机电传动模块化设计-第5讲-机器人能源子系统.ppt

第五讲能源子系统 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 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 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 t 从共地线的其他系统串扰的干扰电压之和 影响特性的各个方面 机电传动系统主要是由控制模块 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 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 t U1 E1 IR1 t U2 E2 IR2 t U3 E3 IR3 t 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 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 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 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 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 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 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20h放电率额定容量的3倍 4倍 而免维护蓄电池的启动电流可达普通蓄电池20h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 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 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 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 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 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 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 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 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 5 2 3锂离子 锂聚合物动力电池 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之间电池的电压会急剧的下降 短时间内就到下降到2 8V 如果电池使用到的电压低于2 8V就会对电池造成永久性的损害 所以一般认为电池放电到3 4 3 5之间就是没电了 需要停止使用 进行充电 锂离子电池对充电有比较高的要求 刚开始要恒流充电 电池电压随着充电过程逐步升高 当电池端电压达到4 2V 4 1V 改恒流充电为恒压充电 即电压一定 电流根据电芯的饱和程度 随着充电过程的继续逐步减小 当减小到0 01C时 认为充电终止 一般充电器的充电电流控制在1C以下 锂电池的优势锂离子电池与镍氢电池相比 重量较镍氢轻30 40 能量比却高出60 正因为如此 锂离子电池生产和销售量正逐渐超过镍氢电池 锂离子电池的能量密度很高 它的容量是同重量的镍氢电池的1 5 2倍 充放电次数可达500次以上 而且具有很低的自放电率 此外 锂离子电池几乎没有 记忆效应 以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因 锂电池的问题锂离子首先影响锂离子电池使用的是其安全性 相对于铅酸蓄电池 镍氢电池等具备较强的抗过充 过放电能力的电池 锂离子电池的充电和放电必须严格小心 锂离子电池具有严格的放电底限电压 通常为2 5V 如果低于此电压继续放电 将严重影响电池的容量 甚至对电池造成不可恢复的损坏 另一方面 电池单元的充电截止电压必须限制在4 2V左右 如果过充 锂离子电池将会过热 漏气甚至发生猛烈的爆炸 因此 通常在使用锂离子电池组的时候必须配备专门的过充电 过放电保护电路 其次是价格 锂离子电池价格较高 并且需要配备保护电路 因此相同能量的锂离子电池的价格是免维护铅酸蓄电池的十倍以上 为了解决这些问题 最近出现了锂聚合物电池 Li Polymer 其本质同样是锂离子电池 而所谓聚合物锂离子电池是在电解质 电极板等主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料的电池系统 新一代的聚合物锂离子电池在聚合物化的程度上已经很高 所以形状上可做到很薄 最薄0 5毫米 任意面积化和任意形状化 大大提高了电池造型设计的灵活性 从而可以配合产品需求 做成任何形状与容量的电池 同时 聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了50 其容量 充放电特性 安全性 工作温度范围 循环寿命与环保性能等方面都较锂离子电池有大幅度的提高 各种电池特性优缺点如下表所示 5 3线性稳压电源 常见的线性电源主要是三端稳压器件 例如78xx 79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC DC转换器 目前也有大量先进的DC DC转换器层出不穷 例如低压差线性稳压器LDO等 例如 NationalSemiconductor的LM1085 LM1086 LM2940 LM2651 LM5020 MAXIAM的MAX1747等等 78xx 79系列简单易用 价格低廉 直到今天还在大多电路中采用 如7805 7806 7809 7812 7815 7824 79 以及三端可调稳压器 LM317 337 338 78xx 79xx系列在降压电路中应注意以下事项 1 输入输出压差不能太大 太大则转换效率急速降低 而且容易击穿损坏 2 输出电流不能太大 1 5A是其极限值 大电流的输出 散热片的尺寸要足够大 否则会导致高温保护或热击穿 3 输入输出压差也不能太小 大小效率很差 由于线性稳压器是利用晶体管的线性区域来降压 稳压 因此显然其输入功率并非完全能从输出端口输出 两者的相差都会转为热能耗散掉 功率耗散 Pd 可以根据以下的公式粗略估算 Pd Vin Vout Iout 若要更精确计算功率耗散 我们必须将Vin Iq这个变项计算在内 功率耗散总额可以根据以下公式计算出来 Pd Vin Vout Iout Vin Iq若按照上述两条公式 再将5伏 V 电压调低至1 5伏 静态电流为300mA 那么线性稳压器耗散为热能的功率不会少于 5 1 5 0 35 1 225W究竟这个功耗量应视为高还是低呢 有关这个问题我们不可过早做出判断 我们必须根据芯片封装以及电路板的类型与面积 若采用表面贴装封装 找出这些变项与温度上升幅度之间的函数关系 从而计算1 225W的功率耗散究竟会令温度上升多少 这样我们才可作出一个较为全面的判断 确定1 225W的功率耗散是高还是低 系统设计工程师一般都喜欢采用最小巧的封装 但这类封装的热阻值非常高 因此散热能力也最差 5 4开关电源 开关电源是利用现代电力电子技术 控制开关晶体管开通和关断的时间比率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源一般由脉冲宽度调制 PWM 控制IC和MOSFET构成 开关电源和线性电源相比 通常具有允许较高的输入输出压差 效率高 满载效率通常可达到75 以上 甚至可达到95 97 体积小等优势 但是 由于开关电源是依靠开关晶体管不断导通和关断的原理工作的 因此也带来了电源品质通常不如线性电源 瞬态响应特性不如线性电源 有电磁辐射等先行电源所没有的缺点 开关电源的分类开关电源可分为AC DC和DC DC两大类 DC DC变换器现已实现模块化 且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化 并已得到用户的认可 但AC DC的模块化 因其自身的特性使得在模块化的进程中 遇到较为复杂的技术和工艺制造问题 以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述 开关电源的选用开关电源在输入抗干扰性能上 由于其自身电路结构的特点 多级串联 一般的输入干扰如浪涌电压很难通过 在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势 其输出电压稳定度可达 0 5 1 开关电源模块作为一种电力电子集成器件 在选用中应注意以下几点 输出电流的选择因开关电源工作效率高 一般可达到80 以上 故在其输出电流的选择上 应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流 以使被选用的开关电源具有高的性能价格比 通常输出计算公式为 Is KIf式中 Is 开关电源的额定输出电流 If 用电设备的最大吸收电流 K 裕量系数 一般取1 5 1 8 接地开关电源比线性电源会产生更多的干扰 对共模干扰敏感的用电设备 应采取接地和屏蔽措施 按ICE1000 EN61000 FCC等EMC限制 开关电源均采取EMC电磁兼容措施 因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器 如利德华福技术的HA系列开关电源 将其FG端子接大地或接用户机壳 方能满足上述电磁兼容的要求 直流 直流开关电源 当今软开关技术使得DC DC发生了质的飞跃 美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC DC变换器 其最大输出功率有300W 600W 800W等 相应的功率密度为 6 2 10 17 W cm3 效率为 80 90 日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列 其开关频率为 200 300 kHz 功率密度已达到27W cm3 采用同步整流器 MOS FET代替肖特基二极管 使整个电路效率提高到90 下图是一种典型的DC DC模块电源 动手指南 动力电源管理系统设计 动力电池 选型 实验