提升效率：ADI電池管理解決方案如何協助實現更安全、更智慧的移動機器人

作者：ADI 系統應用工程師 Rafael Marengo

摘要

隨著自動化倉庫和製造設施的迅速發展，謹慎控制過程中的每個元件非常重要。即使是短暫的停機也會造成嚴重影響。自主移動機器人和自動導引車在該生態系統中發揮著重要作用，需要建置精準的監控和故障安全系統。另一個重點是有效監控電池，以便優化電池性能並延長電池的整體壽命，進而大幅減少不必要的浪費，保護寶貴的資源。本文將簡要介紹一些用於提升電池效率的重要指標，以及為這些應用選擇電池管理系統時需要考慮的關鍵因素。

簡介

在設計如圖1所示的自主移動機器人(AMR)時，選擇合適的電池組及其配套的電池管理系統(BMS)是一個關鍵決策。在工廠和倉庫等緊密整合的環境中，每一秒鐘的運行都非常重要，確保所有元件能夠安全可靠地正常運轉則是首要之務。

BMS解決方案能夠精準測量電池的充電和放電，進而大幅提高可用容量。此外，獲得精準的測量結果後，便可以準確計算充電狀態(SoC)和放電深度(DoD)，這些重要參數有助於提高移動機器人工作流程的智慧程度。這些系統的安全性同樣重要，在為這些應用選擇系統時，請務必考慮能夠提供過充保護和過流檢測的BMS技術。

什麼是電池管理系統？

BMS是一個電子系統，可用於密切監控電池組和/或其各個電池單元的各種參數。對實現電池的最大可用容量並確保安全及可靠運行而言，BMS非常重要。高效的系統不僅能夠以安全的方式優化電池的可用容量，還能夠為工程師提供有價值的參數，例如電池單元電壓、SoC、DoD、健康狀態(SoH)、溫度和電流，這些參數均有助於使系統發揮優異性能。

什麼是SoC、DoD和SoH？為什麼它們對自動導引車(AGV)和AMR很重要？

SoC、DoD和SoH是BMS中常用的一些參數，用於確定系統是否健康、早期故障檢測、電池單元老化以及剩餘執行時間。

SoC 表示充電狀態，定義為相對於電池總容量的電池充電水準。SoC通常以百分比表示，其中0% = 空，100% = 充滿。

SoH 表示健康狀態，定義為相對於電池額定容量 (C_max) 的電池最大可釋放容量 (C_max)。

DoD表示放電深度，與SoC指標相反，定義為相對於電池額定容量 (C_released) 的電池已放電百分比 (C_rated)。

這些參數與AMR解決方案有何關係？

電池的SoC根據電池架構而變化，儘管如此，仍需要一個精準的系統來測量電池狀態。目前常用的電池主要有兩種類型：鋰電池和鉛酸電池。每種電池各有利弊，並包含不同的子類別。總體而言，普遍認為鋰電池更適合用於機器人，因為此類電池具有以下特點：

• 能量密度更高，可達到鉛酸電池能量密度的8到10倍。
• 鋰電池比相同容量的鉛酸電池更輕。
• 鉛酸電池所需的充電時間比鋰電池更長。
• 鋰電池的使用壽命更長，因此充電週期次數明顯更多。

然而，這些優勢表示成本增加，並帶來了一些挑戰，要想充分發揮其性能優勢，就需要解決這些挑戰。

為了在實際應用中更明確說明這一點，可以透過分析圖2來解釋，該圖比較了鉛酸電池和鋰電池的DoD。可以觀察到，當鋰電池的DoD從0%增加到80%時，電池組電壓變化極小。80% DoD通常是鋰電池的下限，如果低於該值，可能被視為危險水準。

