ในระบบโลจิสติกส์การผลิตอัจฉริยะ การทำงานที่ต่อเนื่องและมีเสถียรภาพของ AGV (ยานพาหนะนำทางอัตโนมัติ) อาศัยการเลือกระบบแบตเตอรี่ทางวิทยาศาสตร์โดยตรง โซลูชันแบตเตอรี่ที่ออกแบบมาอย่างดี-ไม่เพียงแต่รับประกันการทำงานที่ต่อเนื่องภายในระยะเวลาการผลิตเท่านั้น แต่ยังช่วยลดต้นทุนตลอดอายุการใช้งานโดยรวม- อย่างมาก ลดเวลาหยุดทำงานของการชาร์จให้เหลือน้อยที่สุด และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่อีกด้วย
จากข้อมูลโครงการจริง (เวลาแท็ค 15 JPH, กำลังไฟพิกัด 6000 W, แรงดันไฟฟ้าพิกัด 48 V) บทความนี้จะนำเสนอระเบียบวิธีทางวิศวกรรมที่สมบูรณ์สำหรับการเลือกแบตเตอรี่ AGV อย่างเป็นระบบ ครอบคลุมกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่การสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีไปจนถึงการใช้งานจริง วัตถุประสงค์คือเพื่อให้วิศวกรมีกรอบทางเทคนิคที่นำมาใช้ซ้ำและตรวจสอบได้
คำเตือนทางวิศวกรรม
การเลือกแบตเตอรี่ AGV ไม่ใช่การจับคู่ความจุ-ง่ายๆ เป็นงานวิศวกรรมระดับระบบ-ที่ผสมผสานไดนามิกส์ทางกล ไฟฟ้าเคมี อุณหพลศาสตร์ และกำหนดเวลาการผลิต การเลือกที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่การสูญเสียพลังงานโดยไม่คาดคิดระหว่างการทำงาน หรือการสำรองความจุมากเกินไปจนเพิ่มต้นทุนโดยไม่ปรับปรุงประสิทธิภาพ สถิติอุตสาหกรรมระบุว่าประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ของปัญหาการใช้งานและการบำรุงรักษา AGV เกิดจากการเลือกแบตเตอรี่ที่ไม่ถูกต้องในระหว่างขั้นตอนการออกแบบเริ่มต้น
1. การสร้างแบบจำลองทางกายภาพของการใช้พลังงาน AGV
การใช้พลังงานทั้งหมดของ AGV เท่ากับการใช้พลังงานรวมของระบบย่อยทั้งหมด และต้องมีส่วนต่างด้านความปลอดภัยที่เหมาะสม ที่มาต่อไปนี้ขึ้นอยู่กับกลศาสตร์คลาสสิกและหลักการทางไฟฟ้าพื้นฐาน
1.1 การคำนวณแรงดึง: แหล่งที่มาของการใช้พลังงานเครื่องกล
ในระหว่างการเคลื่อนที่ AGV จะต้องเอาชนะแรงต้านการหมุนจากพื้นดิน แรงดึงที่ต้องการคำนวณได้ดังนี้:
F=(M_load + M_carrier + M_vehicle) × g × μ
ที่ไหน
F คือแรงดึง มีหน่วยเป็นนิวตัน
M_load คือมวลของน้ำหนักบรรทุก 1,200 กิโลกรัม
M_carrier คือมวลของตัวพา 0 กก. เนื่องจาก AGV มีโครงสร้างการรับน้ำหนักแบบรวม
M_vehicle คือ AGV เอง-น้ำหนัก 1600 กก
g คือความเร่งโน้มถ่วง ซึ่งคิดเป็น 9.8 m/s²
μ คือค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการกลิ้ง เลือกเป็น 0.06 สำหรับพื้นคอนกรีตเรียบ
ตัวอย่างการคำนวณโครงการ
F = (1200 + 0 + 1600) × 9.8 × 0.06 ≈ 1646.4 N
หมายเหตุทางวิศวกรรม
ต้องเลือกค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีตามสภาพพื้นจริง ค่าทั่วไปคือ 0.05 ถึง 0.07 สำหรับพื้นคอนกรีตเรียบ 0.04 ถึง 0.06 สำหรับพื้นอีพ็อกซี่ และ 0.08 ถึง 0.12 สำหรับพื้นผิวขรุขระ ค่าเบี่ยงเบน 10 เปอร์เซ็นต์ในหน่วย μ จะส่งผลโดยตรงต่อการเบี่ยงเบนที่คล้ายกันในการคำนวณกำลังที่ตามมา
1.2 การคำนวณกำลังไฟฟ้าขณะใช้งาน: การแปลงจากพลังงานกลเป็นกำลังไฟฟ้า
กำลังงานที่ต้องการระหว่างการเคลื่อนไหวคงที่คำนวณได้ดังนี้:
P_run=F × v / 60
ที่ไหน
P_run คือกำลังในการทำงาน มีหน่วยเป็นวัตต์
v คือ ความเร็วเคลื่อนที่ของ AGV 30 เมตรต่อนาที
สภาพโหลด
P_run=1646.4 × 30 / 60 data 823.2 วัตต์
สภาพไม่โหลด
เมื่อน้ำหนักบรรทุกเป็นศูนย์ แรงดึงจะกลายเป็น:
F_ไม่โหลด=1600 × 9.8 × 0.06 mut 940.8 นิวตัน
P_ไม่โหลด=940.8 × 30 / 60 data 470.4 วัตต์
1.3 การคำนวณกระแสไฟฟ้าในการทำงาน
กระแสไฟฟ้าที่ใช้งานได้มาจากความสัมพันธ์ทางไฟฟ้าพื้นฐาน:
I = P / V
ที่ไหน
I คือกระแสไฟฟ้าที่ใช้งาน มีหน่วยเป็นแอมแปร์
V คือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่กำหนดของ AGV, 48 V
สภาพโหลด
I_loaded=823.2 / 48 กลับไปยัง 17.15 A
สภาพไม่โหลด
I_ไม่โหลด=470.4 / 48 data 9.8 A
จัดอันดับการตรวจสอบปัจจุบัน
กำลังไฟพิกัดของ AGV คือ 6000 W กระแสไฟพิกัดที่สอดคล้องกันคือ:
I_rated=6000 / 48=125 A
ค่านี้สูงกว่ากระแสไฟฟ้าที่ใช้งานจริงอย่างมาก ซึ่งบ่งชี้ถึงระยะขอบการออกแบบที่เพียงพอเพื่อรองรับความต้องการพลังงานสูงชั่วคราว- เช่น การเริ่มต้น การเร่งความเร็ว และการยก
1.4 การใช้พลังงานแบบบูรณาการของระบบย่อยหลายระบบ
1.4.1 การใช้พลังงานของระบบขับเคลื่อนต่อรอบ
ระยะเวลาเดินทางสำหรับการวิ่งครั้งเดียวจะขึ้นอยู่กับระยะทางและความเร็ว
t_run=ระยะทางการเดินทาง / ความเร็วในการเดินทาง
t_run=30 เมตร / 30 เมตรต่อนาที=1 นาที
การใช้พลังงานสำหรับการวิ่งหนึ่งครั้งคำนวณได้ดังนี้:
Q_run=ฉัน × t_run / 60
สภาพโหลด
Q_run=17.15 × 1 / 60 data 0.2858 อา
สภาพไม่โหลด
Q_run=9.8 × 1 / 60 data 0.1633 อา
1.4.2 ระบบควบคุมการใช้พลังงาน
การใช้พลังงานของระบบควบคุมคือ 50 W ที่ 24 V ปริมาณการใช้พลังงานต่อรอบคือ:
Q_control=(50 / 24) × 1 data 2.0833 อา
1.4.3 กลไกการยกการใช้พลังงาน
กำลังกลไกการยก 2000 วัตต์ ระยะเวลาในการยกต่อรอบคือ 3 นาที แรงดันไฟฟ้าของระบบคือ 48 V
คิว_ลิฟต์=(2000 / 48) × 3 / 60 data 2.0833 อา
1.4.4 การใช้พลังงานและปัจจัยด้านความปลอดภัยทั้งหมด
การใช้พลังงานทั้งหมดต่อรอบคำนวณดังนี้:
Q_รวม=(Q_run + Q_control + Q_lift) × k_safety
โดยทั่วไปปัจจัยด้านความปลอดภัย k_safety จะถูกเลือกระหว่าง 1.2 ถึง 1.5 ในโครงการนี้ จะใช้ค่า 1.2
สภาพโหลด
Q_รวม=(0.2858 + 2.0833 + 2.0833) × 1.2 data 5.337 อาห์
สภาพไม่โหลด
Q_รวม=(0.1633 + 2.0833 + 2.0833) × 1.2 data 5.195 อาห์
ประสบการณ์ด้านวิศวกรรม
สำหรับสภาพแวดล้อมภายในอาคารที่ราบเรียบ ปัจจัยด้านความปลอดภัย 1.2 ก็เพียงพอแล้ว สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับความลาดชันสูงสุด 5 องศาหรือรอบการหยุด-สตาร์ทบ่อยครั้ง แนะนำให้ใช้ค่าระหว่าง 1.3 ถึง 1.4 สภาพแวดล้อมกลางแจ้งหรือสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมักต้องการค่าระหว่าง 1.4 ถึง 1.5
2. วิธีทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกความจุของแบตเตอรี่
2.1 การกำหนดอัตราการใช้แบตเตอรี่
อัตราการใช้แบตเตอรี่ที่แสดงเป็น η อธิบายถึงขีดจำกัดความลึกของการคายประจุ การเสื่อมสภาพตามอายุ และผลกระทบของอุณหภูมิ สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม โดยทั่วไปความลึกคายประจุสูงสุดที่แนะนำคือ 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อพิจารณาอายุการใช้งานสาม-ปีและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม จึงมีการนำอัตราการใช้ประโยชน์ 80 เปอร์เซ็นต์มาใช้ในโครงการนี้
