24-V-Lithium-Ionen-Akkupack für industrielle Erstausrüster: Dimensionierung, Laufzeit, Batteriemanagementsystem (BMS), Laden und Integration

Wie sollte ein OEM einen 24-V-Lithium-Ionen-Akku bewerten? Ein 24-V-Lithium-Ionen-Akku kann eine praktische Stromversorgungsplattform für kompakte Industriemaschinen, RGV-Systeme, mobile Geräte, intelligente Terminals, Inspektionsgeräte, Automatisierungsmodule und andere Anwendungen sein, deren elektrische Architektur bereits auf einem 24-V-Stromkreis ausgelegt ist. Das Spannungsetikett allein gibt jedoch keine Auskunft darüber, ob ein Akku in der Maschine tatsächlich funktioniert. Für eine sinnvolle Akkuauswahl müssen verschiedene Fragen beantwortet werden: Welchen Spannungsbereich kann das Gerät sicher verarbeiten? Wie viel Energie benötigt die Maschine zwischen den Ladevorgängen? Welchen Dauerstrom zieht sie? Was passiert beim Anlauf oder bei anderen Lastspitzen? Ist das Ladegerät elektrisch kompatibel? Welches Verhalten zeigt das BMS des Geräts? Erforderlich?

Benötigt der Controller eine RS485- oder eine andere Kommunikationsschnittstelle?

Passt das Akkupack in den verfügbaren Platz?

Wird die gleiche genehmigte Konfiguration auch bei späteren Produktionsaufträgen verwendet?

Diese Fragen sind wichtig, da ein Akku nur eine Komponente des Stromversorgungssystems des Geräts ist.

Die Steuerung, Motoren, Aktoren, das Ladegerät, die Verkabelung, die Steckverbinder, die DC/DC-Wandler, das Batteriemanagementsystem (BMS), das Gehäuse und der Betriebszyklus beeinflussen die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Dieser Artikel geht daher davon aus, dass das Entwicklungsteam bereits eine 24-V-Architektur ernsthaft in Betracht zieht. Falls Sie in Ihrem Projekt noch nicht entschieden haben, ob die Hauptplattform 24 V oder 48 V haben soll, lesen Sie bitte zuerst den Leitfaden zur Auswahl von 24-V- und 48-V-Lithiumbatterien von Dailymag. Dies betrifft eine frühere Entscheidung bezüglich der Systemspannung. Hier liegt der Fokus woanders: Wie wählt und validiert man die richtige Batterie, wenn eine 24-V-Plattform in Betracht gezogen wird?

1. Prüfen Sie, ob die Angabe "24 V" dem tatsächlichen Spannungsbereich des Geräts entspricht.

Einer der häufigsten Fehler bei der Batterieauswahl ist, die Nennspannung als vollständige elektrische Spezifikation zu betrachten.

Das ist sie nicht.

"24 V" ist oft eine praktische Systemfamilienbezeichnung. Die tatsächliche Nennspannung des Akkus kann je nach Zellkonfiguration und Systemdesign etwas über oder unter der im Produktnamen angegebenen Spannung liegen.

Der aktuelle öffentliche Eintrag von Dailymag zu einem 24-V-Akku verdeutlicht dies. Die Website listet das Produkt unter der 24-V-Familie, während die Spezifikationstabelle eine Nennspannung von 25,2 V, eine Nennkapazität von 10,2 Ah und eine Ladespannung von 29,4 V angibt.

Dailymag

Diese Unterscheidung ist für OEM-Ingenieure wichtig.

Bevor Sie eine Batterie freigeben, prüfen Sie bitte die folgenden Spezifikationen des Geräts:

• Maximal zulässige Eingangsspannung
• Minimale Betriebsspannung
• Unterspannungsabschaltschwelle
• Überspannungsgrenze
• Eingangsbereich des Controllers
• Eingangsbereich des Motortreibers
• Anforderungen an den DC/DC-Wandler
• Anforderungen an die Hilfsschaltung
• Ausgangscharakteristik des Ladegeräts

Ein Produktname mit „24V“ Die Kompatibilität mit allen Maschinen, die eine 24-V-Architektur verwenden, wird nicht automatisch sichergestellt.

