锂离子电池能量密度高、使用寿命长、运行时间长，是当今市场上适用于机器人的主流电池。您需要根据机器人的尺寸、重量、电压和应用选择合适的电池化学成分，以实现高能效和可靠的储能。
锂离子电池 和 磷酸铁锂 (LiFePO4) 已经在很大程度上取代了移动机器人中的旧化学物质。
电池化学成分的选择直接影响运营成本和可靠性。正确的选择可确保最佳性能并减少停机时间。
关键精华
锂离子电池因其高能量密度和长寿命而成为移动机器人的最佳选择。它们可以提供更长的运行时间并降低维护成本。
选择合适的电池化学成分会影响机器人的性能和运营成本。请考虑能量密度、循环寿命和充电能力等因素。
选择电池时，安全特性至关重要。实施热管理系统和保护电路，以防止过热并确保可靠运行。
评估机器人的具体需求，例如电压和放电率，以选择最合适的电池类型。这可确保最佳性能和效率。
务必集成电池管理系统 (BMS) 来监控电池的健康和安全。BMS 可延长电池寿命并提高运行可靠性。
第一部分：电池化学基础知识
1.1 电池化学类型
在设计移动机器人时，您会遇到多种电池化学选项。每种化学成分都具有独特的特性，会影响机器人的性能和运营成本。最常见的类型包括镍氢电池、锂离子电池以及专用锂化学成分，例如磷酸铁锂 (LiFePO4)、三元锂 (NMC)、钴酸锂 (LCO)、锂锰氧化物 (LMO) 和钛酸锂 (LTO)。这些化学成分在电压、能量密度和功率输出方面各不相同。
以下是主要使用的电池类型的比较 机器人:
电池类型 | 材质 | 标称电池电压 | 比流动能 | 比功率 |
|---|---|---|---|---|
镍氢电池 | 镍氢电池 | 1.2V | 40 – 120瓦时/千克 | 100 – 1000 瓦/公斤 |
锂离子/锂聚合物高能型 | 钴酸锂、镍锰钴酸锂 | 3.6 - 3.7V | 150 – 250瓦时/千克 | 100 – 400瓦/千克 |
锂离子/锂聚合物大电流型 | LiMn2O4 | 3.7 - 3.8V | 100 – 150瓦时/千克 | 400 – 5000 瓦/公斤 |
锂离子/锂聚合物高安全型 | LiFePO4 | 3.2 - 3.3V | 90 – 120瓦时/千克 | 200 – 7000 瓦/公斤 |
您会发现，锂离子电池的电压和比能量都高于镍氢电池。磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池在安全性和循环寿命方面表现突出，而三元锂 (NMC) 电池和锂钴 (LCO) 电池则在高能量密度方面更胜一筹。
1.2 电池化学为何重要
选择合适的电池化学成分决定了您的移动机器人在实际条件下的性能。您必须考虑每种化学成分如何影响能量存储、运行时间和可靠性。您选择的化学成分会影响几个关键因素：
不同的电池化学成分提供不同的能量密度，这直接影响移动机器人的运行效率。
电池的循环寿命会影响移动机器人在需要更换之前可以运行的时间，从而影响整体寿命。
某些化学物质（例如 LTO）的快速充电功能可最大限度地减少停机时间，使机器人能够快速充电并保持生产力。
电池化学成分的耐温性确保了其在不同环境下的可靠性能，这对于在不同条件下运行的移动机器人至关重要。
选择高能量密度的锂离子电池，您可以获得更长的运行时间并降低维护成本。磷酸铁锂 (LiFePO4) 和钛酸锂 (LTO) 电池具有更高的安全性和快速充电能力，可支持高要求的工业应用。电池化学成分的选择决定了机器人集群的生产力和可靠性。
第二部分：机器人中的锂离子电池
2.1 锂离子电池的优势
为您的移动机器人选择锂离子电池，您将获得诸多关键优势。这些电池能量密度高，这意味着您的机器人每次充电后可运行更长时间。锂离子电池的轻量化设计提高了灵活性和效率，尤其是在每克都至关重要的环境中。快速充电功能可最大程度地减少停机时间，并保持机器人队伍的高效运转。
以下是锂离子电池在机器人领域的主要优势：
高能量密度支持长期运行的持续电力。
