鋰離子電池能量密度高、使用壽命長、運行時間長，是現今市場上適用於機器人的主流電池。您需要根據機器人的尺寸、重量、電壓和應用選擇合適的電池化學成分，以實現高能源效率和可靠的儲能。
鋰離子電池 以及 磷酸鐵鋰（LiFePO4） 已經在很大程度上取代了移動機器人中的舊化學物質。
電池化學成分的選擇直接影響營運成本和可靠性。正確的選擇可確保最佳效能並減少停機時間。
關鍵要點
鋰離子電池因其高能量密度和長壽命而成為移動機器人的最佳選擇。它們可以提供更長的運行時間並降低維護成本。
選擇合適的電池化學成分會影響機器人的性能和運作成本。請考慮能量密度、循環壽命和充電能力等因素。
選擇電池時，安全特性至關重要。實施熱管理系統和保護電路，以防止過熱並確保可靠運作。
評估機器人的特定需求，例如電壓和放電率，以選擇最合適的電池類型。這可確保最佳效能和效率。
務必整合電池管理系統 (BMS) 來監控電池的健康和安全。 BMS 可延長電池壽命並提高運作可靠性。
第一部分：電池化學基礎知識
1.1 電池化學類型
在設計移動機器人時，您會遇到多種電池化學選項。每種化學成分都具有獨特的特性，會影響機器人的性能和運作成本。最常見的類型包括鎳氫電池、鋰離子電池以及專用鋰化學成分，例如磷酸鐵鋰 (LiFePO4)、三元鋰 (NMC)、鈷酸鋰 (LCO)、鋰錳氧化物 (LMO) 和鈦酸鋰 (LTO)。這些化學成分在電壓、能量密度和功率輸出方面各不相同。
以下是主要使用的電池類型的比較 機器人:
電池類型 | 化學 | 標稱電池電壓 | 比能量 | 比功率 |
|---|---|---|---|---|
鎳氫電池 | 鎳氫電池 | 1.2V | 40 – 120瓦時/公斤 | 100 – 1000 瓦/公斤 |
鋰離子/鋰聚合物高能量型 | 鋰鈷氧化物、鋰鎳錳鈷氧化物 | 3.6 – 3.7V | 150 – 250瓦時/公斤 | 100 – 400瓦/公斤 |
鋰離子/鋰聚合物大電流型 | 錳酸鋰 | 3.7 – 3.8V | 100 – 150瓦時/公斤 | 400 – 5000 瓦/公斤 |
鋰離子/鋰聚合物高安全型 | 磷酸鐵鋰 | 3.2 – 3.3V | 90 – 120瓦時/公斤 | 200 – 7000 瓦/公斤 |
您會發現，鋰離子電池的電壓和比能量都高於鎳氫電池。磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池在安全性和循環壽命方面表現突出，而三元鋰 (NMC) 電池和鋰鈷 (LCO) 電池則在高能量密度方面更勝一籌。
1.2 電池化學為何重要
選擇合適的電池化學成分決定了您的移動機器人在實際條件下的表現。您必須考慮每種化學成分如何影響能量儲存、運行時間和可靠性。您選擇的化學成分會影響幾個關鍵因素：
不同的電池化學成分提供不同的能量密度，這直接影響移動機器人的運作效率。
電池的循環壽命會影響移動機器人在需要更換之前可以運作的時間，進而影響整體壽命。
某些化學物質（例如 LTO）的快速充電功能可最大限度地減少停機時間，使機器人能夠快速充電並保持生產力。
電池化學成分的耐溫性確保了其在不同環境下的可靠性能，這對於在不同條件下運作的移動機器人至關重要。
選擇高能量密度的鋰離子電池，您可以獲得更長的運行時間並降低維護成本。磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 和鈦酸鋰 (LTO) 電池具有更高的安全性和快速充電能力，可支援高要求的工業應用。電池化學成分的選擇決定了機器人集群的生產力和可靠性。
第二部分：機器人中的鋰離子電池
2.1 鋰離子電池的優勢
為您的移動機器人選擇鋰離子電池，您將獲得許多關鍵優勢。這些電池能量密度高，這意味著您的機器人每次充電後可運行更長時間。鋰離子電池的輕量化設計提高了靈活性和效率，尤其是在每克都至關重要的環境中。快速充電功能可最大程度地減少停機時間，並保持機器人隊伍的高效運作。
以下是鋰離子電池在機器人領域的主要優勢：
高能量密度支持長期運作的持續電力。
