移动机器人充电技术的发展现状与趋势

文/ 本刊记者 赵皎云

随着应用场景对移动机器人使用频率和数量的要求越来越高，充电系统已经成为应用企业选用移动机器人时的一个重要考量因素，如何更好的实现移动机器人电量、充电时机、电池维护等的准确控制，是目前众多移动机器人及相关技术企业争相探索的方向。

近年来，随着消费需求日趋个性化、用工短缺/劳动力成本上升、新一代信息技术不断成熟等多重因素的推动，智慧物流、智能制造成为企业降本增效提质的重要手段，带动移动机器人市场需求的持续走高。

作为一种集光、电、机、计算机为一体的自动化设备，融合了多种先进控制理论及电子信息等先进技术，具有智能化、柔性化、数字化、网络化和信息化等众多特点，可满足现代化生产对物流系统提出的柔性化，自动化及高效率等要求。

作为移动机器人的重要组成部分和动力来源，电池及管理系统在产品设计之初就要首先考虑其尺寸、容量、重量等，这不仅关乎移动机器人的工业设计，更直接影响到其投资费用、作业效率、车形结构、适用性、可靠性、安全性等。同时，随着应用场景对移动机器人使用频率和数量的要求越来越高，如何合理地设计好充电系统开始受到越来越多移动机器人企业的关注。

充电技术的功能特点

MiR自主移动机器人中国区技术经理刘志豪指出，充电是一个系统性工程，通常有几部分组成：一是硬件方面，包括充电站（或充电桩）、电池；二是软件方面，包括充电管理、电池管理、充电站（或充电桩）管理等；三是从安全法规角度，主要是指充电系统设计的安全性。

在充电方式方面，常见的充电方式有自动充电、手动充电、换电池充电 、非接触式的无线充电四种。

移动机器人自动充电

1.自动充电

当移动机器人需要补充电力时，会自动报告并请求充电，由地面控制中心指挥，驶向指定充电区或台位，车载充电连接器与地面充电系统自动连接并实施充电。充电完成后移动机器人自动脱离充电系统，驶向工作区或待命区投入正常运行。其特点是个充电过程全部实现自动化、智能化，无需专人看管。

这种充电方式主要适用于工作周期长，车多人少，自动化程度高的场合，如卷烟、冶金、化工、汽车、航空等行业。

2.手动充电

当移动机器人电力不足时，由地面控制中心指挥，驶向指定充电区或台位，由专职人员手动完成移动机器人与充电器之间的电器连接，然后实施充电，完成后由人工进行脱离连接电路操作，恢复工作状态。

手动充电的特点是安全可靠，简单易行，但需要专人看管，浪费人力，而且自动化程度降低。常用于自动化程度要求不是很高，车少人多，标准工作制的工况，如白天上班8小时使用移动机器人，下班休息时对移动机器人进行充电。

3.换电池充电

当移动机器人电力不足时，由专职人员手动更换电池组。换下的电池组通过充电后待用。这种充电方式的特点是简单快捷，但要专人看管，并需配置多一倍的电池组，常用于对工作响应的及时性要求较高、车不足的场合。

4. 非接触式的无线充电

近年来新出现的非接触式的无线充电技术也颇受关注，其特点在于充电便捷性非常高，但目前的瓶颈在于充电功率比较小，成本高。

据史陶比尔电连接器事业部副经理周传新介绍，目前上述四种充电方式中以自动充电的方式最为成熟和高效，同时也是大部分移动机器人厂商普遍使用的方案。自动充电通常使用刷板刷块或插针进行车体与充电桩之间电流传输，前者多应用于叉车和重载类型移动机器人，而插针形式多见于kiva类移动机器人。为了确保持续不间断的工作，移动机器人充电具有高频率的特点，在某些应用场景中，移动机器人全生命周期的充电次数可达数万次。

刘志豪表示，不同的充电方式没有高下之分，主要是根据应用企业的工况、投资情况等进行选择。而对于应用企业来说，他们通常希望移动机器人能在满足其使用需求的基础上，充电次数越少越好，以节省出更多的时间工作，这就要求电池的容量越大越好，充电时间越快越好。

充电技术发展现状

在实际使用中，移动机器人的电池对其整体使用性能有很大影响，首先直接影响移动机器人的续航能力，成为移动机器人高效率作业的关键。移动机器人的一个作业周期由充电时间和放电时间组成，而放电时间所占的比例直接决定移动机器人的生产效率。其次，移动机器人的使用通常是多台机器人集群作业，需要考虑充电的管理，需要考虑充电桩和机器人的配比问题，兼顾成本和效率，通过调度系统的策略设计最大化的实现机器人交替充电，实现较高的使用率。

MiR Charger 48V 高功率充电桩

海康机器人自动换电站

蓄电池及其充放电控制装置是移动机器人的重要动力装置，电池为24V或48V的工业电池，有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池等可供选用，需要考虑的因素除了功率、容量（Ah数）、功率重量比、体积等外，最关键的因素是需要考虑充电时间的长短和维护的容易性。近年来，锂电池（包括磷酸铁锂和三元锂）因体积小、续航高的特点，正在不断取代传统的铅酸电池，并成为现阶段移动机器人主要应用的储能载体。

电池充放比、快速充电是目前影响充电系统优劣的关键因素。

据刘志豪介绍，得益于MiR Charger 48V 高功率充电桩以及MiR自主掌握的电池管理技术BMS（Battery Management System），充电桩能够持续稳定在高功率的输出下，给机器人电池进行快速充电，从而能够达到充电半小时，机器人满载运行6个小时以上。

需要注意的是，快速充电为大电流充电，需要采用专业的充电装备，同时，移动机器人本身必须有充电限制装置和安全保护装置。

此外，电池快换技术也是移动机器人厂商十分关注的领域。例如，2020年，海康机器人发布了一款自主研发的自动换电站，这是一款移动机器人一站式自动换电设备，为移动机器人7×24不间断作业提供源动力。自动换电站采用模块化设计，由换电仓及电池仓两部分组成，可快速完成移动机器人电池的自动更换，全程无需人工干预，相比原先机器人充电需要1.5小时，自动换电只需2分钟。值得一提的是，换电过程中，移动机器人不断电，可保持与上层系统正常通信。换电完成后即回归工作岗位，业务无需间断。相当于增加15%～20%块电池便可以替代以往需要多准备15%～20%台的机器人作为充电轮换，大幅降低整体投入成本。

基于上述需求，移动机器人企业通常会从安全性、稳定性和可靠性等维度来考量充电连接产品,以确保充电连接器长久安全稳定的运行。具体来说，需要考虑充电连接器的电气性能、机械性能和环境性能否满足应用场景。据周传新介绍，史陶比尔的充电连接产品具有极低的接触电阻，确保大电流通过时仍然保持较低的温升；充电电流大，QCC快速充电系统的的充电电流最高可达1440A；插拔寿命高达10万次，可以满足移动机器人高频率充电需求；高抗冲击性和抗振性，保证工况下的充电连接稳定性。在这也使得其充电连接技术在大电流、高插拔、可靠性方面具有无可比拟的优势。

充电技术发展趋势

移动机器人行业目前正处在高速发展阶段，不断有新的零配件企业涌入这个赛道，行业竞争比较激烈，技术标准还没有统一，充电产品质量也存在良莠不齐特征。而目前大多数移动机器人厂商对于充电产品主要采取外部采购的方式。

周传新指出，最近一些头部企业陆续发布新一代移动机器人产品，更薄的车身，更短充电时间，更大的充放比成为宣传重点。史陶比尔认为，随着锂电池技术进步，大功率快充将成为提升移动机器作业效率，降低闲置率的发展趋势。而超薄的车身留给充电连接器的安装空间更为狭小。因此要在更小尺寸中传输更大的电流，同时确保连接安全可靠，这给充电连接器设计带来很大挑战。对此，史陶比尔开发了新一代移动机器人充电连接器。该款连接器尺寸小巧，外形极致扁平化，大大节省安装空间；额定电流可达75A，满足大电流快充要求；插拔寿命同样高达10万次；而车端插头创新性自带喇叭口设计，省去以往车端喇叭口的单独设计，降低成本。

此外，智能化也是未来充电技术需要关注的发展方向。如何在实现自主充电、多台机器充电的基础上，进一步实现移动机器人电量、充电时机、电池维护等的准确控制，以及多场景多目标容量与充电桩数量的合理规划等，需要相关企业共同探索。