轻质结构提高了机动性和效率。
快速充电可减少操作中断。
较长的循环寿命确保多次充电后的性能稳定。
集成的安全功能可防止过度充电、过度放电和过热。
极端温度下的可靠性能支持在恶劣环境下使用。
先进的电池管理系统（BMS）可优化能源使用并延长工作时间。
提示：您应该始终选择带有 BMS 的电池组，以最大限度地延长锂离子电池的使用寿命和安全性。
锂离子电池，包括磷酸铁锂 (LiFePO4)、三元锂 (NMC)、锂钴 (LCO)、锂锰氧化物 (LMO) 和锂氧化钛 (LTO) 等类型，具有稳定的电压平台和较高的比能量。这些特性使其成为工业机器人、自动导引车 (AGV) 和配送机器人的理想选择。
2.2 限制和安全
虽然锂离子电池有很多优势，但您必须解决某些限制和安全问题。如果热负荷管理不当，可能会发生过热。您需要实施主动或被动冷却系统，并使用耐热材料来防止热量积聚。
锂离子电池的常见安全措施包括：
热管理系统可防止过热。
智能充电电路和电压监控，避免过度充电或过度放电。
保护电路模块和保险丝系统，防止短路。
用于机械保护的抗冲击外壳和减震材料。
用于预防火灾的阻燃材料和自动抑制系统。
您必须设计具有强大安全功能的电池组。这些措施可以保护您的机器人免受电气故障和机械损坏的影响。通过优先考虑安全性，您可以降低停机风险并延长锂离子电池组的使用寿命。
第 3 部分：比较电池化学成分
3.1 锂离子电池与锂聚合物电池
你经常比较 锂离子 和 锂电 在为移动机器人选择最佳电池化学成分时，务必考虑两种电池。这两种化学成分都具有高性能，但对于机器人应用而言，各自都具有独特的优势。
属性 | 锂聚合物（li-poly） | 锂离子（li-ion） |
|---|---|---|
能量密度 | 与锂离子电池相比，能量密度较低 | 更高的能量密度（Wh/kg） |
重量 | 由于采用袋装设计，通常更轻 | 由于采用圆柱形电池，因此更重 |
Cost | 通常更贵 | 一般较便宜 |
锂聚合物电池在负载下提供高电压，并支持高电流消耗。灵活的外形尺寸使其非常适合定制机器人设计。锂聚合物电池在高放电条件下运行温度更低，但其循环寿命比锂离子电池短。此外，锂聚合物电池一旦损坏，更容易发生热失控。
锂离子电池能量密度更高，这意味着您的机器人可以拥有更长的运行时间。金属外壳和更多放电选项，让您操作更安全。锂离子电池组通常成本更低，使用寿命更长。您应该始终在电池组中配备安全功能，以防止过热和短路。
锂聚合物电池的优点：
负载下高电压
灵活的形状，可定制设计
高排放时冷却器运行
锂聚合物电池的缺点：
更少的生命周期
热失控风险更高
锂离子电池的优点：
更长的运行时间
更安全的施工
更低的花费
3.2 锂离子电池与镍氢电池
您可能还会考虑为移动机器人使用镍氢电池，但在大多数工业应用中，锂离子电池的性能更胜一筹。下表重点介绍了主要区别：
特性 | 镍氢电池 | 锂离子（li-ion） |
|---|---|---|
能量密度 | 60–120 瓦时/公斤 | 150–250 瓦时/公斤 |
电池寿命 | 500–1,000个周期 | 500–2,000+ 次循环 |
充电时间 | 2-4小时 | 1-2小时 |
自放电 | 高（20-30%/月） | 低（2-5%/月） |
锂离子电池能量密度更高，续航时间更长。更快的充电速度和更低的自放电率可以减少停机时间。镍氢电池可能适合传统系统，但锂离子电池组可为现代移动机器人提供卓越的性能和可靠性。
3.3 其他化学概述
在机器人技术中，你会遇到几种先进的锂电池化学结构。每种类型都具有独特的平台电压、能量密度和循环寿命。下表总结了主要的锂电池类型：
材质 | 平台电压 | 能量密度 (Wh/kg) | 循环寿命（循环） |
|---|---|---|---|
LCO | 3.6-3.7伏 | 150-200 | 500-1,000 |
NMC | 3.6-3.7伏 | 180-220 | 1,000-2,000 |
