第二章 机器人能源系统及本体设计

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。

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

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。
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。

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
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）

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
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。
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
……
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。

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


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)
•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。
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)

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

电压之和
影响特性的制模块（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）

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，使用起来大大方便。

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。
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
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。
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