DISPOSITIVI ANALOGICI ADI Dialogo analogico Robot mobili più intelligenti

Specifiche

• Modello: Soluzioni di gestione delle batterie ADI
• Volume: 58
• NO: 3
• Data: Settembre 2024

Sbloccare l'efficienza: Come le soluzioni di gestione delle batterie ADI potenziano robot mobili più sicuri e intelligenti
Rafael Marengo, Ingegnere delle applicazioni di sistema

Astratto
Nel panorama in rapida evoluzione dei magazzini automatizzati e degli stabilimenti di produzione, il controllo meticoloso su ogni componente del processo è fondamentale. Anche il più piccolo tempo di inattività può comportare ripercussioni significative. I robot mobili autonomi e i veicoli a guida automatica svolgono un ruolo fondamentale in questo ecosistema, richiedendo l'implementazione di sistemi di monitoraggio precisi e a prova di guasto. Un altro argomento cruciale è il monitoraggio efficiente delle batterie, che può ottimizzarne le prestazioni e prolungarne la durata complessiva, riducendo al minimo gli sprechi inutili e preservando risorse preziose. Questo articolo fornirà una breve descrizione di alcune delle metriche importanti utilizzate per migliorare l'efficienza delle batterie e guiderà su considerazioni chiave quando si selezionano sistemi di gestione delle batterie per queste applicazioni.

Introduzione

La scelta di un pacco batteria appropriato e del relativo sistema di gestione della batteria (BMS) è una decisione critica nella progettazione di un robot mobile autonomo (AMR), come mostrato nella Figura 1. In contesti strettamente integrati come fabbriche e magazzini, dove ogni secondo di funzionamento è importante, garantire il funzionamento sicuro e affidabile di tutti i componenti è della massima importanza.

Le soluzioni BMS possono fornire misurazioni accurate sulla carica e scarica delle batterie, il che massimizza la capacità utilizzabile. Inoltre, le misurazioni precise consentono un calcolo esatto dello stato di carica (SoC) e della profondità di scarica (DoD), che sono parametri essenziali per consentire flussi di lavoro più intelligenti dei robot mobili. Altrettanto importanti sono gli aspetti di sicurezza di tali sistemi e diventa fondamentale considerare le tecnologie BMS che forniscono sia protezione da sovraccarico che rilevamento di sovracorrente durante la selezione di sistemi per queste applicazioni.

Cosa sono i sistemi di gestione delle batterie?
Un BMS è un sistema elettronico che può essere utilizzato per monitorare attentamente vari parametri di un pacco batteria e/o delle sue singole celle. È fondamentale per raggiungere la massima capacità utilizzabile delle batterie, garantendo al contempo un funzionamento sicuro e affidabile. Un sistema efficiente può non solo ottimizzare la capacità utilizzabile della batteria in modo sicuro, ma anche fornire agli ingegneri parametri preziosi come il volume delle celletage, SoC, DoD, stato di salute (SoH), temperatura e corrente, tutti fattori che possono essere utilizzati per ottenere le migliori prestazioni da un sistema.

Cosa sono SoC, DoD e SoH e perché sono importanti per i veicoli a guida automatica (AGV) e gli AMR?
SoC, DoD e SoH sono alcuni dei parametri comuni utilizzati nei BMS per determinare se il sistema è in buone condizioni, per rilevare tempestivamente i guasti, per determinare l'invecchiamento delle celle e per il tempo di funzionamento rimanente.

• SoC sta per stato di carica e può essere definito dal livello di carica di una batteria in relazione alla sua capacità totale. SoC è solitamente espresso come percentualetage dove 0% = vuoto e 100% = pieno.

• soH oppure lo stato di salute può essere definito dalla capacità massima (Cmax) della batteria che può essere rilasciata rispetto alla sua capacità nominale (Cmax).
• DoD o profondità di scarica è la metrica opposta di SoC ed è definita dalla percentualetage della batteria che è stata scaricata (Creleased) rispetto alla sua capacità nominale (Crated).

In che modo sono rilevanti per una soluzione AMR?
Il SoC di una batteria varia a seconda dell'architettura della batteria, tuttavia è necessario disporre di un sistema preciso per misurare lo stato di una batteria. Due tipi principali di batterie comunemente utilizzate sono le batterie agli ioni di litio e quelle al piombo. Ognuna ha i suoi pro e contro, con varie sottocategorie. In generale, le batterie agli ioni di litio sono considerate una scelta migliore per i robot perché offrono:

• Maggiore densità energetica, che potrebbe essere pari a circa 8-10 volte la densità energetica di una batteria al piombo.
• Le batterie agli ioni di litio sono più leggere delle batterie al piombo della stessa capacità.
• X La ricarica di una batteria al piombo richiede più tempo rispetto alla ricarica di una batteria agli ioni di litio.
• Le batterie X Li-Ion offrono un ciclo di vita esteso, consentendo un numero significativamente maggiore di cicli di carica.