LiFePO4 | 3.2-3.3伏 | 90-120 | 2,000-7,000 |
LMO | 3.7-3.8伏 | 100-150 | 300-700 |
LTO | 2.4 V | 70-80 | 5,000-15,000 |
固体状态 | 3.7 V | 250-350 | 1,000-10,000 |
锂金属 | 3.7 V | 400-500 | 500-1,000 |
您应该根据机器人的操作需求选择电池化学成分。磷酸铁锂 (LiFePO4) 和钛酸锂 (LTO) 在循环寿命和安全性方面表现出色。镍钴锰酸锂 (NMC) 和锂钴氧化物 (LCO) 为紧凑型机器人提供高能量密度。固态和锂金属化学材料有望在未来提升储能和可靠性。
第 4 部分：选择合适电池的关键因素
为您的移动机器人选择最佳电池需要仔细评估多种技术因素。您必须考虑电压、容量、放电速率、电池管理和环境安全性。这些因素直接影响机器人的性能、可靠性和运营成本。
4.1 电压和容量
您需要将电池电压与机器人的电机要求相匹配。如果选择的电池电压低于电机规格，则可能导致电机功率不足。这种不匹配可能会导致性能问题，甚至损坏电机。适当的电压兼容性可以使您的机器人高效运行并达到最佳性能。
容量决定了机器人在充电前可以运行多长时间。您应该根据机器人的工作负荷计算总能量需求，并选择具有足够安培小时 (Ah) 额定值的电池。对于大多数移动机器人来说，锂离子电池具有高能量密度，这意味着在紧凑的封装中可以实现更长的运行时间。锂聚合物电池还具有灵活的外形尺寸，适合定制设计。
提示：务必遵循 20%-80% 的电池电量规则。保持电池电量在 20% 到 80% 之间，可以延长电池使用寿命并保持稳定的性能。
4.2 放电率和电流
放电率衡量电池向机器人输送电流的速度。您必须确保电池能够提供足够的电流来应对峰值负载，尤其是在电机启动或重载任务期间。为了获得最佳效果，请选择放电容量至少为电机失速电流 1.2 倍的电池。
下表显示了放电率如何影响不同机器人类型的电池选择：
放电率 | 应用类型 | 电池规格示例 |
|---|---|---|
≤5℃ | 恒速机器人（检查） | 10Ah电池，5C放电率，50A持续电流 |
10C-25C | 大功率机器人（物流无人机、战斗机器人） | 14.8V、4000mAh、25C电池，100A峰值电流 |
低放电 | 高负荷场景（电压骤降风险） | 需要通过BMS进行实时监控 |
锂离子电池在高放电应用中表现出色，可满足持续电流和峰值电流需求。锂聚合物电池在高电流消耗场景下也表现出色，尤其是在需要灵活形状或更轻重量的情况下。
4.3 电池管理系统（BMS）
坚固 电池管理系统 (BMS) 对锂电池组的安全高效运行至关重要。智能电池管理可确保安全的电力分配和经济的能源使用，让您从中受益。BMS 持续监测电池的充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH)，从而保持最佳电池运行状态。它可以防止深度放电并控制充电周期，从而减少容量随时间推移的损失。
移动机器人电池组的主要 BMS 功能包括：
特性 | 描述 |
|---|---|
电池平衡 | 确保电池组中的所有电池都充电均匀，以延长电池寿命并提高性能。 |
充电状态 (SoC) | 提供有关电池电量水平的实时信息，这对于运行效率至关重要。 |
健康状况 (SoH) | 监测电池的整体健康状况，预测其寿命和性能。 |
热管理 | 调节温度以防止过热并确保电池安全运行。 |
安全保护 | 实施各种安全措施，防止过度充电、短路和其他危险。 |
数据通讯 | 通过 CAN 或蓝牙等协议促进与其他系统的通信以进行监控。 |
您应该寻找先进的 BMS 功能，例如较小的总测量误差、同步电池电压测量、被动电池平衡以及低功耗电池监控。这些功能可帮助您维护电池安全并最大限度地延长正常运行时间。更多详情，请访问 BMS和PCM解决方案.
