Lungo ciclo di vita, elevata densità di energia e resistenza agli urti e alle vibrazioni sono requisiti comuni negli AGV e in altri tipi di robot mobili. In che modo questi requisiti influiscono sulla selezione della chimica, della cella e del design del pacco batteria?
Efficienza, massimizzazione della produttività, sicurezza e riduzione dei costi operativi sono le parole d’ordine nelle fabbriche e nei magazzini intelligenti e digitalizzati di oggi. Per conseguire questi obiettivi aziendali, le aziende industriali stanno automatizzando sempre più processi e implementando sempre più dispositivi robotici, in particolare diverse tipologie di robot mobili. Queste soluzioni robotizzate includono dispositivi come veicoli a guida automatizzata (AGV) utilizzati nella movimentazione dei materiali e altre applicazioni, robot mobili automatizzati (AMR) per le consegne dell’ultimo miglio (vedere Figura 1) e montacarichi nei magazzini automatizzati.
Uno dei vantaggi dei robot mobili rispetto ai loro “colleghi umani” è la capacità di poter lavorare 24 ore su 24 senza bisogno di pause. Ma ciò richiede un sistema di alimentazione a batteria portatile in grado di garantire una produzione continua, senza scaricarsi o guastarsi prematuramente per via di malfunzionamenti o rotture.
Ciò evidenzia l’importanza di specificare la batteria di un robot mobile nel modo corretto. In quasi tutti i casi, un robot mobile richiederà un pacco batteria personalizzato, o custom, per soddisfare i requisiti dell’applicazione in termini di capacità, dimensioni, durata e robustezza, potenza di picco, durata del ciclo, tolleranza alla temperatura e altri fattori. Ciò significa anche che la scelta del giusto produttore di batterie custom è una decisione fondamentale.
Le batterie a base di litio sono oggi la soluzione più comune per le nuove batterie industriali, a causa della loro elevata densità di energia e capacità, garantendo un tempo di funzionamento tra una carica e l’altra molto più lungo rispetto a qualsiasi altro elemento chimico. In effetti, molti tipi di chimiche al litio possono essere utilizzati nelle celle delle batterie e la tecnologia e la produzione di celle e pacchi batteria avanza costantemente, offrendo agli OEM il vantaggio di specifiche migliorate anno dopo anno.
Qual è quindi la più recente e migliore prassi per le specifiche di un pacco batteria e quali sono le considerazioni chiave che gli OEM di robot mobili devono tenere in considerazione oggi quando specificano il tipo di cella, il design del pacco e i criteri di qualità?
Specificare un pacco batteria: i compromessi tecnici
Per via della proliferazione delle chimiche al litio e dei componenti come i circuiti integrati del controller di carica della batteria che supportano i pacchi batteria al litio, un OEM di soluzioni robotiche dovrà in genere affrontare una serie di compromessi. Le chimiche usate per le celle, come NMC (ossido di litio manganese cobalto), LFP (litio ferro fosfato), LTO (titanato di litio), LMO (ossido di litio manganese) e LCO (ossido di litio cobalto) variano in base a una serie di parametri:
- Densità di energia, che influenza le dimensioni e il peso del pacco batteria
- Massima potenza di picco
- Massima temperatura operativa sicura e suscettibilità all’instabilità termica
- Ciclo di vita
- Tensione di uscita nominale
- Velocità di ricarica massima
La decisione su quali compromessi fare deve essere presa caso per caso. Ad esempio, in un piccolo AGV o AMR che movimenta carichi leggeri, il pacco batteria in genere costituisce gran parte del peso totale del robot e occuperà un ampio spazio rispetto al corpo del robot complessivo: in questo caso, l’elevata densità di energia è un requisito fondamentale, per produrre la batteria più piccola e leggera possibile, un requisito che generalmente richiederebbe l’utilizzo di celle NMC.
D’altro canto, nel caso di una grande piattaforma di sollevamento mobile in grado di movimentare carichi fino a 1.000 kg, il pacco batteria contribuirà in modo trascurabile alle dimensioni e al peso totali. In questo caso, la densità di energia ha poca importanza, quindi l’OEM della piattaforma potrebbe invece scegliere celle LFP: la loro densità di energia è inferiore a quella delle NMC di almeno un terzo, ma la durata del ciclo è molto più lunga – più di 2.000 cicli, rispetto ai 500-600 cicli in media in alcune implementazioni NMC. Le celle LFP funzionano anche in modo sicuro a temperature molto più elevate rispetto alle NMC, semplificando i requisiti di progettazione per la dissipazione termica, il monitoraggio termico e i circuiti di sicurezza.
La durata del ciclo e il tempo di ricarica sono parametri cruciali per molti robot mobili: gli AGV in una smart warehouse, ad esempio, potrebbero funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, tutto l’anno. Una configurazione tipica utilizza un pacco batteria rimovibile, consentendo all’AGV di tornare a un punto di ricarica per rimuovere la batteria scarica e sostituirla con una appena ricaricata. In questo caso, i pacchi seguono un processo di caricamento/scaricamento continuo. Le celle del pacco devono poter tollerare numerosi cicli di carica e anche le ricariche rapide in modo che siano disponibili per l’uso rapidamente dopo la rimozione da un AGV scarico.
Un produttore di pacchi batteria rispettabile potrà fornire indicazioni dettagliate su questi e ogni altro attributo prestazionale di ciascuna chimica al litio e di consigliare la soluzione migliore per l’applicazione robot mobile dell’OEM (vedere Figura 2).
Caratteristiche e certificazioni: come selezionare le specifiche corrette del pacco batteria
La scelta della chimica più idonea è solo l’inizio del processo di selezione della batteria corretta per un robot mobile.
La valutazione di un produttore di batterie custom sarà normalmente incentrata su aspetti quali caratteristiche e qualità.
Il produttore della batteria deve supportare l’applicazione robotica dell’OEM con una gamma appropriata di capacità e caratteristiche. Queste possono includere:
- Funzionalità di gestione termica: quando si scaricano, le batterie generano calore di scarto, che deve essere dissipato per mantenere il pacco a una temperatura operativa sicura. I design più sofisticati utilizzano configurazioni di array di celle innovative per dissipare il calore in modo efficiente, riducendo o eliminando la necessità di un dissipatore di calore. Questo consente di minimizzare i requisiti di spazio, peso e costi.
Allo stesso modo, per i robot mobili che operano in ambienti freddi, come un magazzino refrigerato, bisogna tenere conto della temperatura della batteria: normalmente una cella al litio non può essere caricata quando la temperatura è inferiore a 0 °C. Ciò potrebbe richiedere l’uso di una tecnologia di riscaldamento attivo in-pack per aumentare la temperatura della cella sopra 0°C in preparazione alla ricarica. In molte applicazioni, il riscaldamento attivo è una soluzione migliore rispetto al posizionamento del pacco a temperatura ambiente e attendere che assorba il calore dall’aria ambientale. - Telematica: un operatore di fabbrica può esercitare il controllo di una flotta di AGV o altri robot mobili in modo più efficiente se ha accesso ai dati sullo stato di carica e sullo stato di salute di ciascun pacco batteria. I pacchi batteria custom avanzati possono includere connettività wireless come una radio Bluetooth Low Energy, configurata per fornire dati in tempo reale sullo stato di carica, sulla temperatura della batteria e altri parametri chiave.
- Conformità normativa e certificazioni: il quadro normativo in cui viene realizzato il design di una batteria dipenderà dai paesi o dalle regioni in cui è previsto l’utilizzo del pacco. La regolamentazione è un campo in rapida evoluzione e un produttore di batterie dovrebbe essere in grado di fornire consigli aggiornati. Ad esempio, le modifiche alle normative statunitensi hanno reso più restrittivi i requisiti di conformità per celle e pacchi batteria nei robot mobili come gli AGV, allineandoli alle normative applicabili alle auto elettriche a batteria. Un produttore di pacchi batteria custom dovrebbe essere in grado di fornire il percorso corretto in termini di test, approvazione e certificazione in qualsiasi parte del mondo in cui l’OEM intende commercializzare i suoi prodotti.
Qualità e affidabilità: come valutare il processo produttivo di una batteria
Dopo aver specificato la chimica della cella e le caratteristiche corrette, il produttore genererà il design del pacco. Una volta completati i test e l’approvazione dei prototipi finali, il pacco entrerà in produzione. A questo punto, l’OEM è alla mercé del produttore del pacco batteria, in quanto ora non potrà più rivolgersi a un altro produttore.
Ma in che modo un OEM può verificare che la qualità della batteria che ha specificato sia corretta?
Nella produzione di pacchi batteria, la qualità non è una caratteristica “automatica” o un processo di controllo applicato al termine della produzione: se la qualità non è integrata nell’intero processo fin dall’inizio, le unità che lasciano la linea di produzione presenteranno carenze.
L’attenzione alla qualità inizia con la scelta delle celle al litio: i tre maggiori produttori mondiali – Samsung, LG ed E-One Moli Energy – testano tutte le celle per verificarne la conformità con tutti i pertinenti requisiti di sicurezza e conformità. In genere, per avere celle di qualità e sicurezza superiori rispetto alle celle prive di marchio, bisognerà pagare un premium, ma questo costo iniziale viene più che recuperato grazie alla maggiore durata e alla garanzia di sicurezza superiore delle celle più costose.
Alexander Battery Technologies ha stipulato accordi di fornitura sicuri con i tre principali produttori di celle e i suoi pacchi utilizzano celle solo di questi produttori.
L’applicazione dei principi di qualità deve essere evidente anche durante tutto il processo produttivo. Nell’assemblaggio, i produttori di pacchi di alta qualità presteranno particolare attenzione agli elementi della struttura più soggetti a guasti, come le saldature; tecniche avanzate di ispezione visiva devono garantire che le saldature superino soglie minime per dimensioni e integrità, garantendo che i collegamenti elettrici del pacco rimangano integri anche se esposti agli urti o alle vibrazioni estremi specificati nell’applicazione.
Alcuni produttori seguono una pratica appositamente istituita da Alexander Battery Technologies, vale a dire invitare il cliente a ispezionare i loro impianti di produzione (vedere Figura 3). È inoltre possibile utilizzare moderni sistemi software ERP (Enterprise Resource Planning) per consentire al cliente di monitorare e ispezionare ogni unità prodotta per i suoi pacchi.
La progettazione e la produzione di alta qualità supportano inoltre una validazione e certificazione rapida e corretta first-time-right dei pacchi batteria secondo gli elevati standard stabiliti in settori come l’industria automobilistica.
Produzione di pacchi batteria per una nuova era della robotica mobile
Il progresso nelle pratiche di produzione e stoccaggio digitalizzate e intelligenti sta portando a un rapido aumento nel numero e nella varietà di robot mobili utilizzati in contesti industriali. Gli operatori fanno affidamento su questi robot per garantire un funzionamento ininterrotto 24 ore su 24, 7 giorni su 7; tempi di inattività imprevisti compromettono infatti gravemente la produttività e l’efficienza.
L’alimentazione a batteria può essere affidabile quanto qualsiasi altro componente di un robot mobile: le linee guida di cui sopra mostrano come una debita attenzione alle specifiche, alla progettazione e alla produzione di celle e batterie, e la scelta di un produttore di qualità, possano garantire prestazioni affidabili e prevedibili per tutta la vita del robot.