Warum der volle Spannungsbereich wichtig ist

Eine Batterie behält während ihres Entladezyklus nicht immer dieselbe Spannung bei.

Die Maschine muss korrekt funktionieren:

1. Nahe der oberen Ladespannung der Batterie.
2. Über dem normalen Betriebsspannungsbereich.
3. Nahe der zulässigen unteren Entladegrenze.

Akzeptiert der Controller nur einen engen Spannungsbereich, kann das System fehlerhaft funktionieren, selbst wenn die Nennwerte übereinstimmen.

Mögliche Symptome sind:

• Überspannungsalarme des Controllers
• Vorzeitige Abschaltung aufgrund niedriger Spannung
• Reduzierte nutzbare Laufzeit
• Inkompatibilität des Ladegeräts
• Unerwartete BMS-Fehler Abschaltung
• DC/DC-Wandlerfehler

Bei Austauschprojekten sollte der OEM daher die ursprünglichen Batteriespezifikationen und die elektrischen Grenzwerte des Geräts erfassen, anstatt einfach „eine weitere 24-V-Batterie“ zu bestellen.

Eine verbesserte Angebotsanfrage

Statt:

Wir benötigen eine 24-V-10-Ah-Lithiumbatterie.

Eine präzisere technische Anforderung lautet:

Das Gerät verwendet einen 24-V-Gleichstrombus. Der zulässige Eingangsspannungsbereich des Geräts beträgt X–Y V, die Ausgangsspannung des vorhandenen Ladegeräts beträgt X V / Y A, und die Batterie muss das angeschlossene Lastprofil unterstützen.

Dies gibt dem Batterielieferanten genügend Kontext, um festzustellen, ob die vorgeschlagene elektrische Konfiguration geeignet ist.

2. Kapazität anhand von Laufzeit und nutzbarer Energie, nicht nur Ah

Nach der Spannung vergleichen Käufer üblicherweise als Nächstes die Amperestunden (Ah).

Ah ist wichtig, gibt aber einem OEM nicht direkt Auskunft darüber, wie viele Stunden das Gerät laufen wird.

Die aussagekräftigere Ausgangsbeziehung ist:

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

Beispielsweise listet Dailymag für die aktuelle 24-V-Klasse folgende Werte auf:

• Nennspannung: 25,2 V
• Nennkapazität: 10,2 Ah
• Nennenergie: 257,04 Wh

Diese Werte sind intern konsistent, da:

25,2 V × 10,2 Ah = 257,04 Wh

Auf derselben Seite wird das Produkt derzeit in der Kategorie „RGV-Batterien“ von Dailymag gelistet. Dailymag

OEM-Käufer können die 24V 10,2Ah Batterie und die umfassendere RGV Lithium-Batterie-Kategorie als erste Referenz nutzen.

Für die endgültige Geräteauslegung sollte jedoch die aktuellste genehmigte Projektspezifikation stets separat bestätigt werden.

Beispielrechnung zur Laufzeit

Angenommen, eine Maschine verbraucht durchschnittlich ca. 100 W.

Eine einfache Schätzung der Nennenergie mithilfe von 257 Wh wären:

257 Wh × 100 W × 2,57 Stunden

Das bedeutet nicht, dass die Maschine garantiert 2,57 Stunden läuft.

Die tatsächliche Betriebszeit kann beeinflusst werden durch:

• BMS-Abschaltung
• Spitzenlasten
• Umwandlungsverluste
• Motorwirkungsgrad
• Zusatzlasten
• Temperatur
• Batteriezustand
• Betriebsdauer
• Erforderliche Reserve am Schichtende

Daher sollten Entwicklungsteams die Amperestunden (Ah) nicht direkt in eine garantierte Laufzeit umrechnen.

Verwenden Sie die Betriebsdauer anstelle eines einzelnen Durchschnittswerts.

Industriemaschinen verbrauchen selten konstant Strom.

Ein RGV kann:

1. Bei niedriger Leistung warten.
2. Beschleunigen.
3. Unter mäßiger Last fahren.
4. Anhalten.
5. Material umfüllen.
6. Erneut beschleunigen.
7. Sequenz wiederholen.

Eine aussagekräftigere Energieberechnung berücksichtigt, wie lange das Gerät in jedem Zustand verbringt.

