So beschaffen Sie den richtigen Akku für einen mobilen Industrieroboter

Lange Lebensdauer, hohe Energiedichte sowie Stoß- und Vibrationsfestigkeit sind häufige Anforderungen an AGVs und andere Arten mobiler Roboter. Wie wirken sie sich auf die Wahl der Chemie, des Zellen- und Batteriepackdesigns aus?

Effizienz, Durchsatzmaximierung, Sicherheit und Betriebskostensenkung sind die Schlagworte der heutigen intelligenten, digitalisierten Fabriken und Lager. Um diese Geschäftsziele zu erreichen, automatisieren Industrieunternehmen immer mehr Prozesse und setzen immer mehr ein Robotergeräte, insbesondere verschiedene Arten mobiler Roboter. Dazu gehören Geräte wie fahrerlose Transportfahrzeuge (FTS), die in der Materialhandhabung und anderen Anwendungen eingesetzt werden, automatisierte mobile Roboter (AMRs) für Lieferungen auf der letzten Meile (siehe Abbildung 1) und Rahmenklettergeräte in automatisierten Lagerhäusern.

Einer der Vorteile mobiler Roboter im Vergleich zu ihren menschlichen Pendants ist die Möglichkeit, 24 Stunden am Tag ohne Pausen weiterarbeiten zu können. Dafür ist jedoch ein tragbares Batteriestromsystem erforderlich, das eine kontinuierliche Leistung aufrechterhalten kann, ohne dass der Akku leer wird oder aufgrund einer Störung oder Panne vorzeitig ausfällt.

Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, den Akku eines mobilen Roboters richtig zu spezifizieren. In fast allen Fällen benötigt ein mobiler Roboter eine maßgeschneidertes Batterie-System beauftragen, um die Anforderungen der Anwendung an Kapazität, Größe, Haltbarkeit und Robustheit, Spitzenleistung, Lebensdauer, Temperaturtoleranz und andere Faktoren zu erfüllen. Daher ist die Wahl des richtigen Herstellers von kundenspezifischen Akkupacks ebenfalls eine wichtige Entscheidung.

Lithiumbasierte Batterien Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Kapazität sind sie heute die häufigste Wahl für neue Industriebatterien und bieten viel längere Laufzeiten zwischen den Ladevorgängen als jede andere Batteriechemie. Tatsächlich können viele Arten von Lithiumchemikalien in Batteriezellen verwendet werden, und die Technologie und Produktion von Batteriezellen und -paketen schreitet ständig voran, sodass OEMs Jahr für Jahr von verbesserten Spezifikationen profitieren.

Was ist also die neueste Best Practice für die Spezifikation von Batteriepacks und was sind die wichtigsten Überlegungen, die OEMs mobiler Roboter heute bei der Spezifikation des Zelltyps, des Packdesigns und der Qualitätskriterien berücksichtigen sollten?

Abb. 1: AMRs werden zunehmend eingesetzt, um menschliche Fahrer für die Zustellung von Paketen auf der letzten Meile nach Hause und ins Büro zu ersetzen.

Spezifikation eines Akkupacks: Abwägen der technischen Kompromisse

Die Verbreitung von Lithium-Chemikalien und der Komponenten wie Batterieladeregler-ICs, die Lithium-Batteriepakete unterstützen, bedeutet, dass ein Roboter-OEM mit einer Reihe komplexer Kompromisse konfrontiert sein kann, die es zu berücksichtigen gilt. Zellchemien wie NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid), LFP (Lithium-Eisen-Phosphat), LTO (Lithium-Titanat), LMO (Lithium-Mangan-Oxid) und LCO (Lithium-Kobalt-Oxid) variieren in einer Reihe von Parametern:

• Energiedichte, die sich auf Größe und Gewicht des Akkupacks auswirkt
• Maximale Spitzenleistung
• Maximal sichere Betriebstemperatur und Anfälligkeit für thermisches Durchgehen
• Lebensdauer
• Nennausgangsspannung
• Maximaler Ladesatz

Die Entscheidung über die besten Kompromisse muss für jede einzelne Anwendung getroffen werden. In einem kleinen AGV oder AMR, der leichte Lasten transportiert, macht der Batteriesatz beispielsweise typischerweise einen großen Teil des Gesamtgewichts des Roboters aus und nimmt im Vergleich zum Robotergehäuse viel Platz ein: Hier ist eine hohe Energiedichte eine Schlüsselanforderung. eine möglichst kleine und leichte Batterie herzustellen, eine Anforderung, die in der Regel den Einsatz von NMC-Zellen erfordern würde.