輕質結構提高了機動性和效率。
快速充電可減少操作中斷。
較長的循環壽命確保多次充電後的效能穩定。
整合的安全功能可防止過度充電、過度放電和過熱。
極端溫度下的可靠性能支援在惡劣環境下使用。
先進的電池管理系統（BMS）可優化能源使用並延長工作時間。
提示：您應該始終選擇帶有 BMS 的電池組，以最大限度地延長鋰離子電池的使用壽命和安全性。
鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰 (LiFePO4)、三元鋰 (NMC)、鋰鈷 (LCO)、鋰錳氧化物 (LMO) 和鋰氧化鈦 (LTO) 等類型，具有穩定的電壓平台和較高的比能量。這些特性使其成為工業機器人、自動導引車 (AGV) 和配送機器人的理想選擇。
2.2 限制和安全
雖然鋰離子電池有很多優勢，但您必須解決某些限制和安全問題。如果熱負荷管理不當，可能會發生過熱。您需要實施主動或被動冷卻系統，並使用耐熱材料來防止熱量累積。
鋰離子電池的常見安全措施包括：
熱管理系統可防止過熱。
智慧充電電路和電壓監控，避免過度充電或過度放電。
保護電路模組和保險絲系統，防止短路。
用於機械保護的抗衝擊外殼和減震材料。
用於預防火災的阻燃材料和自動抑制系統。
您必須設計具有強大安全功能的電池組。這些措施可以保護您的機器人免受電氣故障和機械損壞的影響。透過優先考慮安全性，您可以降低停機風險並延長鋰離子電池組的使用壽命。
第 3 部分：比較電池化學成分
3.1 鋰離子電池與鋰聚合物電池
你經常比較 鋰離子 以及 鋰電 在為移動機器人選擇最佳電池化學成分時，請務必考慮兩種電池。這兩種化學成分都具有高性能，但對於機器人應用而言，各自都具有獨特的優勢。
屬性 | 鋰聚合物（li-poly） | 鋰離子（li-ion） |
|---|---|---|
能量密度 | 與鋰離子電池相比，能量密度較低 | 更高的能量密度（Wh/kg） |
重量 | 由於採用袋裝設計，通常更輕 | 由於採用圓柱形電池，因此更重 |
價格 | 通常更貴 | 一般比較便宜 |
鋰聚合物電池在負載下提供高電壓，並支援高電流消耗。靈活的外形尺寸使其非常適合定制機器人設計。鋰聚合物電池在高放電條件下運作溫度較低，但其循環壽命比鋰離子電池短。此外，鋰聚合物電池一旦損壞，更容易發生熱失控。
鋰離子電池能量密度更高，這意味著您的機器人可以擁有更長的運行時間。金屬外殼和更多放電選項，讓您操作更安全。鋰離子電池組通常成本更低，使用壽命更長。您應該始終在電池組中配備安全功能，以防止過熱和短路。
鋰聚合物電池的優點：
負載下高電壓
靈活的形狀，可客製化設計
高排放時冷卻器運行
鋰聚合物電池的缺點：
更少的生命週期
熱失控風險較高
鋰離子電池的優點：
更長的運行時間
更安全的施工
更低的花費
3.2 鋰離子電池與鎳氫電池
您可能還會考慮為移動機器人使用鎳氫電池，但在大多數工業應用中，鋰離子電池的性能更勝一籌。下表重點介紹了主要區別：
獨特之處 | 鎳氫電池 | 鋰離子（li-ion） |
|---|---|---|
能量密度 | 60–120 瓦時/公斤 | 150–250 瓦時/公斤 |
電池壽命 | 500–1,000 次循環 | 500–2,000+ 次循環 |
充電時間 | 2–4小時 | 1–2小時 |
自放電 | 高（20-30%/月） | 低（2-5%/月） |
鋰離子電池能量密度更高，續航時間更長。更快的充電速度和更低的自放電率可以減少停機時間。鎳氫電池可能適合傳統系統，但鋰離子電池組可為現代移動機器人提供卓越的性能和可靠性。
3.3 其他化學概述
在機器人技術中，你會遇到幾種先進的鋰電池化學結構。每種類型都具有獨特的平台電壓、能量密度和循環壽命。下表總結了主要的鋰電池類型：
化學 | 平台電壓 | 能量密度 (Wh/kg) | 循環壽命（循環） |
|---|---|---|---|
液態二氧化碳 | 3.6–3.7V | 150-200 | 500-1,000 |