Zum Beispiel:

Die genauen Werte müssen von der realen Maschine stammen.

Ein gemessenes Leistungs- oder Stromprotokoll ist, sofern verfügbar, aussagekräftiger als eine Schätzung.

Vermeiden Sie unnötige Überdimensionierung

Eine größere Batterie mag sicherer erscheinen, da sie mehr Energiereserven bietet.

Zusätzliche Kapazität kann jedoch auch Folgendes erhöhen:

• Abmessungen des Akkus
• Gewicht
• Kosten
• Ladezeit
• Mechanische Belastung
• Installation Komplexität

Bei kompakten Industrieanlagen können diese Kompromisse erheblich sein.

Das Ziel sollte sein:

Genügend nutzbare Energie für den tatsächlichen Betriebszyklus zuzüglich einer angemessenen technischen Reserve.

Nicht:

Der größtmögliche Ah-Wert, der ins Budget passt.

3. Dauerstrom und Spitzenstrom können wichtiger sein als die Kapazität

Ein Käufer kann die richtige Spannung und scheinbar ausreichende Kapazität wählen und dennoch Ausfälle im Feld erleben.

Ein häufiger Grund ist der Strombedarf.

Dauerstrom

Der Dauerstrom ist der Strom, den die Batterie im Normalbetrieb liefern muss.

Benötigt das Gerät dauerhaft mehr Strom, als der Akku liefern kann, sind folgende Folgen möglich:

• Übermäßiger Spannungsabfall
• Schutz des Batteriemanagementsystems
• Kabelerwärmung
• Steckererwärmung
• Reduzierte nutzbare Energie
• Thermische Belastung
• Instabiler Maschinenbetrieb

Spitzenstrom

Der Spitzenstrom ist eine kurzzeitig höhere Last.

Industrieanlagen können Stromspitzen erzeugen bei:

• Motoranlauf
• Beschleunigung
• Bremsvorgänge
• Heben
• Pumpenanlauf
• Lenkung
• Magnetventilbetätigung
• Gleichzeitige Aktorbewegung

Daher sollte eine korrekte Angebotsanfrage Folgendes spezifizieren:

Spitzenstrom + Dauer + Frequenz

„Spitzenstrom 40 A“ ist unvollständig, wenn der Lieferant nicht weiß, wie lange das Ereignis dauert:

• 100 Millisekunden
• 2 Sekunden
• 20 Sekunden
• 2 Minuten

Das sind sehr unterschiedliche technische Bedingungen.

Leistung nutzen, um den Strombedarf zu verstehen

Die grundlegende Beziehung lautet:

Leistung (W) = Spannung (V) × Stromstärke (A)

Bei einer Nennspannung von ca. 25,2 V entspricht eine Last von 20 A ungefähr:

25,2 V × 20 A ≈ 504 W

Dies ist eine vereinfachte Nennberechnung. Die tatsächliche Spannung kann sich im Betrieb ändern, und Systemverluste müssen weiterhin berücksichtigt werden.

Auf der aktuellen Produktseite von Dailymag für die 24-V-Klasse wird 20 A als maximaler Dauerentladestrom für die öffentlich angebotene Konfiguration mit 25,2 V / 10,2 Ah angegeben.

Dailymag

Diese Angabe bedeutet nicht, dass das Produkt automatisch für jede Maschine unter ca. 500 W geeignet ist.

Der OEM muss Folgendes noch bestätigen:

• Tatsächliches Lastprofil
• Spitzenlast
• Schutzeinstellungen
• Verkabelung
• Anschlussgrenzen
• Umgebungsbedingungen
• Verhalten des Reglers

Warum eine motorisierte Maschine Lastdaten benötigt

Stellen Sie sich zwei Maschinen vor, die jeweils 150 Wh pro Betriebszyklus verbrauchen.

Maschine A zieht nahezu konstant Strom.

Maschine B startet wiederholt einen Motor und erzeugt dabei kurzzeitig hohe Ströme.

Spitzenwerte.

Ihr Energiebedarf mag ähnlich erscheinen, doch ihre Anforderungen an das Batteriemanagementsystem (BMS) und den Strompfad sind sehr unterschiedlich.

Daher müssen Energie- und Stromdimensionierung separat durchgeführt werden.

