờ (kWh).

Công thức cơ bản là:

Tiêu thụ năng lượng (Wh) = Công suất tiêu thụ trung bình (W) × Thời gian hoạt động (h)

Ví dụ, hãy xem xét một chiếc xe tự hành (AGV) có mức tiêu thụ điện năng trung bình là 600W trong một ca làm việc kéo dài tám giờ.

600 W × 8 giờ = 4.800 Wh, hay 4,8 kWh.

Đây là mức nhu cầu năng lượng ước tính trước khi tính đến các giới hạn hoạt động của pin, sự lão hóa, ảnh hưởng của nhiệt độ và dự trữ thiết kế.

Để chuyển đổi nhu cầu năng lượng thành dung lượng pin xấp xỉ, hãy sử dụng công thức sau:

Dung lượng ắc-quy (Ah) = Năng lượng cần thiết (Wh) ÷ Điện áp danh định của ắc-quy (V)

Đối với ắc-quy 48V, công thức tính như sau:

4.800 Wh ÷ 48 V = 100 Ah.

Tuy nhiên, một ắc-quy 48V, 100Ah có khả năng lưu trữ khoảng 4,8 kWh năng lượng danh định. Tuy nhiên, không phải lúc nào ắc-quy này cũng cung cấp được toàn bộ 4,8 kWh dưới dạng năng lượng có thể sử dụng trong mọi điều kiện vận hành.

Nếu thiết kế giả định rằng chỉ nên sử dụng 80% năng lượng danh định trong quá trình vận hành bình thường, thì theo giả định đơn giản hóa đó, một ắc-quy 100Ah sẽ cung cấp khoảng 80Ah dung lượng sử dụng được. Năng lượng sử dụng được thực tế phụ thuộc vào thành phần hóa học của ắc-quy, giới hạn xả, nhiệt độ, đặc tính tải và cấu hình hệ thống quản lý ắc-quy (BMS).

Do đó, việc tính toán phải được điều chỉnh để phản ánh khoảng hoạt động dự kiến.

Kế toán dự phòng cho hàng tồn kho và dự phòng hoạt động

Một viên pin mới không thể duy trì dung lượng ban đầu mãi mãi. Quá trình sạc-xả lặp đi lặp lại, tiếp xúc với nhiệt độ cao và thời gian trôi qua sẽ dần làm giảm lượng năng lượng có sẵn để hoạt động.

Giả sử một xe tự hành (AGV) cần 4,8 kWh năng lượng sử dụng được cho mỗi ca làm việc. Nếu thiết kế vẫn phải đáp ứng yêu cầu này khi dung lượng pin đã giảm xuống còn 80% so với dung lượng ban đầu, và hoạt động bình thường bị giới hạn ở mức 80% của dung lượng danh định có sẵn, thì yêu cầu năng lượng danh định đơn giản hóa sẽ là:

4,8 kWh ÷ (0,80 × 0,80) = 7,5 kWh.

Ở điện áp danh định 48V, con số này tương ứng với khoảng 156Ah.

Đây là một phép tính kích thước mang tính minh họa chứ không phải là một thông số kỹ thuật chung. Phạm vi hoạt động giả định 80% và dung lượng cuối vòng đời 80% phải được kiểm chứng dựa trên dữ liệu hiệu suất của pin đã chọn và các yêu cầu vận hành của ứng dụng.

Bài học rất đơn giản: cần lựa chọn dung lượng pin sao cho đáp ứng được hiệu suất hoạt động cần thiết trong suốt thời gian sử dụng dự kiến, chứ không chỉ trong vài tháng đầu sau khi lắp đặt.

3. Hiểu tại sao dòng xả lại quan trọng không kém dung lượng

Dung lượng quyết định lượng năng lượng được tích trữ. Dòng xả quyết định tốc độ giải phóng năng lượng đó.

Một xe tự hành (AGV) hiếm khi hoạt động ở mức công suất không đổi. Nhu cầu về dòng điện có thể tăng đột ngột khi xe tăng tốc, leo dốc, chở tải nặng, khởi động cơ cấu nâng hoặc thay đổi hướng liên tục.

Mối quan hệ xấp xỉ giữa công suất điện, điện áp và cường độ dòng điện là:

Dòng điện (A) = Công suất (W) ÷ Điện áp (V)

Ví dụ, một xe tự hành (AGV) 48V tiêu thụ công suất 1.200W sẽ cần dòng điện khoảng 25A trong điều kiện điện áp danh định lý tưởng.

