第二章 机器人能源系统及本体设计

使用方便
免维护蓄电池在出厂时已装好电解液，使用时减少了配
制和添加电解液的麻烦，再加上使用中不需要加蒸馏水， 减少了检查与维护作业，使用起Leabharlann Baidu大大方便。

每个铅酸电池单元的电压是2V。通常能买到的电池 其标称电压都是6V的倍数，例如6V、12V。由于铅 酸电池本身的特点，“未来之星”不可能采用铅酸 电池作为能源。


此外，镉是有毒金属，因而镍镉电池不利于环境的 保护，废弃后必须严格地回收。众多的缺点使得镍 镉电池已应用得越来越少。但在诸如电动航空模型、 电动玩具车等需要大电流放电的场合，镍镉电池因 其大电流放电能力和高可靠性、维护简单等优点， 仍被广泛使用。 镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，不再使用 有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染 问题。它是使用氧化镍作为阳极，以及吸收了氢的 金属合金作为阴极，由于此合金可吸收高达本身体 积100倍的氢，储存能力极强。
有同学玩过HI-FI吗？
HI-FI（高保真音响）可以理解为一种机电传 动系统。最终输出是扬声器的运动，并作用 在空气上产生高保真的声音（具有一定的推 动功率） 变压器、放大电路、线缆、接插件、扬声器

困扰设计着的常常是电源问题
U＝E－IR＋Σɸ(t)
U1＝E1－IR1＋Σɸ(t) U2＝E2－IR2＋Σɸ(t) U3＝E3－IR3＋Σɸ(t)
的3倍~4倍，而免维护蓄电池的启动电流可达普通蓄电池 20 h放电率额定容量的5倍~9倍。其原因是铅钙合金的电 导比铅锑合金高（含钙量为0.1%的铅钙合金比含锑7%的 铅锑合金的电导高20%）。另外，免维护蓄电池各单格 间的连接采用内连式，缩短了电路的连接长度，使连接 条上的功率损失减少80%，放电电压提高0.15V~0.4V。
能源模块
能源子系统
（电能）

能源子系统是为机电系统上所有的控制子系 统、驱动及执行子系统提供能源的部分。 通常小型或微型机器人采用直流电作为电源； 又因为机器人大多要移动，因此重点介绍和 对比当今常见的电池技术。

本讲重点内容
二次电池及其特性 线型稳压电源 开关电源

——北航某型无人机由于能源和电缆问题造成 超重，影响设计航程。


5.2.1 铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是一种具有一百多年应用历史 的蓄电池。构成铅酸蓄电池之主要成份如 下： •阳极板(过氧化铅.PbO2)---> 活性物质 •阴极板(海绵状铅.Pb) ---> 活性物质 •电解液(稀硫酸) ---> 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O •隔离板、电池外壳等附件
铅酸蓄电池的工作原理是：电池内的阳极(PbO2)

锂离子电池标称电压3.7V（3.6V），充电截 止电压4.2V。锂离子放电过程是非线性的， 如下图所示在4.2伏到3.6伏之间，电池的电 压随着放电过程缓慢下降，基本是一个比较 平缓的直线。当电压到达3.5-3.6之间电池的电压
本章的要领
基本要领 （1）电源系统基本信号特征 （2）各种电池的特性 （3）电源转换（AC-DC、DC-DC）

5.1 能源系统的重要性
机电传动系统的使命是完成特定规律的运动， 忠实执行动作指令（很硬的特性） 所谓“忠实”的前提条件： 忠实——动作到位——有力量——扭 矩足够——电流足够（特定电压下）
国产电池 AA size 国产电池 D size 深圳比亚迪电池 www.byd.com
1800~2300mAh，标准AA电池。性能尚可。单 价约8元。在电子市场可以买到。 10000~13000mAh，D型大容量，单价约50元。
国产的优秀电池。价格适中，性能较好，具有全 系列的电池型号。
5.2.3 锂离子/锂聚合物动力电池
及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会 产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充
放电，

则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： (阳极) (电解液) (阴极) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应) (过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (阳极) (电解液) (阴极) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应) (硫酸铅) (水) (硫酸铅)

