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[知识点] 机器人大赛动力系统及其选型(电源篇)

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Robot 动力系统及其选型(电源篇)

本文是为刚刚开始入门的同学们所写,帮助大家避免一些低级错误,并非严谨的学术著作;如有疏漏,请予纠正,不胜感激。

本文所有内容均仅适用江苏省大学生机器人大赛的范畴。

机器人的动力系统可以大致分为电源、供电系统和执行机构三部分。我们首先讲解电源。

电源简介

电源在我们的比赛中,基本只会用到两种:18650锂电池与航模锂电。
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(左为18650,右为航模锂电)

电池尺寸规格简介

18650是电池行业的一种标准规格——直径18mm,高65,0则代表是圆柱形,所有的18650都可以装置到标准的18650电池座中。但电池座的使用也是有讲究的:

两种电池座,千万不要选择左边的。看似它带线,使用更方便,但这种电池座的的电阻较大,附带的线也很细,电流较大时会造成比较严重的电压降,甚至会烫坏电线胶皮;另外,这种弹簧的质量也很差,容易接触不良。

航模锂电的尺寸规格多样,可以根据实际需要进行挑选。与18650不同,航模锂电不需要电池座,其直接通过两种标准接口进行供电。标准接口包括T插和XT系列插头;XT系列有多种尺寸,航模锂电上一般使用XT60。此处要注意,虽然XT60插口(仅指插口本身)的成本仅稍高于T插,但XT60对T插的优势是碾压性的,无论载流性能、寿命都成倍地超过T插,市场占有率也是XT60更高。商家出售航模锂电时一般可以选配T插或XT60,此处建议大家选择XT60。(也就意味着要买一些XT60焊上线用来安装电池)
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(左为T插公母头,右为XT60公母头,至于公母怎么分……emmmmm……)

串并联与电压、容量、放电能力

串并联一般被称为s、p。多少个电芯(即物理上的一个原电池)串联就叫多少s,多少个并联就叫多少p。18650一节就是一个电芯,所以市售18650是不会讨论s数和p数的;而航模锂电是用多块电芯串联而成的,这直接决定其电压,所以市售航模锂电都会标注2s、4s之类的来标定其电压(最常见的是3s)。而p数多见于最终组成的电池组,如4s3p的18650电池组,是四串三并的18650电池组。

18650和航模锂电是基于类似的技术制造的,单节电芯标称电压3.7V,充满电为4.2V左右;随着电池慢慢耗尽,电压会逐渐下降。原则上不允许在电池低于3.6V时继续工作,因为过放是充电锂电池的大敌,随随便便就可以导致电池报废。为了减少这种事故的发生,除了及时对电池进行电压检测(18650用万用表,航模锂电可以用一种叫BB响的东西)和充电,也应注意电池组内各电芯的一致性,不同型号或者剩余电量不同的电池尽量不要一起使用,避免低电量电池被高电量电池强行过放。航模锂电在这方面的表现更好些,因为它的各块电芯被强行捆绑,放电时必须一起放,充电时则使用平衡充对各块电芯同时均衡地充电,基本不存在一致性不好导致的过放。

锂电池的容量一般用mah(毫安时)表示,是放电电流对时间的积分。需要注意的是,这是电池容量单位,以电流对时间的积分为基准。一般18650锂电池的容量为2200-3000mah,最大3500mah,超过3500均为虚标;航模锂电则有多种规格,最常见、性价比最高的是2200mah的。对于电池组,串联的电池组容量即单节电芯的容量(航模锂电也是这样标注的),并联则单节电芯容量×p数。

放电能力有两种标注方法,一种是直接标注允许电流(多用于18650),一种是c数,c数可以用于计算允许电流,公式为I=电池容量×c数。需要注意的是,此处单位并不统一,电池容量的单位是mah,但此处是将其作为ma使用的。比如2200mah、20c的航模锂电,允许电流为2200ma×20c=44000ma,即44安培。对于串联的电池组,放电能力即单电芯放电能力,并联×p数。

优缺点比较

说了这么多,肯定有同学想知道,到底选哪个呢?

