Batterielösungen für Roboter, AGV und AMR

Roboter, automatisierte Lenkfahrzeuge und autonome mobile Roboter sind auf zuverlässige Batterien angewiesen, um Lasten zu bewegen, Sensoren zu bedienen und die Kommunikation mit Fabrik- oder Lagersteuerungssystemen aufrechtzuerhalten.

Die Auswahl einer Batterie nur nach Spannung und Kapazität kann zu unzureichender Betriebszeit, unerwarteten Abschaltungen oder vorzeitigem Verfall führen. Ein geeigneter Roboter-Batteriepack muss außerdem Spitzenstrom, häufiges Laden, BMS-Kommunikation, mechanischen Schutz und die Betriebsbedingungen der gesamten Maschine unterstützen.

Wie sich die Leistungsanforderungen von Roboter, AGV und AMR unterscheiden

Industrieroboter können Inspektionsroboter, Serviceroboter, humanoide Plattformen, Reinigungsroboter und mobile Manipulatoren umfassen. Ihre Lasten können sich schnell ändern, wenn Motoren, Gelenke, Kameras und Computersysteme zusammenarbeiten.

AGVs folgen normalerweise vordefinierten Routen mit Magnetband, Markierungen, Drähten oder anderen Führungsmethoden. Viele werden wiederholt zwischen festen Lade- und Ladepunkten betrieben.

AMRs verwenden Sensoren, Navigationssoftware und Bordverarbeitung, um Routen dynamisch zu planen. Ihr Akku versorgt nicht nur das Antriebssystem, sondern auch LiDAR, Kameras, drahtlose Kommunikation und Computerhardware.

Jede Plattform benötigt daher eine Batterielösung, die auf ihrem tatsächlichen Arbeitszyklus basiert und nicht auf einem allgemeinen Kapazitätsziel.

Berechnung von Spannung, Kapazität und Spitzenstrom

Die Batteriespannung muss mit dem Motorcontroller, den DC-DC-Wandlern und dem Ladesystem übereinstimmen. Gängige Roboter- und AGV-Plattformen können 24V-, 36V- oder 48V-Batteriesysteme verwenden, während größere Geräte höhere Spannungen benötigen.

Die Kapazität sollte aus der durchschnittlichen Gerätebelastung, der erforderlichen Betriebszeit, den Effizienzverlusten und der Reserveenergie berechnet werden. Die Batterie sollte nicht so ausgelegt sein, dass sie bei jedem Zyklus 100 % ihrer Nennkapazität verbraucht.

Der Spitzenstrom ist ebenso wichtig. Starten, beschleunigen, drehen, klettern und anheben können einen Strombedarf erzeugen, der viel höher ist als die normale Betriebslast. Die Zellen, Sammelschienen, BMS, Sicherungen, Steckverbinder und Verkabelungen müssen alle diese temporären Spitzen ohne übermäßigen Spannungsabfall oder unerwünschten Schutzabschaltungen tragen.

LiFePO4 oder Lithium-Ion?

LiFePO4-Batterien werden häufig für AGVs und AMRs in Betracht gezogen, da sie eine lange Lebensdauer bieten, eine hohe thermische Stabilität und gute Unterstützung für wiederholtes Laden bieten. Sie eignen sich für Geräte, die mehrere Schichten absolvieren und häufig zu einem automatischen Ladegerät zurückkehren.

NMC-Lithium-Ionen-Batterien bieten eine höhere Energiedichte, sodass mehr Energie in ein kleineres und leichteres Gehäuse passt. Dies kann kompakten Robotern, Inspektionsgeräten und mobilen Plattformen zugutekommen, bei denen Installationsfläche und Gewicht begrenzt sind.

Die korrekte Chemie hängt ab:

• Erforderliche Laufzeit
• Verfügbarer Batterieplatz
• Gewichtsbeschränkungen
• Kontinuierlicher und Spitzenstrom
• Erwartete Zykluslaufzeit
• Ladefrequenz
• Betriebstemperatur
• Zielkosten

Zellqualität und Pack-Engineering sind wichtiger als die Auswahl einer Chemie auf Basis einer einzigen Spezifikation.

