机器人电池组应根据任务概况进行设计，而不是仅根据容量目标进行选择. 电机, 执行器, 电脑, 传感器, 收音机, 灯光, 和有效负载创建不同的当前模式. 启动, 加速度, 失速恢复, 攀登, 操纵, 并且传输可以产生远高于平均功率的峰值. 可靠的规格记录了每种模式, 其持续时间, 以及发生的频率.
该电池组还必须适合机器人的电压架构, 重心目标, 外壳, 充电工作流程, 环境暴露, 服务策略, 和通讯. 这些限制决定了细胞化学, 格式, S/P配置, 电池管理系统功能, 连接器选择, 和验证计划.
从机器人任务简介开始
电压应在电池组的整个工作范围内支持电机控制器和 DC/DC 转换器, 不仅仅是标称电压. 系列计数确定最大充电和最小工作电压. 并行计数支持能量和电流, 但添加了细胞, 大量的, 故障能量, 和充电时间.
BMS可以监控电池组电压, 当前的, 和温度; 提供超额收费, 过度关闭, 过电流, 短路, 和平衡功能; 并传达状态信息. 所需的功能集取决于机器人风险, 包装尺寸, 适用性, 和充电器集成. 还可能需要机械熔断和系统级关闭.
实际设备中重要的规格
定义标称电压和最大电压, 连续和再生电流, 启动和失速峰值, 可用能量, 目标运行时间, 最大质量和体积, 充电时间, 连接器周期, 入口期望, 振动, 震惊, 工作温度, 储存温度, 和通讯协议.
再生负载值得特别关注，因为电机可以将能量返回到电池组. BMS 和充电器架构必须容忍或控制该电流, 特别是接近满充电状态. 高电容控制器可能需要连接器预充电或防火花措施.
| 设计输入 | 为什么这很重要 | 验证 |
|---|---|---|
| 任务负载曲线 | 设置能量和峰值电流 | 仪表化机器人运行 |
| 电压窗口 | 保护控制器和转换器 | 满/空包测试 |
| 环境 | 驱动密封和温度设计 | 入口, 振动, 热测试 |
| 服务模式 | 影响连接器和外壳 | 循环和误用测试 |
如何做出正确的选择
测量或估计任务概况后选择单元格. 高能电池有利于运行时间; 高功率电池有利于加速和峰值. 最好的选择可能是将足够的功率与更大的并行数量结合起来, 或使用诸如 21700 当机械设计支持它时.
确定包装是否可拆卸, 热插拔, 可现场维修, 或永久安装. 可拆卸包装需要坚固的用户安全连接器, 保留, 标签, 和电荷状态处理. 永久安装的包需要服务访问权限, 隔离, 和临终规划.
要避免的常见错误
仅平均电流是一个糟糕的设计输入. 电机堵转, 车轮堵塞, 执行器端点, 无线电脉冲可能导致保护跳闸或电压崩溃. 另一个错误是将温度传感器放置在测量空气或外壳的位置，而不是放置代表性的电池和热互连件.
避免将外壳仅视为一个盒子. 它控制压缩, 细胞间距, 冲击保护, 传热, 密封, 排气, 电缆应力消除, 和重心. 没有热和压力策略的防水可能会产生新的故障模式.
应用和 OEM 考虑因素
移动机器人优先考虑质量, 运行时, 牵引峰值, 和交换速度. 水下或检查机器人增加了密封和压力考虑因素. 仓库机器人可能需要高循环寿命和机会充电. 服务机器人可能会强调安静运行, 用户安全更换, 和合规文件.
原型测试应捕获电压, 当前的, 电池温度, 连接器温度, 充电状态, 以及实际任务中的故障事件. 测试最低温度, 最大环境温度, 磨损的机械装置, 最大有效负载, 受阻运动, 通讯中断, 和充电周转. 使用测量结果更新功率预算.
工作示例
机器人平均 120 W 适合两个小时的任务，但峰值时间为 600 爬升时按 W 三秒. 一个简单的 240 Wh 计算忽略转换损耗, 预订, 老化, 和峰值电流. 工程团队可能会瞄准更多的标称能源, 然后验证细胞, 电池管理系统, 焊缝, 连接器, 和接线可以重复传递 600 低荷电状态和最低温度下的 W 峰值.
安全, 确认, 和采购纪律
电池选型决不能仅根据最大容量数. 确认设备制造商允许的化学物质, 标称电压, 最大充电电压, 极性, 终端风格, 物理信封, 以及连续电流和峰值电流要求. 机械配合的电池仍然可能出现电气错误. 用于机器人电池组, 最安全的方法是将设备手册和电池数据表视为配对，而不是假设两个具有相似名称的电池可以互换.
从可追溯的供应商处购买并查看当前规格表, 保护细节, 测试文档, 以及确切型号的运输信息. 让细胞远离松动的金属物体, 水, 压碎, 穿刺, 过热, 和未经授权的修改. 停止使用异常发热的电池, 肿, 凹陷的, 腐蚀的, 泄漏, 或机械损坏. 使用兼容的充电器，切勿超过规定的充电电流或电压. 这些做法支持可靠的操作，但不能取代设备随附的说明, 充电器, 或电池.
实用的选择工作流程
- 从负载开始. 记录标称电压, 工作电流, 峰值电流, 运行时目标, 和占空比.
- 检查车厢. 测量可用直径, 长度, 连接器间隙, 终端类型, 和弹簧压缩.
- 选择安全架构. 确定应用程序是否需要受保护的单元, 由主机管理的未受保护的单元, 或带有 BMS 或 PCM 的完整套件.
- 匹配充电. 验证化学成分, 最大充电电压, 充电电流, 终止方法, 和温度限制.
- 验证真实系统. 在批准生产之前，在预期温度和负载范围内测试最终设备中的代表性电池.
此工作流程对于 OEM 计划尤其重要. 电池行为取决于电池化学之间的相互作用, 保护电子设备, 机械包装, 固件, 收费, 和用户环境. 早期验证比工具完成后重新设计电池盒或功率级更便宜.
常见问题
如何确定机器人电池组的尺寸?
建立基于时间的任务功率预算, 添加转换损失, 准备金和账龄保证金, 然后验证峰值电流和电压.
机器人是否应该使用 18650 或者 21700 细胞?
两者都可以工作; 比较能量, 力量, 包装, 热行为, 供应连续性, 和包装几何形状.
BMS 的哪些功能很重要?
电压, 当前的, 温度, 隔断, 平衡, 根据包和系统风险，可能需要进行通信.
再生制动该如何处理?
定义返回电流并确保包, 电池管理系统, 控制器可以在充电状态和温度范围内接受或限制它.
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结论
机器人电池设计从测量的任务负载开始，以完整的系统验证结束. 匹配电压, 活力, 连续电流和峰值电流, 收费, 电池管理系统, 连接器, 外壳, 温度, 和服务策略. 在平均功率电子表格上看起来足够的电池组在启动过程中仍然可能会失败, 摊位, 再生, 冷操作, 或现场处理.
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