铝加工厂进口AGV小车蓄电池国产化替换的尝试

陈 辉

(洛阳万基铝加工有限公司，河南 洛阳 471832 )

铝加工工厂AGV(Automated Guided Vehicle)小车靠蓄电池提供电力驱动，以智能高架仓库物流控制系统为依托，在控制服务器的调度下，依靠自身激光导航系统，可以实现在现场多个特定地址点间按预设路线的自主运行，小车配备电池管理系统，当电量过低时会自动运行至电池充装站进行更换电池作业，全程无需人为干预。

蓄电池的工作状态由插件式计算机输送数据的诊断装置连续监控。一旦蓄电池中的电量下降到容量的约10%，电池管理系统将传送信息到小车管理系统中。小车管理系统将会产生一个更换电池指令给小车，使其到电池充电站更换电池。AGV小车接近充电站并和它通讯，接下来通过充电站上的控制器给小车以进入的指令。空电池将被自动移动并通过运输系统运到最近的可以充电的位置。在空电池被移出后，充好电的电池被插入到小车内，并自动连接和锁死。利用很短的时间AGV小车就可以完成更换电池操作，并返回运行。

每个AGV小车都有一个备用蓄电池，保证运输车可以在24h内连续工作。我公司铝加工高架仓库物流系统有两辆德国西马格智能物流公司生产的AGV自动运卷小车，共配备4块铅酸蓄电池，该电池2011年出厂至今已使用8年，由于长时间使用，目前电池性能较差，已不能满足现场使用需要。由于德国原装进口蓄电池报价昂贵，因此我们开始对进口蓄电池国产化替换进行尝试。

1 几种适合AGV使用的蓄电池性能及价格比较

衡量AGV用蓄电池主要有两个性能指标，比能量(电池单位质量或单位体积所能输出的电能)和比功率(单位时间电池的比能量)，即电池的可持久性和力量大小。比能量高的动力电池耐力好，可以长时间工作，持续释放较多的能量，续航里程长；比功率高的动力电池速度快，力量大，具有很强的爆发力。显而易见，只有比能量高、比功率大且价格便宜、易于维护的动力电池才是AGV主能量源的首选。目前常用于AGV小车的动力蓄电池有铅酸电池、锂电池和镍氢电池3种。

1.1 镍氢蓄电池

镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极)，负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金(电极称储氢电极)，电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。其优点是比能量和比功率都比较高(相对来讲)，且快速充电性能较好，深度放电后15min可充满容量的40%～80%，工作温度范围宽。但镍氢蓄电池循环使用寿命较短，50%DOD放电最多500次，价格昂贵(1000W·h为600美元～800美元)。

1.2 锂电池

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池。目前主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两类。磷酸铁锂电池优势在于安全性高，性能强，高循环寿命，输出功率大，输出电压稳定，绿色环保；劣势是能量密度低，整组电池较重；其单体额定电压3.2V，工作电压2.5V～3.65V。三元锂电池的优势是单体电压高、重要轻、低温性好；其单体额定电压是3.6V，工作电压3.0V～4.2V；但安全性能上比磷酸铁锂电池还要低，且不支持倍率充放电，无快充功能。

由于价格及安全性能原因，导致锂电池长期没有得到广泛应用。不过随着科学技术的发展和环保的要求，近些年锂电池有逐渐成为主流的趋势。

1.3 铅酸蓄电池

铅酸电池(VRLA)是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

铅酸电池是目前AGV使用最为广泛的电池，据不完全统计，在已经生产的AGV车上使用铅酸电池的比例占到90%，这主要得益于其众多优点，发展历史悠久，技术较为成熟，比功率较大，循环寿命也可达800次～1200次，且成本较低。不过，其快速充电技术也尚未成熟，80%DOD放电再充满最快需8h以上。作为最早使用的AGV电池，其技术已十分成熟，可分为加水铅酸电池和免维护铅酸电池，我公司AGV小车原装配套的就是加水铅酸蓄电池。

