为您的机器人选择合适的电池

为您的机器人形象选择合适的电池

机器人使用的电池类型

市场提供了各种各样的电池，但为了简单起见，我们可以将它们分为 两个主要类别 ：

1.适用于机器人的电池:

锂离子 - 锂离子电池

锂聚合物 - 锂聚合物电池

NiMH - 镍金属氢化物电池

2.机器人应避免使用的电池:

铅酸电池 - 所有类型（包括 VRLA、SLA、凝胶或 AGM）都不适合频繁充电和放电循环，作为备用电源表现更好。由于其每单位重量的容量较低，它们更适合于固定应用。

镍镉 - 镍镉电池 - 与镍氢电池相似，但由于有毒的镉和镍氢电池没有优势，因此正在被逐步淘汰。

NiH2 - 镍氢电池 - 这些电池不常见，除非你正在研究像哈勃太空望远镜这样的项目。

我们将跳过讨论其他昂贵、难以购买或难以收费的类型。

下面是一个表格，概述了上述适用于机器人的电池类型。注意，现代锂离子电池的放电速率可达90摄氏度，但如果包括所有变体，表格将大大扩展。

镍氢 锂离子/锂聚合高能型 锂离子/锂聚合高电流型 锂离子/锂聚合物高安全性类型

化学 镍氢 LiCoO 2 ，LiNiMnCoO 2 锂锰 2 氧 4 LiFePO 4

公称电池电压 1.2伏 3.6 - 3.7伏 3.7 - 3.8伏 3.2 - 3.3伏

工作电池电压范围 1.0 - 1.4伏 3.0 - 4.2伏 3.0 - 4.2伏 2.5-3.65伏

用于充电的最大电压 1.4 - 1.6伏 4.2 - 4.3伏 4.1 - 4.2伏 3.65伏

最大充电电流 0.1摄氏度或1摄氏度（仅限ΔV/ΔT） ~1C 最高3摄氏度 最高4摄氏度

最大放电电流 1摄氏度至30摄氏度 1C - 2C 5C - 30C 1C - 40C

收费方式 带计时器或ΔV/ΔT的CC（更快） 两个阶段:CC和CV 两个阶段:CC和CV 两个阶段:CC和CV

比能量 40-120瓦时/公斤 150-250瓦时/公斤 100-150瓦时/公斤 90-120瓦时/公斤

特定功率 100 - 1000瓦/公斤 100 - 400瓦/公斤 400 - 5000瓦/公斤 200 - 7000瓦/公斤

单个电池的内部串联电阻 5-50mΩ（适用于18650尺寸） 15-100mΩ（适用于18650尺寸） 10-50mΩ（适用于18650尺寸） 6-60mΩ（适用于18650尺寸）

* 电流通常用“C”表示，其中“C”表示电池容量除以一小时。例如，一个2000mAh电池的“2C”电流等于“4000mA”。

** CC、CV、ΔV/ΔT是充电方法的术语：恒流、恒压和Δ电压/Δ温度（用于检测电压或温度峰值）。

锂离子、锂聚合物和镍氢电池的比较

锂聚电池本质上是锂离子电池的一个亚型，通常被视为传统锂离子蓄电池的特殊变体。它们的区别是什么？主要的区别在于它们的生产工艺。锂离子通常被包在一个通常是圆柱形的金属罐中，以保持结构完整性。另一方面，最近出现的锂聚电池设计了一种独特的结构，使它们能够在不需要硬质外壳的情况下保持形状。

锂离子电池和锂聚电池的电气特性几乎相同。

镍氢电池因其低内阻和优良的功率与重量比而受到青睐。与锂基电池相比，它们也显著更安全，爆炸事件极其罕见（尽管暴露在火中仍然不建议使用 :））。然而，镍氢电池的比能量——或能量与重量比——显著低于锂电池。

电池形状

圆柱形的

圆柱形电池

2个18650锂离子电池:一个工业型（黄色）和一个消费型（蓝色）。

各种类型的电池最常见的设计是圆柱形电池罐。这种设计用于锂离子电池、镍氢电池，尽管很少用于锂聚电池（如前所述，后者通常不需要电池罐）。上图中电池的直径为18毫米，长度为65毫米，因此被称为“18650”电池。因此，如果你遇到18650电池，它很可能是锂离子型的。

注意，黄色电池有一个扁平的“+”端子，设计用于将多个电池焊接在一起以创建电池组（类似于下图所示）。另一方面，蓝色的“消费者”电池具有一个凸起的“+”，使其易于从带有“-”端子侧弹簧的电池支架上插入和移除。消费者电池通常包括内置保护电路，通常比标准的18650电池长2-4毫米。

顺便说一句，电池保护是一个非常有价值的功能。特别是对于商业产品，比如 Husarion ROSbot 它使用三个指定格式的单元格，内部有提升的“+”和保护。

锂离子电池和镍氢电池的其他常见尺寸包括14500（14x50mm），通常被认为是AA。此外，您可能会遇到18500、26650、16650以及标准尺寸如AAA、C和D等。