Smarte BMS-Funktionen

Das BMS ist das Kontroll- und Schutzzentrum eines Roboter-Batteriepacks. Grundlegende Funktionen umfassen Überladung, Überentladung, Überstrom, Kurzschluss und Temperaturschutz.

Fortschrittlichere AGV- und AMR-Batteriesysteme können ebenfalls gehören:

• Individuelle Zellspannungsmessung
• Passives oder aktives Ausbalancieren
• Ladungszustandsschätzung
• State-of-Health-Berichterstattung
• Steuerung von Lade- und Entladungsstrom
• Kontaktor- und Vorladungsmanagement
• Mehrere Temperatursensoren
• Zyklus- und Fehlerverlaufserfassung
• Schlaf- und Aufwachkontrolle

Genaue Ladezustandsinformationen ermöglichen es dem Flottenmanagementsystem, das Laden zu planen, bevor der Roboter genug Leistung verliert, um seine zugewiesene Aufgabe zu erfüllen.

CAN- und RS485-Kommunikation

Roboterbatterien müssen oft Informationen mit dem Motorcontroller, Ladegerät oder zentralen Steuerungssystem austauschen.

Der CAN-Bus wird häufig für die Echtzeit-Batteriekommunikation in mobilen Geräten ausgewählt. RS485 kann eine robuste Datenübertragung über längere Kabelstrecken unterstützen, während UART oder SMBus für kleinere Roboterplattformen geeignet sein könnten.

Die Kommunikationsspezifikation sollte Nachrichten-IDs, Baudrate, Datenformat, Aktualisierungsintervall, Alarmpegel und Abschaltbefehle definieren. Batterie, Roboter-Controller und Ladegerät müssen dasselbe Protokoll verwenden.

Ein mechanisch kompatibles Pack scheitert weiterhin bei der Integration, wenn die BMS-Kommunikation nicht mit dem Host-System übereinstimmt.

Ladeoptionen

Das Design von Roboterladungen beeinflusst direkt die Verfügbarkeit der Flotte. Gängige Methoden sind:

Manuelles Laden mit Steckdosen

Der Bediener verbindet den Roboter mit einem Ladegerät, wenn der Akkustand niedrig ist. Das ist einfach, hängt aber von der manuellen Planung ab.

Automatisches Kontaktladen

Der AGV oder AMR dockt an einer Ladestation, wo leitfähige Kontakte die Batterie automatisch mit dem Ladegerät verbinden. Dies unterstützt Opportunity Charging während der Leerlaufphasen.

Batteriewechsel

Ein herausnehmbares Paket kann manuell oder automatisch ausgetauscht werden. Der Batteriewechsel verringert die Ausfallzeit, erfordert aber langlebige Steckverbinder, eine sichere Verriegelung und eine konsistente Batterie-Identifikation.

Kabelloses Laden

Induktives Laden entfernt freiliegende Ladekontakte und kann das Andocken vereinfachen. Allerdings müssen Batterie und Leistungselektronik auf Ladeleistung, Effizienz, Ausrichtung und thermische Bedingungen ausgelegt sein.

Die Ladespannung, der Strom und die Kommunikationslogik müssen mit der gewählten Batteriechemie und den BMS-Einstellungen übereinstimmen.

Mechanisches und Umweltdesign

Eine mobile Roboterbatterie ist Vibrationen, Aufprallen und wiederholter Bewegung ausgesetzt. Das Gehäuse sollte die Zellen, das BMS und die internen Verbindungen schützen und das Pack im Roboter sichern.

Je nach Anwendung kann das Design Folgendes erfordern:

• Metall- oder flammhemmendes Kunststoffgehäuse
• Halter für Antivibrationszellen
• Hochstrom-Verriegelungsstecker
• Versorgungsabschaltung und Sicherung
• Staub- und Feuchtigkeitsschutz
• Griffe oder Führungsschienen zum Austausch
• Erwärmung für Niedrigtemperatur-Laden
• Kühlung oder thermische Spreizung

Kaltspeicherroboter benötigen besondere Aufmerksamkeit, da Lithiumbatterien normalerweise bei sehr niedrigen Temperaturen ohne geeignete Steuerung nicht geladen werden können.

Prüfung und Einhaltung

IEC 62619:2022spezifiziert Sicherheitsanforderungen und Tests für sekundäre Lithiumzellen und -batterien, die in industriellen Anwendungen verwendet werden. Die Norm listet speziell automatisierte Lenkfahrzeuge zu ihren Beispielanwendungen für Triebfahrzeuge auf.

Lithiumbatterien, die für den Transport vorbereitet werden, benötigen ebenfalls Tests gemäß Absatz 38.3 des UN-Leitwerks für Tests und Kriterien, zusammen mit einer UN38.3-Testzusammenfassung und entsprechenden Transportdokumenten.

ISO 3691-4:2023behandelt Sicherheitsanforderungen für fahrerlose Industriefahrzeuge, einschließlich AGVs und AMRs. Allerdings werden die detaillierten Anforderungen an die Batteriestromquelle nicht bereitgestellt, daher sollten Akkuniveau- und Komplettmaschinenbewertungen getrennt geplant werden.

Weitere Tests können Zykluslebensdauer, Hochstromentladung, Vibrationen, Abfälle, Temperatur, Steckverbinderhaltbarkeit, Kommunikation und Tests zur Anpassung des Ladegeräts umfassen.

Individuelle Entwicklung mit GLOFLUX

GLOFLUX kann Batteriepakete für Roboter, AGV und AMR entsprechend den elektrischen, mechanischen und kommunikativen Anforderungen eines OEM-Projekts entwickeln.

Die Entwicklung beginnt mit Spannung, Kapazität, Lastprofil, Spitzenstrom, Betriebszeit, Abmessungen, Stecker, Ladegerät und Kommunikationsdaten. Ingenieure können dann die Zellkonfiguration, die BMS-Architektur, die Schutzeinstellungen und die Gehäusestruktur auswählen.

Prototyp-Packs sollten im eigentlichen Roboter unter Beschleunigung, Heben, Navigation, Laden und niedriger Batterie getestet werden. Diese Integrationsstufe hilft, aktuelle Spitzen, Kommunikationsfehler und thermische Probleme vor der Massenproduktion zu identifizieren.

Fazit

Ein zuverlässiges Batteriepaket muss Energiekapazität, Leistungsabgabe, Zykluszeit, Kommunikation und mechanischen Schutz verbinden. Eine frühzeitige Koordination zwischen dem Roboterhersteller, dem Batterielieferanten und dem Entwickler des Ladegeräts trägt dazu bei, die Betriebszeit zu verbessern und gleichzeitig Risiken für Integration und Zertifizierung zu reduzieren.

Häufig gestellte Fragen

1. Welche Batteriechemie ist am besten für AGVs und AMRs?

LiFePO4 wird oft für eine lange Lebensdauer und thermische Stabilität bevorzugt, während NMC-Lithium-Ion geeignet ist, wenn kompakte Größe und geringeres Gewicht Priorität haben.

2. Wie wird die erforderliche Batteriekapazität berechnet?

Die Kapazität basiert auf dem durchschnittlichen Stromverbrauch, der erforderlichen Betriebszeit, Systemverlusten und der Reserveenergie. Spitzenmotor und Hebestrom müssen getrennt bewertet werden.

3. Kann die Batterie mit dem Robotercontroller kommunizieren?

Ja. Individuelle BMS-Lösungen können CAN-, RS485-, UART- oder SMBus-Kommunikation gemäß dem Protokoll des Roboters unterstützen.

4. Können AGV-Batterien automatisches Laden unterstützen?

Ja. Packs können für Andockkontakte, gelegentliches Laden, Batteriewechsel oder kabellose Ladesysteme entwickelt werden.

5. Welche Informationen werden für eine maßgefertigte Roboterbatterie benötigt?

Bereitstellung von Spannung, Kapazität, Dauerstrom, Spitzenstrom, Betriebszeit, Abmessungen, Steckverbinder, Kommunikationsprotokoll, Ladegerät und Anforderungen an Betriebstemperatur.