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简介

在设计如图1所示的自主移动机器人(AMR)时，选择合适的电池包及其配套的电池管理系统(BMS)是一个关键决策。在工厂和仓库等紧密集成的环境中，每一秒钟的运行都至关重要，确保所有组件能够安全可靠地正常运转则是重中之重。

BMS解决方案能够准确测量电池的充电和放电，从而最大限度提高可用容量。此外，获得精确的测量结果后，便可以准确计算充电状态(SoC)和放电深度(DoD)，这些重要参数有助于提高移动机器人工作流程的智能程度。这些系统的安全性同样重要，在为这些应用选择系统时，请务必考虑能够提供过充保护和过流检测的BMS技术。

图1 AMR图

什么是电池管理系统？

BMS是一个电子系统，可用于密切监控电池包和/或其各个电池单元的各种参数。对实现电池的最大可用容量并确保安全及可靠运行而言，BMS至关重要。高效的系统不仅能够以安全的方式优化电池的可用容量，还能够为工程师提供有价值的参数，例如电池单元电压、SoC、DoD、健康状态(SoH)、温度和电流，所有这些参数均有助于使系统发挥优异性能。

什么是SoC、DoD和SoH？为什么它们对自动导引车(AGV)和AMR很重要？

SoC、DoD和SoH是BMS中常用的一些参数，用于确定系统是否健康、早期故障检测、电池单元老化以及剩余运行时间。

SoC表示充电状态，定义为相对于电池总容量的电池充电水平。SoC通常以百分比表示，其中0% = 空，100% = 充满。

SoH表示健康状态，定义为相对于电池额定容量(C_max)的电池最大可释放容量(C_max)。

DoD表示放电深度，与SoC指标相反，定义为相对于电池额定容量(C_rated)的电池已放电百分比(C_released)。

这些参数与AMR解决方案有何关系？

电池的SoC根据电池架构而变化，尽管如此，仍需要一个精确的系统来测量电池状态。目前常用的电池主要有两种类型：锂离子电池和铅酸电池。每种电池各有利弊，并包含不同的子类别。总体而言，普遍认为锂离子电池更适合用于机器人，因为此类电池具有以下特点：

■   能量密度更高，可达到铅酸电池能量密度的8到10倍。

■   锂离子电池比相同容量的铅酸电池更轻。

■   铅酸电池所需的充电时间比锂离子电池更长。

■   锂离子电池的使用寿命更长，因此充电周期次数明显更多。

然而，这些优势意味着成本增加，并带来了一些挑战，要想充分发挥其性能优势，就需要解决这些挑战。

为了在实际应用中更好地说明这一点，可以分析图2，该图比较了铅酸电池和锂离子电池的DoD。可以观察到，当锂离子电池的DoD从0%增加到80%时，电池包电压变化极小。80% DoD通常是锂离子电池的下限，如果低于该值，可能被视为危险水平。

然而，由于锂离子电池的电池包电压在可用范围内的变化非常小，即使是微小的测量误差也可能会导致性能大幅下降。

图2 电池包电压电平与DoD

图3 AMR通用电池和BMS架构

为了在真实场景中说明这一点：

假设以下AMR是一个24 V系统，使用27.2 V LiFePo4电池包，其中每个电池单元充满电时的容量为3.4 V。参见图3。

此电池的常见SoC曲线如表1所示。

表1 LiFePo4电池单元和电池包电压的示例数据

对于LiFePo4电池，可用范围可能有所不同，但一个很好的经验法则是，考虑最小SoC为10%，最大SoC为90%。

如果低于最低水平，可能会导致电池内部短路，而如果充电超过90%，这些电池的使用寿命会缩短。

考虑表1，请注意每个电池单元的电压范围为350 mV，对于包含8个电池单元的27.2 V电池包，电压范围为3.2 V。根据这一点，我们可以得出以下假设：

如果LiFePo4电池的可用电池单元电压范围为350 mV，则每1 mV的电池单元测量误差会使范围减小0.28%。

如果电池包成本为4000美元，误差成本为：

4000美元× 0.28% = 每mV误差11.20美元，这意味着电池包在该范围内未得到充分利用。

虽然0.28%的范围看似微不足道，但当扩展到多个AMR系统时，该百分比可能要乘以数百甚至数千，它就变成了一个重要因素。如果考虑到电池的自然退化，该因素变得更具相关性。

