移动机器人电源系统的电池材料:效率的系统评价和比较

2.2.1.可充电电池的类型

迄今为止，使用铅酸电池可以实现最低的成本(每瓦时),但不幸的是，它们也提供最低的单位质量能量密度(35-40瓦时/千克)[13].另一方面，LiFePO的单位成本最高4单位质量能量密度最高的电池(90-160瓦时/千克)[14].几年前，市场上出现了新的可充电电池技术，这些技术以镍为基础，最初的镍镉电池后来被镍氢电池取代，两者的电池电压均为1.2V。目前，它们大多被锂电池取代，锂电池提供更高的能量密度(100-265 Wh/kg)，电池电压为- 3.6 V。此外，它们不会表现出所谓的记忆效应，其特点是轻微的自放电效应(每月1.5-2%)[15].作为成本的权衡，使用锂离子电池的一个问题是有着火的危险。CEO制造的当代行走机器人用锂离子电池(1.1千瓦时)[16]使用四台风扇维持其安全运行条件，冷却总共产生302.4 V电压的98个电池。电池技术的详细综述见[17].然而，包括锂离子电池在内的所有电池都有两个主要的局限性——与可燃燃料相比能量容量低(例如，汽油提供13千瓦时/千克的能量，天然气提供15千瓦时/千克的能量，氢气提供34千瓦时/千克的能量),以及与加油时间相比充电时间相对较长。因此，在需要长有效工作时间的应用中，要么使用内燃机发电机，要么采用电池交换机制来快速更换电池。虽然所有主要电池类型的电池工作范围都很宽，足以适应所有环境和季节的使用，但在某些情况下，充电温度限制至少需要0°C，这是选择充电地点或考虑能量再生系统时必须考虑的因素。取决于材料成分的典型可充电电池参数的总结见表1.

表1。基于电池材料成分的电池参数比较。

2.2.2.电池额定值

电池由十个关键参数表征:电压、容量、短时间最大电流消耗、最大持续放电电流、最大充电电流、储存和操作要求的温度范围、化学性质、重量和外形尺寸。集成商最感兴趣的是电池组特性，这是电池单元内部连接和电池单元特性的结果。

电池容量是系统集成商所需的关键设计参数之一。它通常用Ah(安培小时)或Wh(瓦特小时)来表示，大容量用kWh，小容量用mAh。应该注意的是，Ah根据电池随时间提供电流的能力来描述电池容量，例如，10 Ah电池可以在5小时内提供2 A的电流，也可以在10小时内提供1 A的电流，这两种方式都可以使充满电的电池完全放电。另一方面，产能可以用使用Wh单位所能完成的功(功率随时间的变化)来表示。在这种情况下，一个10 Wh的电池可以为一个电器提供1 W的功率超过10 h，这相当于一个完整的放电周期。Ah和Wh之间的关系由电池电压决定。在比较相同电压的电池组时，两种额定容量均可用于容量比较，然而，比较不同标称电压的电池应基于Wh而非Ah。根据电功率的瓦特单位定义，可以推导出1 W的电功率相当于1 A的电流流过导体中1 V的电势。这意味着，以Ah表示的容量给出了特定电池组在电池标称电压下消耗1 A电流的系统可以供电多少小时的估计值，而Wh额定值给出了更多关于电池组可以为电器提供特定电力多长时间的通用信息(不考虑实际电压要求)。在机器人应用中，将电流和电压集成到功率中更有意义，在机器人应用中，功以及随时间变化的功率需求以瓦特小时表示，而电流和电压通常是额定能量的二阶导数。

将电池连接到电子控制系统、传感器和执行器需要匹配的电压范围。包含内部电压调节电路的元件通常具有更宽的可接受电压范围，而没有这种电路的设备将需要直接从电源或通过中间调节器提供特定的电压。电池电压在整个放电周期中从高于标称电压变化到低于标称电压几个百分点。例如，充满电的LiPo电池将显示4.2 V，标称电压为3.7 V，完全放电的电池电压为3.27 V。这显示了完全充电和完全放电的电池电平之间的0.93 V范围[19].必须注意，任何电池化学物质都不能达到完全放电状态，因为这通常会导致永久性电池损坏。安全的最小充电限制是总充电量的15%左右，对于LiPo电池是3.7 V。这意味着机器人可用的实际电池容量受到应用定义的最大放电水平的限制。在机载机器或安全关键设备的情况下，功率损失可能导致设备损坏或人员受伤，最大放电水平被设置为总电荷的50%以上，最终将有用的电池容量限制为一半。对于剩余电池容量的测量，应该记住电压与容量是非线性关系。

电池在达到使用寿命之前可以经历的循环次数取决于电池使用的温度范围、允许的放电水平和最大充电水平，以及电池完全不使用的时间。电池的每次充放电循环都会造成其磨损。放电越深，磨损越大，通过提供散热器或强制冷却)允许提高该极限，如果需要短的充电时间，这尤其重要20].类似地，在放电电流的情况下，充电电流会影响电池的总寿命，大电流快速充电会缩短电池寿命，慢充电会延长电池可以处理的循环次数。由于耗尽的电池会消耗大量电流，充电周期中的电流需要由充电器控制。所有电池都可以使用恒压恒流方法进行充电，在充电的初始阶段，通过自动选择充电电压来限制电流，一旦电池达到预定的充电状态，就会施加与电池应该达到的最大电压相等的恒压[21].在该过程的最后部分，当电流下降到预定阈值以下，或者充电时间达到预设极限时，充电周期被认为结束。在快速充电中，除了电流限制之外，还必须监控电池温度，因为电池性能会随着时间的推移而下降，导致使用和充电过程中产生的热量增加。