Nếu công suất tiêu thụ của nó tăng lên 2.400 W, cường độ dòng điện tương ứng sẽ tăng lên khoảng 50 A.

Dòng điện thực tế của pin có thể cao hơn do tổn thất chuyển đổi và sụt áp, và khi tính toán nên sử dụng điện áp hoạt động tương ứng thay vì giả định rằng điện áp danh định không thay đổi.

Một ắc-quy có dung lượng định mức 100Ah không tự động đáp ứng được mọi mức dòng xả mà xe có thể yêu cầu. Dòng điện liên tục và dòng điện đỉnh cho phép của ắc-quy phụ thuộc vào khả năng của các tế bào, điều kiện nhiệt độ, hệ thống kết nối và các giới hạn của hệ thống quản lý ắc-quy (BMS).

Khi chỉ định một Pin AGV, phân biệt ba yêu cầu sau:

Dòng xả liên tục: Dòng điện mà pin phải duy trì trong quá trình hoạt động bình thường mà không được vượt quá các giới hạn về điện hoặc nhiệt của pin.
Dòng xả cực đại: Dòng điện cần thiết cao hơn trong quá trình tăng tốc, nâng tải hoặc các tình huống đòi hỏi công suất cao khác, cùng với thời gian diễn ra và tần suất của các tình huống đó.
Tải trọng thoáng qua lặp lại: Các đợt xung ngắn xảy ra với tần suất đủ cao để ảnh hưởng đến nhiệt độ pin, độ ổn định điện áp và hiệu suất lâu dài.

Một pin có thể chịu được một đỉnh dòng điện ngắn hạn có thể không phù hợp với các đỉnh dòng điện lặp đi lặp lại trong suốt một ca làm việc vất vả. Cả cường độ dòng điện lẫn thời gian duy trì đỉnh dòng điện đều phải được đánh giá.

4. Sử dụng chỉ số C-Rate để so sánh khả năng xả của pin

Hệ số C thể hiện dòng điện sạc hoặc xả so với dung lượng định mức của pin.

Đối với một ắc-quy 100Ah, tốc độ xả 1C tương ứng với 100A. Tốc độ xả 0,5C tương ứng với 50A, trong khi tốc độ xả 2C tương ứng với 200A.

Điều này khiến chỉ số C-rate trở nên hữu ích khi so sánh các loại pin có dung lượng khác nhau, nhưng tuyệt đối không nên dùng nó để thay thế cho việc kiểm tra các thông số dòng điện thực tế do nhà sản xuất cung cấp.

Hãy xem xét hai loại ắc-quy 48V, mỗi loại có dung lượng định mức là 100Ah. Cả hai đều có năng lượng danh định khoảng 4,8kWh. Tuy nhiên, một loại có thể hỗ trợ dòng xả liên tục 50A, trong khi loại kia có thể được thiết kế để xả liên tục ở mức 100A.

Năng lượng tích trữ của chúng tương đương nhau, nhưng mức độ phù hợp để sử dụng trong các xe tự hành (AGV) công suất cao có thể khác biệt đáng kể.

Nếu một phương tiện cần dòng điện liên tục 80A trong một chế độ vận hành cụ thể, thì ắc-quy đầu tiên sẽ không đáp ứng được yêu cầu đó, mặc dù dung lượng và điện áp của nó có vẻ đúng. Ắc-quy thứ hai có thể phù hợp nếu các giới hạn xả, hiệu suất nhiệt, khả năng chịu dòng điện đỉnh và các giao diện hệ thống của nó cũng đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng.

Đó là lý do tại sao các thông số kỹ thuật của pin cần nêu rõ dòng điện liên tục, dòng điện đỉnh, thời gian duy trì dòng điện đỉnh và các điều kiện hoạt động cho phép, thay vì chỉ dựa vào định mức Ah.

5. Tính toán dựa trên chu kỳ làm việc thực tế, chứ không chỉ dựa trên công suất ghi trên nhãn máy

Công suất định mức của động cơ là những điểm khởi đầu hữu ích, nhưng chúng không nhất thiết phản ánh mức tiêu thụ năng lượng trung bình của AGV.

Một phương tiện có thể dành một khoảng thời gian đáng kể để di chuyển với tốc độ ổn định, chờ đợi tại trạm làm việc, rẽ, tăng tốc, nâng hàng hóa hoặc giao tiếp với hệ thống quản lý kho. Mỗi hoạt động đều đóng góp theo những cách khác nhau vào tổng nhu cầu năng lượng.

Một phương pháp đánh giá chính xác hơn là chia chu trình vận hành thành các hoạt động tiêu biểu và ước tính lượng năng lượng tiêu thụ trong từng hoạt động đó.

Ví dụ:

Hoạt động kinh doanh	Công suất trung bình	Thời lượng	Lượng năng lượng tiêu thụ
Du lịch và vận chuyển hàng hóa	700 W	5 giờ	3,5 kWh
Tăng tốc và vào cua	1.200 W	1 giờ	1,2 kWh
Các hoạt động nâng hạ và phụ trợ	500W	1 giờ	0,5 kWh
Thời gian chờ và thời gian không hoạt động	100W	1 giờ	0,1 kWh
Tổng cộng	—	8 giờ	5,3 kWh

Ví dụ đơn giản hóa này cho thấy tổng nhu cầu năng lượng cho ca làm việc là 5,3 kWh. Cách tính này mang lại thông tin hữu ích hơn so với việc nhân công suất định mức tối đa của động cơ với tám giờ — cách làm này có thể dẫn đến việc ước tính mức tiêu thụ năng lượng cao hơn thực tế đáng kể — hoặc sử dụng mức ước tính công suất vận hành ổn định thấp mà bỏ qua các hoạt động đòi hỏi công suất cao.

Khi có thể, hãy thu thập dữ liệu về dòng điện và điện áp từ một xe tự hành (AGV) đang hoạt động trong điều kiện tải trọng, lộ trình, điều kiện sàn và lịch trình sản xuất điển hình. Bao gồm cả thiết bị nâng, hệ thống điện tử trên xe và các tải trọng phụ trợ khác.

Chu kỳ làm việc được đo lường cung cấp cơ sở vững chắc hơn để xác định dung lượng pin và giúp giảm thiểu rủi ro mua phải pin có dung lượng không đủ hoặc quá lớn so với nhu cầu.

6. Kiểm tra sụt áp và toàn bộ đường dẫn truyền tải điện

Ngay cả khi ắc-quy đáp ứng các thông số kỹ thuật về điện áp và dòng điện danh định, xe vẫn có thể gặp phải tình trạng mất điện đột ngột.

Trong quá trình vận hành ở dòng điện cao, hiện tượng sụt áp xảy ra trên các tế bào pin, dây cáp, đầu nối, cầu chì, công tắc tơ và các linh kiện khác. Điện trở bên trong pin cũng góp phần gây ra hiện tượng sụt áp.

Nếu điện áp tại bộ điều khiển động cơ giảm xuống dưới ngưỡng hoạt động cho phép, xe tự hành (AGV) có thể giảm công suất, kích hoạt cảnh báo lỗi hoặc dừng đột ngột.

Vì lý do này, khi lựa chọn pin, cần phải xem xét mức điện áp hoạt động dự kiến thấp nhất, chứ không chỉ dựa vào điện áp danh định được in trên bảng thông số kỹ thuật.

Cần kiểm tra toàn bộ hệ thống cấp điện để đảm bảo:

Dòng điện định mức của cáp và đầu nối.
Sụt áp dưới tải liên tục và tải đỉnh.
Các ngưỡng quá dòng và hành vi phản ứng của hệ thống quản lý pin (BMS).
Thông số kỹ thuật của cầu chì và công tắc tơ.
Giới hạn điện áp thấp của bộ điều khiển động cơ.
Sự sinh nhiệt trong quá trình vận hành liên tục ở cường độ dòng điện cao.

Một pin có dung lượng cao hơn không tự động giải quyết được những vấn đề này. Hệ thống phải được thiết kế sao cho các tế bào pin, hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống dây điện, đầu nối và bộ điều khiển xe hoạt động trong phạm vi tương thích.

7. Lựa chọn pin phù hợp với chiến lược sạc và các yêu cầu của hệ thống quản lý pin (BMS)

Cách sạc xe tự hành (AGV) ảnh hưởng đến dung lượng pin cần thiết và hiệu suất lâu dài của xe.

Các phương tiện hoạt động trong một ca làm việc và sạc lại giữa các ca có thể cần lượng năng lượng sử dụng được đủ cho toàn bộ ca làm việc đó. Các đội xe áp dụng phương thức sạc tận dụng thời gian rảnh có thể vận hành với pin có dung lượng nhỏ hơn nếu các khoảng thời gian sạc đủ thường xuyên và đủ dài để bù đắp lượng năng lượng đã tiêu thụ.

Tuy nhiên, chế độ sạc linh hoạt phải được hỗ trợ bởi pin, bộ sạc, hệ thống quản lý pin (BMS) và hệ thống điều khiển xe. Các yếu tố như giới hạn dòng sạc, giới hạn nhiệt độ, khả năng tiếp nhận dòng sạc và cơ chế giao tiếp đều phải được xem xét.

Hệ thống quản lý pin (BMS) cần đảm bảo khả năng bảo vệ thích hợp chống lại hiện tượng quá áp, thiếu áp, quá dòng và nhiệt độ quá cao. Đối với các ứng dụng yêu cầu giao tiếp với bộ điều khiển xe hoặc hệ thống quản lý đội xe, cần xác nhận giao thức và các thông số dữ liệu cần thiết, chẳng hạn như trạng thái sạc, cảnh báo pin, nhiệt độ, cũng như dòng sạc hoặc dòng xả cho phép.

Pin LiFePO₄ được xem là lựa chọn phổ biến cho các phương tiện tự hành công nghiệp (AGV) nhờ tính ổn định nhiệt và tiềm năng có tuổi thọ chu kỳ cao. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế phụ thuộc vào chất lượng tế bào pin, thiết kế bộ pin, điều kiện vận hành và quy trình sạc. Chỉ riêng thành phần hóa học của pin không thể đảm bảo một tuổi thọ sử dụng cụ thể hay tốc độ sạc nhất định.

Bộ sạc cũng phải tương thích với thành phần hóa học của pin và cấu hình cụm pin. Một viên pin được thiết kế cho một chế độ sạc cụ thể không nên được kết nối với bộ sạc có cài đặt điện áp hoặc dòng điện không tương thích.

8. Xây dựng thông số kỹ thuật dựa trên ứng dụng

Trước khi phê duyệt thiết kế pin cho xe tự hành (AGV), hãy xác nhận rằng thông số kỹ thuật đáp ứng các yêu cầu sau:

Điện áp danh định và dải điện áp hoạt động cho phép.
Năng lượng sử dụng cần thiết cho mỗi ca làm việc.
Công suất định mức và các giả định được sử dụng để tính toán công suất này.
Dòng xả liên tục và dòng xả đỉnh, bao gồm cả thời gian duy trì dòng đỉnh.
Tuổi thọ thiết kế và tần suất chu kỳ dự kiến.
Điện áp sạc, dòng điện sạc tối đa và lịch trình sạc.
Giới hạn nhiệt độ hoạt động và sạc.
Kích thước và trọng lượng tối đa của pin.
Các chức năng bảo vệ của hệ thống quản lý pin (BMS) và các yêu cầu về giao tiếp.
Khả năng tương thích của đầu nối, cáp, giá đỡ và vỏ bảo vệ.

Đối với các dự án OEM, các chi tiết này cần được xác định trước khi hoàn thiện thiết kế pin. Đối với các dự án thay thế, nhãn pin gốc rất hữu ích, nhưng cũng cần xem xét kỹ các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển xe, yêu cầu về bộ sạc và chu kỳ làm việc thực tế trước khi thay đổi điện áp hoặc dung lượng.

Phần kết luận

Việc lựa chọn loại pin AGV phù hợp là một bài toán kỹ thuật nhằm cân bằng giữa năng lượng dự trữ, khả năng cung cấp công suất, tính tương thích của hệ thống và tuổi thọ hoạt động.

Điện áp phải phù hợp với kiến trúc điện của xe. Dung lượng phải đáp ứng được mức tiêu thụ năng lượng thực tế trong suốt thời gian vận hành yêu cầu. Dòng xả phải đáp ứng được cả tải liên tục lẫn các đỉnh tải ngắn hạn. Chiến lược sạc, sụt áp, nhiệt độ và quá trình lão hóa của ắc-quy sẽ quyết định liệu hệ thống được lựa chọn có duy trì được độ tin cậy trong quá trình vận hành hàng ngày hay không.

RICHYE cung cấp các giải pháp pin lithium cho các ứng dụng công nghiệp, bao gồm xe tự hành (AGV) và thiết bị xử lý vật liệu. Bằng cách đánh giá các yêu cầu về pin dựa trên điều kiện vận hành thực tế và kiểm tra toàn bộ giao diện điện, các nhà sản xuất và đơn vị vận hành đội xe có thể đưa ra các thông số kỹ thuật chính xác hơn, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động không đáng có, đồng thời xây dựng nền tảng đáng tin cậy hơn cho hệ thống xử lý vật liệu tự động.