Batterielaufzeit autonomer mobiler Roboter: Wie sich Last, Gelände und Arbeitszyklus auf die Betriebszeit auswirken

Die Batterielaufzeit autonomer mobiler Roboter wird nicht allein durch die Batteriekapazität bestimmt. Derselbe Akku kann unterschiedliche Betriebszeiten liefern, wenn sich Nutzlast, Bodenbeschaffenheit, Steigungen, Beschleunigungsfrequenz, Zusatzausrüstung und der Arbeitsplan des Roboters ändern.

Für die praktische Batteriedimensionierung wird die Laufzeit besser als das Verhältnis zwischen der nutzbaren Batterieenergie und dem tatsächlichen durchschnittlichen Stromverbrauch des Systems betrachtet. Die Nennkapazität bestimmt die dem Roboter zur Verfügung stehende Energie, während die tatsächliche Route und der Arbeitszyklus bestimmen, wie schnell diese Energie verbraucht wird.

Eine nützliche Ausgangsbeziehung ist:

Geschätzte Laufzeit (Stunden) ≈ Nutzbare Batterieenergie (Wh) ÷ Durchschnittliche Systemleistung (W)

Dabei handelt es sich eher um eine technische Schätzung als um eine garantierte Betriebszeit. Bei der realen Validierung sollten weiterhin die normale Nutzlast, Route, Verkehrsmuster, Hilfslasten und der Ladeplan des Roboters reproduziert werden.

Was bestimmt die Batterielaufzeit autonomer mobiler Roboter?

Die Batterielaufzeit autonomer mobiler Roboter hängt von zwei Seiten der Energiegleichung ab: wie viel Batterieenergie tatsächlich genutzt werden kann und wie viel Strom der AMR bei der Erledigung seiner Aufgaben verbraucht.

Zu den wichtigsten Variablen gehören:

Laufzeitfaktor	Welche Änderungen	Auswirkung auf den Batteriebedarf
Batteriekapazität	Gespeicherte Energie	Bestimmt den Grundenergiehaushalt
Nutzbares Energiefenster	Vor dem Aufladen verfügbare Energie	Begrenzt die praktische Energie pro Zyklus
Nutzlast	Fahrzeugmasse und Traktionsbedarf	Ändert die Antriebsleistung
Boden und Gelände	Rollwiderstand und Traktion	Ändert die Arbeitsbelastung des Antriebssystems
Pisten	Erforderliche Steigkraft	Erhöht den Antriebsbedarf
Stopp-Start-Frequenz	Beschleunigungszyklen	Ändert die durchschnittliche Antriebsleistung
Hilfssysteme	Sensoren, Computer, Aufzüge, Förderbänder	Fügt kontinuierliche oder intermittierende Last hinzu
Arbeitszyklus	Zeit, die mit Bewegen, Warten, Heben und Laden verbracht wird	Ändert den durchschnittlichen Systemverbrauch

Die gemeinsame Betrachtung dieser Variablen ergibt eine aussagekräftigere Schätzung der Laufzeit als der alleinige Vergleich der Batterie-Amperestunden.

Nennkapazität vs. nutzbare Energie

Batteriespezifikationen beschreiben die Kapazität üblicherweise in Amperestunden oder Ah. Für Laufzeitberechnungen sind Wattstunden im Allgemeinen nützlicher, da sie die Energiekapazität des Akkus im Verhältnis zur Spannung ausdrücken.

Eine grundlegende Konvertierung ist:

Nennenergie (Wh) = Nennspannung (V) × Nennkapazität (Ah)

Eine 48-V-Batterie und eine 24-V-Batterie mit gleicher Ah-Zahl speichern nicht die gleiche Nennenergie. Aus diesem Grund sollte Ah allein nicht verwendet werden, um die Batteriekapazität autonomer mobiler Roboter über verschiedene Systemspannungen hinweg zu vergleichen.

Auch Nennenergie sollte nicht automatisch als voll nutzbare Betriebsenergie behandelt werden.

Ein AMR-Batteriesystem arbeitet normalerweise innerhalb der Batteriemanagementgrenzen, die zur Steuerung der Lade- und Entladebedingungen dienen. Das nutzbare Energiefenster muss daher die tatsächliche Batteriekonfiguration und die BMS-Einstellungen widerspiegeln und nicht einfach davon ausgehen, dass jede Nennwattstunde während jeder Mission verfügbar ist.