电池组

锂离子电池组

棱镜的

这种形状在需要金属罐的电池设计中很常见，而圆柱形则不受欢迎。在锂聚电池普及之前，棱柱形锂离子电池经常用于手持设备，如手机。有趣的是，诺基亚3310配备了棱柱形的镍氢电池。

棱柱细胞

棱柱形电池

袋状细胞

前面提到过，锂聚合物电池不需要硬质的金属外壳。它们被制造成纤细、柔软的层，堆叠并密封在软袋中，而不是卷入圆柱形罐中。这种缺乏重金属外壳的原因是锂聚合物流得比锂离子电池轻，同时提供同等功率。

袋式电池经济且可以非常薄，非常适合为智能手机、平板电脑和上网本等设备供电。

锂聚合物袋式电池

锂聚合物袋式电池。

套管可包括保护电路:

锂聚合物保护电路

从锂聚合物袋电池中取出的保护电路

它们也可以以堆叠形式排列:

锂聚合物堆叠电池

锂聚合物电池由5个袋子依次堆叠而成。

这些块通常用于无人机、遥控汽车和其他高功率玩具。专为遥控爱好者设计的锂聚电池通常缺乏保护电路，考虑到更广泛的消费市场，这相当不寻常。

关键是不要将智能手机的锂聚电池与四轴飞行器的锂聚电池混为一谈。前者通常是高能型，内阻显著，最大放电电流较低（约1摄氏度）。相比之下，专为射击爱好者设计的电池可以处理高放电率，达到30至90摄氏度。因此，虽然两者都是锂聚电池，但它们的规格和用途明显不同。

形状与安全性

圆柱形锂离子电池比袋装电池更安全，因为它附加了金属保护层。袋装电池容易受到机械损伤，因此更适合使用不可拆卸电池的设备。设备的外壳作为额外的保护层，减少了意外损伤的风险。这种设计确保了用户对袋装电池的最小访问，提高了安全性。

小型室内移动机器人平台在运行期间，例如 ROSbot 2R 或 ROSbot XL ，可能需要不时更换或移除电池，其总重量并不那么关键。在 Husarion 豹子 的情况下 重型户外 AMR/UGV（自主移动机器人/无人驾驶地面车辆）平台，由于电池中存储的总能量非常高，因此安全性更为重要。因此，这些Husarion机器人使用圆柱形电池。

示例机器人 - 选择哪些电池？

机器人种类繁多，每种都有其特定的功率需求。 让我们来看看四种类型的机器人，以了解它们的电池需求：

小型移动机器人（AMR）: ROSbot XL

大型移动机器人（AMR/UGV）: 豹子

迷你相扑机器人

四轴飞行器

小型移动机器人：ROSbot XL

信息

机器人尺寸:332x325x133.5mm，重量:5.4kg

Husarion ROSbot XL 是一个 AMR 平台，具有 4x4 驱动、低级别控制器和用户计算机。它还包括一个单板计算机以及可选的相机和机载激光雷达。很多耗电的零件。它的主要功能是在各种建筑物中导航，扫描房间布局以生成附有纹理的详细地图。速度并不是这款AGV的主要关注点。调整相机焦距，通过激光雷达进行房间扫描，处理原始数据的计算或传输的复杂过程，本质上限制了它的移动速度。

ROSbot XL

为了使事情更加困难，我们为这个机器人装备了一个5自由度操纵器。精确的设置来自 ROSbot XL与Manipulation PRO Package .

在给定的操作设计中，使用多个 DC/DC 转换器将较高电压调整到较低电压，但输出电流较高。这是许多设备（如电脑或移动机器人）中常见的情况。如您所见 ROSbot XL 的规格 ，它利用许多 DC/DC 转换器为其机载设备以及用户添加的组件提供灵活的电源。

相似设备的能耗更准确地用功率而不是电流来描述。因此，考虑到所有其他设备都由电压转换器供电，9V的最低电池电压被确定为电动机的足够。

为了便于参考和计算，平均电流需求是基于此设置得出的。

成分 平均功率[W] 最大功率[W]

4轴直流电动机 4x5=20 40

操纵器* 15 50

激光雷达 2 4

照相机 1.8 2

控制板 3 4

单板计算机 16 35

Wi-Fi USB卡 0.7 0.9

LEDs 2 2.5

总功率[W] 64.5 108.4

*—为了计算最大总功率，我们使用机械手的平均功率，因为在机器人行驶时机械手的功率并不大。

平均电流[A] 最大电流[A]

9V时的总电流 7.2 9.0

12V时的总电流 5.4 12.0

电池要求:

尺寸 : 低于300毫升。

重量 : 500克以下。

标称电压 : 约10-12V。

额定放电电流 : >= 5.4A。

最大放电电流 : >= 9.0A。

容量 : 最低要求为6000mAh（支持平均电流约为6A，至少持续40-60分钟）。

其他 ：高比能是有益的。

电池选项:

镍氢选项

评估 ：这次不适合，因为能量密度是首要考虑因素；锂基电池提供了卓越的性能。

锂离子选项

类型 : 9x18650（3S3P）电池组，由INR18650-35E三星3500mAh电池组成。

尺寸 : 132 x 56 x 36 毫米。

额定/最小电压 11.1伏（每个电池3.7伏）/9伏。

额定/最大放电电流 : 8A/12A。

体积/重量 : 235 毫升 / 420克。

容量 : 7800mAh。

比能量 : 206 瓦时/千克。

评论 ：一种极好的选择，其特定能量（容量-重量比）显著超过其体积的要求。这个选项被选择用于 ROSbot XL 。

锂聚合物选项

类型 ：一个使用三个、热插拔型6000mAh 3.7V电池组的3S1P电池组。

尺寸 : 149 x 46.5 x 30 毫米。

额定/最小电压 11.1伏（每个电池3.7伏）/9伏。

额定/最大放电电流 : 150A （25C）/300A （50C） @1s。

体积/重量 : 208 毫升 / 423 克。

容量 : 6000毫安。

比能量 : 157 瓦时/千克。

注释 : 表示一种高电流锂聚合物品种 - 最大电流能力为25C，这比预期应用所需的电流能力要大得多。这导致价格上涨和比能降低。由于袋状电池的安全性降低，该选项已被拒绝。

较大的移动机器人：豹子

信息

机器人尺寸:848x809x375毫米，重量:55公斤

Husarion Panther 是一个为户外和工业环境量身定制的 AMR 平台。基本功能与 ROSbot XL 相似，但所有组件都进行了升级。因此，整个机器人需要成比例地提高电机和其他电路所需的功率。

Panther可以装满许多传感器，摄像头，甚至两个机械手。

美洲豹

在这个例子中，我们将采取相反的方式。让我们专注于基本配置，包括裸机平台和内部用户PC。Panther基本组件的平均功耗需求列在表中。

成分 平均功率[W] 最大功率[W]

4个BLDC电动机* 4x200=800 1400

控制板 4 5

内置SBC 10 15

RUTX11 路由器 5 10

用户计算机 20 60

LEDs 15 25

总功率[W] 854 1515

*-我们根据实际情况考虑电机功率值，而不是电机所能承受的最大功率。

而现在当前的数值:

平均电流[A] 最大电流[A]

32V时的总电流 26.7 47.3

42V时的总电流 20.3 36.1

电池要求:

尺寸 : 3500ccm以下。

重量 : 6000克以下。

额定电压 : 约36V。

额定放电电流 : >= 27A。

最大放电电流 : >= 47A。

容量 : 最低要求为16000mAh（平均电流约为24A，至少持续40分钟）。

其他 ：高安全性与高的比能量相结合是有益的。

电池选项:

锂离子选项 - 高能量型

类型 ：100x18650（10S10P）电池组，由2000mAh电池组成。

尺寸 : 205 x 190 x 76 毫米

额定/最小电压 :36伏（每个电池3.6伏）/30伏。

额定/最大放电电流 : 30A / 50A。

体积/重量 : 2960 毫升 / 4900克。

容量 : 20 000毫安。

比能量 : 147 瓦时/千克

评论 ：在安全性和容量之间取得良好的平衡。电池使用LiNiMnCoO 2 细胞，具有良好的安全裕度。这确保了这种高容量电池是安全的，并且在较宽的温度范围内表现良好。这个选项被选择用于 黑豹 。

锂聚合物选项 - 高安全型

类型 ：一个使用18650 1500mAh电池组的11S12P电池组。

尺寸 : 205 x 235 x 76 毫米

额定/最小电压 34.4伏（每个电池3.2伏）/22伏

额定/最大放电电流 : 27A / 54A。

体积/重量 : 3660 毫升 / 5600克。

容量 : 18 000毫安。

比能量 : 110 瓦时/千克

评论 ：LiFePO 4 化学比LiNiMnCoO 2 更安全，但比能量要低得多，而且不符合体积要求。

小相扑机器人

信息

机器人尺寸:100x100xxxx毫米，重量:0.5公斤

与前面的例子不同，我们不制造迷你相扑机器人。然而，它们在学生比赛中很受欢迎，这就是为什么我们为那些对爱好者应用感兴趣的人创建了这一部分。

那么，什么是相扑机器人呢？这些机器人是为相扑风格与其他机器人的战斗而设计的。比赛通常将机器人的足迹限制在10x10厘米，没有高度限制，最大重量为500克。迷你相扑机器人通常使用两个直流或无刷电机，并可能配备额外的执行器，用于举起或破坏对手的稳定等战术。

在我们的场景中，机器人使用两个直流电机进行运动，并使用一个勺子机构来提升对手以扰乱其稳定性。最初，勺子位于机器人上方以满足尺寸限制，但在比赛开始后会移动到前进位置。勺子的运动由RC伺服控制。

比赛通常很短，但机器人需要通过多次连续的比赛来运作。我们将15分钟视为最低操作时间。

在该设计中，我们还计划使用低阻抗电容器来管理来自电机的高电流峰值，要求电池维持约4A的峰值电流。平均电流消耗将在2A左右。

成分 平均电流[A] 最大电流[A]

直流电机左转 0.8 2.5

直流电机右 0.8 2.5

用于落锤的伺服 0.25 <span style=";font-family: