定制形状的电池组如何优化人形机器人结构和空间利用率

2025 年 9 月 17 日

黄志雄博士

本人拥有16年锂电池研发经验和10年电源研发经验，熟悉从材料选型、电芯设计到系统集成的全流程技术。长期致力于高性能、安全、长寿命的电池及电源系统的研发，拥有丰富的工程实践和项目管理经验，参与并主导了国内外多项重点研发及产业化项目。

定制形状的电池组可让您最大限度地利用人形机器人内部的每一毫米，改善结构并优化能量存储。定制锂电池组提供定制的电池性能、先进的安全性和更长的运行时间。这些解决方案支持机器人在工业环境中，包括仓库机器人和自主移动机器人，效率和可靠性推动着运营的成功。

好处	定制锂电池组	标准电池解决方案
运行时	运行时间更长，充电次数更少	运行时间有限
高效	减少停机时间	停机时间增加
安全	先进的安全功能	风险更高

关键精华

定制形状的电池组最大限度地利用了人形机器人的空间，从而可以更好地集成组件并提高有效载荷能力。
这些电池组提供更长的运行时间和增强的安全功能，减少工业环境中的停机时间和操作风险。
先进的电池管理系统定制包装确保实时监控和防止过热，提高可靠性和性能。

第 1 部分：标准电池组限制

1.1 人形机器人的空间浪费

在人形机器人中使用标准电池组时，会面临严重的空间浪费。这些电池组的形状和尺寸固定，很少能与机器人复杂的内部轮廓相匹配。因此，电池周围经常会出现空隙，从而减少了其他关键组件的可用空间。对于仓库机器人来说，这种低效率意味着无法最大化有效载荷或添加先进的传感器。对于自主移动机器人来说，每一毫米都至关重要，浪费的空间会直接影响操作灵活性。

注意： 空间限制迫使您在电池尺寸和机器人功能之间做出妥协。在以紧凑性和效率为核心的机器人应用中，这一挑战尤为突出。

下面我们来简单了解一下机器人标准电池组最常见的限制：

局限性	描述
运行时间短	大多数机器人运行时间不超过 1-3 小时，之后就需要长时间充电，这限制了它们的效率。
热风险	高频放电会产生热量，导致性能下降和安全隐患。
空间约束	紧凑的设计限制了电池尺寸，迫使在容量和重量之间进行权衡。

1.2 设计和性能约束

标准电池组形状对人形机器人的设计和性能施加了严格的限制。您必须经常重新设计机器人的内部结构以适应电池，而不是反过来。这种方法限制了您优化重量分布、平衡性和灵活性的能力——而这些正是仓库机器人和自主移动机器人的关键因素。

下表重点介绍了您遇到的主要设计和性能限制：

约束类型	描述
能量密度	目前的电池技术，如 LFP 和高镍三元电池（150-300 Wh/L），限制了人形机器人的可用容量，因为人形机器人需要在尺寸和重量与电力需求之间取得平衡。
放电率	人形机器人需要能够维持高放电率（2-3C）的电池来执行动态任务，但目前的锂电池解决方案在长期保持性能方面面临着挑战。
安全	三元锂电池存在过热和燃烧的风险，引发了室内使用的安全隐患，因此需要固态电池等更安全的替代品。
耐力	人形机器人的典型电池寿命仅为 2-4 小时，这对于实际应用来说是不够的，这凸显了对电池技术进步以提高运行时间的必要性。

这些限制在仓库机器人身上体现得最为明显，有限的运行时间和安全风险可能会扰乱物流运营。在机器人技术领域，这些问题阻碍了创新，并限制了先进自主移动机器人在工业环境中的部署。

第 2 部分：人形机器人定制电池组

2.1 外形尺寸适应性

定制形状的电池组让您能够灵活地设计符合运营需求的机器人，而不是反过来。您可以根据人形机器人独特的内部轮廓来定制电池组，从而最大限度地利用每一毫米的空间。这种方法可以避免空间浪费，并允许您将电池直接集成到机器人的躯干、四肢或其他结构部件中。对于仓库机器人，这意味着您可以增加有效载荷或添加高级传感器，而无需牺牲运行时间。对于自主移动机器人，定制形状的电池组支持紧凑的设计，从而提高灵活性和机动性。

通过将电池集成为结构部件，可以减少质量和体积，这对于人形机器人的灵活运动和稳定性至关重要。

一个真实的例子是 Figure 专为其人形机器人设计的 F.03 电池系统。这款定制形状的电池组可以无缝嵌入机器人躯干，与笨重的矩形模块相比，能量密度提高了 94%。这不仅优化了结构，还提升了电池性能，这对于严苛的工业环境至关重要。