很硬的特性
硬——提供、吸收电流并转换为扭矩的能力 数控铣床——如果机电传动系统的特性不够 硬，无法完成切削的形状，或切削速度低 大飞机、战斗机——无法保证舵面的精度和 响应速度（数字舵机和模拟舵机），操纵性 差 机器鱼——无法实现高效的拍动效率

电源系统基本信号特征
基本公式 U＝E－IR＋Σ ɸ(t)（巨大的学问） U——分系统输入的端电压 E——电源的电动势 R——电源内阻 Σ ɸ(t)——从共地线的其他系统串扰的干扰

使用寿命和储存寿命长
由于栅架使用了耐腐蚀的铅钙合金，提高了蓄电池的耐
充性，再加上采用袋式隔板，可有效地防止活性物质的 脱落，因此，可有效地提高蓄电池的使用寿命。一般蓄 电池使用寿命仅为1年~2年。同时，由于自行放电量小， 储存寿命显著增长。其储存寿命为普通蓄电池的3倍，并 且经储存后再启用时，仍具有较好的性能。

电压之和
影响特性的各个方面



机电传动系统主要是由控制模块（ɸ(t) ）、驱动模 块（I承载电流能力）、机电转换装置（电机）构成 （I承载电流能力） 电缆、接插件是不可忽略的环节（I承载电流能力） 结构方面，强度和刚度（结构力学） 能源系统是根本，要有足够的承载能力和好的特性 （ IR提供电流的能力）
形状可以定制： 市场上能买到的镍氢 电池有多种型号，有圆柱 型和方型两种，其原理和 结构类似，但圆柱型较为 普遍，具有AAA（七号）、 AA（五号）、2/3AA、 4/3AA、B、C、D型不同 尺寸和不同容量的电池。 这些电池的标称电压都是 1.2V。
创意之星机器人标配的可充电镍氢电池组参数如下： 容量： 4.8V2.3Ah（4单元D型，单元容量 1.2V2.3Ah），12Wh 重量： 80g 放电能力： 2-3C，4.6-7A连续放电 能量密度： 70Wh/kg 循环寿命： >600次
铅酸蓄电池最大的特点价格较低，支持20C 以上的大电流放电（20C意味着10Ah的电池 可以达到10*20=200A的放电电流），对过充 电的耐受强，技术成熟，可靠性相对较高， 没有记忆效应，充放电控制容易。 但寿命较低（充放电循环通常不超过500次）， 质量大，维护较困难，是一种优点和缺点都 很突出的电池。 为了解决由于电解液需要补充、维护困难的 问题，人们开发了免维护铅酸蓄电池。 200A的概念
•镍镉电池含有金属镉，是有毒的。该种电池报废后请妥善处置，最 好交由专业回收机构处理。随意丢弃会造成环境污染。
动手指南
注意：镍氢电池不宜串联、并联过多，否则内阻大，无法大电流放电， 且容易过热、起火。一般不能超过10节串联、4节并联。 市场上容易买到的几种镍氢充电电池的性能和价格、供货商联系方式 如下： SANYO AA Size 2100~2500mAh，标准AA电池。性能好，价格 较高。单价约20元。AA电池在很多地方都能买到。
……
5.2 机器人常用电池
在化学电池中，根据能否用充电方式恢 复电池存储电能的特性，可以分为一次电池 （也称原电池）和二次电池（又名蓄电池， 俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大 类。由于需要重复使用，机器人上通常采用 二次电池。
铅酸电池
锂离子电池
镍氢电池
锂聚合物电池
机器人由于体积、尺寸、重量的限制，对其 采用的电源有各种严格要求。例如：移动机 器人通常不能采取线缆供电的方式（除一些 管道机器人、水下机器人外），必须采用电 池或内燃机供电 相对于汽车等应用，要求电池体积小、重量 轻、能量密度大；并且要求在各种震动、冲 击条件下接近或者达到汽车电池的安全性、 可靠性。

