ADI 電池管理如何提升行動機器人安全與智慧| 安馳科技股份有限公司 Macnica Anstek Inc.

概述

在快速發展的自動化倉庫和製造設施環境中，對流程的每個組成部分進行細緻的控制至關重要。即使是最輕微的停機時間也可能導致重大影響。自主移動機器人和自動導引車在這個生態系統中發揮著至關重要的作用，需要實施精確的監控和故障安全系統。另一個關鍵主題是電池的有效監測，這可以優化其性能並延長其整體使用壽命，從而最大限度地減少不必要的浪費並保護寶貴的資源。本文將簡要介紹一些用於提高電池效率的重要指標，並指導為這些應用選擇電池管理系統時的關鍵考慮因素。

介紹

選擇合適的電池組及其配套的電池管理系統（BMS）是設計自主移動機器人（AMR）的關鍵決策，如圖 1 所示。在工廠和倉庫等緊密集成的環境中，每一秒的運行都至關重要，確保所有元件的安全可靠運行至關重要。

圖 1.AMR 圖。

BMS 解決方案可以提供對電池充放電的準確測量，從而最大限度地提高可用容量。此外，精確的測量允許精確計算充電狀態（SoC）和放電深度（DoD），這是實現行動機器人更智慧工作流程的基本參數。此類系統的安全方面同樣重要，在為這些應用選擇系統時，考慮提供過充電保護和過流檢測的 BMS 技術變得至關重要。

什麼是電池管理系統？

BMS 是一種電子系統，可用於密切監控電池組和/或其單個電池的各種參數。這對於實現電池的最大可用容量，同時確保安全可靠的運行至關重要。高效的系統不僅可以以安全的方式優化電池的可用容量，還可以為工程師提供有價值的參數，例如電池電壓、SoC、DoD、健康狀態（SoH）、溫度和電流，所有這些都可用於獲得系統的最佳性能。

什麼是 SoC、DoD 和 SoH，為什麼它們對自動導引車（AGV）和 AMR 很重要？

SoC、DoD 和 SoH 是 BMS 中使用的一些常見參數，用於確定系統是否健康、早期故障檢測、電池老化和剩餘運行時間。

SoC 代表充電狀態，可以通過電池的充電水準與其總容量的關係來定義。SoC 通常以百分比表示，其中 0% = 空，100% = 滿。

SoH或健康狀態可以由電池的最大容量（Cmax）來定義，相對於其額定容量（Cmax）。

DoD或放電深度是SoC的相反指標，由已放電的電池百分比（Creleased）相對於其額定容量（Crated）定義..

這些與AMR解決方案有何關係？

電池的SoC因電池架構而異，但是，必須有一個精確的系統來測量電池的狀態。兩種主要常用的電池是鋰離子電池和鉛酸電池。每個都有其優點和缺點，有各種子類別。一般來說，鋰離子電池被認為是機器人的更好選擇，因為它們提供：

更高的能量密度，可能是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。
為鉛酸電池充電比為鋰離子電池充電需要更長的時間。
鋰離子電池提供更長的生命週期，允許顯著增加充電迴圈次數。

然而，這些優勢伴隨著更高的成本，並帶來了一些挑戰，需要解決這些挑戰才能充分發揮其性能優勢。

為了在實際應用中更好地解釋這一點，可以分析圖 2 中的曲線，該曲線比較了鉛酸電池和鋰離子電池的 DoD。可以觀察到，鋰離子電池的電池組電壓在從 0% DoD 到 80% DoD 時變化最小。80% 的 DoD 通常是鋰離子電池的下限，低於此水準的任何值都可以被視為危險水準。

