Еще одна важная тема — эффективный мониторинг батарей, который позволяет оптимизировать их работу и продлить срок службы, тем самым минимизируя ненужные потери и сохраняя ценные ресурсы. В этой статье будет представлен краткий обзор некоторых важных показателей, используемых для повышения эффективности батарей, а также руководство по ключевым моментам, которые следует учитывать при выборе систем управления батареями для таких применений.

Введение.
Выбор подходящей батареи и соответствующей системы управления батареей (BMS) является критически важным решением при проектировании автономного мобильного робота (AMR), как показано на рисунке 1. В условиях тесной интеграции, таких как заводы и склады, где каждая секунда работы имеет значение, обеспечение безопасной и надежной работы всех компонентов имеет первостепенное значение.
Решения BMS могут обеспечивать точные измерения заряда и разряда батареи, максимизируя полезную емкость. Кроме того, точные измерения позволяют точно рассчитать состояние заряда (SoC) и глубину разряда (DoD), которые являются важными параметрами для обеспечения более интеллектуальных рабочих процессов мобильных роботов. Не менее важны аспекты безопасности этих систем, и при выборе систем для таких применений крайне важно учитывать технологии BMS, обеспечивающие как защиту от перезаряда, так и обнаружение перегрузки по току.

Рисунок 1. Диаграмма AMR.

Что такое системы управления батареями (BMS)?
BMS — это электронная система, которая позволяет тщательно контролировать различные параметры аккумуляторного блока и/или его отдельных элементов. Она необходима для достижения максимальной полезной емкости батареи при обеспечении безопасной и надежной работы. Эффективная система может не только безопасно оптимизировать полезную емкость батареи, но и предоставлять инженерам ценные параметры, такие как напряжение элемента, состояние заряда (SoC), состояние разряда (DoD), состояние работоспособности (SoH), температура и ток — все это может быть использовано для достижения наилучшей производительности системы.

Что такое SoC, DoD и SoH, и почему они важны для автоматизированных транспортных средств (AGV) и AMR?
SoC, DoD и SoH — это некоторые из распространенных параметров, используемых в системах управления батареями (BMS) для определения состояния системы, раннего обнаружения неисправностей, старения элементов и оставшегося времени работы.

SoC расшифровывается как состояние заряда и определяется как уровень заряда батареи относительно ее общей емкости. SoC обычно выражается в процентах, где 0% = разряжена, а 100% = полностью заряжена.

Состояние здоровья (SoH) можно определить по максимальной емкости (Cmax.), которую может высвободить батарея относительно ее номинальной емкости (Cnom.).

Глубина разряда (DoD) — это показатель, противоположный показателю состояния заряда (SoC), и определяется процентом разряженной батареи (Cliberated) по отношению к ее номинальной емкости (Cnom.).

Какое отношение они имеют к решению для автоматизированных мобильных роботов (AMR)?
Система компонентов батареи (SoC) различается в зависимости от архитектуры батареи; однако точная система измерения состояния батареи имеет важное значение. Два основных типа широко используемых батарей — литий-ионные и свинцово-кислотные. У каждой есть свои преимущества и недостатки, а также несколько подкатегорий. В целом, литий-ионные батареи считаются лучшим выбором для роботов, поскольку они предлагают:
► Более высокую плотность энергии, которая может быть в 8–10 раз выше, чем у свинцово-кислотной батареи.
► Литий-ионные батареи легче, чем свинцово-кислотные батареи той же емкости.
► Зарядка свинцово-кислотной батареи занимает больше времени, чем зарядка литий-ионной батареи.
► Литий-ионные батареи обеспечивают более длительный срок службы, что позволяет значительно увеличить количество циклов зарядки.
Однако эти преимущества имеют более высокую стоимость и создают определенные проблемы, которые необходимо решить для полного раскрытия их преимуществ в производительности.
Для наглядной иллюстрации этого явления в реальных условиях рассмотрим график на рисунке 2, который сравнивает глубину разряда (DoD) свинцово-кислотной и литий-ионной батарей. Видно, что напряжение батареи минимально изменяется для литий-ионной батареи при переходе от 0% DoD к 80% DoD. 80% DoD обычно является нижним пределом для литий-ионных батарей, и все, что ниже этого значения, может считаться опасным.
Однако, поскольку напряжение литий-ионной батареи изменяется лишь минимально в пределах рабочего диапазона, даже небольшая погрешность измерения может привести к существенному снижению производительности.

Рисунок 2. Уровень напряжения батареи в зависимости от глубины разряда.

Рисунок 3. Типовая архитектура батареи AMR и системы управления батареей (BMS).

Чтобы проиллюстрировать это на примере реальных условий:
представьте, что следующая система AMR работает от сети 24 В и использует литий-железо-фосфатный аккумуляторный блок на 27,2 В, где каждая ячейка имеет емкость 3,4 В при полной зарядке. См. рисунок 3. В таблице
1 показан типичный профиль состояния заряда для такой батареи.

Таблица 1. Примерные данные для напряжения элемента и блока литий-железо-фосфатной батареи

Для литий-железо-фосфатных (LiFePO4) батарей допустимый диапазон может варьироваться, но хорошим эмпирическим правилом является считать минимальный уровень заряда (SoC) равным 10%, а максимальный — 90%.
Любое значение ниже минимального уровня может вызвать внутреннее короткое замыкание в батарее, а зарядка выше 90% сокращает срок службы таких батарей.
Обращаясь к таблице 1, обратите внимание, что диапазон напряжения на ячейку составляет 350 мВ, а для батареи на 27,2 В с 8 ячейками — 3,2 В. С учетом этого мы можем сделать следующие предположения:
если допустимый диапазон напряжения ячейки для LiFePO4 батареи составляет 350 мВ, то каждая погрешность измерения ячейки в 1 мВ уменьшает диапазон на 0,28%.