镍氢电池采用与镍镉电池相同的Ni氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱 液（主要为KOH）作为电解液，镍氢电池充电时，正极发生反应如下： Ni(OH)2 –e + OH- → NiOOH + H2O 负极反应：MHn + ne → M + n/2H2 放电时，正极：NiOOH + H2O + e → Ni(OH)2 + OH负极：M + n/2H2 → MHn + ne

同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦 基本相似，在实际应用时完全可以替代镍镉 电池，而不需要对设备进行任何改造．镍氢 电池另一个优点是：大大减小了镍镉电池中 存在的“记忆效应”，这使镍氢电池可以更 方便地使用。 镍氢电池较耐过充电和过放电，具有较高的 比能量，是镍镉电池比能量的1.5倍，循环寿 命也比镍镉电池长，通常可达600-800次。但 镍氢电池的大电流放电能力不如铅酸蓄电池 和镍镉电池，通常能达到5-6C，尤其是电池 组串联较多其放电能力被限制在2-3C。

失水量小
免维护蓄电池的失水量，一般为普通蓄电池的十分之一，
其原因是铅锑合金的析氢过电位较低，所以充电末期在 负极板处有大量的氢气析出，造成失水较多，而铅钙合 金氢的析出过电位与纯铅相似，比铅地锑合金高出许多。 因此充电时使氢析出量大大减少，从而使失水量减少。

启动性能好
普通蓄电池的启动电流一般为该电池20 h放电率额定容量

放电能力 的标称参数
C是以电池标称容量对照电流的一种表示方 法，如电池是1000mAh的容量，1C就是表示 充放电流1000mA。 一般充电器的充电电流控制在1C以下。 C数：放电能力是电池性能的重要指标

为了提高铅蓄电池的使用寿命，改善其使用性能， 免维护蓄电池的正极板栅架一般采用铅钙合金或低 锑合金制造。而负极板栅架均用铅钙合金制造。为 减小极板短路和活性物质脱落，其隔板大多采用超 细玻璃纤维棉制作，或将其正极板装在袋式隔板内。
动手指南 铅酸蓄电池技术非常成熟，也是最容易使用 的充电电池，国内有很多厂商提供价格便宜、 技术成熟可靠的蓄电池产品。并且铅酸蓄电 池的尺寸基本上都是标准系列的。

5.2.2 镍镉/镍氢电池

镍镉电池的负极为金属镉，正极为三价镍的氢氧化物NiOOH, 电解质为氢氧化钾溶液。电池在放电过程中，负极镉被氧化， 生成Cd(OH)2；充电时Cd(OH)2还原为Cd。 镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类， 它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简 单等优势。但其最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理 不当，会出现严重的“记忆效应”，使得电池容量和使用寿 命大大缩短。所谓“记忆效应”就是电池在充电前，电池的 电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低， 在电池充放电的过程中（放电较为明显），会在电池极板上 产生微小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也 间接影响了电池的容量。

普通铅蓄电池的栅架上多采用铅锑合金，且锑的
含量较高（一般为4%～7%），在充电时，正极 栅架的锑逐渐溶解到电解液中，并在负极板表面 上沉积，与负极板上的活性物质形成微电池，从 而导致自行放电量增大。而免维护蓄电池正极栅 架多为铅钙合金，其晶粒较细，耐腐蚀，所以自 放电量小。
什么叫自放电
电池在不使用条件下内部会自行放电称为自放电。任何 电池都存在自放电，只是大小不同。国家标准规定镍镉镍氢 电池每日自放电容量<1%。即电池充足后自行放完应大于 100天。它反映了电池保持容量的能力。自放电过大，存放 期过长可能过放电，使电池电压下降至零，致使电池难以充 电，甚至早期失效。因此电池长期不用也要每三个月充电一 次。 在不合适的存储条件下，自放电会非常大
为了防止氧气、氢气垂直上溢，减小水分损失和活 性物质脱落，极板组多采用紧装结构。为了缩短联 接条的长度，减小内阴，提高蓄电池启动性能，各 单格极板组之间采用穿壁式接法，露在密封式壳体 外面的只有正、负极桩。

因此从理论上讲，免维护蓄电池即使被过充 电时，其电解液中的水也不会散失。相对于 传统的铅酸蓄电池，免维护蓄电池具有以下 性能特点： 自放电量小