Bei einer großen mobilen Hebeplattform, die Lasten von bis zu 1,000 kg bewegen kann, trägt der Akku hingegen kaum zur Gesamtgröße und zum Gesamtgewicht bei. Hier spielt die Energiedichte keine große Rolle, daher könnte sich stattdessen der Plattform-OEM entscheiden LFP-Zellen: Ihre Energiedichte ist mindestens ein Drittel geringer als die von NMC, aber die Zyklenlebensdauer ist viel länger – mehr als 2,000 Zyklen, verglichen mit nur 500–600 Zyklen bei einigen NMC-Implementierungen. LFP-Zellen arbeiten auch bei viel höheren Temperaturen sicher als NMC-Zellen, wodurch die Designanforderungen für Wärmeableitung, Wärmeüberwachung und Sicherheitsschaltungen geringer werden.

Lebensdauer und Ladezeit sind entscheidende Parameter für viele mobile Roboter: AGVs in einem intelligenten Lager können beispielsweise das ganze Jahr über rund um die Uhr arbeiten. Eine typische Konfiguration verwendet einen abnehmbaren Batteriesatz, der es dem AGV ermöglicht, zu einem Ladepunkt zurückzukehren, um einen entladenen Satz zu entfernen und ihn durch einen neu aufgeladenen Satz zu ersetzen. In diesem Fall durchlaufen die Akkus kontinuierlich den Lade-/Entladevorgang. In diesem Fall müssen die Zellen im Pack vielen Ladezyklen und einer Schnellladung standhalten, damit sie nach der Entnahme aus einem AGV im entladenen Zustand schnell einsatzbereit sind.

Ein seriöser Hersteller von Batteriepacks kann detaillierte Hinweise zu diesen und allen anderen Leistungsmerkmalen der einzelnen Lithiumchemien geben und Empfehlungen für die beste Wahl für die mobile Roboteranwendung des OEM geben (siehe Abbildung 2).

Abb. 2: Viele kundenspezifische Batteriepacks für Roboter sind mit 18650 (schwarz) oder 21700 (grün) Lithiumzellen bestückt. (Bild im öffentlichen Bereich.)

Funktionen und Zulassungen: Richtige Akku-Spezifikation

Die Wahl der Chemie ist nur der Anfang bei der Beschaffung des richtigen Akkupacks für einen mobilen Roboter.

Die Bewertung eines Herstellers von kundenspezifischen Akkupacks konzentriert sich normalerweise auf die Fragen zu Funktionen und Qualität.

Der Packungshersteller sollte die Anwendung des Roboter-OEMs mit den entsprechenden Fähigkeiten und Merkmalen unterstützen. Dazu könnten gehören:

• Wärmemanagementfunktionen – Beim Entladen erzeugen Batterien Abwärme, die abgeführt werden muss, um den Akku auf einer sicheren Betriebstemperatur zu halten. Anspruchsvolle Designs nutzen innovative Zellenarray-Konfigurationen, um die Wärme effizient abzuleiten und so die Notwendigkeit eines Kühlkörpers zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Das spart Platz, Gewicht und Kosten. Ebenso müssen mobile Roboter, die in einer kalten Umgebung, beispielsweise einem Kühlhaus, arbeiten, die Batterietemperatur berücksichtigen: Eine Lithiumzelle kann normalerweise nicht geladen werden, wenn sie kälter als 0 °C ist. Dies kann den Einsatz einer aktiven In-Pack-Heiztechnologie erfordern, um die Zellentemperatur zur Vorbereitung des Ladevorgangs auf über 0 °C zu erhöhen. In vielen Anwendungen ist eine aktive Erwärmung eine bessere Lösung, als die Packung in einem Raum mit Raumtemperatur abzustellen und darauf zu warten, dass sie der Umgebungsluft Wärme entzieht.

• Telematik – Ein Fabrikbetreiber kann die Kontrolle über eine Flotte von AGVs oder anderen mobilen Robotern effektiver ausüben, wenn er Zugriff auf Daten über den Lade- und Gesundheitszustand jedes Batteriepakets hat. Fortschrittliche kundenspezifische Akkupacks können drahtlose Konnektivität wie ein Bluetooth® Low Energy-Radio umfassen, das so konfiguriert ist, dass es Echtzeitdaten über den Ladestatus, die Akkutemperatur und andere wichtige Parameter liefert.

• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und Genehmigungen – Der regulatorische Rahmen, in dem ein Batteriedesign erstellt wird, hängt von den Ländern oder Regionen ab, in denen das Paket verwendet werden soll. Die Regulierung ist ein sich schnell veränderndes Feld, zu dem der Hersteller von Batteriepacks in der Lage sein sollte, aktuelle Ratschläge zu geben. Beispielsweise haben Änderungen der US-Vorschriften die Compliance-Anforderungen für Zellen und Batteriepakete in mobilen Robotern wie AGVs verschärft und sie an die Vorschriften für batterieelektrische Autos angepasst. Das Design eines kundenspezifischen Batteriepack-Herstellers sollte einen reibungslosen Ablauf durch Tests, Zulassung und Zertifizierung für jeden Teil der Welt ermöglichen, in dem der Roboter-OEM seine Produkte vermarkten möchte.

Qualität und Zuverlässigkeit: So bewerten Sie den Produktionsprozess

Nach der Festlegung der Zellchemie und der richtigen Funktionen erstellt der Batteriepack-Hersteller ein Pack-Design. Sobald die Tests und die Genehmigung der endgültigen Prototypen abgeschlossen sind, geht das Paket in Produktion. Zu diesem Zeitpunkt ist der OEM dem Hersteller des Akkupacks ausgeliefert – es gibt keine zweite Quelle für einen maßgeschneiderten Akkupack.

Wie kann sich ein OEM von der Qualität des von ihm spezifizierten Akkupacks überzeugen?

Bei der Herstellung von Batteriepacks ist Qualität kein festgeschriebenes Merkmal oder ein Kontrollprozess, der am Ende der Produktionslinie angewendet wird: Wenn Qualität nicht von Anfang an in den gesamten Prozess integriert wird, kommt es zu Mängeln in der Produktion Einheiten, die vom Band laufen.

Der Fokus auf Qualität beginnt bereits bei der Wahl der Lithiumzelle: Die drei größten Hersteller der Welt – Samsung, LG und E-One Moli Energy – testen alle Zellen auf die Einhaltung aller relevanten Sicherheits- und Compliance-Anforderungen. Für die Qualität und Sicherheit der besten Zellen ist im Vergleich zu Zellen von Markenherstellern ein Stückpreisaufschlag zu zahlen, aber diese Vorabkosten werden durch die längere Lebensdauer und die überlegene Sicherheitsgarantie der teureren Zellen mehr als wettgemacht.

Alexander Battery Technologies verfügt über sichere Liefervereinbarungen mit den drei führenden Zellherstellern und verwendet in seinen Paketen ausschließlich Zellen dieser Hersteller.
Die Anwendung von Qualitätsgrundsätzen sollte auch im gesamten Produktionsprozess erkennbar sein. Bei der Montage achten Hersteller hochwertiger Verpackungen besonders auf die Elemente der Struktur, die am anfälligsten für Fehler sind, wie z. B. Schweißnähte: Beispielsweise sollen fortschrittliche optische Inspektionstechniken gewährleisten, dass Schweißnähte die hohen Mindestschwellenwerte für Größe und Integrität überschreiten dass die elektrischen Verbindungen des Akkus auch dann einwandfrei bleiben, wenn sie den in der Anwendung angegebenen extremen Stößen oder Vibrationen ausgesetzt sind.

Einige Hersteller werden der von Alexander Battery Technologies eingeführten Praxis folgen und Kunden zu einer detaillierten Inspektion ihrer Produktionsanlagen einladen. Moderne ERP-Softwaresysteme (Enterprise Resource Planning) können ebenfalls eingesetzt werden, um dem Kunden eine einzelstückbezogene Überwachung und Inspektion der Produktionsleistung seiner Verpackungen zu ermöglichen.

Hochwertiges Design und hochwertige Produktion unterstützen außerdem eine schnelle First-Time-Right-Validierung und Zertifizierung von Batteriepacks gemäß Industriestandards (siehe Abbildung 3).

Batteriepackproduktion für eine neue Ära der mobilen Robotik

Der Fortschritt digitalisierter und intelligenter Fertigungs- und Lagerpraktiken führt zu einem raschen Anstieg der Anzahl und Vielfalt mobiler Roboter, die in industriellen Umgebungen eingesetzt werden. Betreiber verlassen sich auf diese Roboter, um rund um die Uhr einen unterbrechungsfreien Betrieb aufrechtzuerhalten. Unvorhergesehene Ausfallzeiten beeinträchtigen den Durchsatz und die Effizienz erheblich.

Die Batteriestromversorgung kann genauso zuverlässig sein wie jede andere Komponente eines mobilen Roboters: Die obige Anleitung zeigt, wie eine sorgfältige Beachtung der Zellen- und Batteriespezifikation, des Designs und der Produktion sowie die Wahl eines zuverlässigen Packherstellers eine zuverlässige und vorhersehbare Leistung gewährleisten kann das Leben des Roboters.