为无缆机器人选择合适的电池技术-【浩博电池】

摘要

无缆机器人以电池组的形式携带自己的电源，这对机器人的性能有着至关重要的影响。尽管电池技术在电动汽车、计算机和智能手机等应用中得到了充分的研究和优化，但在机器人系统的设计过程中，它们往往只是事后的想法。本文提出了评估不同电池技术在机器人应用中的适用性的标准。考虑到不同应用的要求，对相关电池技术的能力进行了评估和比较。该教程还讨论了当前的限制和新的技术发展，指出了电池技术和机器人社区之间跨学科研究的机会。

关键词:

电池; 机器人学; 设计工程; 移动机器人; 太空机器人; 无人机; 无人水下航行器

图形摘要

1.介绍

能量存储是机器人实现长期自主的主要障碍之一。因此，大量研究致力于通过例如控制来提高机器人的能量效率1]和机械设计[2].尽管做了这些努力，但总是需要能源来克服任何机械系统固有的损失。机器人的潜在能量储存形式包括汽油(用于一些腿式机器人[3]和外骨骼[4]、自动驾驶汽车或无人机)、燃料电池和电池。虽然汽油具有非常高的能量密度，大约是电池的20倍，但是内燃机只能在很窄的工作范围内有效地工作，不能在零速下传递扭矩，并且由于它们产生的热和烟雾而不适合在室内使用5].此外，基于传统技术的内燃机不适合较小的机器人，尽管混合发电机/电池架构对于中等大小的机器人是可行的解决方案[6].锂离子电池和燃料电池具有相似的比能量范围，但是电池能够具有更高的比功率[7].因此，电池仍然是为无线机器人供电的合理选择。虽然大量的研究致力于开发和选择适用于电动车辆的电池技术[8,9,10]和消费电子产品[11]，机器人的电池选择吸引的关注要少得多。考虑到机器人对电池的特别苛刻和特殊要求，这有点令人惊讶。

在这篇综述论文中，我们讨论了移动(无线)机器人电池系统的选择和设计。本文首先讨论了常用的电池技术(第二节).然后，我们将不同类别的移动机器人的一般要求与不同电池化学物质的一般性能相匹配，确定电池选择的一般趋势、技术差距和权衡因素(第三节).电池管理系统、混合架构和充电站等技术解决方案可用于克服电池的一些固有限制，详见第四节。最后，我们展望了未来的发展和进一步研究的机会(第五节). 第六节论文得出结论。

2.当前的电池技术

有各种类型的可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。中概述了一些常见的电池化学物质及其缩写表1。铅酸电池是最成熟的可充电电池技术，但是，与锂离子电池技术相比，铅酸电池更适合移动应用，因为其能量密度高，电池组更轻，但成本更高。

表1。电池化学的缩写。

Table

自1991年索尼首次推出锂离子电池以来，它已经在市场上存在了30年12,13].从那以后，许多新的化学物质被开发出来，具有显著改善的性质[14,15].今天有一大群成熟的技术。市场上最常见的技术有LCO、NCA、NMC、LFP、LMO、LTO、LiS等。[10].从这些技术中，一些先进的锂离子技术，如镍锰钴氧化物(NMC)仍在进一步开发中。此外，正在探索不同技术的混合。使用聚合物电解质代替液体电解质的锂离子聚合物(LiPo)电池技术广泛用于重量是关键参数的应用中16].脂肪电池已经存在几十年了；然而，成本和寿命阻止了它们在例如电动汽车中的大规模部署，但是该技术大量用于消费品和机器人。

当前商用电池的重量能量密度(对于称重关键应用至关重要)和体积能量密度(对于体积关键应用至关重要)如所示图1。虽然能量密度是许多应用的重要标准，但还有更多电池属性需要考虑，包括安全性、成本、寿命、能量和功率。目前市场上可用的锂离子电池技术在所有这些方面都有很大的不同。在选择最合适的存储技术时，应用程序扮演着重要的角色[17,18]，并且可能导致这些方面中的任何一个被优先化。表2列出了最常见的锂离子电池技术的典型参数。在本文中，我们专门关注机器人技术的应用。

Energies 16 04904 g001 550

图一。锂离子技术的特点和市场潜力[19].

表二。常见电池技术的平均参数转载自[20].

Table

3.机器人用电池技术的能力分析

3.1.方法学

为了确定对电池的要求，我们将考虑以下主要类别的机器人(图2):

Energies 16 04904 g002 550

图二。本研究中考虑的机器人类别，每一类都需要电池技术的专门要求。本图中转载的所有图像都属于公共领域[21,22,23,24,25,26].

(1)
太空机器人:空间飞行任务中的两种主要机器人是轨道机器人和行星机器人，这两种机器人都有可能携带机械臂进行操纵[27].
(2)
嗡嗡声:这些是典型的固定翼和多旋翼无人机。
(3)
水下机器人更具体地说，自主式水下航行器(AUV):这些航行器上有电动机来驱动它们的控制表面(方向舵和船尾)，操纵用的致动器(机械臂)，在某些情况下，还有推进器。不太传统的非商业解决方案，如蛇形机器人、水母机器人或游泳(鱼类)机器人，通常也由电动机驱动28].
(4)
轮式和履带式移动机器人:大多数无人驾驶地面车辆(ugv)都属于这一类别，但许多其他移动机器人也符合这一描述。例如，众所周知的人形机器人Pepper也可以归类为轮式机器人[29].
(5)
腿式机器人:另一种类型的UGV，其中大量的致动器——通常是电动机[30,31]用于驱动两条或多条机器人腿的关节[32].这些机器人还可以配备机械臂来操纵有效载荷。
(6)
可穿戴机器人:这一类包括动力假肢和主动外骨骼，存在于上肢和下肢。外骨骼可以实现不同的功能:它们可以在家里或工业环境中帮助穿戴者或增强他/她的能力，或者它们可以用于康复目的33].

这些类别中的每一个都对所选的电池技术提出了一系列要求。我们已经编制了一个与大量机器人应用相关的七个要求的列表:比能量、电流变化、比功率、温度敏感性、寿命、安全性和成本。根据对某类机器人的重要性，每项要求都会得到1-5分。这些分数总结在表3，仅仅是为了反映这些类别的总体特征；当然，对于不同的应用和同一类别中的机器人设计，要求会有所不同。在…里附录A，我们为这些分数提供了一个动机。

表3。所考虑的机器人类别要求的相对重要性。分数用1到5分来表示。分数越高，要求越重要。

Table

以类似的方式，我们对八种最常见的锂电池化学物质在上述七项要求中的表现进行了评级。这些分数如所示表4。分数的动机可以在附录B.

表4。所考虑电池技术的相对性能。分数用1到5分来表示。分数越高，电池技术表现越好。

Table

最后，我们根据中指定的分数，计算不同电池技术对所考虑的机器人类别的适用性表3和表4。为了计算这些分数，我们提出以下公式: