Eficiență optimizată cu soluțiile ADI de gestionare a bateriilor pentru roboți mobili mai siguri și mai inteligenți

Figura 1: Diagrama unui AMR. (Sursa: Analog Devices)

Pe măsură ce depozitele și instalațiile de producție automatizate evoluează rapid, controlul atent al fiecărei componente a procesului devine esențial. Chiar și o întrerupere minoră poate avea consecințe semnificative. Roboții mobili autonomi și vehiculele ghidate automat joacă un rol vital în acest ecosistem, necesitând sisteme precise de monitorizare și siguranță. La fel de importantă este și monitorizarea eficientă a bateriilor, care optimizează performanța acestora și le prelungește durata de viață, reducând risipa și conservând resurse valoroase. Acest articol trece în revistă câțiva dintre cei mai importanți parametri utilizați pentru a îmbunătăți eficiența bateriilor și prezintă principalele aspecte de avut în vedere la selectarea sistemelor de gestionare a bateriilor pentru aceste aplicații.

Introducere

Alegerea unui pachet de baterii potrivit și a sistemului de gestionare a bateriilor (BMS) corespunzător este o decizie esențială în proiectarea unui robot mobil autonom (AMR), așa cum se arată în figura 1. În medii puternic integrate, precum fabricile și depozitele, unde fiecare secundă de funcționare contează, siguranța și fiabilitatea tuturor componentelor devin critice.

Soluțiile BMS asigură măsurători precise ale încărcării și descărcării bateriilor, maximizând astfel capacitatea utilizabilă. În plus, aceste măsurători permit un calcul exact al stării de încărcare (SoC – State of Charge) și al nivelului de descărcare (DoD – Depth of Discharge), parametri esențiali pentru fluxuri de lucru mai inteligente în cazul roboților mobili. La fel de importante sunt și funcțiile de siguranță ale acestor sisteme; alegerea soluțiilor potrivite este esențială, întrucât tehnologiile BMS oferă atât protecție la supraîncărcare, cât și detectarea supracurenților.

Ce sunt sistemele de gestionare a bateriilor?

Un BMS este un sistem electronic utilizat pentru monitorizarea atentă a diverșilor parametri ai unui pachet de baterii și/sau ai celulelor sale individuale. Acesta este esențial pentru valorificarea maximă a capacității bateriei, asigurând în același timp o funcționare sigură și fiabilă. Un sistem eficient nu doar optimizează capacitatea utilizabilă a bateriei într-un mod sigur, ci și furnizează inginerilor parametri valoroși precum tensiunea celulelor, SoC (State of Charge), DoD (Depth of Discharge), starea de sănătate (SoH – State of Health), temperatura și curentul. Toate aceste informații pot fi utilizate pentru a obține performanța maximă a sistemului.

Ce sunt SoC, DoD și SoH și de ce sunt importanți pentru vehiculele ghidate automat (AGV) și AMR-uri?

SoC, DoD și SoH sunt câțiva dintre parametrii principali utilizați de un BMS pentru a evalua starea sistemului, a permite detectarea timpurie a defecțiunilor, a monitoriza îmbătrânirea celulelor și a estima timpul rămas de funcționare.

SoC (State of Charge) – starea de încărcare: reprezintă nivelul de încărcare al unei baterii în raport cu capacitatea sa totală. Este exprimat de obicei procentual, unde 0% înseamnă descărcat complet și 100% încărcat complet.
SoH (State of Health) – starea de sănătate: indică raportul dintre capacitatea maximă (C_max) pe care bateria o poate furniza și capacitatea sa nominală (C_rated).
DoD (Depth of Discharge) – nivelul de descărcare: este complementul SoC și arată procentul de energie eliberată (C_released) din capacitatea nominală a bateriei (C_rated).

În ce măsură sunt relevanți acești parametri pentru o soluție AMR?

Starea de încărcare (SoC) a unei baterii variază în funcție de arhitectura acesteia, însă este esențial să existe un sistem precis de măsurare a nivelului de energie disponibil. Cele mai utilizate două tipuri de baterii sunt Li-Ion și plumb-acid, fiecare având avantaje și dezavantaje, precum și diverse subcategorii. În general, bateriile Li-Ion sunt preferate în aplicațiile de robotică, deoarece oferă:

• O densitate energetică mai mare – de până la 8–10 ori comparativ cu bateriile plumb-acid.
• O greutate mai redusă la aceeași capacitate.
• Timp de încărcare mai scurt decât al bateriilor plumb-acid.
• Ciclu de viață extins, cu un număr semnificativ mai mare de cicluri de încărcare.

