鋁加工廠進(jìn)口AGV小車蓄電池國產(chǎn)化替換的嘗試

陳 輝

(洛陽萬基鋁加工有限公司，河南 洛陽 471832 )

鋁加工工廠AGV(Automated Guided Vehicle)小車靠蓄電池提供電力驅(qū)動，以智能高架倉庫物流控制系統(tǒng)為依托，在控制服務(wù)器的調(diào)度下，依靠自身激光導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在現(xiàn)場多個特定地址點間按預(yù)設(shè)路線的自主運行，小車配備電池管理系統(tǒng)，當(dāng)電量過低時會自動運行至電池充裝站進(jìn)行更換電池作業(yè)，全程無需人為干預(yù)。

蓄電池的工作狀態(tài)由插件式計算機(jī)輸送數(shù)據(jù)的診斷裝置連續(xù)監(jiān)控。一旦蓄電池中的電量下降到容量的約10%，電池管理系統(tǒng)將傳送信息到小車管理系統(tǒng)中。小車管理系統(tǒng)將會產(chǎn)生一個更換電池指令給小車，使其到電池充電站更換電池。AGV小車接近充電站并和它通訊，接下來通過充電站上的控制器給小車以進(jìn)入的指令?？针姵貙⒈蛔詣右苿硬⑼ㄟ^運輸系統(tǒng)運到最近的可以充電的位置。在空電池被移出后，充好電的電池被插入到小車內(nèi)，并自動連接和鎖死。利用很短的時間AGV小車就可以完成更換電池操作，并返回運行。

每個AGV小車都有一個備用蓄電池，保證運輸車可以在24h內(nèi)連續(xù)工作。我公司鋁加工高架倉庫物流系統(tǒng)有兩輛德國西馬格智能物流公司生產(chǎn)的AGV自動運卷小車，共配備4塊鉛酸蓄電池，該電池2011年出廠至今已使用8年，由于長時間使用，目前電池性能較差，已不能滿足現(xiàn)場使用需要。由于德國原裝進(jìn)口蓄電池報價昂貴，因此我們開始對進(jìn)口蓄電池國產(chǎn)化替換進(jìn)行嘗試。

1 幾種適合AGV使用的蓄電池性能及價格比較

衡量AGV用蓄電池主要有兩個性能指標(biāo)，比能量(電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出的電能)和比功率(單位時間電池的比能量)，即電池的可持久性和力量大小。比能量高的動力電池耐力好，可以長時間工作，持續(xù)釋放較多的能量，續(xù)航里程長；比功率高的動力電池速度快，力量大，具有很強(qiáng)的爆發(fā)力。顯而易見，只有比能量高、比功率大且價格便宜、易于維護(hù)的動力電池才是AGV主能量源的首選。目前常用于AGV小車的動力蓄電池有鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池3種。

1.1 鎳氫蓄電池

鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。鎳氫電池正極活性物質(zhì)為Ni(OH)2(稱NiO電極)，負(fù)極活性物質(zhì)為金屬氫化物，也稱儲氫合金(電極稱儲氫電極)，電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。其優(yōu)點是比能量和比功率都比較高(相對來講)，且快速充電性能較好，深度放電后15min可充滿容量的40%～80%，工作溫度范圍寬。但鎳氫蓄電池循環(huán)使用壽命較短，50%DOD放電最多500次，價格昂貴(1000W·h為600美元～800美元)。

1.2 鋰電池

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的電池。目前主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩類。磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢在于安全性高，性能強(qiáng)，高循環(huán)壽命，輸出功率大，輸出電壓穩(wěn)定，綠色環(huán)保；劣勢是能量密度低，整組電池較重；其單體額定電壓3.2V，工作電壓2.5V～3.65V。三元鋰電池的優(yōu)勢是單體電壓高、重要輕、低溫性好；其單體額定電壓是3.6V，工作電壓3.0V～4.2V；但安全性能上比磷酸鐵鋰電池還要低，且不支持倍率充放電，無快充功能。

由于價格及安全性能原因，導(dǎo)致鋰電池長期沒有得到廣泛應(yīng)用。不過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保的要求，近些年鋰電池有逐漸成為主流的趨勢。

1.3 鉛酸蓄電池

鉛酸電池(VRLA)是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。

鉛酸電池是目前AGV使用最為廣泛的電池，據(jù)不完全統(tǒng)計，在已經(jīng)生產(chǎn)的AGV車上使用鉛酸電池的比例占到90%，這主要得益于其眾多優(yōu)點，發(fā)展歷史悠久，技術(shù)較為成熟，比功率較大，循環(huán)壽命也可達(dá)800次～1200次，且成本較低。不過，其快速充電技術(shù)也尚未成熟，80%DOD放電再充滿最快需8h以上。作為最早使用的AGV電池，其技術(shù)已十分成熟，可分為加水鉛酸電池和免維護(hù)鉛酸電池，我公司AGV小車原裝配套的就是加水鉛酸蓄電池。

