Akumulator AGVPrzewodnik wyboru: wymagania dotyczące napięcia, pojemności i ładowania
W ciągu ostatnich trzech lat zaobserwowaliśmy, że w większej liczbie projektów pojazdów AGV dobór akumulatorów był błędny niż prawidłowy. Nie dlatego, że klientom brakuje wiedzy technicznej, ale dlatego, że specyfikacje dostarczane przez dostawców są w zasadzie bezużyteczne przy podejmowaniu rzeczywistych decyzji. Dwa akumulatory oba oznaczone 48V 100Ah, jeden kosztuje trzy razy więcej niż drugi. Jaka jest różnica? O tym właśnie jest ten poradnik.
Wybór napięcia
Sprzedawca AGV twierdzi, że pojazd potrzebuje napięcia 48 V, więc kupujesz akumulatory 48 V. Wydaje się proste. To nie jest.
Najpierw podstawowa fizyka.
Moc równa się napięcie razy prąd. Aby uzyskać moc 5000 W, system 48 V pobiera 104 A, system 36 V pobiera 139 A, a system 24 V pobiera 208 A. Wyższy prąd oznacza grubsze kable, szybsze zużycie stycznika i więcej ciepła w złączach. Używanie 24 V tam, gdzie można użyć 48 V, powoduje problemy w przyszłości.
Ale prawdziwe projekty nie są takie proste. W zeszłym roku wykonaliśmy projekt chłodni, pierwotnie oznaczony jako 48 V LFP. Podczas testów rezystancja wewnętrzna wzrosła w niskich temperaturach, a zabezpieczenie ładowania ciągle się włączało. Przełączono na 36 V. Mniej wydajne na papierze, ale niezawodne. W zamrażarkach niezawodność za każdym razem przewyższa wydajność.
Moje zasady doboru napięcia:
24V
Napięcie 24 V sprawdza się przy obciążeniach poniżej 500 kg, zapotrzebowaniu na moc poniżej 2 kW, przy ograniczonych budżetach. Szczerze mówiąc, rzadko zalecamy już zasilanie 24 V, chyba że klienci wyraźnie tego zażądają.
48V
Napięcie 48 V obejmuje większość pojazdów AGV magazynowych. Obsługuje ładunki od 1 do 2,5 tony, dojrzała infrastruktura ładowania, najszerszy wybór dostawców. Domyślny wybór, jeśli nie dzieje się nic specjalnego.
72V+
72 V i 80 V do ciężkich wózków widłowych, sprzętu portowego, wozów zewnętrznych. Samsung SDI zbudował system 94 V dla 10-tonowych elektrycznych wózków widłowych, który rzekomo dorównuje wydajnością diesla (to informacja z ich strony internetowej, sam tego nie testowałem, ale osiągnięcia Samsunga w tej przestrzeni są solidne).
Pojemność: każdy zna wzór, nikt nie wie, skąd wziąć dane wejściowe
Formuła
Pojemność (Ah)=Moc (W) × Czas pracy (godziny) ÷ Napięcie (V) ÷ Wydajność
Wydajność: 0,95 dla litu, 0,85 dla kwasu ołowiowego.
Problemem jest liczba „mocy”. Dostawcy pojazdów AGV oferują „typowe warunki”, co oznacza płaskie podłogi, standardowe obciążenia, brak częstych uruchomień i zatrzymań. Prawdziwe magazyny mają rampy, przeciążenia, godziny szczytu przy ciągłej pracy. Rzeczywisty pobór mocy może być o 50% wyższy niż podano w arkuszu specyfikacji.
Co robimy: poproś sprzedawcę AGV o trzy liczby. Nieobciążona moc przelotowa, obciążona moc pod górę, moc szczytowa. Następnie oszacuj średnią ważoną na podstawie rzeczywistych tras klienta. Jeśli sprzedawca może podać tylko jedną niejasną liczbę „średniej mocy”, przed obliczeniem mnożę przez 1,3.