Das DOE beschreibt wiederaufladbare Batterien als Systeme, die chemische potentielle Energie speichern und diese beim Entladen an einen externen Stromkreis abgeben. Die Batterieleistung ändert sich auch, wenn elektrochemische Materialien durch wiederholten Betrieb altern.

Unterscheiden Sie bei der Laufzeitplanung zwischen:

• Nennenergie: die Nennenergiekapazität der Batterie.
• Nutzbare Energie: die innerhalb des gewählten Betriebsfensters verfügbare Energie.
• Energiereserve: Die Kapazität wurde absichtlich beibehalten, um Betriebsschwankungen und einem zuverlässigen Rückkehr-zu-Lade-Verhalten Rechnung zu tragen.

Die Trennung dieser drei Werte erleichtert die Prüfung und Aktualisierung der Batteriedimensionierung.

Die durchschnittliche Leistungsaufnahme ist wichtig

Laufzeitberechnungen sollten verwendet werden durchschnittliche Systemleistung, nicht nur die Spitzenleistung der Antriebsmotoren.

Eine autonome mobile Roboterbatterie kann gleichzeitig Folgendes mit Strom versorgen:

• Antriebsmotoren
• Lenksysteme
• LiDAR und andere Sensoren
• Kameras
• Onboard-Computing
• Drahtlose Kommunikation
• Sicherheitssysteme
• Hebemechanismen
• Förderer oder Rollen
• Andere Aktuatoren zur Handhabung von Nutzlasten

Diese Lasten arbeiten nicht unbedingt während der gesamten Schicht mit voller Leistung. Antriebsmotoren arbeiten möglicherweise beim Beschleunigen oder Steigen stärker, während ein Hebemechanismus möglicherweise nur beim Aufnehmen und Absetzen funktioniert.

Ein grundlegender gewichteter Potenzansatz kann wie folgt geschrieben werden:

Durchschnittliche Leistung ≈ Summe der Betriebsleistung jeder Last × ihrem aktiven Betriebsanteil

Bei einem bestehenden AMR ist jedoch der protokollierte Batterieenergieverbrauch über repräsentative Betriebszeiträume in der Regel nützlicher, als sich ausschließlich auf die Werte auf dem Typenschild der Komponenten zu verlassen.

Wenn ein AMR beispielsweise über drei Stunden repräsentativen Betriebs 900 Wh verbraucht, beträgt seine gemessene durchschnittliche batterieseitige Leistung über diesen Zeitraum:

900 Wh ÷ 3 h = durchschnittlich 300 W

Dieser Wert kann dann als Ausgangspunkt für Laufzeitberechnungen unter ähnlichen Betriebsbedingungen verwendet werden.

Laufzeit, Reichweite und Betriebszeit

Laufzeit, Reichweite und Betriebszeit beschreiben verwandte, aber unterschiedliche AMR-Leistungsmetriken.

Laufzeit Gibt an, wie lange der Roboter von einem definierten Anfangsladezustand aus arbeiten kann, bevor er seinen Wiederaufladeschwellenwert erreicht.

Reichweite ist die Strecke, die der Roboter unter definierten Betriebsbedingungen zurücklegen kann.

Betriebszeit beschreibt, wie viel von der benötigten Betriebsdauer dem AMR für produktive Arbeit zur Verfügung steht.

Ein AMR kann daher über eine ausreichende Batterielaufzeit verfügen, erfordert aber dennoch eine Ladestrategie, die zum Produktionsplan passt. Umgekehrt kann ein AMR, der Zwischenladung nutzt, eine hohe Betriebsverfügbarkeit unterstützen, auch wenn seine ununterbrochene Laufzeit mit einer einzigen Ladung kürzer ist als die Dauer einer gesamten Anlagenschicht.

Für die Flottenplanung sollten diese Kennzahlen nicht austauschbar verwendet werden.

Reale Bedingungen ändern die Laufzeit

Eine Labor- oder Lastenheft-Laufzeitumgebung kann nicht jede Lager- oder Fertigungsanwendung abbilden.

Die Arbeit des NIST zur Leistung mobiler Roboter identifiziert insbesondere Schlupf, unebenen Bodenbelag, Vibration, schwere und dynamische Belastungen als reale Betriebsprobleme und umfasst Testarbeiten mit gewichtetem Fahren und Rampen.

Das ist für die Batterieplanung wichtig, da ein AMR Energie für die Erledigung körperlicher Arbeit aufwendet. Änderungen der Masse, des Streckenwiderstands, der Höhe, des Beschleunigungsverhaltens und der Aufgabenhäufigkeit verändern die für die Ausführung dieser Arbeit erforderliche Leistung.

Eine Laufzeitschätzung sollte daher an ein definiertes Betriebsprofil gebunden sein, wie zum Beispiel:

• Nutzlastbereich
• Streckenlänge
• Bodentyp
• Anzahl und Steigung der Rampen
• Typische Reisegeschwindigkeit
• Starts und Stopps pro Route
• Leerlaufzeit
• Hebe- oder Förderaktivität
• Lademöglichkeiten

Ohne diese Bedingungen hat ein Laufzeitwert nur begrenzten Wert für die Einsatzplanung.

Wie Nutzlast die Batterielaufzeit autonomer mobiler Roboter verändert

Die Nutzlast wirkt sich direkt auf die Batterielaufzeit des autonomen mobilen Roboters aus, da das Antriebssystem die Gesamtmasse des AMR und seiner Ladung bewegen muss.

Der Effekt ist am deutlichsten beim Beschleunigen, beim Steigen, bei häufigen Geschwindigkeitsänderungen und auf Strecken mit erheblichem Rollwiderstand sichtbar.

Die Nutzlast sollte daher sowohl in die Batteriedimensionierung als auch in die Laufzeitvalidierung einbezogen werden.

Nutzlast erhöht den Traktionsbedarf

Um einen schwereren AMR zu bewegen, muss das Antriebssystem ausreichend Traktion und Drehmoment für das erforderliche Bewegungsprofil erzeugen.

Beim Beschleunigen gilt folgende grundsätzliche Beziehung:

Kraft = Masse × Beschleunigung

Mit zunehmender Gesamtmasse des Fahrzeugs ist mehr Kraft erforderlich, um die gleiche Beschleunigung zu erreichen. Das Antriebssystem muss diese mechanische Arbeit leisten, was den Batteriebedarf bei Beschleunigungsvorgängen erhöht.

Auch die Zuladung kann den Rollwiderstand beeinflussen, da sich die Radlast mit zunehmender Fahrzeugmasse ändert. Der genaue Effekt hängt vom Raddesign, dem Reifenmaterial, der Bodenoberfläche, dem Lagersystem und dem AMR-Chassis ab.

Bei Batterieberechnungen kommt es darauf an, keine pauschale Nutzlaststrafe anzuwenden. Stattdessen sollte der Stromverbrauch für den vorgesehenen Belastungszustand des Roboters gemessen oder modelliert werden.

Häufige Starts erhöhen den Verbrauch

Zwei AMRs mit derselben Nutzlast können einen unterschiedlichen durchschnittlichen Stromverbrauch haben, wenn ihre Routen unterschiedliche Bewegungsprofile verwenden.

Betrachten Sie zwei Arbeitsabläufe:

• Route A: lange, kontinuierliche Fahrt mit relativ stabiler Geschwindigkeit
• Route B: wiederholtes Beschleunigen, Anhalten, Wenden, Warten und Neustarten

Route B führt zu häufigeren Änderungen der Antriebsnachfrage. Auch bei ähnlicher Gesamtfahrstrecke kann das Batterielastprofil unterschiedlich sein.

Dies ist besonders relevant in:

• Lagerflächen mit hoher Dichte
• Arbeitsabläufe mit häufigen Abholpunkten
• Belebte Kreuzungen
• Produktionslinien mit wiederholten Übergaben
• Flottenumgebungen mit häufiger Verkehrskontrolle

Für diese Anwendungen kann die durchschnittliche Energie pro abgeschlossener Mission nützlicher sein als die Entfernung allein.

Die Lastverteilung beeinflusst die Nachfrage

Das Gesamtgewicht der Nutzlast ist nicht die einzige Nutzlastvariable, die während des Tests kontrolliert werden sollte. Die Platzierung und Verteilung der Last kann auch das Verhalten der mobilen Basis beeinflussen.