2 蓄電池替換方案比較

根據(jù)目前公司AGV小車實際情況，制定了采用鋰電池和鉛酸蓄電池芯替換舊鉛酸蓄電池的兩套方案。

2.1 鋰電池替換舊鉛酸蓄電池

(1)鋰電池需采用獨立的電池管理模塊，不能使用原有的電池管理系統(tǒng)，同時需要解決電池管理模塊與AGV小車PLC控制系統(tǒng)通訊對接問題。

(2)鋰電池組電壓必須保持與原鉛酸電池相同，否則可能燒壞控制器。

(3)原蓄電池充電器要改成鋰電池專用充電器。鉛酸蓄電池內(nèi)阻大，一般充電器的輸出電壓較高，且很多有脈沖充電功能，可能造成鋰電池充電時候過充；因為有保護(hù)板保護(hù)，充電時候會引起充電器輸出電壓設(shè)置不正常，落后的單體可能一直充不滿而導(dǎo)致?lián)p壞。如果保護(hù)板損壞，造成高壓充電，容易引起爆炸。

(4)由于兩種電池體積和重量不同，需考慮鋰電池安裝質(zhì)量、安裝空間、是否參與整車配重等問題，否則將出現(xiàn)安裝后不能使用的情況。

(5)鋰電池與鉛酸蓄電池相比，其穩(wěn)定性更差，如果遇水或操作不當(dāng)，有發(fā)生爆炸的風(fēng)險。

2.2 鉛酸蓄電池芯更換舊鉛酸蓄電池

(1)對舊鉛酸蓄電池電池芯進(jìn)行拆除，更換為相同規(guī)格尺寸容量接近國產(chǎn)鉛酸蓄電池電池芯，仍使用原有蓄電池外殼。

(2)根據(jù)新電池芯容量測算出電池放電曲線，完成電池容量監(jiān)控。

(3)通過具有低電壓保護(hù)功能的國產(chǎn)電量表實現(xiàn)小車自動監(jiān)控電量，在電量不足時通過其內(nèi)部繼電器狀態(tài)變化發(fā)出更換電池指令。

經(jīng)聯(lián)系多個國內(nèi)品牌電池供應(yīng)廠家，對比多個方案及價格，認(rèn)為更換國產(chǎn)鉛酸蓄電池芯更符合現(xiàn)場使用要求。考慮到鉛酸電池具有電動勢大、操作溫度廣、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、使用可靠、價格適中等優(yōu)點外，還兼顧舊鉛酸蓄電池芯進(jìn)行折價回收和安全方面考慮，選擇第二套方案。

3 技術(shù)難題的解決

根據(jù)鉛酸蓄電池芯更換舊鉛酸蓄電池方案，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，需要解決以下幾個難題：

(1)蓄電池管理系統(tǒng)與小車PLC控制系統(tǒng)通訊。根據(jù)AGV小車運行蓄電池監(jiān)控及自動更換蓄電池要求，檢查分析解決蓄電池管理系統(tǒng)與AGV小車PLC控制系統(tǒng)通訊對接問題，對相關(guān)程序及電路進(jìn)行修改，完成了自動更換蓄電池相關(guān)程序觸發(fā)條件信號對接。

(2)蓄電池電量監(jiān)測模塊代換。由于長時間使用，已有多個原裝電池管理系統(tǒng)損壞，不能使用，因該模塊與原裝電池配套，無法進(jìn)行替代(圖1)。經(jīng)過多渠道查找，最后采用訂制的國產(chǎn)蓄電池電量監(jiān)測模塊(圖2)，該模塊根據(jù)新蓄電池容量測算出電池放電曲線即可準(zhǔn)確測算出蓄電池剩余電量，在電量不足時通過內(nèi)部繼電器狀態(tài)變化向小車控制系統(tǒng)發(fā)出更換電池指令，通過它可解決AGV在電量不足時自動更換電池的問題。

(3)一鍵手動更換電池功能的實現(xiàn)。在自動更換電池基礎(chǔ)上增加手動更換電池功能，通過修改小車原控制電路，增加控制按鈕和繼電器。當(dāng)出現(xiàn)監(jiān)測電池電量低于設(shè)定值時除了可以自動更換電池，還可以通過操作按鈕完成更換電池指令單發(fā)出，實現(xiàn)了同時具備手動和自動更換蓄電池的功能。

(4)確定電池品牌及現(xiàn)場安裝問題。溝通確定國內(nèi)品牌電池供應(yīng)廠家，對方案所需材料進(jìn)行品牌、性能、價格對比，優(yōu)中選優(yōu)，并對購買回的電池芯進(jìn)行連接安裝，把好最后安裝難關(guān)。

歷經(jīng)1個月的安裝測試和2個月的試用，此次更換鉛酸蓄電池芯后電池性能達(dá)到預(yù)期效果，目前AGV小車運行狀態(tài)良好，對比進(jìn)口蓄電池價格為公司節(jié)約了采購資金。

4 結(jié)束語

隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展及成本降低，鉛酸蓄電池改成鋰電池也將是一種趨勢。通過此次蓄電池國產(chǎn)化電池芯替換的嘗試，也讓我們對進(jìn)口設(shè)備有了更進(jìn)一步的了解，有助于我們?nèi)∷酥L，結(jié)合自身特點設(shè)計出適用于我們自己的設(shè)備。