作者：Rafael Marengo，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

摘要

隨著自動化倉庫和制造設(shè)施的迅速發(fā)展，謹(jǐn)慎控制過程中的每個組件至關(guān)重要。即使是短暫的停機(jī)也會造成嚴(yán)重影響。自主移動機(jī)器人和自動導(dǎo)引車在該生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，需要實施精確的監(jiān)控和故障安全系統(tǒng)。另一個重點(diǎn)是有效監(jiān)控電池，以便優(yōu)化電池性能并延長電池的整體壽命，從而最大限度減少不必要的浪費(fèi)，保護(hù)寶貴的資源。本文將簡要介紹一些用于提高電池效率的重要指標(biāo)，以及為這些應(yīng)用選擇電池管理系統(tǒng)時需要考慮的關(guān)鍵因素。

簡介

在設(shè)計如圖1所示的自主移動機(jī)器人(AMR)時，選擇合適的電池包及其配套的電池管理系統(tǒng)(BMS)是一個關(guān)鍵決策。在工廠和倉庫等緊密集成的環(huán)境中，每一秒鐘的運(yùn)行都至關(guān)重要，確保所有組件能夠安全可靠地正常運(yùn)轉(zhuǎn)則是重中之重。

BMS解決方案能夠準(zhǔn)確測量電池的充電和放電，從而最大限度提高可用容量。此外，獲得精確的測量結(jié)果后，便可以準(zhǔn)確計算充電狀態(tài)(SoC)和放電深度(DoD)，這些重要參數(shù)有助于提高移動機(jī)器人工作流程的智能程度。這些系統(tǒng)的安全性同樣重要，在為這些應(yīng)用選擇系統(tǒng)時，請務(wù)必考慮能夠提供過充保護(hù)和過流檢測的BMS技術(shù)。

圖1.AMR圖。

什么是電池管理系統(tǒng)？

BMS是一個電子系統(tǒng)，可用于密切監(jiān)控電池包和/或其各個電池單元的各種參數(shù)。對實現(xiàn)電池的最大可用容量并確保安全及可靠運(yùn)行而言，BMS至關(guān)重要。高效的系統(tǒng)不僅能夠以安全的方式優(yōu)化電池的可用容量，還能夠為工程師提供有價值的參數(shù)，例如電池單元電壓、SoC、DoD、健康狀態(tài)(SoH)、溫度和電流，所有這些參數(shù)均有助于使系統(tǒng)發(fā)揮優(yōu)異性能。

什么是SoC、DoD和SoH？為什么它們對自動導(dǎo)引車(AGV)和AMR很重要？

SoC、DoD和SoH是BMS中常用的一些參數(shù)，用于確定系統(tǒng)是否健康、早期故障檢測、電池單元老化以及剩余運(yùn)行時間。

SoC表示充電狀態(tài)，定義為相對于電池總?cè)萘康碾姵爻潆娝?。SoC通常以百分比表示，其中0% = 空，100% = 充滿。

SoH表示健康狀態(tài)，定義為相對于電池額定容量(Cmax)的電池最大可釋放容量(Cmax)。

DoD表示放電深度，與SoC指標(biāo)相反，定義為相對于電池額定容量(Crated)的電池已放電百分比(Creleased)。

這些參數(shù)與AMR解決方案有何關(guān)系？

電池的SoC根據(jù)電池架構(gòu)而變化，盡管如此，仍需要一個精確的系統(tǒng)來測量電池狀態(tài)。目前常用的電池主要有兩種類型：鋰離子電池和鉛酸電池。每種電池各有利弊，并包含不同的子類別?？傮w而言，普遍認(rèn)為鋰離子電池更適合用于機(jī)器人，因為此類電池具有以下特點(diǎn)：

· 能量密度更高，可達(dá)到鉛酸電池能量密度的8到10倍。

· 鋰離子電池比相同容量的鉛酸電池更輕。

· 鉛酸電池所需的充電時間比鋰離子電池更長。

· 鋰離子電池的使用壽命更長，因此充電周期次數(shù)明顯更多。

然而，這些優(yōu)勢意味著成本增加，并帶來了一些挑戰(zhàn)，要想充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，就需要解決這些挑戰(zhàn)。

為了在實際應(yīng)用中更好地說明這一點(diǎn)，可以分析圖2，該圖比較了鉛酸電池和鋰離子電池的DoD?？梢杂^察到，當(dāng)鋰離子電池的DoD從0%增加到80%時，電池包電壓變化極小。80% DoD通常是鋰離子電池的下限，如果低于該值，可能被視為危險水平。

然而，由于鋰離子電池的電池包電壓在可用范圍內(nèi)的變化非常小，即使是微小的測量誤差也可能會導(dǎo)致性能大幅下降。

圖2.電池包電壓電平與DoD。

圖3.AMR通用電池和BMS架構(gòu)。

為了在真實場景中說明這一點(diǎn)：

假設(shè)以下AMR是一個24 V系統(tǒng)，使用27.2 V LiFePo4電池包，其中每個電池單元充滿電時的容量為3.4 V。參見圖3。

此電池的常見SoC曲線如表1所示。

表1.LiFePo4電池單元和電池包電壓的示例數(shù)據(jù)

對于LiFePo4電池，可用范圍可能有所不同，但一個很好的經(jīng)驗法則是，考慮最小SoC為10%，最大SoC為90%。

如果低于最低水平，可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，而如果充電超過90%，這些電池的使用壽命會縮短。

考慮表1，請注意每個電池單元的電壓范圍為350 mV，對于包含8個電池單元的27.2 V電池包，電壓范圍為3.2 V。根據(jù)這一點(diǎn)，我們可以得出以下假設(shè)：

如果LiFePo4電池的可用電池單元電壓范圍為350 mV，則每1 mV的電池單元測量誤差會使范圍減小0.28%。

如果電池包成本為4000美元，誤差成本為：

4000美元× 0.28% = 每mV誤差11.20美元，這意味著電池包在該范圍內(nèi)未得到充分利用。

雖然0.28%的范圍看似微不足道，但當(dāng)擴(kuò)展到多個AMR系統(tǒng)時，該百分比可能要乘以數(shù)百甚至數(shù)千，它就變成了一個重要因素。如果考慮到電池的自然退化，該因素變得更具相關(guān)性。

自然退化對電池健康也起到重要作用，因為隨著時間的推移，電池的最大SoC將降低（圖4），因此即使在自然退化之后，精確測量電池單元也是維持出色性能水平的有效方式。

圖4.由于自然退化導(dǎo)致最大可用范圍減少。

監(jiān)控所有參數(shù)并精確控制電池的使用能夠有效延長電池使用壽命，并充分利用每個電荷單元。

ADI的BMS解決方案如何提高生產(chǎn)力并解決問題？

在移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，ADI的BMS可以提供哪些技術(shù)來增強(qiáng)和實現(xiàn)高性能？

通過精準(zhǔn)測量電池單元，精確的電池管理可顯著提高電池效率，從而更準(zhǔn)確地控制和估算各種電池化學(xué)成分的SoC。單獨(dú)測量每個電池單元可確保安全監(jiān)控電池的健康狀況。該精確監(jiān)控有助于平衡充電，防止電池單元過度充電和放電。此外，同步電流和電壓測量可提高已捕獲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。超快速過流檢測可實現(xiàn)快速故障檢測和緊急停止，確保安全性與可靠性。

圖5.鋰離子電池的主要退化因素。

ADBMS6948提供移動機(jī)器人所需的所有關(guān)鍵規(guī)格，但對于移動機(jī)器人，BMS設(shè)計時要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格包括：

· 使用壽命期間的總測量誤差(TME)小（-40°C至+125°C）

· 電池單元電壓的同時和連續(xù)測量

· 內(nèi)置isoSPI™接口

· 支持熱插拔，無需外部保護(hù)

· 被動電池平衡

· 低功耗電池單元監(jiān)控(LPCM)用于關(guān)斷狀態(tài)下的電池單元和溫度監(jiān)控

· 睡眠模式電源電流低

減少浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境

國際能源署在2023年的一份關(guān)于電池的報告中提到，“電池是清潔能源轉(zhuǎn)型的重要構(gòu)建模塊1”。認(rèn)識到妥善管理這些資源的重要性非常關(guān)鍵。構(gòu)成電池的材料很難從環(huán)境中提取，這凸顯了優(yōu)化電池利用的必要性。通過有效管理充電和放電參數(shù)，我們可以延長電池的使用壽命，使它們能夠使用更長時間，無需更換。

ADI的BMS功能提供的過流保護(hù)是低風(fēng)險因素，可實現(xiàn)安全運(yùn)行，并降低電池和作為負(fù)載連接的系統(tǒng)損壞的風(fēng)險。

圖5列舉了造成鋰離子電池退化的一些因素。值得注意的是，這些因素可能會引起燃燒和爆炸等危險情況，并且可能會迅速釀成災(zāi)難2。

對于影響電池退化的所有參數(shù)，均可進(jìn)行測量、處理并采取相應(yīng)行動，從而為系統(tǒng)提供在所需使用壽命內(nèi)運(yùn)行的適宜條件。延長電池使用壽命是減少浪費(fèi)的重要因素，因為現(xiàn)在通過優(yōu)化管理，電池可以使用更長時間，這有效減少了不必要的電池單元處理。

結(jié)論

總之，我們可以得出結(jié)論，BMS不僅能通過精確控制每個參數(shù)來提高系統(tǒng)的整體性能，還可以降低成本，減少浪費(fèi)。在不斷發(fā)展的制造環(huán)境中，自動化程度日益提高，人們希望繼續(xù)提升其移動機(jī)器人的性能，于是，精確控制和管理資產(chǎn)變得至關(guān)重要。

欲詳細(xì)了解有關(guān)ADI為工業(yè)移動機(jī)器人提供的產(chǎn)品，請瀏覽我們的機(jī)器人解決方案頁面。

參考文獻(xiàn)

1“電池和安全能源轉(zhuǎn)型”。國際能源署，2023年。

2 Xiaoqiang Zhang、Yue Han和Weiping Zhang。“回顧鋰離子電池壽命的影響因素”。電氣和電子材料匯刊，第22卷，2021年7月。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Rafael Marengo是ADI公司互連運(yùn)動和機(jī)器人事業(yè)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為BMS、運(yùn)動控制等各種技術(shù)提供支持，工作地點(diǎn)位于利默里克。他于2019年加入ADI公司，任精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的設(shè)計評估工程師。Rafael擁有巴西拉夫拉斯聯(lián)邦大學(xué)的控制與自動化工程學(xué)士學(xué)位。加入ADI之前，他曾在一家面向農(nóng)業(yè)科技市場的機(jī)器視覺初創(chuàng)公司擔(dān)任研發(fā)經(jīng)理，負(fù)責(zé)將許多產(chǎn)品推向全球市場。