Dla porównania firma JD Logistics opublikowała dane dotyczące swoich inteligentnych magazynów nr 1 w Azji. Ich pojazdy AGV Dilang przewożą 500 kg, działają od 6 do 9 godzin na importowanych ogniwach i obsługują szybkie ładowanie 50 A, które trwa 30 minut (źródło: dokumentacja techniczna JD Logistics). Przy napięciu 48 V ładowanie 50 A oznacza pojemność akumulatora mieszczącą się w przedziale od 40 Ah do 60 Ah. To rozsądne jak na nośnik o masie 500 kg. Jeśli Twój pojazd przewozi więcej lub pokonuje dłuższe trasy, odpowiednio zwiększ pojemność.
Chemia: LFP, NMC, LTO mają swoje miejsce
Na rynku pojazdów AGV dominują trzy chemikalia litu. Oto moje zdanie:
LFP (fosforan litowo-żelazowy)
Właściwy wybór dla 90% projektów. Długi cykl życia, dobry profil bezpieczeństwa, koszty znacznie spadły. CATL i BYD produkują niezawodne ogniwa LFP z dojrzałymi łańcuchami dostaw. Jeśli nie masz konkretnego powodu, aby wybrać coś innego, domyślnie wybierz LFP.
NMC (nikiel, mangan, kobalt)
Większa gęstość energii niż LFP, ale krótszy cykl życia i wyższe ryzyko niekontrolowanej temperatury. Rozważ NMC tylko wtedy, gdy komora baterii AGV jest zbyt mała, aby zmieścić potrzebną pojemność LFP. Osobiście nie lubię NMC w środowiskach magazynowych. Jeśli nastąpi ucieczka termiczna, tracisz cały zapas magazynowy, a nie tylko pojazd AGV.
LTO (tytanian litu)
Specjalny przypadek. Gęstość energii to połowa LFP (naprawdę niska), ale prędkość ładowania jest ekstremalna (5C nie stanowi problemu, pełne ładowanie w 12 minut), żywotność cyklu jest ekstremalna (15000+ cykli), wydajność w niskich temperaturach jest ekstremalna (działa przy minus 30 stopniach). Cena jest również ekstremalna. Dwa scenariusze, w których LTO ma sens: ciągła praca 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu z oknami ładowania trwającymi tylko 10–15 minut lub środowiska łańcucha chłodniczego z temperaturami znacznie poniżej zera. Jeśli Twój projekt pasuje do któregokolwiek scenariusza, wyższa cena LTO jest uzasadniona.
| Typ | Gęstość energii | Cykle | Okular |
|---|---|---|---|
| LFP | 90 do 160 Wh/kg | 2000 do 5000 | Dobrze radzi sobie z ładowaniem 1C, działa do minus 20 stopni, umiarkowany koszt. |
| NMC | 150 do 220 Wh/kg | 1000 do 2000 | Uważaj na ładowanie powyżej 1C, średnią wydajność na zimno, wyższy koszt. |
| LTO | 50 do 80 Wh/kg | 15 000 do 20 000 | Obsługuje ładowanie 5C, działa przy minus 30 stopniach, znacznie wyższy koszt. |
Ten sam skład chemiczny LFP, inna wydajność: jak wybrać
Ludzie często o to pytają. Większość dostawców nie wyjaśnia tego dobrze, ponieważ chcą, abyś kupił większy (wyższa marża).
Czy większe zawsze jest lepsze? NIE.
Problemy z dużą pojemnością
Po pierwsze, waga.Pakiet 100Ah LFP waży około 45kg, 200Ah waży 85kg. Te dodatkowe 40 kg albo zmniejsza ładowność, albo zwiększa zużycie energii na podróż.
Po drugie, czas ładowania.W temperaturze 0,5°C akumulator 100Ah zajmuje 2 godziny, a akumulator 200Ah – 4 godziny.
Trzeci,jeśli na każdą zmianę zużywane jest tylko 30% pojemności baterii, 70% tych ogniw jest każdego dnia w wysokim stanie naładowania, co przyspiesza starzenie się kalendarza.
Problemy z małą pojemnością
Problemy z małą wydajnością są oczywiste: krótki czas pracy, ryzyko zgaśnięcia pojazdów w połowie-zmiany w przypadku przesunięcia harmonogramu ładowania.
Moja zasada dotycząca rozmiaru
Dowiedz się, ile energii faktycznie zużywa pojazd pomiędzy kolejnymi ładowaniami, a następnie wybierz pojemność tak, aby w każdym cyklu zużywać od 60% do 70% pakietu. Nie na tyle głęboko, aby obciążać ogniwa, i nie na tyle płytko, aby marnować pieniądze na niewykorzystaną pojemność.