BMS 监控并保护电池，确保其在安全范围内运行。
它平衡电池单元以提高性能和寿命。
该系统管理热条件以防止过热，这对于安全至关重要。
4.4 安全和温度
设计机器人的电池系统时，必须优先考虑安全特性。极端温度会降低电池性能并缩短其使用寿命。低温会导致电池内阻增加，容量最多可降低 23%。高温可能导致热失控，从而带来火灾和爆炸风险。在恶劣环境下，电池性能可能会下降高达 40%。
为确保安全运行，请选择内置短路、过温和爆炸保护功能的电池。您还应验证电池组是否符合 UN38.3、CE、RoHS 和 MSDS 等行业标准。这些认证可确认您的电池系统符合运输安全和环境法规。
注意：务必集成热管理系统并实时监控电池温度。这有助于避免意外关机并延长电池寿命。
锂离子电池在广泛的温度范围内提供可靠的性能，非常适合工业机器人和自动导引车 (AGV)。锂聚合物电池需要小心处理和监控，尤其是在高功率或定制应用中。
第五部分：电池组格式和设计
当您选择一个 移动机器人的电池组，您必须考虑电池规格。圆柱形、方形和软包电池的选择不仅会影响能量密度和机械强度，还会影响机器人的重量分布和稳定性。每种规格针对不同的工业应用都具有独特的优势，包括 机器人, 医疗器械, 安全系统, 基础设施和 工业自动化.
5.1 圆柱形电池
圆柱形电池 仍然是机器人和工业领域锂离子电池组的热门选择。其坚固的结构和稳定的性能将为您带来诸多益处。这些电芯能量密度高，且能承受机械应力，是自动导引车 (AGV) 和安防机器人等严苛环境的理想选择。
电池类型 | 能量密度 | 机械坚固性 | 应用 |
|---|---|---|---|
圆柱 | 高 | 非常坚固 | 机器人、电动汽车、工业 |
提示：圆柱形电池可帮助您保持较低的重心，从而提高移动机器人的稳定性和可操作性。
5.2 方形电池
棱柱形电池 采用扁平矩形设计，并配有坚固外壳。您可以获得高能量密度和高效的空间利用率，非常适合需要紧凑型电池组的应用。方形电池具有卓越的耐用性和热管理性能，适用于基础设施项目、医疗机器人和工业自动化。
方形电池为大型电池组提供了可扩展的设计。
坚固的外壳可以防止振动和冲击，这对于在恶劣环境下运行的移动机器人至关重要。
5.3 软包电池
软包电池常用于锂聚合物电池组，以轻巧灵活的形式提供高能量密度。您可以根据定制外壳对这些电池进行塑形，这对于先进的机器人、医疗设备和紧凑型安全系统非常有用。然而，由于存在膨胀风险，软包电池需要谨慎的热管理。
锂聚合物软包电池可让您优化重量分布并保持较低的重心。
灵活的设计支持创新的机器人架构和节省空间的解决方案。
您必须密切监控袋式电池以防止过热并确保长期可靠性。
电池类型 | 能量密度 | 机械坚固性 | 应用 |
|---|---|---|---|
袋 | 高 | 灵活，有肿胀风险 | 机器人、医疗、安全、消费 |
注意：锂聚合物软包电池在需要轻量、定制形状的电池组但始终实施强大的安全和监控系统的应用中表现出色。
您应该根据机器人的操作需求选择合适的电池规格。例如，圆柱形锂离子电池适用于高性能工业机器人，而软包锂聚合物电池则适用于医疗和安全领域的紧凑轻量化设计。方形电池则弥补了两者之间的差距，为基础设施和大型机器人提供了耐用性和高效的空间利用率。
第六部分：应用示例
6.1 小型机器人
