移動機(jī)器人充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

文/ 本刊記者 趙皎云

隨著應(yīng)用場景對移動機(jī)器人使用頻率和數(shù)量的要求越來越高，充電系統(tǒng)已經(jīng)成為應(yīng)用企業(yè)選用移動機(jī)器人時的一個重要考量因素，如何更好的實現(xiàn)移動機(jī)器人電量、充電時機(jī)、電池維護(hù)等的準(zhǔn)確控制，是目前眾多移動機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)企業(yè)爭相探索的方向。

近年來，隨著消費需求日趨個性化、用工短缺/勞動力成本上升、新一代信息技術(shù)不斷成熟等多重因素的推動，智慧物流、智能制造成為企業(yè)降本增效提質(zhì)的重要手段，帶動移動機(jī)器人市場需求的持續(xù)走高。

作為一種集光、電、機(jī)、計算機(jī)為一體的自動化設(shè)備，融合了多種先進(jìn)控制理論及電子信息等先進(jìn)技術(shù)，具有智能化、柔性化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化等眾多特點，可滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對物流系統(tǒng)提出的柔性化，自動化及高效率等要求。

作為移動機(jī)器人的重要組成部分和動力來源，電池及管理系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計之初就要首先考慮其尺寸、容量、重量等，這不僅關(guān)乎移動機(jī)器人的工業(yè)設(shè)計，更直接影響到其投資費用、作業(yè)效率、車形結(jié)構(gòu)、適用性、可靠性、安全性等。同時，隨著應(yīng)用場景對移動機(jī)器人使用頻率和數(shù)量的要求越來越高，如何合理地設(shè)計好充電系統(tǒng)開始受到越來越多移動機(jī)器人企業(yè)的關(guān)注。

充電技術(shù)的功能特點

MiR自主移動機(jī)器人中國區(qū)技術(shù)經(jīng)理劉志豪指出，充電是一個系統(tǒng)性工程，通常有幾部分組成：一是硬件方面，包括充電站（或充電樁）、電池；二是軟件方面，包括充電管理、電池管理、充電站（或充電樁）管理等；三是從安全法規(guī)角度，主要是指充電系統(tǒng)設(shè)計的安全性。

在充電方式方面，常見的充電方式有自動充電、手動充電、換電池充電 、非接觸式的無線充電四種。

移動機(jī)器人自動充電

1.自動充電

當(dāng)移動機(jī)器人需要補(bǔ)充電力時，會自動報告并請求充電，由地面控制中心指揮，駛向指定充電區(qū)或臺位，車載充電連接器與地面充電系統(tǒng)自動連接并實施充電。充電完成后移動機(jī)器人自動脫離充電系統(tǒng)，駛向工作區(qū)或待命區(qū)投入正常運行。其特點是個充電過程全部實現(xiàn)自動化、智能化，無需專人看管。

這種充電方式主要適用于工作周期長，車多人少，自動化程度高的場合，如卷煙、冶金、化工、汽車、航空等行業(yè)。

2.手動充電

當(dāng)移動機(jī)器人電力不足時，由地面控制中心指揮，駛向指定充電區(qū)或臺位，由專職人員手動完成移動機(jī)器人與充電器之間的電器連接，然后實施充電，完成后由人工進(jìn)行脫離連接電路操作，恢復(fù)工作狀態(tài)。

手動充電的特點是安全可靠，簡單易行，但需要專人看管，浪費人力，而且自動化程度降低。常用于自動化程度要求不是很高，車少人多，標(biāo)準(zhǔn)工作制的工況，如白天上班8小時使用移動機(jī)器人，下班休息時對移動機(jī)器人進(jìn)行充電。

3.換電池充電

當(dāng)移動機(jī)器人電力不足時，由專職人員手動更換電池組。換下的電池組通過充電后待用。這種充電方式的特點是簡單快捷，但要專人看管，并需配置多一倍的電池組，常用于對工作響應(yīng)的及時性要求較高、車不足的場合。

4. 非接觸式的無線充電

近年來新出現(xiàn)的非接觸式的無線充電技術(shù)也頗受關(guān)注，其特點在于充電便捷性非常高，但目前的瓶頸在于充電功率比較小，成本高。

據(jù)史陶比爾電連接器事業(yè)部副經(jīng)理周傳新介紹，目前上述四種充電方式中以自動充電的方式最為成熟和高效，同時也是大部分移動機(jī)器人廠商普遍使用的方案。自動充電通常使用刷板刷塊或插針進(jìn)行車體與充電樁之間電流傳輸，前者多應(yīng)用于叉車和重載類型移動機(jī)器人，而插針形式多見于kiva類移動機(jī)器人。為了確保持續(xù)不間斷的工作，移動機(jī)器人充電具有高頻率的特點，在某些應(yīng)用場景中，移動機(jī)器人全生命周期的充電次數(shù)可達(dá)數(shù)萬次。

劉志豪表示，不同的充電方式?jīng)]有高下之分，主要是根據(jù)應(yīng)用企業(yè)的工況、投資情況等進(jìn)行選擇。而對于應(yīng)用企業(yè)來說，他們通常希望移動機(jī)器人能在滿足其使用需求的基礎(chǔ)上，充電次數(shù)越少越好，以節(jié)省出更多的時間工作，這就要求電池的容量越大越好，充電時間越快越好。