Eine ungleichmäßige oder wechselnde Belastung kann die Radbelastung und die Traktionsbedingungen verändern. Dynamische Nutzlasten können auch die Stabilität beim Beschleunigen, Wenden und Anhalten beeinträchtigen.

Bei einem repräsentativen Batterielaufzeittest sollte daher die gleiche Belastungsanordnung verwendet werden, die im Normalbetrieb erwartet wird, und nicht einfach irgendwo am Fahrgestell die gleiche Gewichtsmenge hinzugefügt werden.

Bei AMRs, die Paletten, Gestelle, Behälter oder montierte Geräte transportieren, sollten die Testlasten den normalen Schwerpunkt und die Handhabungsbedingungen so genau wie möglich wiedergeben.

Volllast-Laufzeittests

Die Batteriedimensionierung sollte Tests am oberen Ende des vorgesehenen Nutzlastbereichs umfassen, wenn dieser Zustand einen normalen oder vorhersehbaren Betrieb darstellt.

Bei der Messung mobiler Roboter des NIST liegt der Schwerpunkt auf Leistungstests unter Fahrbelastung, Rampen, unebenem Boden und anderen Betriebsbedingungen, anstatt sich auf eine einzige idealisierte Testumgebung zu verlassen.

Ein nützlicher Volllasttest kann Folgendes aufzeichnen:

• Anfänglicher Ladezustand der Batterie
• Endgültiger Ladezustand der Batterie
• Energie verbraucht
• Testdauer
• Zurückgelegte Strecke
• Anzahl abgeschlossener Missionen
• Nutzlast
• Route
• Stoppt und startet
• Rampennutzung
• Aktivität des Hilfssystems
• Batterietemperatur
• Ladeereignisse

Das Wiederholen desselben Testprofils führt zu einer aussagekräftigeren Basislinie als ein einzelner Durchgang.

Dabei geht es nicht nur darum, eine möglichst lange Laufzeit zu ermitteln. Es geht darum, einen wiederholbaren Energieverbrauch unter den Betriebsbedingungen zu gewährleisten, denen der AMR tatsächlich ausgesetzt sein wird.

Wie Gelände- und Bodenbedingungen den AMR-Energieverbrauch verändern

Die Bodenbedingungen wirken sich auf den Energieverbrauch des AMR aus, da das Antriebssystem den Widerstand zwischen den Rädern des Roboters und der Fahrfläche überwinden muss.

Eine glatte Indoor-Route, ein rauer Industrieboden und eine Route mit Rampen können unterschiedliche Anforderungen an dieselbe autonome mobile Roboterbatterie stellen.

Das Gelände sollte daher als Teil des Energieprofils des AMR behandelt werden und nicht als separate mechanische Betrachtung.

Rollwiderstand nach Oberflächentyp

Der Rollwiderstand ist die Kraft, die einem Rad entgegenwirkt, wenn es über eine Oberfläche rollt.

Bei AMRs wird der Rollwiderstand durch folgende Faktoren beeinflusst:

• Radmaterial
• Raddurchmesser
• Reifenverformung
• Fahrzeugmasse
• Lagerzustand
• Bodenhärte
• Bodenrauheit
• Oberflächenverschmutzung

Ein glatter, harter Industrieboden kann ein anderes Widerstandsprofil erzeugen als rauer Beton, Fugen, beschädigter Bodenbelag oder andere unregelmäßige Oberflächen.

Der genaue Energieunterschied sollte für die tatsächliche Rad-Boden-Kombination gemessen und nicht einem festen Prozentsatz zugewiesen werden.

Dies ist besonders wichtig, wenn derselbe AMR in mehreren Teilen einer Anlage mit unterschiedlichen Bodenverhältnissen eingesetzt wird.

Steigungen erhöhen den motorischen Bedarf

Ein AMR, der einen Hang erklimmt, muss neben der Überwindung des Rollwiderstands auch gegen die Schwerkraft arbeiten.

Die entlang eines Hangs wirkende Gravitationskomponente kann wie folgt dargestellt werden:

Steigkraft = Masse × Erdbeschleunigung × sin(Steigungswinkel)

Das bedeutet, dass Nutzlast und Neigung interagieren.