然而，由於鋰電池的電池組電壓在可用範圍內的變化非常小，即使是微小的測量誤差也可能會導致性能大幅下降。

為了在真實場景中說明這一點，以下假設AMR是一個24 V系統，使用27.2 V LiFePo4電池組，其中每個電池單元充滿電時的容量為3.4 V。參見圖3。

此電池的常見SoC曲線如表1所示。

對於LiFePo4電池，可用範圍可能有所不同，但一個很好的經驗法則是考慮最小SoC為10%，最大SoC為90%。

如果低於最低水準，可能會導致電池內部短路，而如果充電超過90%，這些電池的使用壽命便將會縮短。

考慮表1，請注意每個電池單元的電壓範圍為350 mV，對於包含8個電池單元的27.2 V電池組，電壓範圍為3.2 V。根據這一點，我們可以得出以下假設：

如果LiFePo4電池的可用電池單元電壓範圍為350 mV，則每1 mV的電池單元測量誤差會使範圍減小0.28%。

如果電池組成本為4000美元，誤差成本為：

4000美元 × 0.28% = 每mV誤差11.20美元，表示電池組在該範圍內未得到充分利用。

雖然0.28%的範圍看似微不足道，但當擴展到多個AMR系統時，該百分比可能要乘以數百甚至數千，其就變成了一個重要因素。如果考慮到電池的自然退化，該因素變得更具相關性。

自然退化對電池健康也產生重要作用，因為隨著時間的推移，電池的最大SoC將降低（圖4），因此即使在自然退化之後，精準測量電池單元也是維持卓越性能水準的有效方式。

監控所有參數並精準控制電池的使用能夠有效延長電池使用壽命，並充分利用每個電荷單元。

ADI BMS解決方案如何提高生產力並解決問題？

在移動機器人應用領域，ADI的BMS可以提供哪些技術來增強和實現高性能？

透過精準測量電池單元，精準的電池管理可明顯提升電池效率，進而更精準地控制和估算各種電池化學成分的SoC。單獨測量每個電池單元可確保安全監控電池的健康狀況。該精準監控有助於平衡充電，防止電池單元過度充電和放電。此外，同步電流和電壓測量可提高已捕獲資料的精準性。超快速過流檢測可實現快速故障檢測和緊急停止，確保安全性與可靠性。

ADBMS6948 提供移動機器人所需的所有關鍵規格，但對於移動機器人，BMS設計時要考慮的一些關鍵規格包括：

• 使用壽命期間的總測量誤差(TME)小（-40°C至+125°C）
• 電池單元電壓的同時和連續測量
• 內建 isoSPI™介面
• 支援熱插拔，無需外部保護
• 被動電池平衡
• 低功耗電池單元監控(LPCM)用於關斷狀態下的電池單元和溫度監控
• 睡眠模式電源電流低

減少浪費，保護環境

國際能源署在2023年的一份關於電池的報告中提到，「電池是潔淨能源轉型的重要建構模組 ¹ 」。認識到妥善管理這些資源的重要性非常關鍵。構成電池的材料很難從環境中提取，這突顯了優化電池利用的必要性。透過有效管理充電和放電參數，我們可以延長電池的使用壽命，使其能夠使用更長時間，無需更換。

ADI的BMS功能提供的過流保護是低風險因素，可實現安全運行，並降低電池和作為負載連接的系統損壞的風險。

圖5列舉了造成鋰電池退化的一些因素。值得注意的是，這些因素可能會引起燃燒和爆炸等危險情況，並且可能會迅速釀成災難²。

對於影響電池退化的所有參數，均可進行測量、處理並採取相應行動，進而為系統提供在所需使用壽命內運行的適宜條件。延長電池使用壽命是減少浪費的重要因素，因為目前若透過優化管理，電池將可以使用更長時間，這可以進一步有效減少不必要的電池單元處理。

結論

總之，我們可以得出結論，BMS不僅能透過精準控制每個參數來提升系統的整體性能，還可以降低成本，減少浪費。在不斷發展的製造環境中，自動化程度日益提高，人們希望繼續提升其移動機器人的性能，於是，精準控制和管理資產變得非常重要。

欲詳細瞭解有關ADI為工業移動機器人提供的產品，請瀏覽機器人解決方案頁面。

參考文獻

¹ 「電池和安全能源轉型」。國際能源署，2023年。

² Xiaoqiang Zhang、Yue Han和Weiping Zhang。「回顧鋰電池壽命的影響因素」。電氣和電子材料彙刊，第22卷，2021年7月。