ความจุของแบตเตอรี่ที่กำหนดที่ต้องการคำนวณได้ดังนี้:
C_required=Q_total / η
ตัวอย่างโครงการ
C_ต้องการ=5.337 / 0.8 data 6.671 อา
2.2 หลักการปัดเศษทางวิศวกรรมสำหรับความจุของแบตเตอรี่
การคำนวณทางทฤษฎีจะต้องสอดคล้องกับข้อกำหนดแบตเตอรี่ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ใช้หลักการต่อไปนี้:
ความจุควรปัดเศษขึ้นเสมอเพื่อให้แน่ใจว่ามีอัตรากำไรเพียงพอ
ควรจัดลำดับความสำคัญของกำลังการผลิตมาตรฐานของตลาด
ต้องรับประกันการจับคู่แรงดันไฟฟ้า โดยโดยทั่วไประบบ 48 V จะเกิดขึ้นจากโมดูลแบตเตอรี่ 12 V สี่ชุดในอนุกรม
การคัดเลือกครั้งสุดท้าย
เลือกระบบแบตเตอรี่ลิเธียม 120 Ah, 48 V
จำนวนรอบที่รองรับตามทฤษฎี:
120 / 5.337 data 22 รอบ
ที่เวลาแท็ค 15 JPH เวลาทำงานต่อเนื่องคือ:
22 / 15 µm 1.47 ชม
การกำหนดค่านี้ให้ระยะขอบที่เพียงพอเพื่อรองรับน้ำหนักบรรทุกที่เพิ่มขึ้นในอนาคต อายุของแบตเตอรี่ และสภาพการทำงานที่ผิดปกติ
2.3 การเปรียบเทียบเทคโนโลยีแบตเตอรี่
โดยทั่วไปแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดจะให้ความหนาแน่นของพลังงานต่ำและมีวงจรชีวิตที่จำกัด ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตให้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และความสามารถในการชาร์จที่เร็วขึ้น
จากมุมมองของต้นทุนทางวิศวกรรมและวงจรชีวิต- แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเหมาะสำหรับการใช้งาน AGV มากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่ต้องการโอกาสในการชาร์จและความพร้อมใช้งานสูง
แบตเตอรี่ลิเธียมที่เลือกรองรับอัตราการชาร์จสูงสุด 2C ซึ่งเป็นพื้นฐานทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการออกแบบระบบการชาร์จที่รวดเร็ว-
3. การออกแบบและคำนวณระบบการชาร์จ
3.1 การเลือกกระแสไฟชาร์จ
เพื่อรักษาสมดุลของความเร็วในการชาร์จและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ จึงเลือกอัตราการชาร์จที่ 1C
I_charge=120 ก
การตัดสินใจใช้ 1C แทนการชาร์จ 2C ขึ้นอยู่กับการพิจารณาดังต่อไปนี้:
เวลาในการชาร์จยังคงอยู่ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้
อายุแบตเตอรี่จะลดลง
ผลกระทบต่อโครงข่ายไฟฟ้าของโรงงานจะลดลง
ค่าอุปกรณ์ชาร์จต่ำกว่า
3.2 การคำนวณเวลาในการชาร์จที่แม่นยำ
เวลาในการชาร์จคำนวณโดยใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้:
t_charge=Q_required / (I_charge × n_stations) × 60
ที่ไหน
Q_required คือพลังงานที่ต้องการต่อรอบ 5.337 Ah
I_charge คือกระแสไฟชาร์จ 120 A
n_stations คือจำนวนสถานีชาร์จ 2
การคำนวณโครงการ
t_charge เท่ากับ 1.33 นาที
สิ่งนี้บ่งชี้ว่าหลังจากเสร็จสิ้นหนึ่งรอบการทำงานซึ่งใช้เวลาประมาณ 3 นาที AGV ต้องใช้เวลาชาร์จเพียงประมาณ 1.33 นาทีเพื่อเติมพลังงานที่ใช้ไป ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดแทค 15 JPH โดยสมบูรณ์
3.3 การเพิ่มประสิทธิภาพปริมาณสถานีชาร์จ
จำนวนสถานีชาร์จจะต้องพิจารณาจากปริมาณ AGV เวลาในการชาร์จ เวลาใช้งาน พื้นที่ว่าง และต้นทุน
สำหรับสถานีชาร์จเดียว จำนวนรอบสูงสุดที่รองรับต่อชั่วโมงคือ:
60 / (t_ชาร์จ + t_การทำงาน)