NMC | 3.6–3.7V | 180-220 | 1,000-2,000 |
磷酸鐵鋰 | 3.2–3.3V | 90-120 | 2,000-7,000 |
改性活生物體 | 3.7–3.8V | 100-150 | 300-700 |
LTO | 2.4V | 70-80 | 5,000-15,000 |
固體狀態 | 3.7V | 250-350 | 1,000-10,000 |
鋰金屬 | 3.7V | 400-500 | 500-1,000 |
您應該根據機器人的操作需求選擇電池化學成分。磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 和鈦酸鋰 (LTO) 在循環壽命和安全性方面表現出色。鎳鈷錳酸鋰 (NMC) 和鋰鈷氧化物 (LCO) 為緊湊型機器人提供高能量密度。固態和鋰金屬化學材料可望在未來提升儲能和可靠性。
第 4 部分：選擇合適電池的關鍵因素
為您的移動機器人選擇最佳電池需要仔細評估多種技術因素。您必須考慮電壓、容量、放電速率、電池管理和環境安全性。這些因素直接影響機器人的性能、可靠性和營運成本。
4.1 電壓和容量
您需要將電池電壓與機器人的馬達要求相匹配。如果選擇的電池電壓低於馬達規格，則可能導致馬達功率不足。這種不匹配可能會導致性能問題，甚至損壞馬達。適當的電壓相容性可以使您的機器人高效運作並達到最佳性能。
容量決定了機器人在充電前可以運行多長時間。您應該根據機器人的工作負荷計算總能量需求，並選擇具有足夠安培小時 (Ah) 額定值的電池。對於大多數移動機器人來說，鋰離子電池具有高能量密度，這意味著在緊湊的封裝中可以實現更長的運行時間。鋰聚合物電池還具有靈活的外形尺寸，適合客製化設計。
提示：務必遵循 20%-80% 的電池電量規則。保持電池電量在 20% 到 80% 之間，可延長電池使用壽命並保持穩定的性能。
4.2 放電率和電流
放電率衡量電池傳送電流到機器人的速度。您必須確保電池能夠提供足夠的電流來應對尖峰負載，尤其是在馬達啟動或重載任務期間。為了獲得最佳效果，請選擇放電容量至少為馬達失速電流 1.2 倍的電池。
下表顯示了放電率如何影響不同機器人類型的電池選擇：
放電率 | 應用類型 | 電池規格範例 |
|---|---|---|
≤5℃ | 恆速機器人（檢查） | 10Ah電池，5C放電率，50A持續電流 |
10C至25C | 高功率機器人（物流無人機、戰鬥機器人） | 14.8V、4000mAh、25C電池，100A峰值電流 |
低排放 | 高負載情境（電壓驟降風險） | 需透過BMS進行即時監控 |
鋰離子電池在高放電應用中表現出色，可滿足持續電流和峰值電流需求。鋰聚合物電池在高電流消耗場景下也表現出色，尤其是在需要靈活形狀或更輕重量的情況下。
4.3 電池管理系統（BMS）
一個健壯的 電池管理系統 (BMS) 對鋰電池組的安全高效運作至關重要。智慧電池管理可確保安全的電力分配和經濟的能源使用，讓您從中受益。 BMS 持續監控電池的充電狀態 (SOC) 和健康狀態 (SOH)，從而保持最佳電池運作狀態。它可以防止深度放電並控制充電週期，從而減少容量隨時間的損失。
移動機器人電池組的主要 BMS 功能包括：
獨特之處 | 產品說明 |
|---|---|
電池平衡 | 確保電池組中的所有電池都充電均勻，以延長電池壽命並提高效能。 |
充電狀態 (SoC) | 提供有關電池電量水平的即時信息，這對於運行效率至關重要。 |
健康狀況 (SoH) | 監測電池的整體健康狀況，預測其壽命和性能。 |
熱管理 | 調節溫度以防止過熱並確保電池安全運作。 |
安全保護 | 實施各種安全措施，防止過度充電、短路和其他危險。 |
數據通訊 | 透過 CAN 或藍牙等協定促進與其他系統的通訊以進行監控。 |
您應該尋找先進的 BMS 功能，例如較小的總測量誤差、同步電池電壓測量、被動電池平衡以及低功耗電池監控。這些功能可協助您維護電池安全並最大限度地延長正常運作時間。更多詳情，請訪問 BMS和PCM解決方案.