Ein leicht beladener Roboter und ein voll beladener Roboter, die dieselbe Rampe nutzen, stellen nicht die gleichen Anforderungen an das Antriebssystem. Ebenso verändert sich bei zunehmender Steigung die Kraft, die erforderlich ist, um dieselbe Masse bergauf zu bewegen.

Bei Einrichtungen mit Rampen oder abgestuften Übergängen sollten Laufzeittests diese Abschnitte umfassen und nicht nur den Energieverbrauch beim Betrieb auf ebenem Boden abschätzen.

Radschlupf verschwendet Energie

Radschlupf kann den Energieverbrauch erhöhen, da die Motorleistung nicht mehr effizient in eine nützliche Fahrzeugbewegung umgesetzt wird.

NIST identifiziert Schlupf als eines der Probleme, die beim Testen mobiler Roboter auftreten, neben unebenem Boden, Vibrationen und dynamischen Belastungen.

Zu den potenziellen Mitwirkenden gehören:

• Staub oder Schmutz
• Nasse oder kontaminierte Oberflächen
• Oberflächenübergänge
• Ungleichmäßige Radbelastung
• Plötzliche Beschleunigung
• Enges Manövrieren
• Bodenunebenheiten

Ein Roboter kann daher Energie verbrauchen, ohne die erwartete Vorwärtsbewegung zu machen.

Wenn es auf einer Route immer wieder zu Traktionsproblemen kommt, kann der Energieverbrauch pro abgeschlossener Mission aussagekräftiger sein als die nominell zurückgelegte Distanz.

Raue Böden erhöhen den Verbrauch

Raue oder unebene Böden können den AMR-Strombedarf auf verschiedene Weise verändern.

Der Roboter muss möglicherweise mehr Lenkkorrekturen vornehmen, die Geschwindigkeit häufiger ändern, einen größeren Rollwiderstand überwinden oder auf Vibrationen und Traktionsänderungen reagieren. Das resultierende Antriebsprofil kann erheblich von einer kontinuierlichen Bewegung über einen gleichmäßigen Boden abweichen.

NIST erkennt insbesondere Bodenunebenheiten und Vibrationen als praktische Leistungsbedingungen für mobile Roboter an.

Für die Batterielaufzeitplanung besteht der beste Ansatz darin, eine Anlage in aussagekräftige Streckenzustände zu unterteilen und repräsentative Einsätze über diese hinweg zu messen.

Dies kann Aufschluss darüber geben, ob ein Teil der Anlage dauerhaft mehr Energie pro Fahrt benötigt als ein anderer.

Wie der betriebliche Arbeitszyklus die AMR-Laufzeit verändert

Der betriebliche Arbeitszyklus beschreibt, wie ein AMR seine Zeit auf Aktivitäten wie Reisen, Warten, Heben, Andocken, Laden, Entladen und Laden aufteilt.

Dies wirkt sich direkt auf die AMR-Laufzeit aus, da jede Aktivität ein anderes Leistungsprofil erstellt.

Ein Roboter, der die meiste Zeit unterwegs ist, nutzt seine autonome mobile Roboterbatterie nicht auf die gleiche Weise wie einer, der wiederholt anhält, Material anhebt, auf Prozessausrüstung wartet und kurze Strecken zurücklegt.

Operativer Arbeitszyklus vs. DoD

Betriebsdauer und Entladungstiefe sind nicht dasselbe.

Der Betriebszyklus beschreibt, wie der Roboter arbeitet.

Beispiele hierfür sind:

• 60% unterwegs
• 20% wartet
• 10% Materialtransport
• 10% laden oder andocken

Diese Prozentsätze sind nur ein Beispiel dafür, wie ein Arbeitsprofil beschrieben werden könnte; Jede Bereitstellung hat ihr eigenes Muster.

Die Entladetiefe (DoD) ist ein Batteriebegriff, der beschreibt, wie viel gespeicherte Kapazität im Verhältnis zu einem definierten Ladezustand entladen wurde.

Die NREL-Batterieforschung behandelt Entladetiefe, Ladezustand, Temperatur, C-Rate und Lade-/Entlade-Arbeitszyklusbedingungen als Variablen, die die Leistung und Alterung von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen können.

Durch die Trennung des Betriebszyklus vom Batterie-Verteidigungsministerium wird Verwirrung bei der Angabe der Laufzeitanforderungen vermieden.

