机器人开发--动力系统

1 介绍

概述

BMS

电池管理系统（BMS）主要功能是实现电池单元的智能化管理及维护，通过状态监测、异常故障保护等方法，监管电池状态，延长电池使用寿命，已在各类电子电气设备中得到广泛应用。BMS 系统涉及算法、硬件电路、软件等，该领域长期被 TI、ADI 等国际模拟龙头垄断，市场空间广阔。

电池管理芯片系电源管理细分赛道，主要产品形态包括电池计量（电量计）、电池安全、充电管理等三大类芯片

电池管理芯片属电源管理细分赛道，电池计量芯片用于确定电池的电量状态（SoC）和健康状态
（SoH），进行电池荷电状态估算；电池安全芯片主要用于电池状态监控和电池单体均衡，避免出现过充、过放、过流和短路等故障；充电管理类芯片用于完成电压转换、调节，电池充电管理以及过压过流保护等功能。

BMS 产业链

动力电源、消费电子细分领域 BMS 芯片种类、技术及下游销量概览

电池

电池涉及电芯、电池模组、电池包、pack工艺等概念。
电池包主要由电芯、BMS、连接器、热管理组件、结构件等组成。

电池包典型产品及参数概览

品类	产品介绍	产品特点	产品外观	厂家
手机 电池	55W 超快闪充+ 4440mAh 超大电池 最大充电功率提升 至 55W,双连接器充电，转化 率高达 97%，15 分钟，即可 为 4440mAh（典型值）的电 池充满 50%。	电芯：锂离子聚合物 容量：4400mAh 工作电压：3.85V 终止放电电压：3.0V 充电电压：4.4V 充电电流：10A MAX(10A MAX to 4.25V) 放电电流：4.37A MAX 尺寸：80.463.55.82mm		欣旺达
笔记 本电 池	ThinkPad X200，锂离子电池	电池容量: 5200MAh 电压: 11.1V 电芯数量：6 参考时间: 2-3 小时 尺寸：206.55421.42mm		ThinkPad
PAD 电池	电池为内臵软包电池，容量达 5100mAh，采用双 IC 双 MOS 方案，多重保护，侧边 U 型胶 纸保护，提高电芯自身的抗刺 破强度。 应用领域：3C 智能 平板	电芯：锂离子聚合物 典型容量：5100mAh 工作电压：3.82V 放电截止电压：3.0V 充电电压：4.4V 标准充电电流：0.2C 标准放电电流：0.2C 尺寸：119mm98.5mm2.8mm		欣旺达
TWS 耳 机电 池	电池采用商标一体化包裹，外 观美观，体型小巧。电池支持 快速充电，减少充电时间。 应 用领域/特点：智能穿戴类电池 /蓝牙耳机盒电池	电芯：锂离子聚合物 容量：400mAh 工作电压：3.85V 终止放电电压：3.0V 充电电压：4.4V 充电电流：415mA MAX 放电电流：400mA MAX 尺寸：34.618.55.55mm		欣旺达
智能 手表 电池	电池是双电芯组合，电池容量 大，充电一次，续航 48H。	电芯：锂离子聚合物 容量：580mAh （MIN) 工作电压：3.85V 终止放电电压：3.0V 充电电压：4.4V 充电电流：1000mA MAX 放电电流：580mA MAX 尺寸：28.2830.15.99mm		欣旺达
手持 吸尘 器电 池	采用 6S1P电芯组合方案，含 四重保护，搭配 MCU 对温度、 电压、电流智能实时监控，智 能化管理及维护各个电池单 元，防止电池出现过充电、过 温度和过放电，延长电池的使 用寿命。电池的安全性佳，性 能强，放电倍率高。	电池类型 锂离子电池 组合方式 6S1P 额定容量 2500mAh 额定电压 21.6V 充电限制电压 25.2V 充放电倍率 0.3C/370W(14C) 尺寸 135.979.433mm		欣旺达
扫地 机电 池	采用 4S2P电芯组合方案，四 重保护，防水防震动跌落结 构，安全性佳，性能强，寿命 长，5200mAh 超长待机。	电池类型：锂离子电池 组合方式：4S2P 额定容量：5200mAh 额定电压：14.4 充电限制电压：16.8V 充放电倍率：0.5C/1C 尺寸 43.4142.144.5mm		欣旺达

电池分类

电池 pack 产业链

电池管理系统细分功能模块

电源管理芯片、电池管理芯片分类

三种电池管理芯片典型产品功能拆分

种类	型号	主要功能	功能特性	应用领域	典型应用电路
电池计量芯片	CW2217B 单节锂电 池电量计 芯片	监测电池 充放电状 态下的电 压，电流和 温度，准确 计算电池 的剩余电 量	▲应用于系统侧或电池包内； ▲14-bit 模数转换器进行温度和电压检测 ； ▲16-bit 模数转换器进行电流检测； ▲支持低至 1mΩ的检流电阻； ▲无学习周期； ▲低电量警示中断； ▲支持 NTC 测温； ▲功耗为工作模式 12μA、休眠模式 0.5μA； ▲I2C 接口； ▲封装为 WLCSP-9 1.58mmx1.53mm	智能手 机、TWS 耳机、 IOT 设 备
电池安全芯片	CW1011 集成 MOSFET 单节保护 IC	支持过充、 过放、过流 以及过 温 保护	▲ 过充电检测功能（阈值范围 4.180V~4.550V，± 15mV 精度）； ▲过放电检测功能（阈值范围 2.100V~3.000V，± 40mV 精度）； ▲内臵低侧 54mΩ充放电 MOS； ▲高精度充放电过电流检测； ▲过电流保护：放电过流检测 1 阈值范围 （0.20.4A，精度±25%；0.41.0A，精度±15%）、 放电过流检测 2 阈值范围（0.4~2.0A，精度±15%）； 负载短路检测阈值范围（0.8~4.0A，精度±15%）； 充电过流检测阈值范围（-2.0~-0.4A，精度±15%； -0.4~-0.2A，精度±25%）； ▲内臵所有保护功能延时； ▲低功耗设计（工作状态 2.5μA (25°C)，低功耗 状态 20nA (25°C)）； ▲封装形式为 DFN-6 1.5mmx2mm	TWS 耳 机、智能 手表手 环、移动 穿戴设 备、其他 单节锂 离子及 锂聚合 物电池 包
充电管理芯片	CW6116 3A 开关式 充电芯片	采用低导 通阻抗设 计，提升充 电效率，减 少充电时 间。	▲单输入 3A 开关式充电（3.8V–13.5V 输入工作 电压，+28V 最大耐压；±0.5% 充电电压调制精 度，±5% 充电恒流精度@1.5A；可编程输入电流 门限，兼容 USB 2.0/USB3.0 和 Type-C 标准；集 成功率 MOSFET；支持 USB OTG，最大 1.5A 输 出电流）； ▲支持电源路径管理（对过放电电池，系统也可即 刻开机；系统电流和充电电流智能分配）； ▲I2C 控制接口； ▲支持充电状态异常中断报警； ▲集成热管理和过温保护； ▲支持过压和过流保护； ▲封装 QFN 4mmx4mm	智能手 机、平板 电脑、手 持终端

TI 典型电池包

电量计系统框图

充电管理芯片的环路控制

典型的锂离子电池充电曲线

动力电池 Cell、Module、Pack 定义

分类	定义
电芯（cell）	是可以用来充放电的锂电池的基本单位，将正极、负极、隔离膜、电解液放在四方形的铝壳中制成
电池模块 （module）	为了从外部冲击、热、振动等中保护电芯，将一定数量的电芯联结在一起并放入一个框架中组成电 池组建（asembly）
电池包（pack）	是装入电动汽车的电池系统的最终形态，在电池模块上装配 BMS、冷却系统等控制和保护系统制成

锂电池使用范围受限

电池状态估计概览【SOC、SOH、SOP】

名词	解释
SOC（State of Charge） 电池的荷电状态	不能通过测试装臵直接测量得到，常见的测量方法有：开路电压法、安时积分法、神经网络法、卡尔曼滤波法。在工程应用中以开路电压法和安时积分法为主，再加以边界修正估计 SOC，该方法简单可靠，便于工程应用。
SOH（State of Health） 电池的健康状态	在车辆中不能直接测量得到，但必须知道精确的范围和功率预测。如果 BMS中没有 SOH 修正或更新，驾驶员将过多期望里程或者感到加速缓慢。
SOP（State of Power） 电池的功率状态	可评估电池在不同 SOC 和 SOH 下的充电、放电功率极限能力，最优匹配动力电池系统与汽车动力性能间的关系，以满足新能源汽车加速和爬坡性能，最大限度地发挥电机的再生制动能力。动力电池的实时峰值功率受电压、温度、电流、可用容量及 SOC 制约。

