另一个至关重要的话题是高效的电池监控，它可以优化电池性能并延长电池寿命，从而最大限度地减少不必要的浪费并保护宝贵的资源。本文将简要概述一些用于提高电池效率的重要指标，并指导在这些应用中选择电池管理系统时需要考虑的关键因素。.
引言
如图 1 所示，选择合适的电池及其配套的电池管理系统 (BMS) 是自主移动机器人 (AMR) 设计中的关键决策。在工厂和仓库等高度集成的环境中，每一秒的运行都至关重要，因此确保所有组件的安全可靠运行至关重要。BMS
解决方案能够精确测量电池的充放电情况，从而最大限度地提高可用容量。此外，精确的测量数据还能准确计算电池的荷电状态 (SoC) 和放电深度 (DoD)，这些参数对于实现更智能的移动机器人工作流程至关重要。同样重要的是这些系统的安全性，因此在为这些应用选择系统时，必须考虑能够提供过充保护和过流检测功能的 BMS 技术。
图 1. AMR 图。.
什么是电池管理系统？电池管理系统
（BMS）是一种电子系统，可用于密切监控电池组和/或其各个电芯的各项参数。它对于在确保安全可靠运行的同时最大限度地提高电池可用容量至关重要。高效的系统不仅可以安全地优化电池可用容量，还可以为工程师提供诸如电芯电压、荷电状态（SoC）、放电状态（DoD）、健康状态（SoH）、温度和电流等重要参数——所有这些参数都可用于获得最佳的系统性能。
什么是SoC、DoD和SoH？它们对自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）为何如此重要？
SoC、DoD和SoH是电池管理系统（BMS）中常用的参数，用于判断系统是否处于良好状态，以便及早发现故障、监测电池老化情况以及评估剩余运行时间。
SoC 代表电池电量（State of Charge），可以定义为电池相对于其总容量的剩余电量。SoC 通常以百分比表示，其中 0% 表示电量为零，100% 表示电量已满。.
电池健康状态 (SoH) 可以通过电池可释放的最大容量 (Cmax.) 与其标称容量 (Cnom.) 的关系来定义。.
放电深度 (DoD) 是与 SoC 相反的指标，它由电池已放电 (Cliberated) 的百分比相对于其标称容量 (Cnom.) 来定义。.
它们与自主移动机器人（AMR）解决方案有何关联？
电池的组件系统（SoC）因电池架构而异；然而，一个精确的电池健康状况测量系统至关重要。常用的电池主要分为两大类：锂离子电池和铅酸电池。每种电池各有优缺点，并细分为多个子类别。一般来说，锂离子电池被认为是机器人的更佳选择，因为它们具有以下优势：
►更高的能量密度，可达铅酸电池的8到10倍。►
相同容量的锂离子电池比铅酸电池更轻。►
给铅酸电池充电比给锂离子电池充电耗时更长。►
锂离子电池循环寿命更长，可进行更多次的充电循环。
然而，这些优势也带来了更高的成本，并带来了一些必须解决的挑战，才能充分发挥其性能优势。
为了更好地说明实际应用中的情况，请参考图 2 中的图表，该图表比较了铅酸电池和锂离子电池的放电深度 (DoD)。可以看出，锂离子电池在放电深度从 0% 到 80% 的过程中，电池组电压变化极小。80% 通常是锂离子电池的放电深度下限，低于此值则可能存在安全隐患。
然而，由于锂离子电池的电压在可用范围内变化很小，即使是微小的测量误差也可能导致性能大幅下降。
图 2. 电池电压水平与 DoD 的关系。.
图 3. 通用 AMR 电池和 BMS 架构。.