您经常会设计用于室内检查、教育任务或轻型自动化的小型机器人。这些机器人需要紧凑轻便的电池组。在这些情况下，锂聚合物电池将为您带来益处。其灵活的软包电芯可适应狭小空间，并减轻整体重量。您可以根据定制外壳定制锂聚合物电池组，这对于设计独特的小型机器人来说是理想之选。锂聚合物电池的高放电率支持快速爆发，有助于实现敏捷的移动。但是，您必须密切监测电池的温度和膨胀情况，以确保安全。
提示：对于小型机器人，请选择带有集成保护电路的锂聚合物电池。这种方法有助于在不增加额外体积的情况下确保安全。
6.2 中型机器人
中型机器人，例如送货机器人或仓库助理，需要更多能量和更长的运行时间。通常，您会为这些机器人选择锂离子电池组，因为它们具有更高的能量密度和更长的循环寿命。单个 12V 锂离子电池组即可高效地为中型机器人供电。如果您担心重量，可以使用 11.1V 锂聚合物电池。这种选择在性能和便携性之间取得了平衡。在最终确定电池选择之前，您应该始终考虑机器人的电压和电流要求。
机械手大小 | 电压选项 | 容量和安全功能 |
|---|---|---|
中型 | 12V | 通常使用一个 12V 电池；铅酸电池或单个镍氢电池组（如果重量是一个问题，则使用 11.1V 锂聚合物电池）。 |
L大号 | 12V或24V | 使用一个或多个铅酸电池组。 |
6.3 大型机器人
大型机器人，例如工业自动导引车 (AGV) 或重型服务机器人，需要强大的电池解决方案。通常需要更高的电压（例如 24V）和更大的容量，以支持长时间轮班和重载。在这种情况下，您通常会串联或并联部署多个锂离子电池组。这种配置可以提供持续运行所需的电压和运行时间。您还必须集成先进的电池管理系统来监控电池健康状况并确保安全。对于大型机器人来说，锂聚合物电池由于机械强度较低，因此不太常见，但在轻量化至关重要的定制应用中，您仍然可以使用它们。
注意：务必确保电池系统与机器人的操作配置相匹配。请考虑能源需求、安全和维护要求，以实现最佳性能。
第 7 部分：如何为您的机器人选择合适的电池
7.1 评估步骤
为您的移动机器人选择最佳电池需要系统的方法。在选择合适的电池之前，您必须分析机器人的技术要求和运行环境。请遵循以下步骤，以确保您选择的电池能够满足性能、安全性和成本效益的要求：
确定电池电压和容量
将电池的标称电压与机器人的工作电压相匹配。根据机器人的预期运行时间和工作负荷计算所需的安培小时 (Ah) 额定值。对于大多数工业机器人来说，锂离子电池（例如 LiFePO4、NMC 或 LCO）可以提供稳定的电压和高能量密度。评估电池尺寸和重量
检查机器人内部的可用空间。选择适合外壳且重量轻的电池，以提高机器人的机动性。锂聚合物电池提供灵活的袋装设计，可帮助您优化重量和形状，实现紧凑的设计。验证放电电流
评估机器人的峰值电流需求，尤其是在电机启动或执行重载任务时。选择最大放电电流超过机器人要求的电池。锂聚合物电池在高放电场景下表现出色，支持快速爆发。回顾电池寿命
优先选择循环寿命长的化学电池，以降低维护成本。磷酸铁锂电池可循环数千次，非常适合需要频繁充放电的机器人。检查环境兼容性
确保电池在机器人的温度范围内可靠运行。对于户外或工业机器人，请选择 IP 等级的电池组，以抵御潮湿、灰尘和极端温度。使用额定温度为 -40 °C 至 +85 °C 的 PCB 和聚碳酸酯外壳，以防紫外线和高温。确认安全功能
选择内置保护电路的电池。注意过压、欠压、过流、短路和热管理功能。集成数据记录功能，用于实时热分析，并配备备用加热系统，用于防冻保护。评估通信协议