Tuttavia, questi vantaggitaghanno un costo più elevato e pongono alcune sfide che devono essere affrontate per sfruttarne appieno i vantaggi in termini di prestazioni.

Per spiegare meglio questo in un'applicazione reale, è possibile analizzare il grafico nella Figura 2, che confronta il DoD di una batteria al piombo e di una batteria agli ioni di litio. Si può osservare che il volume del paccotage varia minimamente per una batteria agli ioni di litio, passando da 0% DoD all'80% DoD. L'80% DoD è solitamente il limite inferiore per le batterie agli ioni di litio e qualsiasi valore al di sotto può essere considerato un livello pericoloso.

Tuttavia, poiché il pacchetto voltage con una batteria agli ioni di litio si sposta solo in modo minimo per l'autonomia utilizzabile, anche un piccolo errore di misurazione potrebbe portare a una riduzione sostanziale delle prestazioni.

Voltage vs. Profondità di scarica per batterie di diverse chimiche

Per illustrare questo concetto in uno scenario reale:
Immagina che il seguente AMR sia un sistema da 24 V e utilizzi un pacco batterie LiFePo27.2 da 4 V in cui ogni cella ha una capacità di 3.4 V quando è completamente carica. Vedi Figura 3.
Un pro comunefile per un SoC per tale batteria può essere visto nella Tabella 1.

Tabella 1. Esampi dati per il volume delle celle e del pacco batteria LiFePo4tage

Per le batterie LiFePo4, l'intervallo utilizzabile può variare, ma è una buona regola pratica considerare che il SoC minimo è al 10% e quello massimo al 90%.
Qualsiasi valore al di sotto del livello minimo può causare un cortocircuito interno alla batteria, mentre una carica superiore al 90% riduce la durata di queste batterie.

Prendendo in considerazione la Tabella 1, si noti che il voltagLa portata per cella è di 350 mV e per un pacco da 27.2 V con 8 celle è di 3.2 V. Tenendo presente ciò, possiamo trarre le seguenti ipotesi:
Se il volume cellulare utilizzabiletagL'intervallo per una batteria LiFePo4 è di 350 mV, quindi ogni mV di errore nella misurazione della cella riduce l'intervallo dello 1%.

Se il costo di un pacco batteria è di $ 4000, il costo dell'errore è:
$4000 × 0.28% = errore di $11.20/mV, il che significa che i pacchi batteria sarebbero sottoutilizzati per l'autonomia.

Sebbene lo 0.28% dell'intervallo possa sembrare trascurabile, se esteso a più sistemi AMR, questa percentualetage potrebbe essere moltiplicato per centinaia o addirittura migliaia, il che lo rende un fattore significativo. Questo fattore diventa ancora più rilevante se si prende in considerazione il degrado naturale della batteria.

Anche la degradazione naturale gioca un ruolo importante nella salute della batteria, poiché con il tempo il SoC massimo di una batteria si degrada (Figura 4); ecco perché una misurazione precisa delle celle è il modo migliore per mantenere le prestazioni a un livello ottimale, anche dopo la degradazione naturale.

Figura 4. Riduzione massima dell'autonomia utilizzabile dovuta al degrado naturale.
Monitorare tutti i parametri e controllare con precisione l'utilizzo della batteria è il modo migliore per estendere il ciclo di vita e trarne vantaggiotage di ogni singola unità di carica.

In che modo le soluzioni BMS di ADI possono aumentare la produttività e risolvere i problemi?

• Quali tecnologie può offrire il BMS di ADI per migliorare e raggiungere elevate prestazioni nelle applicazioni di robotica mobile?
• La precisione della gestione della batteria ne migliora significativamente l'efficienza misurando con precisione le celle, consentendo un controllo e una stima più accurati del SoC in varie composizioni chimiche delle batterie. La misurazione di ogni cella singolarmente garantisce un monitoraggio sicuro dello stato di salute della batteria. Questo monitoraggio preciso facilita la carica bilanciata, impedendo alle celle di sovraccaricarsi e scaricarsi. Inoltre, la corrente sincrona e la voltage le misurazioni aumentano la precisione dei dati acquisiti. Il rilevamento estremamente rapido delle sovracorrenti consente un rapido rilevamento dei guasti e arresti di emergenza, garantendo sicurezza e affidabilità.

