ADI電池管理解決方案如何幫助實現更安全、更智能的移動機器人

簡介

在設計如圖1所示的自主移動機器人(AMR)時，選擇合適的電池包及其配套的電池管理系統(BMS)是一個關鍵決策。在工廠和倉庫等緊密集成的環境中，每一秒鐘的運行都至關重要，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(SoC)和放電深度(DoD)，這些重要參數有助于提高移動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，請務必考慮能夠提供過充保護和過流檢測的BMS技術。

圖1 AMR圖

什么是電池管理系統？

BMS是一個電子系統，可用于密切監控電池包和/或其各個電池單元的各種參數。對實現電池的最大可用容量并確保安全及可靠運行而言，BMS至關重要。高效的系統不僅能夠以安全的方式優化電池的可用容量，還能夠為工程師提供有價值的參數，例如電池單元電壓、SoC、DoD、健康狀態(SoH)、溫度和電流，所有這些參數均有助于使系統發揮優異性能。

什么是SoC、DoD和SoH？為什么它們對自動導引車(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間。

SoC表示充電狀態，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。

SoH表示健康狀態，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解決方案有何關系？

電池的SoC根據電池架構而變化，盡管如此，仍需要一個精確的系統來測量電池狀態。目前常用的電池主要有兩種類型：鋰離子電池和鉛酸電池。每種電池各有利弊，并包含不同的子類別。總體而言，普遍認為鋰離子電池更適合用于機器人，因為此類電池具有以下特點：

■   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間比鋰離子電池更長。

■   鋰離子電池的使用壽命更長，因此充電周期次數明顯更多。

然而，這些優勢意味著成本增加，并帶來了一些挑戰，要想充分發揮其性能優勢，就需要解決這些挑戰。

為了在實際應用中更好地說明這一點，可以分析圖2，該圖比較了鉛酸電池和鋰離子電池的DoD。可以觀察到，當鋰離子電池的DoD從0%增加到80%時，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

為了在真實場景中說明這一點：

假設以下AMR是一個24 V系統，使用27.2 V LiFePo4電池包，其中每個電池單元充滿電時的容量為3.4 V。參見圖3。

此電池的常見SoC曲線如表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，但一個很好的經驗法則是，考慮最小SoC為10%，最大SoC為90%。

如果低于最低水平，可能會導致電池內部短路，而如果充電超過90%，這些電池的使用壽命會縮短。

考慮表1，請注意每個電池單元的電壓范圍為350 mV，對于包含8個電池單元的27.2 V電池包，電壓范圍為3.2 V。根據這一點，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AMR系統時，該百分比可能要乘以數百甚至數千，它就變成了一個重要因素。如果考慮到電池的自然退化，該因素變得更具相關性。

自然退化對電池健康也起到重要作用，因為隨著時間的推移，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電池使用壽命，并充分利用每個電荷單元。

ADI的BMS解決方案如何提高生產力并解決問題？

在移動機器人應用領域，ADI的BMS可以提供哪些技術來增強和實現高性能？

通過精準測量電池單元，精確的電池管理可顯著提高電池效率，從而更準確地控制和估算各種電池化學成分的SoC。單獨測量每個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。超快速過流檢測可實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提供移動機器人所需的所有關鍵規格，但對于移動機器人，BMS設計時要考慮的一些關鍵規格包括：

■   使用壽命期間的總測量誤差(TME)小（-40°C至+125°C）

■   電池單元電壓的同時和連續測量

■   內置isoSPI?接口

■   支持熱插拔，無需外部保護

■   被動電池平衡

■   低功耗電池單元監控(LPCM)用于關斷狀態下的電池單元和溫度監控

■   睡眠模式電源電流低

減少浪費，保護環境

國際能源署在2023年的一份關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鍵。構成電池的材料很難從環境中提取，這凸顯了優化電池利用的必要性。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，使它們能夠使用更長時間，無需更換。

ADI的BMS功能提供的過流保護是低風險因素，可實現安全運行，并降低電池和作為負載連接的系統損壞的風險。

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，這些因素可能會引起燃燒和爆炸等危險情況，并且可能會迅速釀成災難2。

對于影響電池退化的所有參數，均可進行測量、處理并采取相應行動，從而為系統提供在所需使用壽命內運行的適宜條件。延長電池使用壽命是減少浪費的重要因素，因為現在通過優化管理，電池可以使用更長時間，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，減少浪費。在不斷發展的制造環境中，自動化程度日益提高，人們希望繼續提升其移動機器人的性能，于是，精確控制和管理資產變得至關重要。

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。“回顧鋰離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。

作者簡介

Rafael Marengo是ADI公司互連運動和機器人事業部的系統應用工程師，負責為BMS、運動控制等各種技術提供支持，工作地點位于利默里克。他于2019年加入ADI公司，任精密轉換器技術部的設計評估工程師。Rafael擁有巴西拉夫拉斯聯邦大學的控制與自動化工程學士學位。加入ADI之前，他曾在一家面向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。