BMS 監控並保護電池，確保其在安全範圍內運作。
它平衡電池單元以提高性能和壽命。
該系統管理熱條件以防止過熱，這對於安全至關重要。
4.4 安全和溫度
設計機器人的電池系統時，必須優先考慮安全特性。極端溫度會降低電池效能並縮短其使用壽命。低溫會導致電池內阻增加，容量最多可降低 23%。高溫可能導致熱失控，從而帶來火災和爆炸風險。在惡劣環境下，電池效能可能會下降高達 40%。
為確保安全運行，請選擇內建短路、過溫和爆炸保護功能的電池。您還應驗證電池組是否符合 UN38.3、CE、RoHS 和 MSDS 等行業標準。這些認證可確認您的電池系統符合運輸安全和環境法規。
注意：務必整合熱管理系統並即時監控電池溫度。這有助於避免意外關機並延長電池壽命。
鋰離子電池在廣泛的溫度範圍內提供可靠的性能，非常適合工業機器人和自動導引車 (AGV)。鋰聚合物電池需要小心處理和監控，尤其是在高功率或客製化應用中。
第五部分：電池組格式與設計
當您選擇一個 移動機器人的電池組，您必須考慮電池規格。圓柱形、方形和軟包電池的選擇不僅會影響能量密度和機械強度，還會影響機器人的重量分佈和穩定性。每種規格針對不同的工業應用都有獨特的優勢，包括 機器人, 醫療器械, 安全系統, 基礎設施以及 工業自動化.
5.1 圓柱形電池
圓柱形電池 仍然是機器人和工業領域鋰離子電池組的熱門選擇。其堅固的結構和穩定的性能將為您帶來許多益處。這些電芯能量密度高，且能承受機械應力，是自動導引車 (AGV) 和安防機器人等嚴苛環境的理想選擇。
電池類型 | 能量密度 | 機械堅固性 | 應用領域 |
|---|---|---|---|
圓柱 | 高 | 非常堅固 | 機器人、電動車、工業 |
提示：圓柱形電池可幫助您保持較低的重心，從而提高移動機器人的穩定性和可操作性。
5.2 方形電池
方形電池 採用扁平矩形設計，並配有堅固外殼。您可以獲得高能量密度和高效的空間利用率，非常適合需要緊湊型電池組的應用。方形電池具有卓越的耐用性和熱管理性能，適用於基礎設施專案、醫療機器人和工業自動化。
方形電池為大型電池組提供了可擴展的設計。
堅固的外殼可以防止振動和衝擊，這對於在惡劣環境下運行的移動機器人至關重要。
5.3 軟包電池
軟包電池常用於鋰聚合物電池組，以輕巧靈活的形式提供高能量密度。您可以根據定制外殼對這些電池進行塑形，這對於先進的機器人、醫療設備和緊湊型安全系統非常有用。然而，由於存在膨脹風險，軟包電池需要謹慎的熱管理。
鋰聚合物軟包電池可讓您優化重量分佈並保持較低的重心。
靈活的設計支援創新的機器人架構和節省空間的解決方案。
您必須密切監控袋式電池以防止過熱並確保長期可靠性。
電池類型 | 能量密度 | 機械堅固性 | 應用領域 |
|---|---|---|---|
袋 | 高 | 靈活，有腫脹風險 | 機器人、醫療、安全、消費 |
注意：鋰聚合物軟包電池在需要輕量、客製化形狀的電池組但始終實施強大的安全和監控系統的應用中表現出色。
您應該根據機器人的操作需求選擇合適的電池規格。例如，圓柱形鋰離子電池適用於高性能工業機器人，而軟包鋰聚合物電池則適用於醫療和安全領域的緊湊輕量化設計。方形電池則彌補了兩者之間的差距，為基礎設施和大型機器人提供了耐用性和高效的空間利用率。
第六部分：應用範例
6.1 小型機器人