Eine professionelle Angebotsanfrage für Batterien sollte daher beides enthalten.

Die Checkliste für Angebotsanfragen für Lithium-Akkupacks von Dailymag bietet einen umfassenderen Rahmen für die Zusammenstellung der Informationen, die ein Lieferant vor der Angebotserstellung benötigt.

4. Behandeln Sie BMS, Ladegerät und RS485-Schnittstelle als ein Integrationsproblem

Sobald Spannung, Energie und Last festgelegt sind, müssen OEM-Käufer die Elektronik rund um das Akkupack bewerten.

Bei Industrieanlagen wird hier oft der Unterschied zwischen einem Standardakku und einem anwendungsfertigen Akku am deutlichsten sichtbar.

Die Anforderungen an das BMS sollten anwendungsbezogen sein.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) kann für folgende Funktionen zuständig sein:

• Zellenspannungsüberwachung
• Akkupackspannungsüberwachung
• Stromüberwachung
• Temperaturüberwachung
• Überladeschutz
• Tiefentladeschutz
• Überstromschutz
• Kurzschlussschutz
• Zellenausgleich
• Zustandsbestimmung
• Fehlererkennung
Berichterstattung
• Kommunikation

Die wichtige Frage ist nicht:

„Hat die Batterie ein BMS?“

Nahezu jeder Lithium-Ionen-Akku verfügt über ein Batteriemanagementsystem.

Die wichtigeren Fragen sind:

• Welche Schutzschwellenwerte gelten?
• Wie erholt sich das BMS nach einem Schutzereignis?
• Welcher Stromwert löst den Schutz aus?
• Welche Informationen werden an die Maschine gemeldet?
• Wechselt das BMS in den Schlafmodus?
• Wie wird es aufgeweckt?
• Stimmt sein Kommunikationsverhalten mit dem des Host-Controllers überein?

Bei einer motorbetriebenen Maschine sind die Stromschwellenwerte des BMS besonders wichtig.

Eine Schutzeinstellung, die Bei einem elektronischen Gerät mit geringer Last kann dies den normalen Startvorgang einer Maschine mit hohem Motorstoßstrom unterbrechen.

Die Kompatibilität des Ladegeräts muss vor der Musterfreigabe bestätigt werden.

Akku und Ladegerät sollten als ein Ladesystem betrachtet werden.

Für OEM-Projekte sind folgende Angaben erforderlich:

• Ausgangsspannung des Ladegeräts
• Maximaler Ladestrom
• Anschluss
• Polarität
• Ladeverfahren
• Verfügbare Ladezeit
• Feste Montage des Ladegeräts an der Maschine
• Kommunikationsfunktion

Die aktuelle Produktspezifikation von Dailymag für die 24-V-Klasse gibt eine Ladespannung von 29,4 V und einen Standardladestrom von 2 A an. Dailymag

Dies sind Referenzwerte auf der Produktseite und keine allgemeingültigen Regeln für jede 24-V-Batterie.

Bei Verwendung einer benutzerdefinierten Kapazität, eines benutzerdefinierten Batteriemanagementsystems (BMS), einer benutzerdefinierten Zellkonfiguration oder Ladestrategie muss die für das jeweilige Projekt zugelassene Ladegerätspezifikation bestätigt werden.

Warum RS485 mehr als nur einen RS485-Anschluss benötigt

Auf der aktuellen Produktseite von Dailymag für die 24-V-Klasse wird RS485-Kommunikation aufgeführt. Dailymag

Das ist zwar eine nützliche Information, aber „RS485 wird unterstützt“ … beweist nicht die Kompatibilität mit einem OEM-Controller.

RS485 beschreibt die physikalische Kommunikationsschicht.

Die Maschine benötigt möglicherweise auch eine Vereinbarung zu Folgendem:

• Baudrate
• Registerbelegung
• Datenformat
• Spannungswerte
• Stromwerte
• SOC-Meldung
• Temperaturmeldung
• Alarmcodes
• Aktualisierungszeiten
• Timeout-Verhalten
• Geräteadressierung
• Schlaf-/Aufwachverhalten

Ein Controller kann eine Batterie nicht automatisch interpretieren, nur weil beide Produkte RS485 verwenden.

