电池的高能量密度和安全性对协作机器人的重要性

2025 年 9 月 28 日

范浩博士

技术总监，拥有20年锂电池研发设计经验，精通电池结构优化、性能提升及安全技术，在高能量密度电池、防爆电池、长寿命电池开发方面拥有丰富的实际项目经验，参与并领导了多个大型电池研发及产业化项目。

协作机器人依靠电池能量密度实现更长的运行时间和更紧凑的设计，从而革新了医疗保健和物流等行业。在以人为本的环境中，高能量密度和强大的安全特性至关重要。

统计	价值	年份
预计复合年增长率	15.5%	2023-2028
预计销售量	735,000	2025

全球机器人电池市场在锂离子技术进步的推动下，安全性和性能均得到提高，有望实现快速增长：
预计 2023 年至 2028 年复合年增长率为 15%
预计到 2028 年市场规模将达到 12 亿美元

关键精华

电池的高能量密度使协作机器人能够运行更长时间并适应紧凑的设计，从而提高医疗保健和物流等行业的效率。
热管理系统和先进的电池管理系统等安全功能对于防止锂离子电池热失控和过度充电等危险至关重要。
投资固态电池可以提高安全性和性能，提供更高的耐热性和更长的使用寿命，使其成为要求苛刻的机器人应用的宝贵选择。

第一部分：协作机器人的高能量密度

1.1 电池能量密度解释

您需要了解电池能量密度，才能在选择机器人电源时做出明智的决定。电池能量密度是指电池相对于其重量或体积所能储存的能量。您通常会看到两个关键指标：比能量密度 (Wh/kg)，它将能量与重量进行比较；体积能量密度 (Wh/L)，它将能量与体积进行比较。对于协作机器人来说，电池能量密度直接影响效率和性能。更高的能量密度意味着您可以设计出运行时间更长、更容易适应紧凑空间的机器人，这对于以下行业至关重要：医疗行业和机器人技术.

1.2 协作机器人的优势

高能量密度为协作机器人带来几个优势：

您可以获得更长的运行时间，从而减少停机时间并提高生产力。
您可以设计具有更小、更轻的电池的机器人，从而释放传感器、执行器或有效载荷的空间。
提高功率密度，使机器人能够处理高要求的任务工业, 安保防护和基础设施设置.

现代机器人电池必须能够提供高电流，支持各种负载，并在高负荷运行中保持稳定。这可确保您的协作机器人能够长时间工作而无需频繁充电。

考虑一下这些现实世界的影响：

高能电池使自主安全机器人能够巡逻更长时间并持续监控。
先进的人形机器人具有更强的机动性和更长的运行时间。
仓库和医疗保健机器人受益于增加的功率密度，支持高效的工作流程和患者护理。

以Vbot智能伴侣机器人为例，其系统架构提升了电机扭矩密度。该机器人的电池仓容量超过600Wh，比行业上限高出38%。随着持续研发，更高密度的电池组预计将提升30%的容量，使其能够在户外运行超过6小时。

使用高能量密度电池，协作机器人的生产效率也会得到提升。例如，现代汽车、起亚和三星SDI之间的合作致力于开发专为机器人设计的高性能电池。这些努力突破了当前电池技术的局限性，并推动了各个行业的生产效率提升。

高能量密度还可以实现更紧凑的机器人设计：

更小的电池可以减轻整体重量，并可作为结构元素，增加功能空间。
液压人形机器人集成液压回路配合机械结构，增强关节动力及散热。
这些设计选择使机器人更加高效，更能适应各种应用。

电池能量密度要求因应用而异。在医疗保健领域，您需要针对长时间运行进行优化的电池，以支持患者护理。在物流领域，您可能需要优先考虑能够承受高扭矩运动和快速充电的电池，以适应快节奏的环境。

客户案例

Kim 和同事开发的可拉伸电池可以拉伸至其长度的 90%，并可承受 36,000 次变形循环，为软机器人提供动力。
科托夫教授的锌空气电池比能量为 842 Wh/kg，可为小型玩具机器人提供动力，性能优于传统的锂离子电池。
Aubin 等人展示了一种氧化还原液流电池系统，可以让机器鱼运行超过 36 小时，展示了连续运行的潜力。

1.3 机器人中的锂电池

锂离子电池锂离子电池是协作机器人的主要电源。其高功率密度、长循环寿命和快速充电功能将为您带来诸多益处。与传统电池相比，锂离子电池在运行效率和可靠性方面具有显著优势。

特性	锂离子（NMC、LCO、LMO、LTO）	LiFePO4	凝胶电池	铅酸电池
平台电压	3.6-3.7V（NMC、LCO、LMO、LTO）	3.2V	2V	2V
能量密度	150-250 瓦时/千克	90-140 瓦时/千克	30-50 瓦时/千克	30-40 瓦时/千克
循环寿命	1000-3000 +	2000-7000 +	1000-1300	400-600
放电深度	80-90％	80-90％	50-60％	40%
充电率	1℃（1小时）	1C	0.3摄氏度（3.3小时）	0.2摄氏度（5小时）
高效	95-98％	95-98％	80-85％	无
记忆效应	没有	没有	演讲与演出	演讲与演出

条形图按放电深度、充电周期、充电速率和效率比较机器人中的锂电池、凝胶电池和铅酸电池

为协作机器人选择锂离子电池可为您带来以下几个关键优势：

寿命更长：高达4500次循环，远远超过GEL和铅酸电池。
充电更快：约一小时即可充满电，最大限度地减少停机时间。
更高的效率：95-98%，减少了能量损失并支持消费电子和安全系统中的苛刻应用。