每个电池都有一个可使用的额定温度范围。极端温度会影响设备的总可用容量。较低的温度可以延长电池寿命，但是以降低表观容量为代价，升高的温度减少了电池寿命，而增加了表观容量。当温度降至-18°C以下时，电池容量会减少50%以下，实际效果取决于电池的化学成分。因此，在设计应该在冰冻条件下使用的机器人时，应该考虑这种影响。为了在特殊应用中提供最佳的电池工作条件，冷却和加热系统被设计并集成到电池组中。例如，在汽车工业这是利用和在美国国家航空航天局的独创性直升机在火星上使用。

电池重量和外形尺寸是选择电源系统时应该考虑的最终参数。重量和尺寸与电池容量呈线性相关。大多数可用的电池化学物质允许电池形成不同尺寸的矩形和管状。当组装电池组时，单个电池可以根据需要排列以形成更复杂的电池组形状。然而，电池组中的单个电池应该是相同的。由于电池组可以代表机器人的相当大的重量，所以在设计电池盒位置时考虑到质量分布和整个机器人的静态和动态重心位置是很重要的。

2.5.1.电池的功率控制

从电池组到单个组件的功率传输可以在几个级别上进行控制。首先，必须考虑电压调节。与有源元件相比，属于控制系统的传感器和电子元件通常需要低电压和低电源。控制和传感器电源电压水平的稳定性对于保持系统稳定性和测量精度非常重要。对电子元件的电源线进行良好的滤波和噪声抑制是必要的。传感器选择以及控制电路也可以基于它们所需的接口电压。对于电池供电系统，有大量兼容的传感器可以降低电压转换的需求。控制器通常可以在3.3-3.6或5 V电平下工作。基于迷你PC组件的集成控制器通常需要12至19 V范围内的更高电压，并且它们在内部管理各个模块的电压。

传感器通常设计为与3.3或5 V控制器接口，但工业级传感器通常设计为采用24 V电源工作。

在电池供电的系统中，每一点能量都很重要，因此必须提供允许开关的控制电路，系统的每一部分至少可以定期禁用。这提供了对机器人所提供的功耗和功能的大量控制。具有数字接口的现代元件可以通过其控制接口提供低功率模式操作，在这种情况下，这些元件不需要额外的电源开关。其他组件在通电时完全处于活动状态，对于此类组件，设计允许管理其电源状态的单独电源控制模块是一种良好的做法。

由于稳定性和电流消耗的原因，启动时特定器件的上电和关断序列非常重要。电源控制电路应允许选择性地启用各个子系统，以实现逐步加电序列和节能模式。

断电时，数据采集和驱动任务需要在断电前完成。对于腿式机器人，必须达到静态稳定的姿态，在断电之前，可能需要启动电机制动器。智能电源系统负责在控制单元仍处于忙碌状态时维持其电源，并通知其计划断电，以允许在断电时保存机器人的状态，为机器人的稳定位置准备断电，并仅在最后断开电源。

正常工作期间，一些组件可能需要有功功率控制。这种部件主要包括致动系统，但是也可以包括额外的模块或传感器。电机控制器使用控制信号来确定电机应该提供的期望速度、位置或扭矩。通过改变输送给电机的功率，控制器影响电机的扭矩、速度和位置。电机控制器是相对高效的设备，但对于高功率电机，电机控制器中的散热量可能相当大，可能需要主动冷却，这是功率控制系统必须考虑的因素。

2.5.2.电压电平转换

调整电源的电压电平以满足单个元件的需求需要电平转换。在小型机器人中，单个电池足以为所有组件供电，但电机的电压要求可能需要升压电压转换，以便为电机提供足够的扭矩。或者，双电池可以为电机提供足够的电力，降压转换后可以为控制器提供较低的电压。虽然这两种解决方案都可行，但第二种方案的效率会稍高一些，因为电机电流很可能远远高于控制器所需的电流，而且每次电平转换都会导致电源路径效率低下，将部分能量转化为需要处理的热量。这表明主电源电压应该调整到机器人中最耗能的部件的需要，这实际上意味着驱动系统。

创建仅利用单个电源电压电平的机器人系统是相当困难的。主要是因为在大多数设计中，电机的能耗将显著高于控制器和传感器的能耗。但即使在传感器和控制器组件之间，也可能需要两到三种不同的电压。低功耗器件和快速处理器倾向于在低电压下工作，通常约为3.3 V，简单的微控制器和许多模块集成系统解决方案更喜欢5 V输入，并在内部降低输入电压和各个子器件的条件。专为电池供电设备设计的传感器属于1.8至3.3 V电源电压类别，而需要更多电源或专为与微控制器简单接口而设计的传感器则更喜欢5 V电源电压。通过设计或使用集成电压转换模块，工业级传感器可以具有宽范围的电源电压。它们通常可以在5 - 24 V范围内工作。

对于低功耗(< 500 mA电流消耗)器件，有多种升压、降压和集成式降压-升压转换器可供选择，在最佳条件下可提供超过90%的高效率。一般来说，降压转换器的电流能力和效率略高于升压转换器。对于更大的功率，这种转换器可以保持高效率，但是总能量损失开始变得相当大，并且会显著增加电池的工作时间。

由于电子元件中高达几伏的容差，以及由单个或两个电池组成的电池上的低压降，有可能设计一种在所有外部独立元件处不需要电压调节的系统。如果可能的话，提供给最耗电部件的电压应该在这个范围内，这样就不需要对其进行调节和转换。然而，在大多数实际应用中，当使用多单元电池时，电压调节是强制性的，以将组件保持在其安全电压水平内，因为完全充电和最低允许充电水平之间的电压跨度相差几伏。