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嘉师傅讲堂 | 犀能科技:电池实际上不是被用坏的,是被充坏的

作者:嘉师傅讲堂 2022-03-03 10:13:24

犀能科技刘科先生,近日在嘉师傅讲堂分享关于移动机器人的充电技术演进。

犀能科技于2017年在新加坡创立,专注于为全球移动机器人提供无线充电解决方案,拥有100%自主知识产权。其核心团队由英国华威大学和新加坡南洋理工大学的多名电力电子、半导体及电磁场领域的博士组成,在无线充电解决方案的研发和应用领域已经沉淀十余年。2020年系列产品通过CE认证并在全球市场销售。

 

 

什么是无线充电?

我们在中学物理课堂上学过,通过电流的导体周围会产生磁场,变化的电流,就会产生变化的磁场。反过来,导体在变化的磁场中,也会产生电流,这是电磁感应原理。

无线充电技术起源于物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)的无线充电试验,充电器与用电设备之间以电感耦合发送能量,两者之间不需使用电线连接,因此充电器及用电的设备都可以做到无导电接点外露。

1891年,特斯拉线圈的出现,开启了电能无线传输的时代。这里的特斯拉可不是电动汽车“特斯拉”,而是一百多年前和爱迪生齐名的科学家、实业家——尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)。他研究过无线充电,无线电遥控船,X射线图像,飞碟,死光等等。到了晚年,他甚至还研究了机器人、弹道学、信息科学、核子物理学和理论物理学等诸多领域。特斯拉死后,FBI将他的设计图纸与实验作品全部没收,并将其列为高级机密。在1960年巴黎召开的国际计量大会命名,以纪念在电磁学领域有重要贡献的美籍塞尔维亚发明家、电气工程师尼古拉·特斯拉。

我们能想到的第一个无线充电应用场景就是电动汽车,在充电的过程中,我们常常会遇到这些问题:忘记充电、充完电没有时间或者忘记拔插头、雨天充电,或者充电现场布线凌乱造成的安全隐患。

但为什么犀能选择了移动机器人领域的无线充电?一开始,最贴近消费者生活的电动汽车的充电是研究的切入点,但无线充电场景的应用需要自动泊车配置得到广泛的应用,并且需要在停车场大量铺设发射线圈、主机厂生产预装,这些限制使得电动汽车场景的无线充电的商业化落地还有很长的距离要走。

通过在不同行业的应用调研,犀能团队发现工业环境下移动机器人的刷板刷块烧蚀严重、存在很多安全隐患、机械故障率高、接口繁杂多样。一个发展十多年的机器人公司,其充电桩的料号竟然有一百多个。其次,移动机器人的场景多样,比如AGV,医疗机器人、建筑机器人、炒菜机器人、协助机器人、跟随机器人等等。

充电是机器人的能量来源,就好比食物之于人的重要性,解决好充电的问题,才能使得让人类从劳动中解放出来这个梦想真正实现。因此犀能团队把研究方向转到工业场景的无人驾驶,面向全世界移动机器人市场,无线充电技术将会大幅提高移动机器人的充电安全可靠性、生产效率和机器人利用率。我们希望能打造全球移动机器人的统一的充电解决方案。

 

 

移动机器人的充电技术经过几代升级迭代。从手动插拔充电到触点式充电,发展到伸缩机构式充电,最后到非接触的无线充电。

手动插拔充电实际上跟我前面提到的电动汽车的充电,几乎是一模一样的痛点,对于工业场景的无人叉车有非常高的人工维护成本,比如说人工师傅,晚上用完叉车忘记充电,第二天就用不了等等。为了满足自动化需求,行业内出现了刷板、刷块配合使用的触点式充电。这种充电方式实现了充电的自动化,但是如果刷板刷块的工艺不合格,以及现场灰尘、油污会覆盖到刷板刷块上,导致氧化、打火烧蚀,就会导致机器人停机,产线停产,打乱生产节拍,看视频里一个欧洲老牌汽车厂的现场就知道。这样的充电方式在机器人运行数年以后带来了非常大的维护工总量。

 

                        

                         手动插拔充电                                                                        触点式充电

 

为什么会有这些问题?这里要讲到一个接触电阻的概念,接触电阻是串联在充电回路里的,接触电阻小的情况下接触面和导电回路其他部分没有太大区别;而如果电阻很大,会导致两个问题:限制充电器到达电池的电流和电压,导致电池充不满;另外,如果刷板刷块的压接不符合规范,这时候电阻变得很大,会有发热非常严重的问题,去年英国一个有名的电商品牌就发生了一起严重的充电导致的火灾事故,损失超过一亿英镑。

针对刷板刷块的压接力矩及工艺问题,模块化的伸缩机构充电连接器开始得到应用。知名品牌如我们熟悉的史陶比尔,连接高效、接触发热低、使用寿命长,当然价格也是不菲。

                    

