Na cestě k účinnosti s řízením baterií pro chytřejší a bezpečnější mobilní roboty

V překotně se rozvíjejícím prostředí automatizovaných velkoskladů či výrobních zařízení je rozhodující přepečlivé řízení každé součásti procesu. Dokonce i ta nejmenší odstávka zde může mít vážné důsledky.

Autonomní mobilní roboty (AMR) a také automaticky naváděná vozítka (AGV) hrají ve zmíněném ekosystému zcela zásadní roli a vyžadují přitom precizní monitorování, včetně systémů, zabezpečených proti selhání. Další klíčovou otázkou se stává efektivní sledování baterií, kdy lze optimalizovat jejich vlastnosti a prodloužit i celkovou výdrž, takže se minimalizuje zbytečný odpad a šetří drahocenné přírodní zdroje. V článku krátce zmíníme některé důležité činitele – měřítka, která u baterií povedou k větší účinnosti a přidáme též hlavní kritéria při výběru systémů řízení baterie v těchto aplikacích.

Pár slov úvodem

Jak plyne z obr. 1, volba přiměřené sady baterií a také doprovodného systému jejího řízení (BMS) patří k základním rozhodnutím v oblasti návrhu autonomního mobilního robotu AMR. Ve striktně daném prostředí typu továren či skladů, kde záleží na každé vteřině provozu, má zajištění bezpečné a spolehlivé činnosti všech součástí prvořadou důležitost.

Obr. 1 Způsob řešení AMR

Systémy BMS umí při nabíjení nebo i vybíjení baterií zajistit přesná měření, což dále maximalizuje využitelnou kapacitu. Precizní měření zde navíc vedou k exaktním výpočtům úrovně nabití (state of charge, SoC) či míry vybití (depth of discharge, DoD), tedy základním parametrům, které v případě mobilních robotů umožní dosáhnout chytřejšího sledu pracovních procesů. Stejně důležitá však budou i bezpečnostní hlediska takových systémů, takže je při volbě daného řešení nutné zvolit technologie BMS, poskytující ochranu proti přebíjení, ale také detekci nadproudů.

Co je to systém řízení baterie

Pod zkratkou BMS je ukrytý elektronický systém, který lze použít k bezprostřednímu sledování různých parametrů bateriové sady, resp. jejich jednotlivých článků. Jedná se o klíčové řešení pro dosažení maximální možné kapacity zdroje, zatímco bude dále zajištěný bezpečný a spolehlivý chod. Efektivní systém však nemusí jen optimalizovat využitelnou kapacitu baterie bezpečným způsobem. Poskytne nám totiž i cenné parametry, jako je napětí článku, SoC, DoD, SoH (state of health), teplota či velikost proudu, takže lze pokaždé získat od systému ty nejlepší vlastnosti.

SoC, DoD nebo SoH a proč se o ně u AGV či AMR zajímat

SoC, DoD a SoH – to je pouze několik běžných parametrů, používaných v souvislosti s BMS, abychom tak stanovili, zda systém správně funguje, zaznamenali včas závadu a měli též představu o stárnutí článků nebo zbývající době provozu.

SoC zde znamená „state of charge“ a lze jej definovat jako úroveň nabití baterie vzhledem k její celkové kapacitě. Parametr obvykle vyjadřujeme v procentech, kde 0 % znamená prázdnou a 100 % zase plnou baterii.

SoH značí „state of health“ a budeme jej definovat maximální kapacitou baterie (C_max), kterou lze využít v porovnání s její jmenovitou kapacitou (C_rated).

DoD nebo též „depth of discharge“ je zase protikladem k SoC. Parametr definujeme procentním podílem vybití baterie (C_released) vzhledem k její jmenovité kapacitě (C_rated).

Obr. 2 Úrovně napětí bateriové sady ve vztahu k DoD

V čem tkví význam pro AMR

SoC se u baterie mění v závislosti na jejím složení. I tak je ale nezbytné mít k dispozici přesný systém k měření jejího stavu. Dvěma hlavními typy běžně používaných zdrojů jsou Li-Ion články a olověné akumulátory. S různými podskupinami zde pokaždé máme určitá pro, ale i proti. Li-Ion se u robotů obecně považuje za lepší volbu. Nabízí zde totiž:

• větší hustotu energie, dosahující 8 až 10násobku hustoty energie olověného zdroje
• Li-Ion články jsou lehčí než olověné akumulátory o stejné kapacitě
• nabíjení olověného akumulátoru trvá déle, než nabití Li-Ion zdroje
• Li-Ion zdroje nabízí delší životnost a umožňují výrazně větší počet nabíjecích cyklů

Zmíněné výhody však budou vykoupené rostoucí cenou a také určitými problémy, které je nutné řešit, pokud máme plně využít jejich potenciálu. Abychom si to lépe ozřejmili na skutečném příkladu, analyzujme charakteristiky na obr. 2, které nám umožňují porovnat DoD olověného akumulátoru a Li-Ion baterie. Vidíme, že napětí sady se pro Li-Ion baterii při přechodu od 0 % DoD na 80 % DoD mění jen minimálně. DoD 80 % obvykle představuje spodní limit pro Li-Ion zdroje a cokoli pod zmíněnou hladinou již považujeme za riziko. Protože se nám ale napětí sady Li-Ion baterie mění ve využitelném rozsahu pouze minimálně, může byť jen drobná chyba měření vést k zásadnímu poklesu výkonnosti.

 

Obr. 3 Typická baterie pro AMR společně se systémem BMS

Pojďme se na celou situaci podívat prakticky. Představme si 24V systém AMR, používající sadu baterií LiFePO₄ s napětím 27,2 V, kde bude mít každý článek při plném nabití 3,4 V (viz také obr. 3). Obvyklý profil SoC nám v takové situaci zachycuje tab. 1. Využitelný rozsah se může pro baterie LiFePO₄ měnit, nicméně je dobré počítat s minimem SoC na úrovni 10 % a maximem v podobě 90 %. Cokoli pod minimální úrovní může vést k vnitřním zkratům baterie, zatímco nabíjení nad 90 % zase snižuje její životnost.

Tab. 1 Ukázka hodnot napětí pro článek a také sadu baterií LiFePO₄

Všimněte si, že poplatně tab. 1 bude napěťový rozsah činit 350 mV na článek a pro 27,2V sadu s osmi články to pak znamená 2,8 V. To nás nyní přivádí k dalším předpokladům. Máme-li využitelný napěťový rozsah článku pro baterii LiFePO₄ o velikosti 350 mV, snižuje nám každý jeden milivolt chyby měření takový rozsah o 0,28 %. Vychází-li poté sada baterií na 4 000 dolarů, vyjádříme vzniklou chybu cenou 4 000 dolarů × 0,28 % = 11,20 dolarů / mV chyby, takže sada může být z pohledu svého rozsahu využívaná nedostatečně.

Dvacet osm setin procenta z rozsahu sice může vypadat bezvýznamně, ale pokud si výsledek vztáhneme na větší počet systémů AMR, bude se nám vše třeba násobit stovkami nebo dokonce i tisíci. A to již nelze zanedbávat. Zmíněný činitel pak začne nabývat na významu ještě více, vezmeme-li v úvahu přirozené stárnutí baterie. Přirozené zhoršování vlastností má rovněž nemalý dopad na kondici článků, kdy nám u baterie postupně klesá maximální SoC (viz obr. 4). Precizní měření článků je proto nejlepší způsob, jak udržet výkonnost zdroje na optimální úrovni, a to i po jeho degradaci. Jinými slovy, monitorování všech parametrů společně s přesným řízením využití baterie bude tím nejlepším, co můžete udělat pro rozšíření její životnosti a efektivní využití každého jednotlivého náboje.

Obr. 4 Maximální využitelný rozsah, snížený z důvodu přirozené degradace

BMS od ADI zvyšuje výkonnost a řeší problémy. Jak?

