ADI電池管理解決方案如何幫助實(shí)現更安全、更智能的移動(dòng)機器人

簡(jiǎn)介

在設計如圖1所示的自主移動(dòng)機器人(AMR)時(shí)，選擇合適的電池包及其配套的電池管理系統(BMS)是一個(gè)關(guān)鍵決策。在工廠(chǎng)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則是重中之重。

BMS解決方案能夠準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，獲得精確的測量結果后，便可以準確計算充電狀態(tài)(SoC)和放電深度(DoD)，這些重要參數有助于提高移動(dòng)機器人工作流程的智能程度。這些系統的安全性同樣重要，在為這些應用選擇系統時(shí)，請務(wù)必考慮能夠提供過(guò)充保護和過(guò)流檢測的BMS技術(shù)。

圖1 AMR圖

什么是電池管理系統？

BMS是一個(gè)電子系統，可用于密切監控電池包和/或其各個(gè)電池單元的各種參數。對實(shí)現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(jià)值的參數，例如電池單元電壓、SoC、DoD、健康狀態(tài)(SoH)、溫度和電流，所有這些參數均有助于使系統發(fā)揮優(yōu)異性能。

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

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

SoC表示充電狀態(tài)，定義為相對于電池總容量的電池充電水平。SoC通常以百分比表示，其中0% = 空，100% = 充滿(mǎn)。

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

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

這些參數與AMR解決方案有何關(guān)系？

電池的SoC根據電池架構而變化，盡管如此，仍需要一個(gè)精確的系統來(lái)測量電池狀態(tài)。目前常用的電池主要有兩種類(lèi)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(lèi)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(lèi)電池具有以下特點(diǎn)：

■   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(shí)間比鋰離子電池更長(cháng)。

■   鋰離子電池的使用壽命更長(cháng)，因此充電周期次數明顯更多。

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

為了在實(shí)際應用中更好地說(shuō)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^(guān)察到，當鋰離子電池的DoD從0%增加到80%時(shí)，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的變化非常小，即使是微小的測量誤差也可能會(huì )導致性能大幅下降。

圖2 電池包電壓電平與DoD

圖3 AMR通用電池和BMS架構

為了在真實(shí)場(chǎng)景中說(shuō)明這一點(diǎn)：

假設以下AMR是一個(gè)24 V系統，使用27.2 V LiFePo4電池包，其中每個(gè)電池單元充滿(mǎn)電時(shí)的容量為3.4 V。參見(jiàn)圖3。

此電池的常見(jiàn)SoC曲線(xiàn)如表1所示。

表1 LiFePo4電池單元和電池包電壓的示例數據

對于LiFePo4電池，可用范圍可能有所不同，但一個(gè)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(huì )導致電池內部短路，而如果充電超過(guò)90%，這些電池的使用壽命會(huì )縮短。

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

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(huì )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(zhù)電池包在該范圍內未得到充分利用。

雖然0.28%的范圍看似微不足道，但當擴展到多個(gè)AMR系統時(shí)，該百分比可能要乘以數百甚至數千，它就變成了一個(gè)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(zhù)時(shí)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 由于自然退化導致最大可用范圍減少

監控所有參數并精確控制電池的使用能夠有效延長(cháng)電池使用壽命，并充分利用每個(gè)電荷單元。

ADI的BMS解決方案如何提高生產(chǎn)力并解決問(wèn)題？

在移動(dòng)機器人應用領(lǐng)域，ADI的BMS可以提供哪些技術(shù)來(lái)增強和實(shí)現高性能？

通過(guò)精準測量電池單元，精確的電池管理可顯著(zhù)提高電池效率，從而更準確地控制和估算各種電池化學(xué)成分的SoC。單獨測量每個(gè)電池單元可確保安全監控電池的健康狀況。該精確監控有助于平衡充電，防止電池單元過(guò)度充電和放電。此外，同步電流和電壓測量可提高已捕獲數據的準確性。超快速過(guò)流檢測可實(shí)現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(dòng)機器人所需的所有關(guān)鍵規格，但對于移動(dòng)機器人，BMS設計時(shí)要考慮的一些關(guān)鍵規格包括：

■   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(shí)和連續測量

■   內置isoSPI?接口

■   支持熱插拔，無(wú)需外部保護

■   被動(dòng)電池平衡

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

■   睡眠模式電源電流低

減少浪費，保護環(huán)境

國際能源署在2023年的一份關(guān)于電池的報告中提到，“電池是清潔能源轉型的重要構建模塊1”。認識到妥善管理這些資源的重要性非常關(guān)鍵。構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(guò)有效管理充電和放電參數，我們可以延長(cháng)電池的使用壽命，使它們能夠使用更長(cháng)時(shí)間，無(wú)需更換。

ADI的BMS功能提供的過(guò)流保護是低風(fēng)險因素，可實(shí)現安全運行，并降低電池和作為負載連接的系統損壞的風(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(huì )引起燃燒和爆炸等危險情況，并且可能會(huì )迅速釀成災難2。

對于影響電池退化的所有參數，均可進(jìn)行測量、處理并采取相應行動(dòng)，從而為系統提供在所需使用壽命內運行的適宜條件。延長(cháng)電池使用壽命是減少浪費的重要因素，因為現在通過(guò)優(yōu)化管理，電池可以使用更長(cháng)時(shí)間，這有效減少了不必要的電池單元處理。

結論

總之，我們可以得出結論，BMS不僅能通過(guò)精確控制每個(gè)參數來(lái)提高系統的整體性能，還可以降低成本，減少浪費。在不斷發(fā)展的制造環(huán)境中，自動(dòng)化程度日益提高，人們希望繼續提升其移動(dòng)機器人的性能，于是，精確控制和管理資產(chǎn)變得至關(guān)重要。

參考文獻

1“電池和安全能源轉型”。國際能源署，2023年。

2 Xiaoqiang Zhang、Yue Han和Weiping Zhang?！盎仡欎囯x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。

作者簡(jiǎn)介

Rafael Marengo是ADI公司互連運動(dòng)和機器人事業(yè)部的系統應用工程師，負責為BMS、運動(dòng)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，任精密轉換器技術(shù)部的設計評估工程師。Rafael擁有巴西拉夫拉斯聯(lián)邦大學(xué)的控制與自動(dòng)化工程學(xué)士學(xué)位。加入ADI之前，他曾在一家面向農業(yè)科技市場(chǎng)的機器視覺(jué)初創(chuàng )公司擔任研發(fā)經(jīng)理，負責將許多產(chǎn)品推向全球市場(chǎng)。