                                                           伸缩式充电

 

所以总结下来,无线充电的优势就是针对接触式充电的弊端。第一,无线充电足够安全,不存在短路触电的可能性,也不会有电火花;第二,容许宽范围的停车误差,这样的好处就是停车时间非常短,提升机器人的生产节拍;第三,无线充电没有机械的运动部件,是免维护的;第四,安全、占地小使得机会充电成为可能,可以让机器人24小时不间断运行;最后,无线充电发射端可以匹配不同电压、不同外形和功能的机器人。换句话说,无线充电系统的充电桩,可以兼容同一场景下的所有机器人。

 

                   

                                                                                    无线充电

 

 

犀能无线充电

由发射端TPX、功率单元TPU,以及接收端RCU组成。犀能BE系列有以下几个特点:

第一,快充,充电时间比接触式充电更快,用时更短

第二,是全球首家经TUV SUD 认证符合欧盟标准(CE),认证进行了安规、电磁兼容、无线电等方面的测试

第三,拥有能源管理系统和云平台,是智能和智慧的充电器

第四,拥有超强的兼容性

接收端TXP只有20mm,可以布置在自动化设备的产线边上。

 

上图左边是无线充电桩,右边是接触式充电桩,他们功率几乎是一样的,无线充电占地面积小,使用灵活。

 

 

无线充电有没有辐射?按照辐射粒子能否引起传播介质的电离,人们把辐射分为两大类:电离辐射和非电离辐射。所谓电离就是指让不带电的物质在射线的作用下变成带电物质的过程。因为放射性物质的原子核发生衰变时释放出的射线能量较高,可以使物质发生电离,所以核辐射也称为电离辐射。

电离辐射主要的种类有α射线、β射线、X射线、γ射线和中子辐射等。其中X射线和γ射线是电磁波,但由于能量较高,它们已经进入了电离辐射的范畴。

另一种辐射类型是非电离辐射,最常见的非电离辐射就是不会产生电离作用的电磁辐射,也就是电磁辐射中频率“比较”低的那一部分。具体按照频率从高到低有可见光(就是各种有颜色的光或者是太阳光这种由各种颜色的光线组合起来的光)、红外线(是一种经常用于通讯连接的电磁波,具体应用有红外线鼠标、红外线打印机等)、微波(大家知道微波炉吧)、无线电波(广播电台和手机等通讯装置需要这个频率的电磁波)、低频电磁波等。犀能采用的电磁波频率低于可见光。世界卫生组织(WHO)和我国的监管部门均进行过深入的调查研究,并发布多份报告,目前来看,没有任何一项研究的结果证明这些设备的正常使用会对人的健康带来不良影响。大家在使用正规厂家的手机、电磁炉、微波炉、电脑液晶显示器的时候完全不必担心。

 

 

我们可以看到, 犀能无线充电产品充电的时候,辐射值只有规范的5%左右,远低于地表磁场强度(地表磁场强度指地球周围空间分布的磁场,平均强度是0.5-0.6高斯)。

 

 

电池实际上不是被用坏的,是被充坏的。

根据研究和实践表明,电池最容易出现的问题是在充电环节,而不是放电环节,所以,电池实际上不是被用坏的,是被充坏的。

 

 

充电曲线:通常指蓄电池在不同温度下,分别以不同的电流值恒流充电时,电池电压对于充电时间的曲线;或者分别以不同的电压进行恒电压充电时,充电电流对于充电时间的关系曲线。

 

从充电曲线可以看出,锂电池充电,我们先采用恒流模式充电,可以使用相对较大的电流充电,提高充电效率;充电末端由于电池极化内阻导致虚电压较高,这时候要采用恒压模式,降低充电电流,电池就可以充得比较满。

打个比方,我们往水池里注水,应该是先用很大的水流来往池子里灌,快满的时候,我们就把这个水流慢慢减小,水池里的水就能刚好放满。

 

 

无线充电适用范围广,可用在不同种类的移动机器人,包括无人叉车,潜伏式AGV,复合式AGV,以及清扫保洁、巡检安防、无人驾驶低速车、无人机等等。目前,犀能有80多家机器人合作伙伴,成功的无线充电案例有100多个。

 

其中,应用在嘉腾机器人锂电池行业的无线充电项目,是全球无线充电功率最大的,也是同一个项目里投产的无人叉车无线充电最多的项目。

 

在半导体工厂的项目中,应用了无线充电技术,可以让复合协作机器人24小时不间断地工作。

 

再分享一个非常有意思的案例:同一个无线充电桩给5款不同电压、不同系统的机器人充电。可以满足给同一个用户,多种机器人充电。我们的无线充电可以做到多车型兼容多通讯兼容多电池兼容

 

 

我们今天分享的内容就是这些,谢谢大家!

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