Základná elektronika, ktorú potrebujete pre svoju rybársku súpravu na kajaku. Predstavte si inžiniera, ktorý vybavuje rybársky kajak na turnaj: priestor je obmedzený, hmotnosť kritická, prostredie slanej vody je brutálne a zlyhanie neprichádza do úvahy. Napájate senzory, navigáciu a pohon. Ak sa váš napájací systém pokazí, vaša misia sa skončila.
Tento scenár je mikroskopickým príkladom návrhu napájania priemyselných mobilných zariadení, ako sú AGV alebo prenosné zdravotnícke zariadenia. Základné výzvy sú rovnaké: dosiahnutie maximálneho výkonu a spoľahlivosti v rámci prísnych fyzikálnych limitov.
Ako skúsený odborník na batérie som videl, že vynikajúce návrhy boli zmrzačené tým, že zdroj energie bol považovaný za vedľajší. To je najväčšia chyba - batéria nie je príslušenstvo, je to srdce vášho stroja. Táto príručka je štruktúrovaná od zdroja napájania smerom von, aby vám ukázala, ako vytvoriť systém, ktorý bude fungovať v teréne.
12V 100ah lifepo4 batéria
Váš napájací systém je dôležitejší ako vaše primárne užitočné zaťaženie
Inžinierske tímy príliš často začínajú s hlavnou udalosťou - senzorom, robotickým ramenom, vysielačom. Z našich skúseností s priemyselnými klientmi však vyplýva, že ak tento scenár obrátite, ušetríte si veľa bolesti hlavy. Ešte predtým, ako začnete premýšľať o hlavnom užitočnom zaťažení, musíte definovať svoje rozpočet na energiu.
Aké je celkové trvalé a špičkové zaťaženie? Aký čas chodu nevyhnutne potrebujete? Aké sú presné limity objemu a hmotnosti, ktoré môžete dať akumulátoru? Odpovede na tieto otázky vám najskôr zabránia navrhnúť systém, ktorý potrebuje fyzicky príliš veľký alebo ťažký akumulátor. Nakoniec zdroj energie definuje, čo celá vaša platforma dokáže a čo nie.
Veľká diskusia: LiFePO4 vs. AGM a noví súperi
Výber chemického zloženia batérie je najdôležitejším rozhodnutím, ktoré urobíte. Má priamy vplyv na hmotnosť, dobu prevádzky a celkové náklady na vlastníctvo (TCO). Pri väčšine moderných mobilných zariadení sa diskusia zvyčajne zužuje na dvoch hlavných hráčov.
- LiFePO4 (fosfát lítia a železa): Táto chémia je moderným šampiónom, a to z dobrého dôvodu. Jej energetická hustota je fantastická a poskytuje vám viac výkonu v menšej a ľahšej škatuľke. Hmotnosť je obrovským faktorom. Balík LiFePO4 môže mať doslova menej ako polovicu hmotnosti oloveného akumulátora s rovnakou použiteľné kapacitu. Poskytujú tiež peknú, plochú krivku vybíjacieho napätia, takže vaše zariadenie má stabilný výkon až do konca. Najdôležitejšie je, že ich životnosť cyklu je neuveriteľná - hovoríme o 2 000 až 5 000 hlbokých cykloch. Niet divu, že sa používajú v skladových robotoch a ľahkých elektrických vozidlách, s ktorými sa každý deň tvrdo pracuje.
- AGM (Absorbent Glass Mat): Tento uzavretý olovený akumulátor považujte za spoľahlivého pracovného koňa predchádzajúcej generácie. Je odolný a má nižšiu cenu. Problémom je jej hmotnosť a veľmi obmedzená využiteľná kapacita - bez dlhodobého poškodenia môžete bezpečne využívať len približne polovicu jej menovitého výkonu. Zatiaľ čo ich stále vidíme v stacionárnych systémoch UPS, pre nové mobilné konštrukcie jednoducho nemá zmysel váhový postih.
Tu je jednoduchý spôsob, ako sa na to pozrieť v prípade priemyselného projektu:
| Funkcia | LiFePO4 | AGM |
|---|
| Hmotnosť | Veľmi ľahké | Ťažké |
| Využiteľná kapacita | 80-100% | 50-60% |
| Životnosť (cykly) | 2,000-5,000 | 300-700 |
| Počiatočné náklady | Vysoká | Nízka |
| Výber experta | Pre vysoko výkonné mobilné zariadenia citlivé na hmotnosť | Pre stacionárne záložné alebo staršie systémy s obmedzeným rozpočtom |
Viem, že ďalšia otázka sa často týka nových technológií, najmä Sodíkovo-iónová batéria (Na-ion). Úradníci zodpovední za verejné obstarávanie ju milujú, pretože suroviny sú lacné a je ich dostatok. V súčasnosti sa jeho energetická hustota nevyrovná Batéria LiFePO4, čo je pre náš kompaktný kajak ťažký oriešok. Ale jeho pôsobivý bezpečnostný profil a fantastický výkon pri extrémnych teplotách je to technológia, ktorú treba sledovať pre stacionárne skladovanie energie a určité priemyselné zariadenia, kde hmotnosť nie je najdôležitejšia.
