【導(dǎo)讀】隨著自動化倉庫和制造設(shè)施的迅速發(fā)展，謹慎控制過程中的每個組件至關(guān)重要。即使是短暫的停機也會造成嚴重影響。自主移動機器人和自動導(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，保護寶貴的資源。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。
隨著自動化倉庫和制造設(shè)施的迅速發(fā)展，謹慎控制過程中的每個組件至關(guān)重要。即使是短暫的停機也會造成嚴重影響。自主移動機器人和自動導(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，保護寶貴的資源。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。
在設(shè)計如圖1所示的自主移動機器人(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，每一秒鐘的運行都至關(guān)重要，確保所有組件能夠安全可靠地正常運轉(zhuǎn)則是重中之重。
圖1. AMR圖
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和過流檢測的BMS技術(shù)。
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。
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)萘康碾姵爻潆娝健oC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 (Creleased) 的電池已放電百分比 (Crated)。
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，普遍認為鋰離子電池更適合用于機器人，因為此類電池具有以下特點：
能量密度更高，可達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，可以分析圖2，該圖比較了鉛酸電池和鋰離子電池的DoD。可以觀察到，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。 圖2. 電池包電壓電平與DoD 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。 為了在真實場景中說明這一點：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。 圖3. AMR通用電池和BMS架構(gòu) 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，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。 在移動機器人應(yīng)用領(lǐng)域，ADI的BMS可以提供哪些技術(shù)來增強和實現(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。 ADBMS6948提供移動機器人所需的所有關(guān)鍵規(guī)格，但對于移動機器人，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)?。?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 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 ADI的BMS功能提供的過流保護是低風(fēng)險因素，可實現(xiàn)安全運行，并降低電池和作為負載連接的系統(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。 圖5. 鋰離子電池的主要退化因素 對于影響電池退化的所有參數(shù)，均可進行測量、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)運行的適宜條件。延長電池使用壽命是減少浪費的重要因素，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。
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