60 / (1.33 + 3) กลับไปยัง 13.85 รอบต่อชั่วโมง
ด้วยสถานีชาร์จ 2 แห่ง ความสามารถในการให้บริการทั้งหมดจะอยู่ที่ประมาณ 27.7 รอบต่อชั่วโมง
จำนวน AGV สูงสุดที่รองรับคือ:
27.7 / 15 ≈ 1.85
ผลลัพธ์นี้จะถูกปัดเศษเป็น 2 AGV
บทสรุป
สถานีชาร์จสองแห่งเพียงพอที่จะรองรับการทำงานอย่างต่อเนื่องของ AGV สองแห่ง สำหรับกลุ่มยานพาหนะขนาดใหญ่ จำเป็นต้องมีสถานีชาร์จเพิ่มเติมหรือกระแสไฟชาร์จที่สูงกว่า
4. ความเสี่ยงทางเทคนิคที่สำคัญและมาตรการรับมือทางวิศวกรรม
ความเสี่ยงหลัก ได้แก่ ความเบี่ยงเบนในการคำนวณความจุ ความปลอดภัยในการชาร์จ ผลกระทบต่ออุณหภูมิ และอายุแบตเตอรี่
มาตรการรับมือที่แนะนำ ได้แก่-การทดสอบการใช้พลังงานในโลกจริง การออกแบบอัตราความจุแบบอนุรักษ์นิยม การใช้แบตเตอรี่ที่มี BMS ในตัว การป้องกันการชาร์จหลาย-ระดับ การตรวจสอบสภาพแวดล้อม และ-การติดตามข้อมูลวงจรแบตเตอรี่ตลอดอายุการใช้งาน
5. คำแนะนำในการตรวจสอบความถูกต้องทางวิศวกรรมและการเพิ่มประสิทธิภาพ
5.1 การตรวจสอบทางเทคนิค
แนะนำให้ทำการทดสอบต่อไปนี้เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ของโซลูชันที่เลือก:
การทดสอบความจุคงที่ภายใต้สภาวะการคายประจุแบบควบคุม
การทดสอบการทำงานต่อเนื่องที่ 15 JPH เป็นเวลาแปดชั่วโมง
การทดสอบประสิทธิภาพการชาร์จเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพที่สูงกว่า 90 เปอร์เซ็นต์
5.2 คำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง
ระบบการจัดการพลังงานอัจฉริยะสามารถนำไปใช้เพื่อรวบรวม-พลังงานและข้อมูลแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ เพิ่มประสิทธิภาพกลยุทธ์การชาร์จแบบไดนามิก และคาดการณ์สถานะความสมบูรณ์ของแบตเตอรี่
งานการชาร์จควรรวมเข้ากับระบบการตั้งเวลา AGV เพื่อให้เกิดความสมดุลของโหลดระหว่างสถานีชาร์จ และจัดลำดับความสำคัญของยานพาหนะที่มีประจุ-สถานะ-ต่ำ-
ในระยะยาว โซลูชันการจัดเก็บพลังงานแบบไฮบริดที่ผสมผสานซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ลิเธียม เทคโนโลยีการชาร์จแบบไร้สาย และอัลกอริธึมการเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางที่ใช้ AI{0}} สามารถนำมาพิจารณาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบต่อไปได้
บทสรุป
การเลือกแบตเตอรี่ AGV เป็นงานวิศวกรรมระบบสหสาขาวิชาชีพ บทความนี้จะสร้างเส้นทางทางเทคนิคที่สมบูรณ์โดยอิงจากข้อมูลโครงการจริง ซึ่งครอบคลุมถึงการสร้างแบบจำลองการใช้พลังงาน การคำนวณความจุ การกำหนดค่าระบบการชาร์จ และการลดความเสี่ยง
โซลูชันสุดท้ายที่ประกอบด้วยระบบแบตเตอรี่ลิเธียม 120 Ah 48 V และสถานีชาร์จ 120 A สองสถานี ได้รับการตรวจสอบผ่านการคำนวณทางวิศวกรรม และสามารถรองรับการทำงาน AGV ต่อเนื่องได้อย่างสมบูรณ์ที่เวลาแทคต์ 15 JPH
สำหรับวิศวกรระบบ AGV การฝึกฝนวิธีการคัดเลือกที่มีโครงสร้างและทางวิทยาศาสตร์นี้ไม่เพียงแต่รับประกันความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังปรับปรุงประสิทธิภาพด้านลอจิสติกส์โดยรวมและประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ โดยให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่แข็งแกร่งสำหรับการปรับใช้ระบบการผลิตอัจฉริยะที่ประสบความสำเร็จ