Vor der Musterproduktion sollte der OEM das Kommunikationsprotokoll bereitstellen, wenn das Gerät auf Batteriedaten angewiesen ist.

Fehlerverhalten definieren

Eine weitere oft übersehene Frage ist:

Was soll die Maschine tun, wenn die Kommunikation abbricht?

Verloren?

Mögliche Systemstrategien sind:

• Weiterbetrieb mit eingeschränkten Funktionen
• Warnung auslösen
• Kontrollierten Stopp einleiten
• Service anfordern
• Ladevorgang deaktivieren
• Auf alternative SOC-Berechnung umschalten

Die korrekte Reaktion hängt von der Ausrüstung ab.

Diese Verhaltensweisen sollten auf Systemebene besprochen und nicht erst bei den abschließenden Tests entschieden werden.

5. Die mechanische Integration entscheidet über die Nutzbarkeit der Batterie

Die Auswahl einer Industriebatterie ist nicht rein elektrisch.

Die Batterie muss ein wartungsfreundlicher Bestandteil der Maschine sein.

Ein OEM sollte daher die gesamten mechanischen Abmessungen vor der Freigabe des Designs festlegen.

Wichtige Parameter sind:

• Maximale Länge
• Maximale Breite
• Maximale Höhe
• Zulässiges Gewicht
• Einbauausrichtung
• Befestigungslöcher
• Halterungen
• Position des Griffs
• Position des Anschlusses
• Kabelaustrittsrichtung
• Kabellänge
• Minimaler Kabelbiegeradius
• Wartungsfreiraum
• Batterieausbau Richtung
• Position des Etiketts

Aktuelles 24-V-Produkt als Größenreferenz

Das aktuelle, öffentlich zugängliche 24-V-Produkt von Dailymag hat laut Produktspezifikationen folgende Abmessungen:

152 × 102 × 90 mm

und ein Gewicht von:

2,4 kg

Dailymag

Durch seine kompakte Bauform eignet sich das Produkt als Referenz für kleinere Industrieanlagen oder RGV-bezogene Installationen. Die physische Kompatibilität muss jedoch unbedingt mit der jeweiligen Maschine überprüft werden.

Eine Zeichnung ist aussagekräftiger als ein Satz wie:

Batteriefach: ca. 160 × 110 × 100 mm.

Die technische Zeichnung kann außerdem Folgendes vermitteln:

• Befestigungselemente kollidieren
• Tragwerkselemente
• Abdeckungsbewegung
• Elektronik in der Nähe
• Zugang zu Steckverbindern
• Kühlraum
• Kabelführung

Wartungsfähigkeit nach der Installation ist wichtig

Ein OEM-Projekt sollte nicht nur Folgendes berücksichtigen:

Kann die Batterie eingebaut werden?

sondern auch:

Kann ein Techniker sie später wieder ausbauen?

Häufige Probleme im praktischen Einsatz sind:

• Ein Steckverbinder ist hinter einer Tragplatte verborgen.
• Ein Griff wird durch einen anderen Griff blockiert.
Komponente
• Unzureichender Platz zum Abziehen eines Kabels
• Zum Ausbau der Batterie müssen andere Komponenten demontiert werden
• Kabel werden beim Schließen des Deckels zu stark geknickt

Diese Probleme lassen sich während der Zeichnungsprüfung deutlich kostengünstiger beheben als nach der Pilotproduktion.

Projekte mit Ersatzbatterien erfordern mehr mechanische Präzision

Wenn ein 24-V-Lithium-Akku eine ältere Batterie ersetzt, muss der Lieferant möglicherweise Folgendes nachbilden oder anpassen:

• Befestigungspunkte
• Anschlussposition
• Kabelausrichtung
• Vorhandene Ladeschnittstelle
• Controller-Anschluss
• Abmessungen des Batteriefachs

Bei dieser Art von Projekt ist die Formulierung „gleiche Spannung und gleiche Amperezahl“ nicht relevant. ist nicht ausreichend.

Der Ersatz muss funktionale und mechanische Kompatibilität aufweisen, nicht nur ähnliche elektrische Kennzeichnungen.

