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提高效率：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
前言：
作者：Rafael Marengo，系統應用工程師
摘要
隨著自動化倉庫和制造設施的迅速發展，謹慎控制過程中的每個組件至關重要。即使是短暫的停機也會造成嚴重影響。自主移動機器人和自動導引車在該生態系統中發揮著重要作用，需要實施精確的監控和故障安全系統。另一個重點是有效監控電池，以便優化電池性能并延長電池的整體壽命，從而最大限度減少不必要的浪費，保護寶貴的資源。本文將簡要介紹一些用于提高電池效率的重要指標，以及為這些應用選擇電池管理系統時需要考慮的關鍵因素。
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(Cmax)的電池最大可釋放容量(Cmax)。
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(Crated)的電池已放電百分比(Creleased)。
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
|
SoC |
電池單元電壓 |
電池包電壓 |
|
100% |
3.4 |
27.2 |
|
90% |
3.35 |
26.8 |
|
80% |
3.32 |
26.6 |
|
70% |
3.3 |
26.4 |
|
60% |
3.27 |
26.1 |
|
50% |
3.26 |
26.1 |
|
40% |
3.25 |
26 |
|
30% |
3.22 |
25.8 |
|
20% |
3.2 |
25.6 |
|
10% |
3 |
24 |
|
0% |
2.5 |
20 |
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。
欲詳細了解有關ADI為工業移動機器人提供的產品，請瀏覽我們的機器人解決方案頁面。
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。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
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。
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