圖 2.電池組電壓電平與 DoD 的關係

然而，由於鋰離子電池的電池組電壓在可用範圍內的變化很小，因此即使是很小的測量誤差也可能導致性能大幅下降。

為了在實際場景中說明這一點：

假設下面的AMR是一個24 V系統，使用27.2 V LiFePo4電池組，其中每個電池在充滿電後具有3.4 V的容量。參見圖 3。

圖 3.AMR 通用電池和 BMS 架構。

表 1 中顯示了這種電池的 SoC 的常見配置檔。

對於 LiFePo4 電池，可用範圍可能會有所不同，但考慮到最小 SoC 為 10%，最大 SoC 為 90%，這是一個很好的經驗法則。

任何低於最低水準的電量都會導致電池內部短路，而充電超過90%會縮短這些電池的使用壽命。

考慮到表 1，請注意，每節電池的電壓範圍為 350 mV，對於具有 8 節電池的 27.2 V 電池組，為 3.2 V。考慮到這一點，我們可以得出以下假設：

如果 LiFePo4 電池的可用電池電壓範圍為 350 mV，則每出現 1 mV 電池測量誤差，範圍就會減少 0.28%。

如果電池組成本為 4000 美元，則誤差成本為：

4000 美元 × 0.28% = 11.20 美元 / mV 誤差，這意味著電池組在該範圍內將未得到充分利用。

雖然 0.28% 的範圍可能看起來可以忽略不計，但當擴展到多個 AMR 系統時，這個百分比可能會乘以數百甚至數千，使其成為一個重要因素。如果考慮到電池的自然退化，這個因素就變得更加重要。

自然衰減對電池健康也起著重要作用，因為隨著時間的推移，電池的最大 SoC 會衰減（圖 4），因此，即使在自然衰減之後，對電池進行精確測量也是將性能保持在最佳水準的最佳方法。

圖 4.由於自然降解而減少的最大可用射程。

監控所有參數並精確控制電池的使用是延長生命週期和利用每一次充電的最佳方式。

ADI 的 BMS 解決方案如何提高生產力並解決問題？

那麼，ADI 的 BMS 可以提供哪些技術來增強和實現行動機器人應用的高性能呢？

電池管理的精度通過精確測量電池來顯著提高電池的效率，從而可以更準確地控制和估計各種電池化學成分的 SoC。單獨測量每個電池可確保安全監測電池健康情況。這種精確監控有助於平衡充電，防止電池過度充電和放電。此外，同步電流和電壓測量提高了採集數據的準確性。極快的過電流檢測允許快速故障檢測和緊急停止，確保安全性和可靠性。

ADBMS6948 提供了行動機器人所需的所有關鍵規格，但行動機器人的 BMS 設計注意事項的一些關鍵規格是：

整個生命週期內的總測量誤差（TME）小（–40°C 至 +125°C）
同時連續測量電池電壓
內置 isoSPI™ 介面
可耐熱插拔，無需外部保護
被動電池平衡
低功耗電池監控（LPCM），用於在鑰匙關閉狀態下監控電池和溫度
低睡眠模式電源電流

減少浪費，保護環境

根據國際能源署 2023 年關於電池的報告，「電池是清潔能源轉型的重要組成部分。1 認識到正確管理這些資源的重要性至關重要。構成電池的材料很難從環境中提取，這凸顯了其最佳利用的必要性。通過有效管理充電和放電參數，我們可以延長電池的使用壽命，讓它們能夠使用更長的時間而無需更換。

ADI 的 BMS 功能具有低風險因數和過流保護功能，可實現非常安全的作，並降低損壞電池和作為負載連接的系統的風險。

圖 5 中可以看到鋰離子電池中退化因素的幾個例子，重要的是要注意它們可能導致燃燒和爆炸等危險情況，這些情況可能很快變成災難性的2。

圖 5.鋰離子電池的主要降解因素。

所有影響電池退化的參數都可以進行測量、處理和作，為系統提供在所需使用壽命內運行的最佳條件。延長電池的使用壽命是減少浪費的一個重要因素，因為現在由於優化管理，電池的使用時間可以更長，有效減少了對電池單元的不必要處理。

結論

總之，我們可以得出結論，BMS不僅可以通過精確控制每個參數來提高系統的整體性能，還可以降低成本和浪費。在不斷發展的製造環境中，自動化程度越來越高，並且正在尋求移動機器人的額外性能百分比，精確控制和管理資產變得至關重要。

要瞭解有關ADI工業移動機器人產品的更多資訊，請查看我們的機器人解決方案頁面。

引用

1 “ 電池和安全能源轉型。”國際能源署，2023 年..

2 張小強、韓悅和張偉平。“ 影響鋰離子電池使用壽命的因素綜述。”電氣和電子材料匯刊，第 22 卷，2021 年 7 月..

作者

拉斐爾·馬倫戈

Rafael Marengo 常駐利默里克，是 Analog Devices 互聯運動和機器人業務部的系統應用工程師，支援 BMS、運動控制等各種技術。他於 2019 年加入 ADI，擔任精密轉換器技術小組的設計評估工程師。Rafael 擁有巴西拉夫拉斯聯邦大學（Federal University of Lavras）的控制和自動化工程學士學位。在加入ADI之前，他曾在一家專注於農業科技市場的機器視覺初創公司擔任研發經理，負責將許多產品推向全球市場。