V tomto prípade ide o matematiku, ktorá je neoddiskutovateľná. Príliš malý počet, a váš čas behu je neúspešný. Ak je príliš veľký, premrháte rozpočet, priestor a hmotnosť. Ampérhodiny (Ah) sú len mierou kapacity - predstavte si ju ako veľkosť palivovej nádrže.
Samotný vzorec je jednoduchý: Celkový odber zariadenia v ampéroch (A) x požadovaný čas prevádzky (h) = požadovaná kapacita (Ah)
Potom vždy pridajte bezpečnostnú rezervu (20-25% je dobré pravidlo) a zvážte chemické zloženie. V prípade batérie AGM budete musieť výsledok zdvojnásobiť, aby ste zohľadnili jej využiteľnú kapacitu 50%. V prípade LiFePO4 je vypočítané číslo oveľa bližšie k tomu, čo skutočne potrebujete.
- Preskúmame čísla: Povedzme, že sústava senzorov odoberá 0,7 A a musí bežať celých 24 hodín.
0,7 A x 24h = 16,8 Ah.- S vyrovnávacou pamäťou 20%:
16,8 x 1,2 = 20,16 Ah.
- Chceli by ste špecifikovať 12V 20Ah batéria LiFePO4. Ak chcete získať rovnaký výkon z AGM, museli by ste použiť oveľa ťažšiu 40Ah batériu.
Úroveň 1: Systémy, ktoré musíte mať (základná prevádzková záťaž)
Považujte to za základnú úroveň - komponenty, ktoré vaše zariadenie potrebuje, aby mohlo vykonávať svoju primárnu úlohu.
1. Vyhľadávač rýb / mapovač: Váš primárny snímač a riadiaca jednotka
Je to dobrá náhrada za vaše hlavné prevádzkové zaťaženie. Je to LIDAR na AGV, telemetrický balík na dróne alebo hlavný procesor v diagnostickom nástroji. Tieto komponenty majú zvyčajne nízky, ale stály odber energie a vyžadujú čisté, stabilné napätie. Malá, vyhradená 12V batéria LiFePO4 s kapacitou 10-20 Ah je inteligentný spôsob, ako izolovať túto citlivú elektroniku od elektrického "šumu" väčších motorov.
2. Rádio VHF alebo PLB: váš kritický bezpečnostný a komunikačný systém
Pre každý autonómny alebo vzdialený systém je nepriestrelné komunikačné spojenie nevyhnutnosťou. Môže to byť mobilný modem, sledovacie zariadenie GPS alebo riadiaca jednotka odolná voči poruchám. Mnohé z nich majú malé interné batérie, ale skutočne profesionálny dizajn zahŕňa spoľahlivý port USB námornej triedy, ktorý zabezpečí, že sa batérie neustále dobíjajú. Všetko je to o redundancii.
Úroveň 2: Systémy, ktoré menia pravidlá hry (vysoko náročné a pomocné zaťaženie)
Sú to komponenty, ktoré posúvajú výkon vášho zariadenia na vyššiu úroveň. Zároveň sú bezpodmienečne najhladovejšie po výkone.
1. Trollingový motor: Váš pohonný systém alebo systém s vysokým výkonom
Toto je priama analógia pre akýkoľvek systém s vysokým odberom: hnací motor na ROV, robotické rameno zdvíhajúce ťažké predmety alebo hydraulické čerpadlo. Tieto veci môžu pri práci ťahať 30 až 50 ampérov alebo viac.
Úprimne povedané, v tomto prípade už LiFePO4 nie je luxus - je to požiadavka. Snaha napájať takýto systém pomocou AGM v mobilnej aplikácii povedie len k frustrácii. Pri zaťažení dôjde k masívnemu poklesu napätia a zničíte životnosť batérie. Vyhradený 12V alebo 24V 50Ah-100Ah LiFePO4 akumulátor je tu priemyselným štandardom, ktorý je skonštruovaný tak, aby poskytoval trvalý výkon, ktorý tieto systémy potrebujú.
2. Navigačné svetlá a porty USB: Pomocné a servisné systémy
Neznepokojujte sa maličkosťami, ale ani na ne nezabúdajte. Kontrolky LED, ventilátory chladenia, servisné porty - to všetko sa sčítava. Tu je profesionálny tip: integrujte vodotesný port USB, ktorý má zabudovaný displej voltmetra. Je to lacný a neuveriteľne efektívny spôsob, ako môže technik v teréne okamžite zistiť stav nabitia a celkový stav systému.