您經常設計用於室內檢查、教育任務或輕型自動化的小型機器人。這些機器人需要小巧輕便的電池組。在這些情況下，鋰聚合物電池將為您帶來好處。其靈活的軟包電芯可適應狹小空間，並減輕整體重量。您可以根據定制外殼定制鋰聚合物電池組，這對於設計獨特的小型機器人來說是理想之選。鋰聚合物電池的高放電率支持快速爆發，有助於實現敏捷的移動。但是，您必須密切監控電池的溫度和膨脹情況，以確保安全。
提示：對於小型機器人，請選擇具有整合保護電路的鋰聚合物電池。這種方法有助於在不增加額外體積的情況下確保安全。
6.2 中型機器人
中型機器人，例如送貨機器人或倉庫助理，需要更多能量和更長的運行時間。通常，您會為這些機器人選擇鋰離子電池組，因為它們具有更高的能量密度和更長的循環壽命。單一 12V 鋰離子電池組即可有效率地為中型機器人供電。如果您擔心重量，可以使用 11.1V 鋰聚合物電池。這種選擇在性能和便攜性之間取得了平衡。在最終確定電池選擇之前，您應該始終考慮機器人的電壓和電流需求。
機械手大小 | 電壓選項 | 容量和安全功能 |
|---|---|---|
中型 | 12V | 通常使用 12V 電池；鉛酸電池或單一鎳氫電池組（如果重量是一個問題，則使用 11.1V 鋰聚合物電池）。 |
Large | 12V或24V | 使用一個或多個鉛酸電池組。 |
6.3 大型機器人
大型機器人，例如工業自動導引車 (AGV) 或重型服務機器人，需要強大的電池解決方案。通常需要更高的電壓（例如 24V）和更大的容量，以支援長時間輪班和重載。在這種情況下，您通常會串聯或並聯部署多個鋰離子電池組。這種配置可以提供持續運作所需的電壓和運行時間。您還必須整合先進的電池管理系統來監控電池健康狀況並確保安全。對於大型機器人來說，鋰聚合物電池由於機械強度較低，因此不太常見，但在輕量化至關重要的客製化應用中，您仍然可以使用它們。
注意：務必確保電池系統與機器人的操作配置相符。請考慮能源需求、安全和維護要求，以實現最佳性能。
第 7 部分：如何為您的機器人選擇合適的電池
7.1 評估步驟
為您的移動機器人選擇最佳電池需要係統的方法。在選擇合適的電池之前，您必須分析機器人的技術要求和運行環境。請遵循以下步驟，以確保您選擇的電池能夠滿足效能、安全性和成本效益的要求：
確定電池電壓和容量
將電池的標稱電壓與機器人的工作電壓相符。根據機器人的預期運行時間和工作負載計算所需的安培小時 (Ah) 額定值。對於大多數工業機器人來說，鋰離子電池（例如 LiFePO4、NMC 或 LCO）可以提供穩定的電壓和高能量密度。評估電池尺寸和重量
檢查機器人內部的可用空間。選擇適合外殼且重量輕的電池，以提高機器人的機動性。鋰聚合物電池提供靈活的袋裝設計，可幫助您優化重量和形狀，實現緊湊的設計。驗證放電電流
評估機器人的峰值電流需求，尤其是在馬達啟動或執行重載任務時。選擇最大放電電流超過機器人要求的電池。鋰聚合物電池在高放電場景下表現出色，支援快速爆發。回顧電池壽命
優先選擇循環壽命長的化學電池，以降低維護成本。磷酸鐵鋰電池可循環數千次，非常適合需要頻繁充放電的機器人。檢查環境相容性
確保電池在機器人的溫度範圍內可靠運作。對於戶外或工業機器人，請選擇 IP 等級的電池組，以抵禦潮濕、灰塵和極端溫度。使用額定溫度為 -40 °C 至 +85 °C 的 PCB 和聚碳酸酯外殼，以防紫外線和高溫。確認安全功能
選擇內建保護電路的電池。注意過壓、欠壓、過流、短路和熱管理功能。整合資料記錄功能，用於即時熱分析，並配備備用加熱系統，用於防凍保護。評估通訊協定