锂离子电池，包括磷酸铁锂 (LiFePO4)、镍钴锰三元 (NMC)、钴酸锂 (LCO)、锂锰氧化物 (LMO) 和钛酸锂 (LTO) 等化学成分，可提供现代协作机器人所需的高功率密度和可靠性。其卓越的放电深度和快速的充电速度使其成为自动导引车 (AGV) 和自主移动机器人的理想选择。

制造商在提高电池能量密度方面面临挑战。您必须考虑当前电池技术的局限性、对轻量化和高效电源的需求，以及将电池集成到移动机器人设计中的复杂性。尺寸和结构限制，以及对兼具动力和结构功能的多功能电池的需求，推动着该领域的持续创新。

在评估协作机器人的电池解决方案时，优先考虑高能量密度和功率密度，以最大限度地提高运营效率和生产力。

第 2 部分：协作机器人电池的安全性

2.1 安全风险与挑战

当你在以下环境中部署协作机器人时医疗行业, 机器人技术或工业，您必须应对高能量密度带来的风险。锂离子电池为大多数协作机器人提供动力，但其化学性质会带来独特的危险。您面临着多种安全风险，这些风险可能会影响机器人的性能和工作场所的安全。

安全风险	描述
热失控	电池过热并可能导致火灾或爆炸的情况。
过度充电	充电超过规定时间，造成热量和能量过多。
过热	过度使用造成的高温会加速热失控。
故障	制造缺陷或短路会产生过多的热量。
粉碎/穿透	电池的物理损坏会导致能量释放和过热。
水分	过量的水会导致短路并与电池化学物质发生反应，从而导致热失控。

将锂离子电池集成到协作机器人时，必须考虑这些风险。高能量密度会增加发生热事件的可能性，尤其是在机器人靠近人类操作的应用中。过度充电、过热和物理损坏都可能引发危险的反应。在安防系统和基础设施等领域，电池故障可能会中断运行并构成安全威胁。

2.2 电池设计中的安全特性

您需要强大的安全功能来保护您的机器人及其周围的工作人员。协作机器人的电池组现在包含多层保护。这些功能有助于预防常见危险，并确保符合国际安全标准。

主要安全功能包括：

热管理系统：这些系统监控和调节电池温度，降低过热的风险。
过充过放保护：集成电路可防止电池充电或放电超出安全限度。
物理屏障和围栏：加固外壳可保护电池免遭挤压或穿透。
先进的电池管理系统 (BMS)：这些系统提供实时监控、故障检测以及异常时自动关闭。

您还必须遵守全球安全标准，以确保安全操作。下表总结了与协作相关的最相关标准机器人电池:

安全标准	描述
ISO /变性15066的	指导协作机器人的设计和操作，定义人机交互的安全要求。
IEC 62133	为锂离子电池的安全提供指导，重点关注热管理和过充电保护。
IEC 61508	解决电子系统的功能安全问题，确保电池管理系统的安全运行。

在部署之前，您应始终验证锂离子电池和电池组是否符合这些标准。在医疗和消费电子应用中，遵守这些准则对于法规遵从性和用户安全都至关重要。

2.3 电池安全创新

最近的创新已经改变了协作机器人的电池安全性。固态电池现在提供比传统锂离子电池更安全的替代品。为您的机器人选择固态电池，您将获得以下几大优势：

特性	固态电池	传统锂离子电池
耐热性	最高工作温度为 125°C	耐热性较低
易燃	由于不含液体，因此不易燃	因含有液体电解质而易燃
寿命	60°C 下 100 天内容量保持 90%	60°C 下 10 天内容量保持 90%
维护需求	免维护环境	需要频繁更换

固态电池采用固体电解质，消除了泄漏风险并降低了可燃性。它具有更高的耐热性和更长的使用寿命，尤其适用于严苛的工业和机器人环境。此外，这类电池维护成本更低，从而降低了意外停机的风险。

先进的电池管理系统 (BMS) 进一步提升了安全性。现代 BMS 解决方案提供实时监控、预测分析和自动故障响应。您可以在问题恶化之前检测到问题，从而确保持续安全运行。这些系统符合 IEC 61508 等专注于电子系统功能安全的标准。

但是，您必须考虑实施高级安全功能的成本影响。下表概述了主要的成本因素：

成本因素	描述
初始投资	先进的安全功能导致协作机器人的初始投资更高。
持续运营成本	这些特点会导致持续运营成本增加，包括维护和电力成本。
总拥有成本（TCO）	TCO 包括与机器人相关的所有成本，强调了购买前考虑这些因素的重要性。

采用固态电池或先进的 BMS 可能会面临更高的前期成本，但这些投资可以降低长期风险并提高可靠性。如需定制电池安全解决方案咨询，请点击此处。

您应该始终在高能量密度需求和强大的安全功能之间取得平衡。通过投资最新的电池技术和管理系统，您可以保护员工，确保合规性，并最大限度地提升协作机器人的价值。

您必须在高能量密度和安全性之间取得平衡，才能使协作机器人实现最佳性能。请考虑电池化学成分、热管理和智能监控，以确保效率和使用寿命。选择符合您应用需求的电池方案。未来的电池将追求更高的效率、更长的使用寿命和更强大的性能。

因素	描述
电池化学	影响效率、寿命和安全性。
热管理	保持性能并防止过热。
智能电池管理	延长使用寿命并确保最佳性能。
应用需求	决定效率和安全性的最佳电池选择。