2 蓄电池替换方案比较

根据目前公司AGV小车实际情况，制定了采用锂电池和铅酸蓄电池芯替换旧铅酸蓄电池的两套方案。

2.1 锂电池替换旧铅酸蓄电池

(1)锂电池需采用独立的电池管理模块，不能使用原有的电池管理系统，同时需要解决电池管理模块与AGV小车PLC控制系统通讯对接问题。

(2)锂电池组电压必须保持与原铅酸电池相同，否则可能烧坏控制器。

(3)原蓄电池充电器要改成锂电池专用充电器。铅酸蓄电池内阻大，一般充电器的输出电压较高，且很多有脉冲充电功能，可能造成锂电池充电时候过充；因为有保护板保护，充电时候会引起充电器输出电压设置不正常，落后的单体可能一直充不满而导致损坏。如果保护板损坏，造成高压充电，容易引起爆炸。

(4)由于两种电池体积和重量不同，需考虑锂电池安装质量、安装空间、是否参与整车配重等问题，否则将出现安装后不能使用的情况。

(5)锂电池与铅酸蓄电池相比，其稳定性更差，如果遇水或操作不当，有发生爆炸的风险。

2.2 铅酸蓄电池芯更换旧铅酸蓄电池

(1)对旧铅酸蓄电池电池芯进行拆除，更换为相同规格尺寸容量接近国产铅酸蓄电池电池芯，仍使用原有蓄电池外壳。

(2)根据新电池芯容量测算出电池放电曲线，完成电池容量监控。

(3)通过具有低电压保护功能的国产电量表实现小车自动监控电量，在电量不足时通过其内部继电器状态变化发出更换电池指令。

经联系多个国内品牌电池供应厂家，对比多个方案及价格，认为更换国产铅酸蓄电池芯更符合现场使用要求。考虑到铅酸电池具有电动势大、操作温度广、结构简单、技术成熟、使用可靠、价格适中等优点外，还兼顾旧铅酸蓄电池芯进行折价回收和安全方面考虑，选择第二套方案。

3 技术难题的解决

根据铅酸蓄电池芯更换旧铅酸蓄电池方案，结合现场实际情况，需要解决以下几个难题：

(1)蓄电池管理系统与小车PLC控制系统通讯。根据AGV小车运行蓄电池监控及自动更换蓄电池要求，检查分析解决蓄电池管理系统与AGV小车PLC控制系统通讯对接问题，对相关程序及电路进行修改，完成了自动更换蓄电池相关程序触发条件信号对接。

(2)蓄电池电量监测模块代换。由于长时间使用，已有多个原装电池管理系统损坏，不能使用，因该模块与原装电池配套，无法进行替代(图1)。经过多渠道查找，最后采用订制的国产蓄电池电量监测模块(图2)，该模块根据新蓄电池容量测算出电池放电曲线即可准确测算出蓄电池剩余电量，在电量不足时通过内部继电器状态变化向小车控制系统发出更换电池指令，通过它可解决AGV在电量不足时自动更换电池的问题。

(3)一键手动更换电池功能的实现。在自动更换电池基础上增加手动更换电池功能，通过修改小车原控制电路，增加控制按钮和继电器。当出现监测电池电量低于设定值时除了可以自动更换电池，还可以通过操作按钮完成更换电池指令单发出，实现了同时具备手动和自动更换蓄电池的功能。

(4)确定电池品牌及现场安装问题。沟通确定国内品牌电池供应厂家，对方案所需材料进行品牌、性能、价格对比，优中选优，并对购买回的电池芯进行连接安装，把好最后安装难关。

历经1个月的安装测试和2个月的试用，此次更换铅酸蓄电池芯后电池性能达到预期效果，目前AGV小车运行状态良好，对比进口蓄电池价格为公司节约了采购资金。

4 结束语

随着锂电池技术的发展及成本降低，铅酸蓄电池改成锂电池也将是一种趋势。通过此次蓄电池国产化电池芯替换的尝试，也让我们对进口设备有了更进一步的了解，有助于我们取他人之长，结合自身特点设计出适用于我们自己的设备。