驗證您的電池組是否支援機器人的通訊需求，例如 CAN、RS485、UART 或 TCP/IP。此相容性可確保與機器人控制系統無縫整合。
提示：使用 Steve Judd 的安培小時計算器或 Team Run Amok 的扭力和安培小時計算器等工具來估算機器人驅動系統的電池容量和化學成分。
7.2 要避免的常見錯誤
為移動機器人選擇電池時，必須避免幾個陷阱。這些錯誤可能會導致效能下降、成本增加以及營運中斷。
糟糕的專案設計
如果未能收集準確的數據或規劃機器人的佈局和環境，可能會導致電池規格不匹配。在選擇合適的電池之前，請務必明確您的流程並計算所需的機器人數量。使用不成熟的技術
並非所有供應商都具備您特定應用的經驗。購買前，請索取參考資料並參觀運行設備，以驗證技術成熟度。忽略功耗細節
您必須了解機器人每個組件的電流消耗及其運行時間。計算總功耗，以選擇符合機器人硬體和任務要求的電池。忽略環境因素
避免在戶外機器人上使用 ABS 或普通 PVC 外殼。選擇工業聚合物，並進行鹽霧和紫外線測試，以驗證其長期耐受性。設計機械結構時，應考慮熱膨脹的影響，避免開裂。跳過安全性和合規性檢查
請務必確認您的電池組符合 UN38.3、CE、RoHS 和 MSDS 等業界標準。這些認證可確認您符合運輸安全和環境法規。
注意：選擇鋰聚合物電池時，請密切監測電池的溫度和膨脹情況。在關鍵 PCB 組件周圍塗抹導熱膏或絕緣墊，以防止過熱。
B2B電池選擇清單
使用此清單可以簡化移動機器人的電池選擇流程：
提示：遵循結構化評估並避免常見錯誤，可以提高可靠性並降低營運成本。鋰聚合物電池具有靈活性和高放電率，但需要仔細的監控和強大的安全系統。
因子 | 對總擁有成本的影響 |
|---|---|
每度價格 | 每度電151美元，低於前幾年 |
預期電池壽命 | 1,000–3,000 次循環，降低更換成本 |
維護和保修 | 5-10 年，降低持續開支 |
如需客製化解決方案，請諮詢松下、比亞迪、三星 SDI、特斯拉或 MANLY Battery 等領先供應商。他們的專業知識可確保您的行動機器人達到最佳效能和可靠性。
常見問題
工業移動機器人的最佳鋰電池化學成分是什麼？
工業機器人通常會選擇磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 或鎳鈷錳 (NMC) 電池。磷酸鋰鐵循環壽命長，安全性高。鎳鈷錳 (NMC) 電池能量密度較高。這兩種電池都能在嚴苛環境下提供穩定的平台電壓和可靠的性能。
如何計算機器人所需的電池容量？
首先，確定機器人的平均電流消耗和期望運作時間。將這兩個值相乘得到安培小時 (Ah)。並加入 20% 到 30% 的安全裕度。例如：
Required Capacity (Ah) = Average Current (A) × Runtime (hours) × 1.2
為什麼您的機器人需要電池管理系統 (BMS)？
BMS 可保護您的鋰電池組免受過充、過放和過熱的影響。您可以獲得即時監控、電池平衡和更高的安全性。此系統可延長電池壽命並降低維護成本。
鋰電池組可以在極端溫度下運作嗎？
您可以在很寬的溫度範圍內使用鋰電池組。 LiFePO4 和 LTO 化學材料在 -20°C 至 60°C 的溫度下表現良好。請務必驗證電池的規格並整合熱管理功能，以獲得最佳效果。
您的鋰電池組應該具備哪些認證？
您應該查看 UN38.3、CE、RoHS 和 MSDS 等認證。這些標準可以確認您的鋰電池組的安全性、環保合規性和運輸準備。