性能以及使用方便程度上,航模锂电对18650几乎是全面碾压的,特别是极强的放电能力,即使是高端的动力型18650也无法望其项背。

当然,航模锂电的价格也是明显高过18650的。高端的18650大约30RMB一枚,3000mah;中高端的格式ACE系列航模锂电,3s 2200mah的型号100RMB起步,同样的规格即使二三线品牌也要75RMB以上。而低端的、允许电流2-3A(实际5A也不会有太大问题,只是会发热以及缩短寿命)的18650价格不到十元一枚,容量有3200mah的。不仅如此,入门级的18650充电器也比航模锂电的平衡充要便宜很多。

到底选哪个?

这个问题,其实不是二选一,而是四选一:低端/中高端的18650/航模锂电。
首先,除非是一些对功率要求极小的项目,低端18650是不在考虑范围内的。低端18650内阻大,电流稍大就会导致输出电压明显降低。这事可大可小,但对于新手来说,无疑增大了排查故障的风险,所以不建议采用。

高端航模锂电也不建议。高端航模锂电内阻小、电芯一致性高、寿命长、放电能力强,这是实打实的优点,但属于性能过剩了,价格也太过高昂。

剩下就是低端航模锂电和中高端18650了。这其中其实还有细分。18650有允许电流5A左右、内阻50mΩ、价格15RMB左右的国产中端产品,基本可以在3s1p或4s1p下满足如搬运工程、足式机器人等对动力没有较高要求的项目;在某些对动力有一定要求的项目里,只要设计不是高度特化或者离谱,也是堪用的,如1:10无人车的大多数参赛机器人。

而对动力特性有要求,或者机身较重的项目,则建议高端18650或者低端航模锂电。世界上做18650最好的是日本的索尼(同时索尼也是18650这个规格的开创者),我国也有进口,性能属于尖端水平,价格也完全没有虚高,在17-30元的范围内。支持国产的话,建议耐杰和耐时之类的大品牌,有权威的第三方(充电头网)测评。另外最好避开神火电池,因为我在充电头网上居然搜不到任何一条和神火电池相关的信息……神火电池的风评也不是很好。

附上充电头网的link,大家可以搜着看看:http://www.chongdiantou.com/

至于航模锂电,我只用过格式ACE和某小品牌的。航模锂电比18650更容易过放损坏,一次就报废,一次100,而我买某小品牌电池就是因为原来的格式ACE被过放坏掉了……虽然是小品牌,但放电能力依然是过剩的,使用起来也比18650方便。容量上建议2200mah,产量大,性价比比较高,再大了太贵再低了用起来不方便。当然,虽然我建议用“低端”航模锂电,但也不能太低端,低到对18650都有了价格优势就不对头了。我在这方面不算很了解,给大家一个链接多做了解吧:https://tieba.baidu.com/p/5708272056?red_tag=1589740372

当然,18650也并非一无是处。高端18650虽然放电能力不如航模锂电,但同容量下的重量要轻30%~40%。电池算是机器人上面一个比较重的部件,对机器人的动力特性还是有不小的影响的。

总而言之,对放电能力要求比较小的,以及对成本敏感的,上18650;如果想要用起来更方便,性能更好,就上航模锂电。

当然,电池/电池组的s数另一个值得注意的东西。基本上,要求电池的电压和机器人上电压要求最高的用电器保持一致即可,如最高的是一台12V的直流电机,那我们用3s就可以了。详细的内容,将在供电系统篇中讲解。

采购

无论如何,我都建议大家买东西看店铺。店铺的一般选择顺序如下:
品牌旗舰店/工厂店/直销店→销量高、成立时间长的专业代理商→销量高、成立时间长的同类产品专营店→杂货店/不知道是啥的店。当然,在都靠谱的情况下,选便宜的,毕竟软妹币不是大风刮来的。

Tips:想买索尼电池的话直接放弃前两个,因为索尼真的不零售18650,市面上流出的都属于OEM品。

买的时候,一般要购置2-3套电源,备用,也作损坏时的替代。

作者:南京航空航天大学,周子阳
本文未获得作者授权,不得转载


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DFS1w2cb8o8  中级技师

发表于 2020-9-26 13:32:22

好详细啊
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