6. Temperatur, Vibration, Feuchtigkeit und Installationsumgebung müssen definiert werden.

Industrieanlagen arbeiten oft unter Bedingungen, die sich deutlich von denen eines Labortisches unterscheiden.

Ein OEM sollte realistische Betriebsinformationen bereitstellen, wie z. B.:

• Minimale Betriebstemperatur
• Maximale Betriebstemperatur
• Ladetemperatur
• Lagertemperatur
• Luftfeuchtigkeit
• Kondensationsrisiko
• Staubelastung
• Vibrationen
• Stoßbelastung
• Nutzung im Innen- oder Außenbereich
• Reinigungsverfahren
• Wärmequellen in der Nähe

Die genauen Umgebungsbedingungen sollten der genehmigten Projektspezifikation entnommen werden.

Gehen Sie nicht davon aus, dass eine allgemeine Spezifikation für Lithiumbatterien automatisch die Maschinenumgebung abdeckt.

Niedrige Temperaturen erfordern besondere Aufmerksamkeit

Kalte Umgebungen können sowohl die Batterieleistung als auch die Ladestrategie beeinflussen.

Wenn das Gerät verwendet wird in:

• Kühllagerung
• Kühlhäuser
• Winterbetrieb im Freien
• Gefrieranwendungen

Der OEM sollte dem Batterielieferanten separat Folgendes mitteilen:

1. Minimale Entladetemperatur
2. Minimale Ladetemperatur
3. Wie lange die Batterie in der kalten Umgebung verbleibt.
4. Ob der Ladevorgang innerhalb oder außerhalb dieser Umgebung erfolgt.
5. Ob es bei Temperaturübergängen zu Kondensation kommt.

Das technische Problem besteht nicht einfach darin, dass die Batterie bei niedrigen Temperaturen funktioniert.

Das System muss möglicherweise sowohl die Leistung als auch die Ladebedingungen verwalten.

Vibration ist ein Eingangsfaktor auf Geräteebene.

RGVs und andere mobile Maschinen können Setzen Sie die Batterie wiederholten Bewegungen oder mechanischen Vibrationen aus.

Der OEM sollte Folgendes angeben:

• Einbauausrichtung
• Vibrationsquelle
• Fahrzeuggeschwindigkeit
• Oberflächen- oder Schienenbedingungen
• Stoßereignisse
• Montagemethode

Diese Informationen helfen dem Lieferanten, die relevanten mechanischen Validierungen zu bestimmen.

Vermeiden Sie allgemeine Aussagen wie:

Industrielle Vibrationsfestigkeit.

Eine sinnvolle Spezifikation definiert die tatsächliche zu erwartende Umgebung und die Testanforderungen.

7. Nutzen Sie die bestehende 24-V-Plattform als Referenz, nicht als automatische Endauswahl.

Das aktuelle öffentliche Produktsortiment von Dailymag umfasst ein kompaktes Modell in der Kategorie RGV-Lithiumbatterien mit folgenden veröffentlichten Daten:

Diese Werte sind aktuell auf der Produktseite von Dailymag sichtbar. Dailymag

Das Produkt ist außerdem in der Kategorie „RGV-Lithiumbatterien“ des Unternehmens gelistet. Dailymag

Sie können die 24V-Klasse-Produktseite für die aktuelle öffentliche Spezifikation einsehen.

Ein OEM sollte jedoch die Informationen aus dem öffentlichen Katalog als Screening-Referenz und nicht als endgültige Produktionsspezifikation verwenden.

Fordern Sie vor der Genehmigung die aktuelle Projektdokumentation an und bestätigen Sie Folgendes:

• Endgültige elektrische Konfiguration
• BMS-Einstellungen
• Ladegerät
• Kommunikation
• Anschluss
• Kabel
• Mechanische Zeichnung
• Umweltanforderungen
• Prüfung
• Etikett
• Produktionsrevision

Dies ist besonders wichtig, wenn ein Standardprodukt für ein OEM-Projekt modifiziert wird.

8. Entscheidung zwischen Standard-, modifizierten Standard- und kundenspezifischen 24-V-Akkupacks

Eine der wichtigsten Beschaffungsentscheidungen ist die Bestimmung des Anteils an Anpassungen, den die Ausrüstung tatsächlich benötigt.

Es gibt drei gängige Vorgehensweisen.