BMS 主动均衡和被动均衡比较

BMS 精度要求

ADI 典型 12 节 BMIC-AFE 芯片电路图（芯片型号 MAX17843）

BMS 芯片部分厂商产品及价格（截至 2022 年 3 月）

充电桩

AGV行业厂家

电池

• 亿能
• 力神
• …

充电桩

• 安德普
• 泰坦
• …

2 电池

AGV行业电池功能需求

1. 高能量密度

AGV小车电池通常具有高能量密度，能够存储大量的电能，以提供长时间的工作能力。

2. 快速充电

某些AGV小车电池支持快速充电技术，可以在短时间内完成充电，从而减少停机时间和提高生产效率。

3. 长寿命

AGV小车电池通常设计用于长期使用，具有较长的使用寿命。它们可以经受频繁的充电和放电循环，同时仍保持良好的性能。

4. 适应环境

AGV小车电池通常能够在不同的环境条件下工作，包括室内和室外环境。它们可以在各种温度范围内正常运行，并且对温度变化的适应能力较强。

5. 可靠性

AGV小车电池通常具有高的可靠性和稳定性。它们经过精心设计和测试，以确保在各种工作条件下都能提供一致的性能和可靠的供电。

低温环境对电池的影响

1. 降低能量输出

低温会导致电池内部反应速率减慢，降低能量输出能力。电池的可用能量容量会受到限制，无法达到在正常温度下的预期性能。

2. 增加内阻

低温会导致电池内部材料的电阻增加，影响电流的流动能力。这会导致电池在低温环境下的充电和放电效率下降。

3. 缩短寿命

低温会对电池的寿命产生不利影响。在极端低温下，电池内部的化学反应速率会减慢，这可能导致电池的容量损失加速，寿命缩短。

几种低温环境的电池

1. 低温锂离子电池（Li-ion）：这种电池采用改良的电解液和电极材料，能够在低温下保持较高的性能。具体参数包括：
   • 工作温度范围：-40°C至-20°C或更低
   • 可用能量容量：通常保持在正常温度下的80%以上
   • 充电和放电效率：较高
2. 镍氢电池（NiMH）：在低温环境下，镍氢电池相对于其他类型的电池表现较好。具体参数包括：
   • 工作温度范围：-20°C至-10°C
   • 可用能量容量：通常保持在正常温度下的70%以上
   • 充电和放电效率：较高
3. 钠硫电池（NaS）：这种电池在低温下仍然能够提供较高的能量密度和运行效率，适用于一些特殊的低温应用。具体参数包括：
   • 工作温度范围：-20°C至0°C或更低
   • 可用能量容量：相对较高，可达到正常温度下的90%以上
   • 充电和放电效率：高

低温下使用电池的建议

1. 使用适合低温环境的电池：选择具有低温特性的电池类型，例如低温锂离子电池、镍氢电池或钠硫电池。这些电池经过专门设计，能够在低温条件下提供更好的性能。
2. 保持适当的温度控制：在低温环境中使用电池时，尽量保持电池处于适当的温度范围内。可以使用绝缘材料或绝热包装来减少电池与外部环境的温度交换。此外，可以考虑使用电池加热装置或加热系统，提供适宜的温暖环境。
3. 预热电池：在使用之前，将电池置于较温暖的环境中，进行预热，以提高其性能。可以使用专门的电池加热设备或将电池放置在温暖的室内一段时间。
4. 优化电池管理系统：对于需要在低温环境下长时间使用电池的应用，可以优化电池管理系统以适应低温条件。通过调整充放电策略、优化电池的温度控制和保护机制，最大限度地提高电池的性能和寿命。
5. 定期检查和维护：定期检查低温环境下使用的电池，确保其正常运行。保持电池的清洁，避免电池表面积水或结冰。如有必要，根据制造商的建议进行电池维护和养护。
6. 考虑备用电源：在极端低温条件下，电池的性能可能会受到严重影响。因此，在一些关键应用中，可以考虑备用电源或冗余系统，以确保能源供应的连续性。这可以是其他类型的电池、燃料电池或其他能源存储设备。

3 BMS

保护电路板（Protection Circuit Module，简称PCM）：电池通常配备有一个保护电路板，用于监测电池的电压、电流和温度等参数，以防止过充、过放、短路和过热等危险情况。

子系统

电池对过充过放过流等保护措施一般是通过下边几个重要的系统来完成的：

1. 保护IC（Protection Integrated Circuit）

保护IC是一种专门设计用于电池保护的集成电路。它通常包含用于监测和控制电池电压、电流和温度的电路，并通过内部的逻辑判断来控制开关管等元件的操作。

2. 电压检测IC（Voltage Detection Integrated Circuit）

电压检测IC用于监测电池的电压，一般与保护IC相结合使用。它能够实时检测电池电压，并将电压信号传递给保护IC，以触发相应的保护操作。

3. 电流检测电阻（Current Sensing Resistor）

电流检测电阻用于检测电池的电流。它通常被放置在电流路径上，通过测量电阻两端的电压来获取电流信息，并将其传递给保护IC，以判断是否超过安全范围。

4. 温度传感器（Temperature Sensor）

温度传感器用于监测电池的温度。它可以是独立的温度传感器器件，也可以集成在保护IC中。通过测量电池温度，保护IC可以采取相应的措施来调节电流或触发保护机制，以防止过热。