验证您的电池组是否支持机器人的通信需求，例如 CAN、RS485、UART 或 TCP/IP。这种兼容性可确保与机器人控制系统无缝集成。
提示：使用 Steve Judd 的安培小时计算器或 Team Run Amok 的扭矩和安培小时计算器等工具来估算机器人驱动系统的电池容量和化学成分。
7.2 应避免的常见错误
为移动机器人选择电池时，必须避免几个陷阱。这些错误可能会导致性能下降、成本增加以及运营中断。
糟糕的项目设计
如果未能收集准确的数据或规划机器人的布局和环境，可能会导致电池规格不匹配。在选择合适的电池之前，请务必明确您的流程并计算所需的机器人数量。使用不成熟的技术
并非所有供应商都具备您特定应用的经验。购买前，请索取参考资料并参观运行设备，以验证技术成熟度。忽略功耗细节
您必须了解机器人每个组件的电流消耗及其运行时间。计算总功耗，以选择符合机器人硬件和任务要求的电池。忽视环境因素
避免在户外机器人上使用 ABS 或普通 PVC 外壳。选择工业聚合物，并进行盐雾和紫外线测试，以验证其长期耐受性。设计机械结构时，应考虑热膨胀的影响，避免开裂。跳过安全和合规性检查
务必确认您的电池组符合 UN38.3、CE、RoHS 和 MSDS 等行业标准。这些认证可确认您符合运输安全和环境法规。
注意：选择锂聚合物电池时，请密切监测电池的温度和膨胀情况。在关键 PCB 组件周围涂抹导热膏或绝缘垫，以防止过热。
B2B电池选择清单
使用此清单可以简化移动机器人的电池选择过程：
提示：遵循结构化评估并避免常见错误，可以提高可靠性并降低运营成本。锂聚合物电池具有灵活性和高放电率，但需要仔细的监控和强大的安全系统。
因素 | 对总拥有成本的影响 |
|---|---|
每千瓦时价格 | 每千瓦时151美元，低于前几年 |
预期电池寿命 | 1,000–3,000 次循环，降低更换成本 |
保养与保固 | 5-10 年，降低持续开支 |
如需定制解决方案，请咨询松下、比亚迪、三星 SDI、特斯拉或 MANLY Battery 等领先供应商。他们的专业知识可确保您的移动机器人实现最佳性能和可靠性。
常见问题解答
工业移动机器人的最佳锂电池化学成分是什么？
工业机器人通常会选择磷酸铁锂 (LiFePO4) 或镍钴锰 (NMC) 电池。磷酸铁锂循环寿命长，安全性高。镍钴锰 (NMC) 电池能量密度更高。这两种电池都能在严苛环境下提供稳定的平台电压和可靠的性能。
如何计算机器人所需的电池容量？
首先，确定机器人的平均电流消耗和期望运行时间。将这两个值相乘得到安培小时 (Ah)。并添加 20% 到 30% 的安全裕度。例如：
Required Capacity (Ah) = Average Current (A) × Runtime (hours) × 1.2
为什么您的机器人需要电池管理系统 (BMS)？
BMS 可保护您的锂电池组免受过充、过放和过热的影响。您可以获得实时监控、电池平衡和更高的安全性。该系统可延长电池寿命并降低维护成本。
锂电池组可以在极端温度下运行吗？
锂电池组可在宽温度范围内使用。磷酸铁锂 (LiFePO4) 和钛酸锂 (LTO) 化学材料在 -20°C 至 60°C 的温度下均能保持良好性能。请务必验证电池规格并集成热管理功能，以获得最佳效果。
您的锂电池组应该具备哪些认证？
您应该查看 UN38.3、CE、RoHS 和 MSDS 等认证。这些标准可以确认您的锂电池组的安全性、环保合规性和运输准备情况。