Przykład: AGV może ładować co 4 godziny, średni pobór mocy 800 W. Cztery godziny przy 800 W to 3200 Wh. Przy 48 V to 67 Ah. Pakiet 100Ah oznacza 67% wykorzystania na cykl. To jest ten słodki punkt. Pakiet 150 Ah zużywałby tylko 45% na cykl, marnując kapitał na ogniwa, które nie zarabiają na życie.
DOD i Cycle Life: ta wiedza pozwoli Ci zaoszczędzić pieniądze
DOD oznacza głębokość rozładowania. Jego wpływ na żywotność baterii jest większy, niż większość ludzi zdaje sobie sprawę.
Battery University (batteryuniversity.com) opublikował dane z testów, które przytoczę bezpośrednio:
Ogniwa LFP poddane cyklom przy 100% DOD osiągają 80% pojemności po około 600 cyklach. Te same ogniwa poddane cyklom przy 40% DOD wytrzymują ponad 3000 cykli. Ta sama bateria, płytkie cykle zapewniają kilka razy większą całkowitą przepustowość energii w całym okresie użytkowania niż głębokie cykle.
Co to oznacza praktycznie? Lepiej kupić nieco większą pojemność i wykorzystać tylko połowę z niej, niż kupować dokładnie tyle, ile potrzeba i spuszczać ją co cykl. Drugie podejście z góry wygląda na tańsze, ale będziesz częściej wymieniać baterie.
Nasza standardowa konfiguracja obecnie: podłoga SOC na poziomie 20% do 25%, sufit na poziomie 80% do 85%, pojazdy poruszają się w tym oknie. W połączeniu z ładowaniem okazjonalnym żywotność baterii wydłuża się od dwóch do trzech razy w porównaniu z cyklem pełnego ładowania/rozładowania.
Jedno powszechne błędne przekonanie
Wiele osób uważa, że baterie litowe wymagają okresowego pełnego rozładowania w celu „kalibracji”. To myślenie niklowo-kadmowe, całkowicie błędne w przypadku litu. Głębokie wyładowanie uszkadza strukturę elektrody. Nowoczesny BMS wykorzystuje zliczanie kulombów do szacowania SOC, nie potrzebuje pustych cykli do kalibracji.
Strategia ładowania: ładowanie okazjonalne lub wymiana baterii
Obydwa podejścia mają swoje miejsce. Żadne z nich nie jest z natury „bardziej zaawansowane”.
Możliwość ładowania
Działa, gdy wykorzystanie AGV pozostaje poniżej 75%. Opłaty za pojazdy podczas oczekiwania na zadania, ustawiania w kolejce, załadunku/rozładunku. Każda sesja trwa od 15 do 30 minut. Zapewnia wystarczającą ilość czasu pracy w ciągu dnia. Nie jest wymagana żadna interwencja człowieka. W przypadku LFP obsługującego ładowanie 1 C, 15 minut zwiększa pojemność o około 25%, co wystarcza na kolejną godzinę lub dwie pracy.
Wymiana baterii
Działa, gdy wykorzystanie przekracza 95% i pojazdy nie mogą się zatrzymać. Pojazd trafia do stacji wymiany, akumulator wymieniony w ciągu 2 do 5 minut, natychmiast wraca do pracy. Kompromis: każdy pojazd potrzebuje 2–3 akumulatorów, dedykowanego sprzętu do wymiany i operatorów do przeprowadzania wymiany.
Na uwagę zasługuje przypadek DHL. Ich globalne centra dystrybucyjne korzystają z robotów współpracujących Locus Robotics z możliwością ładowania okazyjnego. Wydajność kompletacji wzrosła o 50% do 70%, liczba obrażeń w miejscu pracy spadła o 15% (źródło: strona internetowa DHL i raport Logistics Viewpoints). Wzrost wydajności wynika nie tylko z samych robotów. Ładowanie okazjonalne umożliwia całodobową pracę bezzałogową. Oszczędności w kosztach pracy są znaczne.
Pułapki zimnego środowiska
Jeśli w Twoim magazynie znajdują się strefy chłodnicze lub mroźnicze, wybór akumulatorów wymaga szczególnej uwagi.
Baterie litowe mają dwa problemy, gdy są zimne. Po pierwsze, spada wydajność: przy minus 10 stopniach LFP zachowuje może 85% wydajności; przy minus 20 stopniach może 70%. Po drugie, ograniczenia ładowania: ładowanie litu poniżej temperatury zamarzania powoduje osadzanie się litu na anodzie. To trwałe uszkodzenie plus zagrożenie bezpieczeństwa. Większość BMS odmawia prądu ładowania, gdy temperatura ogniwa spadnie poniżej 0 stopni.
Praktyczne rozwiązania: albo ustaw strefy ładowania poza zimnym obszarem (pojazdy wyjeżdżają w celu ładowania, a po zakończeniu wracają), albo zastosuj systemy akumulatorów z podgrzewaniem wstępnym (ogrzewanie ogniw powyżej temperatury zamarzania przed przyjęciem prądu ładowania).
Jeśli Twoje pojazdy AGV pracują przez dłuższy czas w temperaturach poniżej minus 25 stopni, standardowy LFP prawdopodobnie nie wystarczy. Weź pod uwagę akumulatory LTO lub specjalistyczne akumulatory z łańcuchem chłodniczym. Ogniwa LMFP firmy SVOLT działają w temperaturze minus 30 stopni. Zbudowali przyzwoitą pozycję w logistyce łańcucha chłodniczego. Warto zbadać możliwości zastosowań w zamrażarkach.
Uruchamianie liczb
Betonowe figury. Jeden pojazd AGV 48 V, praca na-dwóch zmianach (16 godzin dziennie), okres pięciu-lat.
Metoda kwasu ołowiowego
Baterie (2 do rotacji): 4000 USD
Ładowarka: 1500 dolarów
Roczna energia elektryczna (5 lat): 9000 USD
Roczne utrzymanie (5 lat): 3000 USD
Wymiana (rok 3): 4000 USD
Straty w wyniku przestoju (5 lat): 12 000 USD
Pięć-lat: łącznie 33 500 USD
Podejście LFP
Bateria (tylko jedna): 12 000 dolarów
Szybka ładowarka: 3500 dolarów
Roczna energia elektryczna (5 lat): 5750 USD
Konserwacja: 0 USD
Wymiana: 0 USD
Straty w wyniku przestoju (5 lat): 2000 USD
Pięć-lat: łącznie 23 250 USD
Oszczędności: 10 250 USD, około 31%
Nie uwzględnia to nawet kosztów utylizacji kwasu ołowiowego ani wartości rezydualnej litu po pięciu latach.
Kiedy lit nie ma sensu? Praca jednozmianowa (poniżej 8 godzin dziennie), niskie wykorzystanie. Pokonanie niższych kosztów początkowych kwasu ołowiowego zajmuje od 7 do 8 lat. Jeśli horyzont projektu wynosi tylko 3 do 5 lat i naprawdę pracujesz tylko na jedną zmianę, kwas ołowiowy może być lepszy.
BMS: więcej niż obwody zabezpieczające
Wiele osób traktuje BMS jedynie jako obwody zabezpieczające. Odłącz akumulator w przypadku przeładowania, nadmiernego-rozładowania,-przetężenia lub nadmiernej-temperatury. Zadanie wykonane. Nowoczesny BMS potrafi znacznie więcej.
Szacowanie SOC
Dobry BMS osiąga dokładność w zakresie od plus minus 1% do 3% (dokumentacja techniczna firmy Infineon podaje plus minus 1% dla swoich rozwiązań). Dlaczego dokładność ma znaczenie? Twój system dyspozytorski może przydzielać zadania na podstawie rzeczywistego pozostałego poziomu naładowania każdego pojazdu. Pojazdy o wysokim-ładowaniu wykonują zadania-na długich dystansach, pojazdy o niskim{{7}ładowaniu wykonują krótkie przejazdy lub ładują się. Jeżeli błąd oszacowania SOC wynosi 10%, optymalizacja staje się niemożliwa.
Monitorowanie SOH
Śledzenie stanu zdrowia. Dobry BMS śledzi krzywe degradacji pojemności każdego akumulatora i ostrzega z wielomiesięcznym wyprzedzeniem w przypadku awarii pakietu. Lepsze to niż czekanie na martwy pojazd i radzenie sobie z awaryjnymi przestojami.