Jaké technologie proto mohou systémy BMS od firmy ADI nabídnout pro zkvalitnění, aby tak pomohly dosáhnout skvělých vlastností v oblasti mobilní robotiky? Přesnost při dohledu nad bateriemi výrazně zlepšuje jejich efektivitu prostřednictvím precizního měření článků. Lze tak přesněji kontrolovat i odhadnout SoC s ohledem na různá chemická složení. Individuální měření každého článku zajistí spolehlivé monitorování kondice baterie. Precizní dohled pak napomáhá rovnoměrnému dobíjení a zamezuje přebíjení článků či jejich hlubokému vybití. Synchronní měření proudu a napětí kromě toho zvyšuje přesnost získaných dat. Pod svižnou detekcí poruchy a nouzovým zastavením se kvůli bezpečnosti a spolehlivosti zase podepisuje schopnost neobyčejně rychlého zaznamenání nadproudů.

Prvky ADBMS6948 [1] přichází se všemi klíčovými specifikacemi, vyžadovanými ze strany mobilních robotů. Mezi některé zásadní požadavky, spojované v této sféře s řešením systémů BMS, pak zařadíme:

• nízkou výslednou chybu měření TME (total measurement error) po dobu životnosti (-40 °C až +125 °C)
• souběžné a nepřetržité měření napětí článků
• vlastní rozhraní isoSPI™
• odolnost vůči zapojení „natvrdo“ bez vnější ochrany
• pasivní vyvažování článků
• nízkopříkonové sledování LPCM (low power cell monitoring) pro monitorování článků a teploty ve vypnutém stavu
• nízký proudový odběr v režimu spánku

Omezte odpad a myslete na životní prostředí

Podle zprávy International Energy Agency z roku 2023 „tvoří baterie základní stavební kámen přechodu na čistou energii“ [2]. Je proto nutné, abychom si uvědomili význam správného nakládání s takovými zdroji. Získat přírodní materiály, ze kterých se baterie vyrábí, není vůbec jednoduché, což jen podtrhuje potřebu jejich optimálního využívání. Jakmile tedy máme efektivně pod kontrolou parametry spojené s nabíjením a také vybíjením, dokážeme prodloužit výdrž baterií, které tak mohou sloužit po delší dobu, aniž bychom je museli nahrazovat.

Nízké riziko díky nadproudové ochraně, zajišťované ze strany systému BMS od firmy ADI, umožňuje vysoce spolehlivý provoz a snižuje nebezpečí poškození jak u baterie, tak i systému, připojeného coby zátěž. Na obr. 5 vidíme některé činitele, způsobující zhoršování vlastností Li-Ion baterií. Musíme poznamenat, že mají potenciál vést i k nebezpečným situacím, jako je zahoření či výbuch, které pak snadno skončí katastrofou [3].

Obr. 5 Hlavní činitele, stojící za zhoršením vlastností Li-Ion baterií

Veškeré parametry, které mají vliv na degradaci baterie, lze přitom změřit, ošetřit je a přijmout potřebné kroky tak, aby systém s nanejvýš optimalizovanými poměry pracoval po celou zamýšlenou dobu. Při omezování produkce odpadu hraje prodlužování životnosti baterie důležitou roli. Díky optimalizovanému řízení je nyní lze provozovat déle a efektivně přitom omezovat jejich zbytečnou likvidaci.

Závěr

Abychom to tedy shrnuli, zjistili jsme, že řešení BMS nemusí jen zvyšovat celkovou výkonnost systému tím, že budeme mít každý z parametrů přesně pod kontrolou, ale snižují se nám rovněž náklady a produkce odpadu. V rozvíjejícím se výrobním prostředí, které je stále častěji automatizováno, a požaduje pro své mobilní roboty další procenta výkonu navíc, je precizní řízení a také hospodaření s dostupnými prostředky zcela nezbytné. Pro více informací o nabídce společnosti ADI, týkající se mobilních robotů v průmyslu, navštivte stránky věnované řešením pro robotiku [4].

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/products/adbms6948.html

[2] Batteries and Secure Energy Transitions. International Energy Agency, 2023.

Dostupné z https://www.iea.org/reports/batteries-and-secure-energy-transitions

[3] Xiaoqiang Zhang, Yue Han a Weiping Zhang: A Review of Factors Affecting the Lifespan of Lithium ion Battery. Transactions on Electrical and Electronic Materials, Vol.22, červenec 2021.

Dostupné z https://link.springer.com/article/10.1007/s42341-021-00357-6

[4] https://www.analog.com/en/solutions/industrial-automation-technology/industrial-robotics.html