自然退化对电池健康也起到重要作用，因为随着时间的推移，电池的最大SoC将降低（图4），因此即使在自然退化之后，精确测量电池单元也是维持出色性能水平的有效方式。

图4 由于自然退化导致最大可用范围减少

监控所有参数并精确控制电池的使用能够有效延长电池使用寿命，并充分利用每个电荷单元。

ADI的BMS解决方案如何提高生产力并解决问题？

在移动机器人应用领域，ADI的BMS可以提供哪些技术来增强和实现高性能？

通过精准测量电池单元，精确的电池管理可显著提高电池效率，从而更准确地控制和估算各种电池化学成分的SoC。单独测量每个电池单元可确保安全监控电池的健康状况。该精确监控有助于平衡充电，防止电池单元过度充电和放电。此外，同步电流和电压测量可提高已捕获数据的准确性。超快速过流检测可实现快速故障检测和紧急停止，确保安全性与可靠性。

图5 锂离子电池的主要退化因素

ADBMS6948提供移动机器人所需的所有关键规格，但对于移动机器人，BMS设计时要考虑的一些关键规格包括：

■   使用寿命期间的总测量误差(TME)小（-40°C至+125°C）

■   电池单元电压的同时和连续测量

■   内置isoSPI?接口

■   支持热插拔，无需外部保护

■   被动电池平衡

■   低功耗电池单元监控(LPCM)用于关断状态下的电池单元和温度监控

■   睡眠模式电源电流低

减少浪费，保护环境

国际能源署在2023年的一份关于电池的报告中提到，“电池是清洁能源转型的重要构建模块1”。认识到妥善管理这些资源的重要性非常关键。构成电池的材料很难从环境中提取，这凸显了优化电池利用的必要性。通过有效管理充电和放电参数，我们可以延长电池的使用寿命，使它们能够使用更长时间，无需更换。

ADI的BMS功能提供的过流保护是低风险因素，可实现安全运行，并降低电池和作为负载连接的系统损坏的风险。

图5列举了造成锂离子电池退化的一些因素。值得注意的是，这些因素可能会引起燃烧和爆炸等危险情况，并且可能会迅速酿成灾难2。

对于影响电池退化的所有参数，均可进行测量、处理并采取相应行动，从而为系统提供在所需使用寿命内运行的适宜条件。延长电池使用寿命是减少浪费的重要因素，因为现在通过优化管理，电池可以使用更长时间，这有效减少了不必要的电池单元处理。

结论

总之，我们可以得出结论，BMS不仅能通过精确控制每个参数来提高系统的整体性能，还可以降低成本，减少浪费。在不断发展的制造环境中，自动化程度日益提高，人们希望继续提升其移动机器人的性能，于是，精确控制和管理资产变得至关重要。

参考文献

1“电池和安全能源转型”。国际能源署，2023年。

2 Xiaoqiang Zhang、Yue Han和Weiping Zhang。“回顾锂离子电池寿命的影响因素”。电气和电子材料汇刊，第22卷，2021年7月。

作者简介

Rafael Marengo是ADI公司互连运动和机器人事业部的系统应用工程师，负责为BMS、运动控制等各种技术提供支持，工作地点位于利默里克。他于2019年加入ADI公司，任精密转换器技术部的设计评估工程师。Rafael拥有巴西拉夫拉斯联邦大学的控制与自动化工程学士学位。加入ADI之前，他曾在一家面向农业科技市场的机器视觉初创公司担任研发经理，负责将许多产品推向全球市场。