Zarządzanie temperaturą
Monitorowanie w czasie rzeczywistym-w wielu punktach pakietu. Wcześnie wykrywa gorące strefy i zmniejsza moc, zanim problemy nasilają się.
Interfejs komunikacyjny
Magistrala CAN lub RS485 łącząca się z systemem zarządzania magazynem. Umożliwia systemowi WMS sprawdzanie stanu akumulatora każdego pojazdu.
Nie oszczędzaj na BMS. Widzieliśmy, jak klienci zaoszczędzili kilkaset dolarów na budżetowych jednostkach BMS, a następnie odkryli błędy w szacunkach SOC tak duże, że system wysyłkowy w ogóle nie mógł wykorzystać danych. Równie dobrze mógłby nie mieć tej funkcji.
Certyfikaty: nie tylko papierkowa robota
Najważniejsze są dwa certyfikaty: UN38.3 i IEC 62619.
UN38.3
Obejmuje bezpieczeństwo transportu. Testuje symulację wysokości, zmiany temperatury, wibracje, wstrząsy, zwarcia, przeładowanie, wymuszone rozładowanie. Wymagane w przypadku każdej baterii litowej przekraczającej granice. Nie UN38.3, firmy logistyczne tego nie dotkną.
IEC 62619
Obejmuje bezpieczeństwo użytkowania przemysłowych baterii litowych. Elementy testowe pokrywają się z UN38.3, ale skupiają się bardziej na scenariuszach operacyjnych: penetracja gwoździ, test upadku, weryfikacja działania BMS. IEC 62619 stanowi podstawę techniczną oznakowania CE w Europie, certyfikacji AS/NZS w Australii i zatwierdzenia PSE w Japonii.
Ważna uwaga: certyfikaty dotyczą konkretnych modeli produktów, a nie producentów. Niektórzy producenci certyfikują jeden model, a następnie umieszczają ten certyfikat na wszystkim, co sprzedają. Kupując, sprawdź, czy numer modelu certyfikatu odpowiada dokładnie produktowi, który kupujesz. Niedopasowane certyfikaty są bezwartościowe.
Uwagi dostawcy
Kilka z którymi mieliśmy do czynienia:
Wśród chińskich dostawców BYD ma największy udział w rynku akumulatorów litowych do elektrycznych wózków widłowych, podobno około 60% w Chinach. Baterie ostrzy objęte są 10-letnią gwarancją. CATL i Hangcha utworzyły spółkę joint venture o nazwie Pengcheng New Energy specjalnie zajmującą się produkcją akumulatorów do wózków widłowych i pojazdów AGV. Jeśli już korzystasz z pojazdów Hangcha, ten kanał może działać płynniej.
Wśród zachodnich dostawców seria EnerSys NexSys jest solidna. Ich bezprzewodowy system ładowania NexSys AIR obsługuje kwas ołowiowy, TPPL i lit w tej samej infrastrukturze. Przydatne, jeśli Twoja flota przechodzi z kwasu ołowiowego na lit i chcesz chronić inwestycję w sprzęt do ładowania.
Pytania, które należy zadać podczas oceny dostawców:
Który producent ogniw, jaki gatunek (klasa A- czy klasa B-)? Czy mogą dostarczyć dane z testów cyklu życia opakowań, a nie tylko samych ogniw? Czy gwarancja obejmuje spadek wydajności czy tylko całkowitą awarię? Jak radzą sobie z roszczeniami gwarancyjnymi (wysyłka baterii za granicę jest droga i powolna)?
Ostatnie przemyślenia
Wybór baterii nie jest decyzją o zakupie jednorazową-. To, co wybierzesz dzisiaj, determinuje koszty operacyjne i złożoność konserwacji na następne 5 do 10 lat. Nie patrz tylko na początkową cenę zakupu. Przed podjęciem decyzji oblicz pięcioletni-całkowity koszt posiadania.
Jeśli pracujesz nad konkretnym projektem i chcesz zweryfikować specyfikację akumulatora, prześlij parametry operacyjne, zakres budżetu, specjalne wymagania (chłodnia, zabezpieczenie-wybuchowe, nietypowe wymiary). Na niektóre z tych min wkroczyliśmy już wcześniej i możemy pomóc Ci ich uniknąć.
