Soluciones de baterías para robots, AGV y AMR

Los robots, vehículos guiados automatizados y robots móviles autónomos dependen de baterías fiables para mover cargas, operar sensores y mantener la comunicación con los sistemas de control de fábricas o almacenes.

Seleccionar una batería solo por voltaje y capacidad puede resultar en un tiempo de funcionamiento insuficiente, apagados inesperados o degradación prematura. Un pack de baterías robótico adecuado también debe soportar corriente máxima, carga frecuente, comunicación BMS, protección mecánica y las condiciones operativas de la máquina completa.

Cómo difieren los requisitos de energía de robots, AGV y AMR

Los robots industriales pueden incluir robots de inspección, robots de servicio, plataformas humanoides, robots de limpieza y manipuladores móviles. Sus cargas pueden cambiar rápidamente cuando motores, juntas, cámaras y sistemas informáticos operan juntos.

Los AGV normalmente siguen rutas predefinidas utilizando cinta magnética, marcadores, cables u otros métodos de guiado. Muchos operan repetidamente entre puntos fijos de carga y de carga.

Los AMR utilizan sensores, software de navegación y procesamiento a bordo para planificar rutas de forma dinámica. Su batería alimenta no solo el sistema de propulsión, sino también el LiDAR, cámaras, comunicaciones inalámbricas y hardware informático.

Por tanto, cada plataforma requiere una solución de baterías basada en su ciclo de trabajo real en lugar de un objetivo general de capacidad.

Cálculo de voltaje, capacidad y corriente máxima

El voltaje de la batería debe coincidir con el controlador del motor, los convertidores DC-DC y el sistema de carga. Las plataformas comunes de robots y AGV pueden usar sistemas de baterías de 24V, 36V o 48V, mientras que equipos más grandes pueden requerir voltajes más altos.

La capacidad debe calcularse a partir de la carga media del dispositivo, el tiempo de funcionamiento requerido, las pérdidas de eficiencia y la energía de reserva. La batería no debe estar diseñada para usar el 100% de su capacidad nominal en cada ciclo.

La corriente máxima es igualmente importante. Arrancar, acelerar, girar, subir y levantar puede generar demandas de corriente mucho mayores que la carga normal de operación. Las celdas, barras colectoras, BMS, fusible, conectores y cableado deben soportar estos picos temporales sin caídas excesivas de tensión ni apagones de protección no deseados.

¿LiFePO4 o ion de litio?

Las baterías LiFePO4 están ampliamente consideradas para AGV y AMR porque ofrecen una larga vida útil, una fuerte estabilidad térmica y buen soporte para cargas repetidas. Son adecuados para equipos que funcionan durante varios turnos y que vuelven frecuentemente a un cargador automático.

Las baterías de iones de litio NMC proporcionan mayor densidad energética, permitiendo que más energía quepa en un paquete más pequeño y ligero. Esto puede beneficiar a robots compactos, equipos de inspección y plataformas móviles donde el espacio y el peso de instalación son limitados.

La química correcta depende de:

• Duración requerida
• Espacio disponible en la batería
• Limitaciones de peso
• Corriente continua y pico
• Vida útil esperada del ciclo
• Frecuencia de carga
• Temperatura de funcionamiento
• Coste objetivo

La calidad de las células y la ingeniería del envase son más importantes que elegir una química basándose únicamente en una sola especificación.

Funciones inteligentes del BMS

El BMS es el centro de control y protección de un paquete de baterías de robots. Las funciones básicas incluyen protección contra sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente, cortocircuitos y protección contra temperatura.

Sistemas de baterías AGV y AMR más avanzados también pueden incluir:

• Monitorización de voltaje individual de celda
• Balanceo pasivo o activo
• Estimación del estado de carga
• Informes sobre el estado de salud
• Control de la corriente de carga y descarga
• Gestión de contactores y precarga
• Sensores de temperatura múltiples
• Registro de ciclos e historial de fallos
• Control del sueño y despertar

La información precisa sobre el estado de carga permite al sistema de gestión de flotas programar la carga antes de que el robot pierda suficiente potencia para completar su tarea asignada.

Comunicación CAN y RS485

Las baterías de robots a menudo necesitan intercambiar información con el controlador del motor, el cargador o el sistema de control central.

El bus CAN se selecciona habitualmente para la comunicación en tiempo real por batería en equipos móviles. RS485 puede soportar una transmisión robusta de datos a largas distancias de cable, mientras que UART o SMBu pueden ser adecuados para plataformas robóticas más pequeñas.

La especificación de comunicación debe definir los identificadores de mensaje, la velocidad de baud, el formato de datos, el intervalo de actualización, los niveles de alarma y los comandos de apagado. La batería, el controlador robot y el cargador deben seguir el mismo protocolo.

Un pack mecánicamente compatible seguirá fallando en la integración si la comunicación BMS no coincide con el sistema anfitrión.

Opciones de carga

El diseño de carga robótica afecta directamente a la disponibilidad de la flota. Los métodos más comunes incluyen:

Carga manual enchufable

El operador conecta el robot a un cargador cuando el nivel de batería está bajo. Esto es sencillo, pero depende de la programación manual.

Carga automática por contacto

El AGV o AMR se acopla a una estación de carga, donde los contactos conductores conectan automáticamente la batería al cargador. Esto permite la carga de oportunidad durante los periodos de inactividad.

Intercambio de baterías

Un pack extraíble puede reemplazarse manual o automáticamente. El cambio de batería reduce el tiempo de inactividad pero requiere conectores duraderos, cierre seguro e identificación constante de la batería.

Carga inalámbrica

La carga inductiva elimina los contactos de carga expuestos y puede simplificar el acoplamiento. Sin embargo, la batería y la electrónica de potencia deben diseñarse en función de las condiciones de carga, eficiencia, alineación y térmica.

El voltaje de carga, la corriente y la lógica de comunicación deben coincidir con la química de la batería y los ajustes de BMS seleccionados.

Diseño Mecánico y Ambiental

La batería de un robot móvil está expuesta a vibraciones, impactos y movimientos repetidos. El recinto debe proteger las celdas, el BMS y las conexiones internas mientras asegura el paquete dentro del robot.

Dependiendo de la aplicación, el diseño puede requerir:

• Caja de plástico metálica o ignífuga
• Portaceldas antivibratorias
• Conectores de bloqueo de alta corriente
• Desconexión de servicio y fusible
• Protección contra el polvo y la humedad
• Manillas o guías para reemplazo
• Calefacción para carga a baja temperatura
• Enfriamiento o propagación térmica

Los robots de almacenamiento en frío requieren especial atención porque normalmente las baterías de litio no pueden cargarse a temperaturas muy bajas sin controles adecuados.

Pruebas y cumplimiento

IEC 62619:2022Especifica requisitos de seguridad y pruebas para pilas de litio secundarias y baterías utilizadas en aplicaciones industriales. La norma incluye específicamente vehículos guiados automatizados entre sus ejemplos de aplicaciones de moción.

Las baterías de litio preparadas para el transporte también pueden requerir pruebas bajo el apartado 38.3 del Manual de Pruebas y Criterios de la ONU, junto con un resumen de pruebas ONU38.3 y documentos de transporte apropiados.

ISO 3691-4:2023aborda los requisitos de seguridad para camiones industriales autónomos, incluidos AGV y AMR. Sin embargo, no proporciona los requisitos detallados para la fuente de energía de la batería, por lo que las evaluaciones a nivel de batería y las evaluaciones completas de la máquina deben planificarse por separado.

Pruebas adicionales pueden incluir la vida útil del ciclo, descarga de alta corriente, vibraciones, caídas, temperatura, durabilidad del conector, comunicación y pruebas de adaptación del cargador.

Desarrollo personalizado con GLOFLUX

GLOFLUX puede desarrollar paquetes de baterías para robots, AGV y AMR según los requisitos eléctricos, mecánicos y de comunicación de un proyecto OEM.

El desarrollo comienza con voltaje, capacidad, perfil de carga, corriente punta, tiempo de funcionamiento, dimensiones, conector, cargador y datos de comunicación. Los ingenieros pueden entonces seleccionar la configuración de la celda, la arquitectura del BMS, los ajustes de protección y la estructura del recinto.

Los prototipos deben probarse dentro del robot real en condiciones de aceleración, elevación, navegación, carga y baja batería. Esta etapa de integración ayuda a identificar picos actuales, errores de comunicación y problemas térmicos antes de la producción en masa.

Conclusión

Un pack de baterías robótico fiable debe combinar capacidad energética, potencia, vida útil, comunicación y protección mecánica. La coordinación temprana entre el fabricante del robot, el proveedor de baterías y el desarrollador del cargador ayuda a mejorar el tiempo de actividad mientras reduce los riesgos de integración y certificación.

Preguntas frecuentes

1. ¿Qué química de baterías es la mejor para AGV y AMR?

El LiFePO4 suele preferirse por su larga vida útil y estabilidad térmica, mientras que el NMC de iones de litio es adecuado cuando se prioriza el tamaño compacto y el menor peso.

2. ¿Cómo se calcula la capacidad requerida de la batería?

La capacidad se basa en el consumo medio de energía, el tiempo de funcionamiento requerido, las pérdidas del sistema y la energía de reserva. La corriente de pico del motor y la de elevación deben evaluarse por separado.

3. ¿Puede la batería comunicarse con el controlador robot?

Sí. Las soluciones BMS personalizadas pueden soportar comunicación CAN, RS485, UART o SMBus según el protocolo del robot.

4. ¿Pueden las baterías AGV soportar carga automática?

Sí. Los packs pueden diseñarse para acoplar contactos, carga de oportunidad, cambio de batería o sistemas de carga inalámbrica.

5. ¿Qué información se necesita para una batería personalizada de robot?

Proporcionar voltaje, capacidad, corriente continua, corriente pico, tiempo de funcionamento, dimensiones, conector, protocolo de comunicación, cargador y requisitos de temperatura de funcionamiento.