2.2 提高能量密度

您需要高能量密度来确保机器人在两次充电之间能够运行更长时间。定制形状的电池组采用先进的锂离子和固态化学技术，能够在更小的空间内提供更多能量。这对于仓库机器人和自主移动机器人尤为重要，因为每一立方厘米都至关重要。

电池类型	能量密度	优势
锂离子电池	高	能量密度高于镍氢电池或铅酸电池；适合小型化
固态电池	可能更高	安全性和能量密度更高的新兴技术

为了实现这些收益，制造商使用专门的材料和组件：

组件类型	使用的材料
集电器	高纯度铜（阳极）、铝（阴极）
电极和添加剂	石墨、高级碳、合适的金属氧化物
密封件和垫片	PTFE、EPDM，耐化学腐蚀
互连和绝缘	铜/镍箔、聚酰亚胺薄膜隔离

您将受益于根据您的机器人特定需求定制的电压、容量和放电特性。即使在高需求场景下，也能确保优化的储能和可靠的运行。

特点	描述
电压	量身定制，提供必要的动力，同时确保机器人安全运行。
容量	表示机器人在需要充电之前可以运行多长时间，以安培小时为单位。
放电率	电池电量耗尽的速度对于匹配机器人的消耗模式至关重要。

2.3 电池管理和安全

在工业或公共环境中部署机器人时，安全至关重要。定制电池组集成了先进的电池管理系统 (BMS)，可监控和控制电池性能的各个方面。这些系统提供实时监控、故障检测和预防措施，以降低过充、过热和短路等风险。BMS 管理充电和放电过程，监控温度和电压，并实施过充保护和热熔断。

先进的 BMS 功能可防止危险事件并保持最佳电池健康状态，确保机器人和人类的安全。
了解有关机器人中的 BMS 的更多信息。

主要的安全改进包括：

过充保护，电池充满后停止充电以防止过热。
热熔断器，当温度超过安全限度时会切断电源。
短路保护，可断开电路以减少火灾危险。

这些功能对于仓库机器人和自主移动机器人来说至关重要，因为它们通常在人员和敏感设备附近运行。

2.4 热管理特性

机器人在运行过程中会产生大量热量，尤其是在仓库等高性能环境中。定制形状的电池组采用先进的热管理功能，可保持最佳电池温度并防止过热。

特性	描述
快速充电	2 kW 快速充电，具有主动冷却功能。
主动冷却系统	集成冷却组件最大限度地减少了热阻和局部发热，从而通过强制对流冷却实现快速充电。
防止火焰蔓延和控制	安全措施使用隔热灌封胶和阻火器组通风口，防止热失控蔓延到相邻电池并控制火焰。

集成热管理系统对于人形机器人至关重要。它们管理先进处理器和其他组件产生的热量，确保高效的热传递和散热。如果没有这些系统，过热会导致性能下降，甚至系统故障。通过保持安全的工作温度，可以延长电池和机器人的使用寿命。

2.5 定制锂电池组：性能优势

定制锂电池组在实际应用中可为机器人带来显著的性能提升。在仓库机器人和自主移动机器人中，这些优势尤为明显，因为这些机器人的正常运行时间和效率至关重要。

定制电池组匹配特定的电压、容量和放电要求，增强机器人性能。
优化的能量存储可延长正常运行时间并减少因充电而导致的停机时间。
热熔断器和过充保护等功能可确保安全性和效率。
定制锂电池解决方案可在高需求环境中实现最佳性能，支持延长运行时间和高扭矩运动。
电池性能直接影响机器人的运行时间、有效载荷、移动性和处理能力。

用于 Figure 03 人形机器人的 F.01 电池系统展现了这些优势。它提供 2.3 千瓦时的容量，可实现 2 小时的峰值性能运行时间。该电池支持 XNUMX 千瓦快速充电，并集成主动冷却系统，从而提高了运行效率。结构集成节省了重量和体积，这对于敏捷的机器人设计至关重要。多层安全架构可防止热失控并确保可靠运行。

定制电池组的设计旨在确保根据人形机器人的特定需求实现最佳性能，从而增强其在各种环境下的可靠性。热管理等功能有助于散热，维持安全的工作温度并防止过热。实时监控功能可立即检测到问题，进一步提升机器人的可靠性。