Если стоимость аккумуляторной батареи составляет 4000 долларов, то стоимость ошибки составляет:
4000 долларов × 0,28% = 11,20 долларов/мВ ошибки, что означает, что аккумуляторные батареи будут использоваться неэффективно для достижения заданного диапазона.
Хотя 0,28% от диапазона может показаться незначительным, при масштабировании на несколько систем AMR этот процент может увеличиться в сотни или даже тысячи раз, что делает его существенным фактором. Этот фактор становится еще более важным при рассмотрении естественной деградации батареи.
Естественная деградация также играет значительную роль в состоянии батареи, поскольку со временем максимальный уровень заряда батареи снижается (рисунок 4). Поэтому точное измерение элементов является лучшим способом поддержания оптимальной производительности даже после естественной деградации.

Рисунок 4. Максимальное сокращение полезной дальности в результате естественного ухудшения характеристик.

Мониторинг всех параметров и точное управление использованием батареи — лучший способ продлить срок службы батареи и максимально эффективно использовать каждую единицу заряда.
Как решения ADI для систем управления батареями (BMS) могут повысить производительность и решить проблемы?
Итак, какие технологии могут предложить BMS от ADI для повышения эффективности и достижения высоких результатов в приложениях мобильной робототехники?
Точное управление батареей значительно повышает эффективность батареи за счет точного измерения отдельных ячеек, что позволяет более точно контролировать и оценивать состояние заряда для различных типов батарей. Измерение каждой ячейки по отдельности обеспечивает безопасный контроль состояния заряда батареи. Этот точный контроль способствует сбалансированной зарядке, предотвращая перезаряд и переразряд ячеек. Кроме того, синхронные измерения тока и напряжения повышают точность получаемых данных. Чрезвычайно быстрое обнаружение перегрузки по току обеспечивает быстрое обнаружение неисправностей и аварийное отключение, гарантируя безопасность и надежность.

Рисунок 5. Основные факторы деградации литий-ионных батарей.

Микросхема ADBMS6948 обладает всеми ключевыми характеристиками, необходимыми для мобильных роботов, но некоторые критически важные параметры, учитывающие особенности проектирования BMS для мобильного робота, включают:
► Малая суммарная погрешность измерения (TME) в течение всего срока службы (от -40°C до +125°C)
► Одновременное и непрерывное измерение напряжения ячеек.
► Встроенный интерфейс isoSPI™.
► Возможность горячей замены без внешнего экранирования.
► Пассивная балансировка ячеек.
► Низкое энергопотребление при мониторинге ячеек и температуры (LPCM) в выключенном состоянии.
► Низкий ток питания в режиме ожидания.

Сокращение отходов и защита окружающей среды:
согласно отчету Международного энергетического агентства за 2023 год об аккумуляторах, «аккумуляторы являются важнейшим компонентом перехода к чистой энергетике».¹ Крайне важно понимать важность правильного управления этими ресурсами. Материалы, из которых состоит аккумулятор, трудно добыть из окружающей среды, что подчеркивает необходимость их оптимального использования. Эффективное управление параметрами зарядки и разрядки позволяет продлить срок службы аккумулятора, обеспечивая его более длительное использование без необходимости замены.
Низкий коэффициент риска с защитой от перегрузки по току, обеспечиваемый функцией ADI BMS, обеспечивает очень безопасную работу и снижает риск повреждения как аккумулятора, так и подключенной нагрузки.
На рисунке 5 показаны некоторые примеры факторов деградации литий-ионных аккумуляторов, и важно отметить, что они могут привести к опасным ситуациям, таким как возгорание и взрыв, которые могут быстро стать катастрофическими.²
Все параметры, влияющие на деградацию аккумулятора, могут быть измерены, учтены и приняты меры, обеспечивая системе наиболее оптимальные условия эксплуатации на протяжении всего требуемого срока службы. Увеличение срока службы батарей является важным фактором сокращения отходов, поскольку благодаря оптимизированному управлению батареи теперь можно использовать дольше, что эффективно снижает количество ненужных отходов аккумуляторных элементов.

заключение
можно сказать, что системы управления батареями (BMS) не только повышают общую производительность системы за счет точного контроля каждого параметра, но и снижают затраты и количество отходов. В условиях развивающейся производственной среды, которая становится все более автоматизированной и стремится к дополнительному повышению производительности мобильных роботов, точный контроль и управление активами приобретают первостепенное значение.
Для получения дополнительной информации о предложениях ADI для промышленных мобильных роботов, пожалуйста, посетите нашу страницу с роботизированными решениями.

Список литературы:
1. «Батареи и безопасный энергетический переход». Международное энергетическое агентство, 2023.
2. Сяоцян Чжан, Юэ Хань и Вэйпин Чжан. «Обзор факторов, влияющих на срок службы литий-ионных батарей».
Труды по электротехническим и электронным материалам, том 22, июль 2021 г.

Об авторе:
Рафаэль Маренго, проживающий в Лимерике, работает инженером по системным приложениям в подразделении Connected Motion and Robotics компании Analog Devices, занимаясь поддержкой широкого спектра технологий, включая системы управления зданиями (BMS), управление движением и многое другое. Он присоединился к ADI в 2019 году в качестве инженера по оценке проектирования в группе Precision Converters Technology. Рафаэль имеет степень в области управления и автоматизации, полученную в Федеральном университете Лавраса в Бразилии. До прихода в ADI он работал менеджером по исследованиям и разработкам в стартапе, специализирующемся на машинном зрении и ориентированном на рынок сельскохозяйственных технологий, где отвечал за глобальную коммерциализацию многочисленных продуктов.