Jednoduchý a bezpečný plán integrácie
Najlepšie komponenty neznamenajú veľa, ak nie sú správne zapojené. Vo vnútri každej lítiovej batérie je Systém správy batérií (BMS) je mozog, ktorý chráni bunky. Vonkajšie zapojenie je však vo vašom tíme.
Váš kontrolný zoznam pre manipuláciu:
- Začnite s krytom s krytím IP: Chráňte batériu pred poveternostnými vplyvmi. Je to životodarná súčasť vášho systému.
- Nikdy nevynechávajte poistkový blok: Nie je to voliteľné. Je to najdôležitejšie bezpečnostné zariadenie, ktoré chráni vašu drahú elektroniku pred prepätím.
- Trvajte na pocínovanom vodiči námornej kvality: Korózia je tichým zabijakom elektrických systémov. Pocínovaný medený vodič je nevyhnutnosťou pre každé prostredie, ktoré nie je dokonale klimatizované.
- Každé pripojenie je vodotesné: Používajte tepelne zmršťovacie konektory. Voda a elektrina nie sú priatelia.
- Plánujte prevádzkyschopnosť: Udržiavajte elektroinštaláciu prehľadnú a označenú. Čistá zostava vám v budúcnosti desaťkrát uľahčí riešenie problémov.
ČASTO KLADENÉ OTÁZKY
Môžem prevádzkovať náš motor s vysokým odberom a citlivú riadiacu elektroniku z tej istej batérie?
Odpoveď: Je to častá otázka. Zatiaľ čo vy môže je to nastavenie, ktoré dôrazne neodporúčame. Motory s vysokým odberom vytvárajú množstvo elektrického šumu a zvlnenia napätia, ktoré môžu spôsobiť, že citlivé regulátory a snímače sa budú správať nepravidelne. Profesionálny prístup spočíva v použití dvoch batérií: veľkej pre "špinavú" záťaž motora a menšej, izolovanej pre "čistú" elektroniku.
Čo ak naše zariadenie pracuje pri teplotách pod bodom mrazu? Ako to ovplyvní LiFePO4?
Odpoveď: To je kritický aspekt návrhu. Nemôžete nabíjanie štandardnej batérie LiFePO4 pod bodom mrazu (0 °C) bez toho, aby došlo k jej trvalému poškodeniu. Pre aplikácie v chladnom počasí musíte špecifikovať akumulátor so zabudovanými vyhrievacími prvkami. Systém BMS automaticky využíva malú časť vlastnej energie batérie na zahriatie článkov na bezpečnú teplotu pred začiatkom nabíjania.
Ako správne nabíjať batériový systém LiFePO4 v našom zariadení?
Odpoveď: Musíte použiť nabíjačku určenú špeciálne pre LiFePO4 (s profilom CC/CV). Ak použijete štandardnú olovenú nabíjačku, v lepšom prípade sa vám nepodarí batériu úplne nabiť a v horšom prípade poškodíte články alebo BMS. Vždy prispôsobte nabíjačku chemickým vlastnostiam.
Stojí vyššie počiatočné náklady na LiFePO4 naozaj za to oproti AGM?*
Odpoveď: Keď sa pozriete na celkové náklady na vlastníctvo (TCO), odpoveď je jednoznačne áno. Batéria LiFePO4 môže stáť dvakrát alebo trikrát viac, ale poskytuje päť- až desaťnásobne dlhšiu životnosť. To znamená, že batériu AGM by ste mohli vymeniť päťkrát skôr, ako by pôvodná batéria LiFePO4 začala degradovať. Ak k tomu pripočítate zvýšenie výkonu vďaka nižšej hmotnosti a zníženiu počtu servisných zásahov, návratnosť investícií do batérie LiFePO4 je jasná.
Záver
Aký je teda záver? Vytvorenie skutočne spoľahlivého mobilného napájacieho systému - či už pre rybársky kajak alebo priemyselného robota - sa obmedzuje na niekoľko základných myšlienok. K napájaciemu systému pristupujte ako k základu. Vyberte si správny chemický materiál pre danú misiu a pre väčšinu mobilných úloh to dnes bude LiFePO4. Správne ho dimenzujte a integrujte s ohľadom na bezpečnosť a servisovateľnosť.
Investícia do dobre navrhnutého systému napájania nie je len položkou v kusovníku. Je to investícia do výkonu a reputácie vášho výrobku. Je to to, čo zaručuje, že vaše zariadenie vždy splní svoju úlohu.
Ak ste pripravení navrhnúť napájací systém, ktorý v teréne nezlyhá, Kontaktujte nás. Môžeme si prejsť špecifické požiadavky vášho ďalšieho projektu a navrhnúť riešenie, ktoré bude odolné.