Figura 2: Nivelul de tensiune al pachetului de baterii în raport cu DoD. (Sursa: Analog Devices)

Totuși, aceste avantaje vin cu un cost mai ridicat și implică anumite provocări care trebuie abordate pentru a valorifica pe deplin performanțele bateriilor. Pentru a ilustra acest aspect într-o aplicație reală, putem analiza graficul din figura 2, care compară DoD-ul unei baterii plumb-acid cu cel al unei baterii Li-Ion. Se observă că tensiunea pachetului variază foarte puțin în cazul unei baterii Li-Ion, pe măsură ce aceasta trece de la 0% DoD la 80% DoD. În general, 80% DoD este considerată limita inferioară pentru bateriile Li-Ion, iar orice valoare mai mică poate fi periculoasă.

Totuși, deoarece tensiunea pachetului unei baterii Li-Ion se modifică foarte puțin în intervalul de utilizare, chiar și o eroare minoră de măsurare poate duce la o scădere semnificativă a performanței.

Figura 3 Pachet tipic de baterii pentru un AMR și arhitectura BMS. (Sursa: Analog Devices)

Pentru a ilustra acest aspect într-un scenariu real, să luăm exemplul unui AMR de 24 V, care utilizează un pachet de baterii LiFePO4 de 27,2 V, unde fiecare celulă are o tensiune de 3,4 V atunci când este complet încărcată (vezi figura 3).

Un profil tipic al SoC pentru o astfel de baterie este prezentat în tabelul 1

Tabelul 1: Valori de referință pentru tensiunea celulelor și a pachetului de baterii LiFePo4

Pentru bateriile LiFePO4, intervalul utilizabil poate varia, însă, ca regulă generală, este recomandat ca SoC-ul minim să fie de 10%, iar cel maxim de 90%.

Figura 4: Reducerea autonomiei maxime utilizabile ca urmare a degradării naturale. (Sursa: Analog Devices)

Orice valoare sub limita inferioară poate provoca un scurtcircuit intern, în timp ce încărcarea peste 90% reduce durata de viață a bateriei.

Pe baza tabelului 1, se observă că intervalul de tensiune pe celulă este de 350 mV, iar pentru un pachet de 27,2 V cu 8 celule, acesta corespunde unei variații totale de 3,2 V.

Având în vedere acest lucru, se pot formula următoarele ipoteze:

• Dacă intervalul de tensiune utilizabil pe celulă pentru o baterie LiFePO4 este de 350 mV, atunci fiecare eroare de 1 mV la măsurare reduce intervalul cu 0,28%.
• Dacă un pachet de baterii costă 4 000 USD, eroarea de 1 mV se traduce printr-o pierdere de 4 000 USD × 0,28% = 11,20 USD, ceea ce înseamnă că pachetul ar fi subutilizat pentru acel interval.
• Deși o pierdere de 0,28% din autonomie poate părea neglijabilă, aplicată la mai multe sisteme AMR acest procent se poate multiplica de sute sau chiar mii de ori, devenind un factor semnificativ. Impactul este și mai mare dacă se ia în considerare degradarea naturală a bateriei.
• Degradarea naturală influențează în mod direct sănătatea bateriei, deoarece în timp SoC-ul maxim scade (figura 4). Din acest motiv, măsurarea precisă a celulelor rămâne cea mai eficientă modalitate de a menține performanța la un nivel optim, chiar și după apariția degradării.

Monitorizarea tuturor parametrilor și controlul precis al utilizării bateriei reprezintă cea mai eficientă modalitate de a prelungi ciclul de viață și de a valorifica fiecare unitate de energie disponibilă.

Cum pot soluțiile BMS ale ADI să crească productivitatea și să rezolve problemele?

Ce tehnologii integrează sistemele BMS de la ADI pentru a îmbunătăți performanța și a obține rezultate superioare în aplicațiile de robotică mobilă?

Precizia în gestionarea bateriilor îmbunătățește considerabil eficiența acestora prin măsurarea exactă a fiecărei celule, permițând un control mai fin și o estimare mai corectă a SoC-ului, indiferent de chimia bateriei. Monitorizarea individuală a celulelor garantează siguranța funcționării și previne situațiile critice. Această acuratețe sporită facilitează încărcarea echilibrată, împiedicând supraîncărcarea și descărcarea celulelor. În plus, măsurătorile sincronizate de curent și tensiune cresc precizia datelor achiziționate. Detectarea extrem de rapidă a supracurenților permite identificarea promptă a defecțiunilor și evitarea opririlor de urgență, contribuind la siguranță și fiabilitate.

Dispozitivul ADBMS6948 oferă toate caracteristicile esențiale pentru aplicațiile de robotică mobilă, însă există și câteva aspecte critice ce trebuie avute în vedere la proiectarea unui BMS pentru un astfel de robot:

• Eroare totală de măsurare (TME) foarte mică pe toată durata de viață, între -40°C și +125°C
• Măsurarea simultană și continuă a tensiunilor celulelor
• Interfață isoSPI™ încorporată
• Toleranță la conectarea la cald (hot-plug) fără protecție externă
• Echilibrare pasivă a celulelor
• LPCM (Low power cell monitoring) pentru monitorizarea celulei și a temperaturii în stare de repaus (key-off)
• Consum redus de curent în modul sleep

Reducerea deșeurilor și protejarea mediului

Conform raportului publicat de Agenția Internațională pentru Energie în 2023, “Bateriile sunt componente esențiale ale tranziției către o energie curată.”¹ Este crucial să recunoaștem importanța gestionării responsabile a acestor resurse. Materialele utilizate la fabricarea bateriilor sunt dificil de extras, ceea ce subliniază necesitatea valorificării lor optime. Printr-o gestionare eficientă a parametrilor de încărcare și descărcare, durata de viață a bateriilor poate fi prelungită, reducând nevoia de înlocuire frecventă.

Figura 5: Principalii factori de degradare pentru bateriile Li-Ion. (Sursa: Analog Devices)

În plus, funcția de protecție la supracurent a sistemului BMS de la ADI reduce semnificativ riscul de deteriorare atât pentru baterie, cât și pentru sistemul alimentat, asigurând o funcționare sigură și de încredere.

Câteva exemple de factori de degradare ai bateriilor Li-Ion sunt prezentați în figura 5, iar aceștia pot conduce la situații periculoase, precum combustia sau chiar explozia, cu potențial de consecințe catastrofale.²

Toți parametrii care influențează degradarea bateriilor pot fi monitorizați, gestionați și corectați, oferind sistemului condiții optime de funcționare pe întreaga durată de viață proiectată. Creșterea duratei de viață a bateriei reprezintă un factor esențial în reducerea deșeurilor, deoarece bateriile pot fi utilizate mai mult timp datorită unei gestionări optimizate, reducând în mod real eliminarea prematură a celulelor.

Concluzie

Pe scurt, un sistem BMS nu doar că sporește performanța generală a sistemului prin controlul precis al fiecărui parametru, dar contribuie și la reducerea costurilor și a deșeurilor. Într-un mediu de producție aflat într-o continuă evoluție, tot mai automatizat și orientat spre obținerea fiecărui procent suplimentar de performanță pentru roboții mobili, controlul riguros și gestionarea eficientă a resurselor devin esențiale.

Pentru mai multe informații despre soluțiile ADI dedicate roboților mobili industriali, vizitați pagina noastră de soluții pentru robotică.

Referințe

¹ “Batteries and Secure Energy Transitions.” International Energy Agency, 2023.
² Xiaoqiang Zhang, Yue Han, and Weiping Zhang. “A Review of Factors Affecting the Lifespan of Lithium ion Battery.” Transactions on Electrical and Electronic Materials, Vol.22, July 2021.

Autor: Rafael Marengo, ADI

Stabilit în Limerick, Rafael Marengo este inginer de aplicații de sistem în cadrul departamentului Connected Motion and Robotics al companiei Analog Devices, unde susține diverse tehnologii, inclusiv sisteme BMS și soluții pentru controlul mișcării. S-a alăturat ADI în 2019 ca inginer de evaluare a proiectării în cadrul grupului Precision Converters. Rafael deține o diplomă de licență în inginerie de control și automatizare de la Universitatea Federală din Lavras, Brazilia. Anterior, a lucrat ca manager de cercetare și dezvoltare pentru un startup de viziune artificială din sectorul agrotehnic, fiind responsabil de lansarea pe piață, la nivel global, a mai multor produse.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com

Glosar de termeni tehnici

• BMS (Battery Management System) – sistem de gestionare a bateriilor
• SoC (State of Charge) – stare de încărcare
• DoD (Depth of Discharge) – nivel de descărcare
• SoH (State of Health) – stare de sănătate
• TME (Total Measurement Error) – eroare totală de măsurare
• isoSPI™ – interfață serială izolată pentru comunicație rapidă între circuite
• hot-plug – conectare la cald, conectarea unui dispozitiv fără a opri alimentarea
• LPCM (Low Power Cell Monitoring) – monitorizarea celulelor la consum redus