充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在實際使用中，移動機(jī)器人的電池對其整體使用性能有很大影響，首先直接影響移動機(jī)器人的續(xù)航能力，成為移動機(jī)器人高效率作業(yè)的關(guān)鍵。移動機(jī)器人的一個作業(yè)周期由充電時間和放電時間組成，而放電時間所占的比例直接決定移動機(jī)器人的生產(chǎn)效率。其次，移動機(jī)器人的使用通常是多臺機(jī)器人集群作業(yè)，需要考慮充電的管理，需要考慮充電樁和機(jī)器人的配比問題，兼顧成本和效率，通過調(diào)度系統(tǒng)的策略設(shè)計最大化的實現(xiàn)機(jī)器人交替充電，實現(xiàn)較高的使用率。

MiR Charger 48V 高功率充電樁

?？禉C(jī)器人自動換電站

蓄電池及其充放電控制裝置是移動機(jī)器人的重要動力裝置，電池為24V或48V的工業(yè)電池，有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池等可供選用，需要考慮的因素除了功率、容量（Ah數(shù)）、功率重量比、體積等外，最關(guān)鍵的因素是需要考慮充電時間的長短和維護(hù)的容易性。近年來，鋰電池（包括磷酸鐵鋰和三元鋰）因體積小、續(xù)航高的特點，正在不斷取代傳統(tǒng)的鉛酸電池，并成為現(xiàn)階段移動機(jī)器人主要應(yīng)用的儲能載體。

電池充放比、快速充電是目前影響充電系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

據(jù)劉志豪介紹，得益于MiR Charger 48V 高功率充電樁以及MiR自主掌握的電池管理技術(shù)BMS（Battery Management System），充電樁能夠持續(xù)穩(wěn)定在高功率的輸出下，給機(jī)器人電池進(jìn)行快速充電，從而能夠達(dá)到充電半小時，機(jī)器人滿載運行6個小時以上。

需要注意的是，快速充電為大電流充電，需要采用專業(yè)的充電裝備，同時，移動機(jī)器人本身必須有充電限制裝置和安全保護(hù)裝置。

此外，電池快換技術(shù)也是移動機(jī)器人廠商十分關(guān)注的領(lǐng)域。例如，2020年，海康機(jī)器人發(fā)布了一款自主研發(fā)的自動換電站，這是一款移動機(jī)器人一站式自動換電設(shè)備，為移動機(jī)器人7×24不間斷作業(yè)提供源動力。自動換電站采用模塊化設(shè)計，由換電倉及電池倉兩部分組成，可快速完成移動機(jī)器人電池的自動更換，全程無需人工干預(yù)，相比原先機(jī)器人充電需要1.5小時，自動換電只需2分鐘。值得一提的是，換電過程中，移動機(jī)器人不斷電，可保持與上層系統(tǒng)正常通信。換電完成后即回歸工作崗位，業(yè)務(wù)無需間斷。相當(dāng)于增加15%～20%塊電池便可以替代以往需要多準(zhǔn)備15%～20%臺的機(jī)器人作為充電輪換，大幅降低整體投入成本。

基于上述需求，移動機(jī)器人企業(yè)通常會從安全性、穩(wěn)定性和可靠性等維度來考量充電連接產(chǎn)品,以確保充電連接器長久安全穩(wěn)定的運行。具體來說，需要考慮充電連接器的電氣性能、機(jī)械性能和環(huán)境性能否滿足應(yīng)用場景。據(jù)周傳新介紹，史陶比爾的充電連接產(chǎn)品具有極低的接觸電阻，確保大電流通過時仍然保持較低的溫升；充電電流大，QCC快速充電系統(tǒng)的的充電電流最高可達(dá)1440A；插拔壽命高達(dá)10萬次，可以滿足移動機(jī)器人高頻率充電需求；高抗沖擊性和抗振性，保證工況下的充電連接穩(wěn)定性。在這也使得其充電連接技術(shù)在大電流、高插拔、可靠性方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

充電技術(shù)發(fā)展趨勢

移動機(jī)器人行業(yè)目前正處在高速發(fā)展階段，不斷有新的零配件企業(yè)涌入這個賽道，行業(yè)競爭比較激烈，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一，充電產(chǎn)品質(zhì)量也存在良莠不齊特征。而目前大多數(shù)移動機(jī)器人廠商對于充電產(chǎn)品主要采取外部采購的方式。

周傳新指出，最近一些頭部企業(yè)陸續(xù)發(fā)布新一代移動機(jī)器人產(chǎn)品，更薄的車身，更短充電時間，更大的充放比成為宣傳重點。史陶比爾認(rèn)為，隨著鋰電池技術(shù)進(jìn)步，大功率快充將成為提升移動機(jī)器作業(yè)效率，降低閑置率的發(fā)展趨勢。而超薄的車身留給充電連接器的安裝空間更為狹小。因此要在更小尺寸中傳輸更大的電流，同時確保連接安全可靠，這給充電連接器設(shè)計帶來很大挑戰(zhàn)。對此，史陶比爾開發(fā)了新一代移動機(jī)器人充電連接器。該款連接器尺寸小巧，外形極致扁平化，大大節(jié)省安裝空間；額定電流可達(dá)75A，滿足大電流快充要求；插拔壽命同樣高達(dá)10萬次；而車端插頭創(chuàng)新性自帶喇叭口設(shè)計，省去以往車端喇叭口的單獨設(shè)計，降低成本。

此外，智能化也是未來充電技術(shù)需要關(guān)注的發(fā)展方向。如何在實現(xiàn)自主充電、多臺機(jī)器充電的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)移動機(jī)器人電量、充電時機(jī)、電池維護(hù)等的準(zhǔn)確控制，以及多場景多目標(biāo)容量與充電樁數(shù)量的合理規(guī)劃等，需要相關(guān)企業(yè)共同探索。