为了用实际场景来说明这一点：
假设以下 AMR 系统为 24V，使用 27.2V 的磷酸铁锂电池组，其中每个电芯在充满电时的电压为 3.4V。参见图 3。表
1 显示了此类电池的 SoC 的常见配置。
表 1. LiFePO4 电池单体和电池组电压示例数据
对于磷酸铁锂电池，可用充电范围可能有所不同，但一个好的经验法则是将最低荷电状态 (SoC) 设定为 10%，最高设定为 90%。
低于最低值的任何值都可能导致电池内部短路，而高于 90% 的充电则会缩短电池寿命。
参考表 1，请注意单节电池的电压范围为 350 mV，对于一个 8 节电池组成的 27.2 V 电池组，其电压范围为 3.2 V。基于此，我们可以做出以下假设：
如果磷酸铁锂电池的可用单节电压范围为 350 mV，那么每 1 mV 的单节电池测量误差会使充电范围减少 0.28%。
如果电池组的成本为 4,000 美元，则误差成本为：
4,000 美元 × 0.28% = 11.20 美元/mV 误差，这意味着电池组的续航里程将无法得到充分利用。
虽然 0.28% 的续航里程看似微不足道，但如果扩展到多个 AMR 系统，该百分比可能会乘以数百甚至数千，使其成为一个重要的影响因素。考虑到电池的自然衰减，这一因素就显得更加重要。
自然衰减对电池健康也起着至关重要的作用，因为随着时间的推移，电池的最大荷电状态 (SoC) 会下降（图 4）。因此，即使在自然衰减之后，精确的电池测量仍然是保持最佳性能的最佳方法。
图 4. 由于自然退化导致的可用范围最大减少量。.
监控所有参数并精确控制电池使用是延长电池寿命并最大化利用每一单位电量的最佳方法。ADI
的电池管理系统 (BMS) 解决方案如何提高生产效率并解决问题？
那么，ADI 的 BMS 可以提供哪些技术来提升移动机器人应用的性能？
精确的电池管理通过精确测量单个电芯，显著提高电池效率，从而能够更精确地控制和估算各种电池化学体系的充电状态。单独测量每个电芯可确保安全控制电池的充电状态。这种精确控制有助于实现均衡充电，防止电芯过充和过放。此外，同步电流和电压测量提高了采集数据的精度。极快的过流检测可实现快速故障检测和紧急关机，从而确保安全性和可靠性。
图 5. 锂离子电池的主要衰减因素。.
ADBMS6948 具备移动机器人所需的所有关键规格，但对于移动机器人的电池管理系统 (BMS) 设计而言，以下几项关键规格尤为重要：
► 生命周期内（-40°C 至 +125°C）总测量误差 (TME) 低；
► 可同时连续测量电池电压；
► 集成 isoSPI™ 接口；
► 无需外部屏蔽即可热插拔；
► 无源电池均衡；
► 低功耗电池监控 (LPCM)，用于在关机状态下监控电池和温度；
► 待机模式下低功耗。
减少浪费，助力环境保护：
根据国际能源署2023年电池报告，“电池是清洁能源转型的重要组成部分。”¹ 妥善管理这些资源至关重要。构成电池的材料难以从环境中提取，因此必须对其进行优化利用。通过高效管理充放电参数，我们可以延长电池寿命，使其无需频繁更换即可使用更长时间。ADI
BMS提供的过流保护功能可降低风险，确保安全运行，并减少电池和连接负载的损坏风险。
图5展示了锂离子电池的一些衰减因素示例，值得注意的是，这些因素可能导致燃烧和爆炸等危险情况，并可能迅速演变为灾难性后果。²
所有影响电池衰减的参数都可以进行测量、控制和调整，从而在整个使用寿命期间为系统提供最佳运行条件。提高电池寿命是减少浪费的重要因素，因为通过优化管理，电池现在可以使用更长时间，从而有效减少不必要的电池废弃。
总之
，我们可以说，电池管理系统 (BMS) 不仅可以通过精确控制每个参数来提升系统整体性能，还能降低成本和减少浪费。在日益自动化且不断追求移动机器人性能提升的制造环境中，精准的资产控制和管理至关重要。
如需了解更多关于 ADI 工业移动机器人解决方案的信息，请访问我们的机器人解决方案页面。
参考文献
1 “电池与安全能源转型。”国际能源署，2023 年。
2 张晓强、韩悦、张伟平。“影响锂离子电池寿命的因素综述。”
电气与电子材料学报，第 22 卷，2021 年 7 月。
作者简介：
拉斐尔·马伦戈 (Rafael Marengo) 现居利默里克，是 亚德诺半导体公司 (ADI) 互联运动与机器人业务部门的系统应用工程师， 负责支持包括楼宇管理系统 (BMS)、运动控制等在内的多种技术。他于 2019 年加入 ADI，担任精密转换器技术团队的设计评估工程师。拉斐尔拥有巴西拉夫拉斯联邦大学控制与自动化工程学位。加入 ADI 之前，他曾就职于一家专注于农业技术市场的机器视觉初创公司，担任研发经理，负责多款产品的全球商业化。