Stop-and-go-Verkehr erhöht die Nachfrage

Ein AMR, der in einem freien Gang mit langen Fahrabschnitten eingesetzt wird, hat ein anderes Antriebsprofil als ein AMR, der in dichtem Verkehr eingesetzt wird.

Wiederholter Stopp-Start-Vorgang kann folgende Ursachen haben:

• Kreuzungen
• Menschenverkehr
• Andere AMRs
• Warteschlangen in der Arbeitszelle
• Abhol- und Bringstationen
• Türen
• Sicherheitsverlangsamungszonen

Jedes Beschleunigungsereignis verändert den Motorbedarf.

Aus diesem Grund beschreibt die Durchschnittsgeschwindigkeit allein den Energiebedarf eines AMR nicht vollständig. Zwei Strecken mit gleicher Durchschnittsgeschwindigkeit können dennoch einen unterschiedlichen Energieverbrauch haben, wenn eine deutlich mehr Beschleunigungs- und Verzögerungsereignisse enthält.

Wenn Verkehrsmuster wichtig sind, sollten Routentests eine normale Überlastung reproduzieren und nicht eine leere Anlage nutzen.

Leerlaufelektronik verbraucht Strom

Warten bedeutet nicht unbedingt, dass der AMR keine Energie verbraucht.

Viele Systeme bleiben aktiv, während der Roboter stationär ist, darunter:

• LiDAR
• Sicherheitssensoren
• Kameras
• Bordcomputer
• Drahtlose Vernetzung
• BMS-Elektronik
• Controller
• Mensch-Maschine-Schnittstellen

Während einer stationären Phase benötigen die Antriebsmotoren möglicherweise nur wenig Antriebsleistung, der Roboter verfügt jedoch immer noch über eine elektrische Grundlast.

Dies wird in Arbeitsabläufen wichtig, in denen AMRs lange Zeit auf Maschinen, Aufzüge, Türen, Förderbänder, Bediener oder andere Roboter warten.

Für diese Anwendungen sollte die Leerlaufleistung in den durchschnittlichen Systemverbrauch einbezogen werden, anstatt die gesamte Stillstandszeit als Nullenergiezeit zu behandeln.

Hilfslasten verkürzen die Laufzeit

Materialtransportgeräte ergänzen die Batterieladung autonomer mobiler Roboter um eine weitere Ebene.

Abhängig vom AMR-Design können Hilfssysteme Folgendes umfassen:

• Aufzüge
• Rollen
• Förderer
• Roboterarme
• Nutzlast-Verriegelungsmechanismen
• Angetriebene Racks
• Zusätzliche Sensoren
• Wärmemanagement-Hardware

Einige Hilfslasten arbeiten kontinuierlich. Andere erzeugen kurze Ereignisse mit höherer Leistung.

Die sinnvolle Berechnung ist daher nicht einfach die Nennleistung jedes einzelnen Zusatzgeräts. Seine Leistung multipliziert mit der Häufigkeit und der Betriebsdauer sollte in das Gesamtbetriebsprofil einfließen.

Für einen Roboter mit mehreren elektrischen Verbrauchern:

Durchschnittliche Systemleistung ≈ Antriebsleistung + Steuer- und Sensorleistung + gewichtete Hilfsleistung + Systemverluste

Dies ergibt eine realistischere Grundlage für die Laufzeitschätzung.

So schätzen Sie die tatsächliche AMR-Laufzeit vor der Bereitstellung ein

Eine praktische AMR-Laufzeitschätzung kann in fünf Schritten erstellt werden:

1. Berechnen Sie die Nennenergie der Batterie.
2. Nutzbare Batterieenergie ermitteln.
3. Schätzen oder messen Sie die durchschnittliche Systemleistung.
4. Legen Sie eine Betriebsreserve an.
5. Validieren Sie das Ergebnis auf repräsentativen Routen.

Die Berechnung sollte dann erneut überprüft werden, wenn sich Nutzlasten, Routen, Bodenbedingungen, Aufgabenhäufigkeit, Zusatzhardware oder Ladestrategie ändern.

Berechnen Sie die nutzbare Batterieenergie

Beginnen Sie mit der Nennenergie der Batterie:

Nennenergie (Wh) = Nennspannung (V) × Kapazität (Ah)

Anschließend ermitteln Sie, welche Energie im laufenden Betrieb tatsächlich zur Verfügung steht.

Eine nützliche Darstellung ist:

Nutzbare Energie = Nennenergie × nutzbarer Energieanteil

Der nutzbare Anteil sollte sich aus dem spezifischen Batteriesystemdesign und den Betriebsgrenzen ergeben und nicht aus einer universellen Annahme.

Wenn ein BMS oder eine Flottenstrategie bewusst obere und untere Ladezustandsgrenzen einhält, sollten diese Grenzen in der Berechnung berücksichtigt werden.

Nennenergie und nutzbare Energie

Stellen Sie sich einen AMR vor, der im repräsentativen Betrieb durchschnittlich 200 W benötigt und eine Betriebszeit von 8 Stunden benötigt.

Die benötigte abgegebene Energie beträgt:

200 W × 8 h = 1.600 Wh

Wenn ausgewählt Batterie Wenn die Betriebsstrategie 80% Nennenergie für den routinemäßigen Gebrauch zur Verfügung stellt, wäre die erforderliche Nennenergie vor dem Hinzufügen einer separaten Einsatzreserve wie folgt:

1.600 Wh ÷ 0,80 = 2.000 Wh

Der wichtige Unterschied besteht darin, dass der 20% außerhalb des nutzbaren Fensters nicht automatisch mit einer technischen Sicherheitsmarge gleichzusetzen ist.

Batteriebetriebsgrenzen und Laufzeitreserve sollten gesondert behandelt werden.

Schätzen Sie die durchschnittliche Leistungsaufnahme

Die durchschnittliche Leistung kann zunächst anhand der Komponentenbelastung und des Arbeitszyklus des Roboters geschätzt werden.

Für Komponente i:

Gewichtete Leistungᵢ = Betriebsleistungᵢ × Aktiver Zeitanteilᵢ

Dann:

Geschätzte Durchschnittsleistung = Summe der gewichteten Lasten

Typische Gruppen sind:

System	Machtverhalten
Antriebssystem	Sehr variabel in Bewegung und Nutzlast
Sensoren	Oft während des gesamten Betriebs aktiv
Computer	Oft kontinuierlich
Kommunikation	Kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich
Aufzug oder Förderband	Intermittierend
Andere Aktoren	Aufgabenabhängig

Für einen bestehenden AMR bieten protokollierte Energiedaten eine stärkere Grundlage.

Wenn der Akku während vier Stunden repräsentativen Betriebs 1.200 Wh liefert:

Durchschnittliche batterieseitige Leistung = 1.200 Wh ÷ 4 h = 300 W

Dieser Messwert spiegelt bereits einen Großteil der realen Interaktion zwischen Antrieb, Sensoren, Computer, Hilfsgeräten und Streckenbedingungen wider.

Traktions- und Hilfslasten

Es ist sinnvoll, die Lasten beim Testen in zwei große Gruppen zu unterteilen.

Traktionsbedingte Belastungen

• Antrieb
• Lenkung
• Beschleunigung
• Klettern
• Manövrieren

Hilfslasten

• Sensoren
• Computer
• Kommunikation
• Aufzüge
• Förderer
• Andere Nutzlastausrüstung

Diese Trennung erleichtert die Fehlerbehebung.

Wenn der Energieverbrauch steigt, nachdem der AMR mit einem neuen Materialtransportanbaugerät ausgestattet wurde, können Ingenieure den Zusatzverbrauch vergleichen, bevor sie die Antriebsbatterie neu konstruieren. Wenn der Verbrauch nur auf einer Strecke steigt, können die wahrscheinlichen Ursachen eher Zuladung, Gelände, Verkehr oder Steigung sein.

Wenden Sie eine Laufzeitreserve an

Eine Laufzeitschätzung sollte normalerweise nicht darauf ausgelegt sein, am Ladepunkt anzukommen und keine verbleibende Betriebsmarge zu haben.

Eine projektspezifische Reserve kann Variablen berücksichtigen wie:

• Routenänderungen
• Unerwartetes Warten
• Verkehr
• Nutzlastvariation
• Alterung der Batterie
• Längere Missionen
• Verfügbarkeit von Ladestationen

Es gibt keinen einzigen Reserveprozentsatz, der zu jedem AMR-Einsatz passt.

Der geeignete Wert hängt vom Betriebsrisiko, der Flottenredundanz, dem Ladezugang, der Missionskritikalität und der während der Tests beobachteten Variabilität ab.

Auch die Batteriealterung sollte bei der langfristigen Planung berücksichtigt werden. NREL-Untersuchungen zeigen das Lithium-Ionen-Akku Die Verschlechterung wird durch Faktoren wie Temperatur, Ladezustand, Entladetiefe, C-Rate und Arbeitszyklusbedingungen beeinflusst.

Die Batteriedimensionierung sollte daher die erforderliche Laufzeit über den vorgesehenen Betriebszeitraum unterstützen, nicht nur, wenn der Akku neu ist.

Validieren Sie mit Routentests

Der endgültige Laufzeitwert sollte unter repräsentativen Betriebsbedingungen überprüft werden.

Eine nützliche Validierungsmatrix kann Folgendes umfassen:

Testvariable	Einzuschließende Bedingungen
Nutzlast	Leere, normale und vorgesehene Hochlastkoffer
Boden	Repräsentative Anlagenoberflächen
Elevation	Rampen und abgestufte Abschnitte
Verkehr	Normale Betriebsüberlastung
Bewegung	Typische Stopps, Kurven und Beschleunigung
Zusatzausrüstung	Normale Aufgabenaktivität
Leerlaufzeiten	Echtes Warteverhalten
Laden	Tatsächlicher Andock- und Aufladeplan

Die Robotik-Messarbeiten des NIST unterstützen diesen allgemeinen Leistungstestansatz, indem sie definierte Testmethoden und Betriebsszenarien verwenden, um mobile Roboter unter Bedingungen wie gewichtigem Fahren, Rampen, unebenem Boden, Lasten und Schlupf zu bewerten.

Notieren Sie für jeden Test sowohl Zeit als auch Energie.

Zu den nützlichen Kennzahlen gehören:

• Wh pro Mission
• Wh pro Meile oder Kilometer
• Wh pro Nutzlastbewegung
• Durchschnittliche Leistung
• Laufzeit zwischen Ladeereignissen
• In Leerlaufzeiten verbrauchte Energie
• Ladezustand bei Abschluss der Mission

Dadurch entsteht ein Laufzeitmodell, das an die tatsächliche Produktionsaktivität gebunden ist, und nicht an einer generischen Batteriespezifikation.

Planen Sie Gelegenheitsladefenster

Die Laufzeit mit einer einzigen Ladung ist nur ein Teil der Verfügbarkeit der AMR-Flotte.

Wenn der Arbeitsablauf vorhersehbare Leerlaufzeiten enthält, kann das Zwischenladen einen Teil der während des Betriebs verbrauchten Energie wieder auffüllen, ohne dass der Roboter eine ganze Schicht lang an einem Ladegerät bleiben muss.

Mögliche Ladefenster sind:

• Geplante Produktionspausen
• Warten zwischen den Aufgaben
• Schichtwechsel
• Warteschlangenzeiten
• Flottenzeiten mit geringer Nachfrage

Aus der wichtigen Rechnung wird eine Energiebilanz:

Nettoenergieverbrauch = verbrauchte Betriebsenergie − Energie, die während der Ladefenster wieder aufgefüllt wird

Das Gelegenheitsladen ist am effektivsten, wenn die Lademöglichkeiten vorhersehbar genug sind, um in die Flottenplanung einbezogen zu werden.

Es sollte jedoch nicht dazu verwendet werden, einen zu kleinen Akku zu verstecken. Die Batterie des autonomen mobilen Roboters sollte immer noch ausreichend Betriebsspielraum für realistische Routenvariationen, verpasste Lademöglichkeiten und normale Batteriealterung bieten.

Halten Sie bei technischen Entscheidungen drei Leistungsfragen getrennt:

1. Wie lange kann der AMR mit der nutzbaren Batterieenergie betrieben werden?
2. Wie viel Energie verbraucht eine typische Mission?
3. Kann das geplante Laden die Energie schnell genug ersetzen, um die erforderliche Betriebszeit aufrechtzuerhalten?

Die Beantwortung aller drei Fragen ergibt ein zuverlässigeres Bild der Batterielaufzeit autonomer mobiler Roboter als die Batteriekapazität allein.

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