L'ADBMS6948 fornisce tutte le specifiche chiave richieste per i robot mobili, ma alcune specifiche critiche con considerazioni sulla progettazione BMS per un robot mobile sono:

• Piccolo errore di misurazione totale (TME) per tutta la durata della vita (da –40°C a +125°C)
• Misurazione simultanea e continua del volume cellularetages
• Interfaccia isoSPI™ integrata
• Tollerante hot-plug senza protezione esterna
• Bilanciamento cellulare passivo
• Monitoraggio delle celle a bassa potenza (LPCM) per il monitoraggio delle celle e della temperatura in stato di chiave spenta
• Corrente di alimentazione in modalità sospensione bassa

Ridurre gli sprechi e aiutare l'ambiente

• Secondo il rapporto sulle batterie dell'Agenzia Internazionale per l'Energia del 2023, "Le batterie sono un elemento essenziale della transizione verso l'energia pulita".1 È fondamentale riconoscere l'importanza di gestire correttamente queste risorse. I materiali che costituiscono una batteria sono difficili da estrarre dall'ambiente, il che sottolinea la necessità di un loro utilizzo ottimale. Gestendo in modo efficiente i parametri di carica e scarica, possiamo estendere la durata delle batterie, consentendone l'utilizzo per periodi più lunghi senza doverle sostituire.
• Il basso fattore di rischio con protezione da sovracorrente fornito dalla funzione BMS di ADI consente un funzionamento estremamente sicuro e riduce il rischio di danneggiare sia la batteria sia il sistema collegato come carico.

Alcuni exampI fattori di degradazione delle batterie agli ioni di litio sono visibili nella Figura 5 ed è importante notare che possono portare a situazioni pericolose come la combustione e l'esplosione, che potrebbero rapidamente diventare catastrofiche.2
Tutti i parametri che influenzano la degradazione della batteria possono essere misurati, trattati e gestiti, fornendo al sistema le condizioni più ottimali per funzionare per tutta la durata richiesta. Aumentare la durata della batteria è un fattore importante nella riduzione dei rifiuti, poiché ora le batterie possono essere utilizzate più a lungo grazie alla gestione ottimizzata, riducendo efficacemente lo smaltimento non necessario delle celle della batteria.

Conclusione

In sintesi, possiamo concludere che il BMS non solo può aumentare le prestazioni complessive del sistema consentendo di controllare con precisione ogni parametro, ma può anche ridurre costi e sprechi. In un ambiente di produzione in evoluzione che sta diventando sempre più automatizzato e cerca la percentuale extratagPer migliorare le prestazioni dei propri robot mobili, diventa essenziale controllare e gestire con precisione le risorse.
Per saperne di più sulle offerte ADI per robot mobili industriali, consulta il nostro pagina soluzioni robotica.

Riferimenti

1. Batterie e transizioni energetiche sicure.” Agenzia Internazionale per l’Energia, 2023.
2. Xiaoqiang Zhang, Yue Han e Weiping Zhang. “Sonoview dei fattori che influenzano la durata della batteria agli ioni di litio.” Transazioni su materiali elettrici ed elettronici, Vol.22, luglio 2021.

Informazioni sull'autore
Con sede a Limerick, Rafael Marengo è un system applications engineer nella Connected Motion and Robotics Business Unit di Analog Devices, che supporta varie tecnologie che spaziano da BMS, motion control e altre. È entrato in ADI nel 2019 come design evaluation engineer per il gruppo Precision Converters Technology. Rafael ha conseguito una laurea triennale in ingegneria del controllo e dell'automazione presso la Federal University of Lavras in Brasile. Prima di entrare in ADI, ha lavorato come R&S manager per una startup di visione artificiale focalizzata sul mercato agritech, dove è stato responsabile dell'immissione sul mercato di molti prodotti su scala globale.

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Domande frequenti

• D: Perché le batterie agli ioni di litio sono preferite alle batterie al piombo per gli AMR?
  • R: Le batterie agli ioni di litio offrono una maggiore densità energetica, un peso inferiore, tempi di ricarica più rapidi e cicli di vita più lunghi rispetto alle batterie al piombo, il che le rende una scelta migliore per gli AMR.
• D: Qual è l'importanza di SoC, DoD e SoH nei sistemi di gestione delle batterie?
  • A: SoC indica il livello di carica della batteria, DoD rappresenta la percentualetage di batteria scarica, e SoH riflette lo stato di salute della batteria. Il monitoraggio di questi parametri è fondamentale per una gestione efficiente della batteria e per garantire prestazioni ottimali.

Documenti / Risorse

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Riferimenti

• Manuale d'uso