AGV車用鋰離子電容的研究

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(AGV, Automated Guided Vehicles)是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿自動(dòng)導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)及運(yùn)輸功能的移動(dòng)機(jī)器人。

由于AGV運(yùn)輸速度快，自動(dòng)化程度高，安全可靠，性價(jià)比好，自20世紀(jì)80年代以來，AGV成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的專業(yè)分支之一，逐漸趨于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

AGV是一種融合了電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著各種AGV新產(chǎn)品的開發(fā)，AGV技術(shù)在不斷發(fā)展，一些先進(jìn)的傳感器，電子電力器件，光電器件，以及電池技術(shù)逐漸集成到AGV新產(chǎn)品及系統(tǒng)技術(shù)中去。

動(dòng)力電池作為AGV自動(dòng)化輸送的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響AGV能否穩(wěn)定、高效、可靠的運(yùn)行。

傳統(tǒng)動(dòng)力電池分析

傳統(tǒng)的AGV動(dòng)力單元主要有鉛酸電池、鎳鎘電池以及鋰離子電池。鉛酸電池性能穩(wěn)定，價(jià)格低，但其充電慢，容量低，低溫充放電能力差；鎳鎘電池耐過充放電能力強(qiáng)，但其使用壽命短，對環(huán)境有污染，并存在記憶效應(yīng)。在AGV小車的使用中，鉛酸和鎳鎘電池一般是充電8小時(shí)工作8小時(shí)，耗完電后需人工拆裝電池更換新電池，并且需配備專門的充電器，不僅增加了人工成本，而且占用了更多空間；不僅維護(hù)時(shí)間短，使用壽命短也是其軟肋。

鋰離子電池雖然較其他蓄電池能量密度高，自放電率低，但其大功率充電性能差，充放電比低。在AGV小車使用中，鋰離子電池通常采用淺充淺放的形式工作，一般放電整體容量的10%后再充電10%容量，在一定程度上同樣實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的不間斷工作，但是鋰離子電池模組在持續(xù)工作中的安全性有待考量，使用壽命相對較短，且模組體積相對較大，無法實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，傳統(tǒng)的蓄電池作為AGV動(dòng)力單元還存在很多缺陷。

超級(jí)電容器，作為一種新型儲(chǔ)能裝置，近年來在新能源行業(yè)逐漸步入高速發(fā)展的階段。不同于鋰離子電池的儲(chǔ)能機(jī)理，超級(jí)電容器儲(chǔ)能是一種高度可逆的物理過程，因此超級(jí)電容器具有功率密度大，充放電速率快，循環(huán)使用壽命長等特點(diǎn)。

但在AGV車載動(dòng)力單元中，超級(jí)電容器模組真是其選擇嗎？答案是否定的。超級(jí)電容器雖然可以為AGV裝載、啟動(dòng)提供瞬時(shí)大電流，但其能量密度低，自放電率高，作為單一的AGV車載動(dòng)力單元還存在不少問題。

目前，有人提出將混合動(dòng)力單元作為AGV車載電源裝置，即超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能。超級(jí)電容提供電機(jī)啟動(dòng)或裝載時(shí)大電流放電動(dòng)力，蓄電池提供AGV啟動(dòng)后平穩(wěn)運(yùn)行的動(dòng)力，從而彌補(bǔ)蓄電池在啟動(dòng)過程中的不足。但該方法缺陷是不能避免超級(jí)電容器自放電導(dǎo)致能量損失的弊端，以及在AGV再啟動(dòng)前需要對超級(jí)電容進(jìn)行再充電。

鋰離子電容器優(yōu)勢突出

鋰離子電容器作為一種新型的功率型電池，可以很好地滿足AGV小車的使用工況(AGV在工作期間需要完成裝載，啟動(dòng)，加速，穩(wěn)定運(yùn)行，急停，制動(dòng)和卸載等，因此要求電源能夠適應(yīng)頻繁大電流放電，具有循環(huán)使用周期長，能量易回收以及環(huán)境無污染等特性)。

簡單來講，鋰離子電容器是超級(jí)電容器和鋰離子電池的混合體，正極采用超級(jí)電容器正極材料，負(fù)極采用鋰離子電池負(fù)極材料，電池充電時(shí)，鋰離子脫離正極材料的表面，經(jīng)過電解液和隔膜后插入到負(fù)極材料的晶格中，放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極材料的晶格中脫出，經(jīng)過電解液回到正極材料的表面，與正極電荷形成雙電層。因此，鋰離子電容器兼具超級(jí)電容器的高功率輸出(其功率密度遠(yuǎn)大于蓄電池)、長循環(huán)壽命以及鋰離子電池高能量密度的特性。

作為AGV車載動(dòng)力單元，鋰離子電容器性能尤為突出。AGV小車運(yùn)行特點(diǎn)是低功率淺放電及大電流快速充電模式。AGV系統(tǒng)在淺放電模式下工作，循環(huán)快速充電的損失極少，所以需要定期補(bǔ)償充電的周期很長，至少超過了2000小時(shí)，且每次大電流短時(shí)充電不超過12小時(shí)，便于AGV電池的維護(hù)保養(yǎng)。

鋰離子電容器具備大電流充電接受能力，不會(huì)因?yàn)榇箅娏鞒潆姸斐葾GV小車動(dòng)力單元的損壞，且其充放電比高達(dá)1:40，滿足AGV小車快充淺放的工作模式；鋰離子電容器的使用壽命長，常溫下支持百萬次循環(huán)充放電，浮充壽命高達(dá)10年；此外鋰離子電容器的工作溫度范圍寬，適應(yīng)溫度在-30℃-65℃，能夠允許AGV小車在較高及較低溫的環(huán)境下工作，并且無熱失控現(xiàn)象，安全可靠性極高。鋰離子電容器有效緩解了傳統(tǒng)蓄電池及超級(jí)電容器中出現(xiàn)的問題，能夠保證AGV小車連續(xù)、穩(wěn)定、安全的工作。

再從生產(chǎn)成本上看，盡管鋰離子電容器目前的生產(chǎn)成本略高，但其使用壽命及維護(hù)周期長，因此從長遠(yuǎn)角度看，鋰離子電容器的使用成本并不算高。且隨著今后鋰離子電容器產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，其成本將會(huì)逐年降低，以便更好地滿足社會(huì)大眾化需求。因此，不管從性能還是成本方面來講，鋰離子電容器是目前AGV小車動(dòng)力單元的候選。