Leistungselektronik & Robotics – Ladung des Energiespeichers (Teil 2/5)

Energiespeicher sind ein zentraler Bestandteil in Automated Guided Vehicles (AGV), da sie erst deren mobile Funktionalität ermöglichen. Diese Speichersysteme, auf Batterie-, auf Supercap- oder auf Wasserstoffbasis spielen eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Betriebszeiten von AGVs in verschiedenen Anwendungen wie Lagerhäusern und Produktionsstätten. Kontinuierliche technologische Fortschritte verbessern die Leistungs- und Stromdichten von Energiespeichern ständig, was die Verbreitung und den Erfolg von AGVs in der industriellen Automation weiter vorantreibt. Energiespeicher sind unverzichtbare Schlüsselkomponenten, welche auch einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten der Fahrzeuge ausmachen. Einen dementsprechend hohen Stellenwert hat daher der Ladevorgang, da dieser den größten Einfluss auf die Lebensdauer der Energiespeicher hat.

Energieübertragung vom Netz ins Fahrzeug

Die Energieübertragung aus einem Stromnetz in den Energiespeicher kann über konventionelle Ladestationen mittels Lade- oder Schleifkontakte sowie über induktive Systeme erfolgen. Während die schlechtere Effizienz des induktiven Ladevorgangs in der Regel eine eher untergeordnete Rolle spielen dürfte, müssen sowohl Installations- und Komponentenkosten, Flexibilität in Bezug auf unterschiedliche AGV-Modelle als auch Wartungsaufwand und -intervalle der Systeme gegeneinander abgewogen werden.

Unabhängig der Übertragungstechnologie kommt es beim Ladevorgang immer zu demselben Interessenskonflikt. Einerseits soll der Ladevorgang möglichst schnell von statten gehen, um Standzeiten der Fahrzeuge zu minimieren, andererseits wirkt sich ein hoher Ladestrom negativ auf die Energiespeicherlebensdauer aus. Diese Diskrepanz erfordert ein ausgeklügeltes Lademanagement, welches in der Lage ist, situativ zwischen dem State of Charge (SoC) und dem State of Health (SoH) des Speichers zu priorisieren.

Grundvoraussetzung für eine solche Priorisierung ist die Möglichkeit, Ladestrom und Ladespannung entsprechend den System- und der Speicheranforderungen zu steuern. Dies kann durch ein entsprechend ausgelegtes externes Ladegerät oder durch einen im Fahrzeug verbauten Onboard-Charger, in der Regel ein DC/DC-Wandler erfolgen.

Steuerbare Ladestation

Der große Vorteil einer geregelten Ladestation ist, dass die notwendige und komplexe Technik für mehrere Fahrzeuge genutzt werden kann, und nicht in jedem AGV verbaut werden muss. Um beim Kontaktieren des Fahrzeuges mit dem Ladeport eine Funkenbildung und damit eine Abnutzung der Ladekontakte und eine Schädigung der Elektronik zu vermeiden, muss das Ladegerät in der Lage sein, ein kontaktiertes AGV zu erkennen, und erst danach die Ladespannung anzulegen. Des Weiteren sind Batterieinformationen für einen effektiven und schonenden Ladevorgang unabdingbar, was einen Informationsaustausch zwischen Batteriemanagementsystem und Ladestation bedarf.

DCDC-Wandler als Onboard-Charger

Bei Verwendung eines Onboard-Chargers reicht für die Versorgung des Fahrzeuges ein einfaches ungeregeltes AC/DC-Netzteil aus. Auch auf eine Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug kann verzichtet werden. Wird der Ladevorgang von einem DC/DC-Wandler, wie zum Beispiel dem DDL4848-48, im Fahrzeug gesteuert, können mittels Sense-Leitungen präzise Messungen an den Energiespeicherklemmen vorgenommen, und Ladestrom und Ladespannung exakt den Anforderungen angepasst werden. Sämtliche Parameter zum Ladevorgang und zum Stromspeicher stehen der FTS-Steuerung über den DC/DC-Wandler instantan zur Verfügung und können zur weiteren Ablaufplanung herangezogen werden.

Nach Erkennung einer anliegenden Ladespannung in der Ladestation durch den DC/DC-Wandler kann durch eine Delay-Time ein Stromfluss bei noch nicht vollständig hergestelltem Kontakt verhindert werden. Mittels einer integrierten Vorladeschaltung zur Strombegrenzung im Wandler besteht die Möglichkeit, die Abnutzung der Ladekontakte durch hohe Stromspitzen und Funkenbildung bei der Kontaktierung zu verhindern.

Der Ladevorgang

Je nach Art und Aufbau des Energiespeichers müssen bestimmte Ladekriterien zwingend erfüllt sein, um eine Schädigung oder gar einen Defekt des Speichers zu verhindern und den Ladeerfolg sicherzustellen. Bei Verwendung von Akkumulatoren spielen die Zellchemie, die Kapazität, die Temperatur sowie der Ladestand, auch State of Charge (SoC) genannt, eine wichtige Rolle. Dieser SoC ist nicht nur für den Ladevorgang, sondern für die Gesamt-Prozesssteuerung von großer Bedeutung, da er ausschlaggebend für die Restlaufzeit bis zum nächsten Ladevorgang eines Fahrzeuges ist.

Gerade bei Lithium-Akkus besteht aufgrund der relativ konstanten Spannung über weite Teile des SoC die Schwierigkeit, den Ladezustand mittels Spannungsmessung nur sehr schwer ermitteln zu können. Mit Hilfe einer präzisen Strommessung auf dem verbauten DCDC-Wandler, dem externen Ladegerät oder dem BMS kann mittels Coulomb Counting, also der Erfassung des Stromes über die Zeit des Ladevorgangs, die übertragene Ladeenergie bestimmt werden, und so Rückschlüsse über den SoC der Batterie gewonnen werden.

Bei Verwendung eines Supercaps als Energiespeicher, welcher einen linearen Spannungsverlauf zwischen 0V und der Ladeschlussspannung über den SoC aufweist, ist die Bestimmung des Ladezustandes deutlich einfacher. Hier besteht die Schwierigkeit, dass der verwendete Gleichspannungswandler einen sehr großen Spannungsbereich beim Laden und Entladen abdecken muss.

Fazit

Unabhängig ob induktives Laden oder Kontaktladen, ob externes Ladegerät oder verbauter DC/DC-Wandler oder ob Batterieelektrischer- oder Supercap-Speicher, eine steuerbare strombegrenzte Leistungselektronik ist in jedem Fall unabdingbar. Gerade in Hinblick auf die Bedeutung des Energiespeichers für den Betrieb des AGV’s und der beträchtlichen Anschaffungskosten, sollte hier seitens der Hersteller großes Augenmerk auf die verwendeten Komponenten gelegt werden.

Hier geht es zum dritten Teil der Serie – Leistungselektronik & Robotics – Energieversorgung eines FTS während des Betriebs.