5. 逆变器（Inverter）和开关管（Switching Transistor）

逆变器和开关管通常用于切断电池与负载或充电源之间的连接。它们由保护IC控制，一旦检测到过充、过流、过放或短路等危险情况，保护IC会发出命令使开关管切断电流路径，以防止电池损坏或安全问题。

AGV行业BMS功能需求

准确估测动力电池组的荷电状态 (State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量

保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

单体电池间的均衡

即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

多通信方式【can、485】

可定制充放同口、充放异口

充放异口，在无充电电流的情况下，充电口无电压输出。

保护功能【过充、过放、短路和过热】

• 过流保护：如充电电流大于30A【由产品而定】且持续时间超过设置时间，切断充/放电口，进入休眠模式，人工按启动按钮恢复

• 放电过流：放电电流大于60A【由产品而定】且持续时间超过设置时间，切断充/放电口，进入休眠模式，人工按启动按钮恢复

• 过压保护：进行警告和报警，起到过充保护等

• 短路保护：

• 过温警告：温度>设定报警温度

• 过压警告：电压>警告电压

• 过压报警（过充保护）：电压>报警电压

• 欠压警告：电压<欠压警告电压

• 欠压报警（过放保护）：电压<欠压报警电压

4 充电桩

AGV行业充电桩功能需求

多通信方式【CAN、RS485、WiFi等】

智能充电机需要具有CAN、RS485、WiFi等多种通信方式选择。

保护功能【开路、过流、过热、短路、连接异常】

系统具有开路、过流、过热、短路以及电池未接及反接保护等故障保护功能，发生故障自动停机。内部模块异常时充电机会进行报警并自动停止充电。

AGV充电桩厂商

【专题复盘】多方位解读AGV/AMR机器人充电技术

企业	相关产品	特点
史陶比尔	CombiTac模块化连接器系统、QCC充电连接器、大容差充电连接器。	凭借MULTILAM技术，充电连接方案具有更低的接触电阻，更大的额定电流，高抗振和抗冲击性，使用寿命更长。
法勒移动供电	接触式刷板刷块FTS系列及非接触式充电系统F07。	配置有CANopen通讯功能，可以通过CANopen接口向AGV上的PLC传输状态信息和输出参数信息做到自主监控。
瑞典Micropower	高频充电机，三元锂电池整体解决方案等。	专注于高频充电机，每年向包括AGV客户在内的厂商提供超50万台充电机。
柏壹科技	无线充电芯片和无线充电方案。	将国内罕有且较成熟的大功率技术，应用到了AGV无线充电芯片与一站式系统集成解决方案上。
青岛鲁渝能源	多系列无线充电产品。	具有输出电流大（最大200A），接收端体积小、低压大电流输出、效率高等特点。
太行佳信电气	电池系统、充电对接装置、电池管理系统、电池维护系统等。	使用寿命长达15年，为国内外多家AGV厂商及用户提供智能充电站近千台，运行现场上百个。相关产品均已通过CE、UL、PSB等认证。
前卫无线	标准式无线供电系统及轨道式无线供电系统等。	开发轨道式无线供电系统，用于替代传统滑触线或蓄电池供电模式，实现了电网与用电设备的电气隔离，可实现设备终身免维护运行。
广东泰坦智能	AGV锂电池充电机、磷酸铁锂电池、刷版、刷快、侧充机构、CANWIFI2模块等。	AGV整体充电解决方案通过将集成设计方法结合到AGV能源部分的黑匣子中，打造一体化的动力解决方案。
科奥信	适用多种AGV电池的智能充电装置	远程监控设置、N+1冗余技术、一对多同时充电。
东方阳泰	充电桩、充电机、电池测试系统。	带动力电池和电芯综合测试、维护、筛选系统。
湖北英特利	工业等离子加热电源	工业AGV用充电机

AGV充电系统相关模块

刷块

史陶比尔充电连接器

参考

1、安信证券–行业深度分析
2、
3、
6、史陶比尔充电连接器
7、【专题复盘】多方位解读AGV/AMR机器人充电技术
8、安德普–AGV高频智能充电机
9、惠州亿能–什么是电池管理系统（BMS）？
10、深圳鹏诚–48V18Ah 移动机器人锂电池
11、AGV/AMR自动充电系统详解
12、AGV小车是如何获得电池充电需求信息并自动进行充电的呢
13、如何改善低温环境对电池带来的影响？
14、菲富特–AGV侧充式充电一体机