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Portuguese Batería intercambiable para robots cuadrúpedos: cómo los sistemas de intercambio en caliente amplían el tiempo de actividad del robot
Tabla de contenido
- Batería intercambiable para robots cuadrúpedos: cómo los sistemas de intercambio en caliente amplían el tiempo de actividad del robot
- Cómo funciona un sistema de batería intercambiable de robot cuadrúpedo
- Por qué las baterías intercambiables en caliente aumentan el tiempo de actividad del robot cuadrúpedo
- Requisitos eléctricos para una operación confiable de intercambio en caliente
- Diseño de una batería intercambiable de robot cuadrúpedo para uso en campo
- Cómo deben especificar los OEM los paquetes de baterías para robots de intercambio en caliente
- Obtenga más información sobre la batería
A Batería intercambiable para robot cuadrúpedo. El sistema está diseñado para reducir el tiempo que un robot pasa esperando energía. En lugar de apagarse para una recarga completa, un sistema de intercambio en caliente diseñado adecuadamente mantiene el robot encendido mientras se reemplaza una batería agotada por una batería cargada. Para robots de inspección, seguridad, industriales y otros robots de campo, esto convierte el diseño de la batería de una simple cuestión de tiempo de ejecución en una estrategia de tiempo de actividad.
La batería en sí es sólo una parte del sistema. El intercambio en caliente confiable también depende de rutas de alimentación redundantes, capacidad de corriente, coordinación BMS, conectores, retención mecánica, límites térmicos y un flujo de trabajo práctico con batería de repuesto. La robótica comercial ya demuestra el valor de este enfoque: DEEP Robotics utiliza una arquitectura de doble batería intercambiable en caliente en sus plataformas cuadrúpedas, mientras que Boston Dynamics admite el intercambio de baterías en caliente como una forma de mantener Spot en funcionamiento continuo.
Cómo funciona un sistema de batería intercambiable de robot cuadrúpedo
A Batería intercambiable para robot cuadrúpedo. El sistema separa el reemplazo de la batería del apagado completo del robot. En una arquitectura de paquete dual, un paquete puede mantener el bus de alimentación de CC mientras el otro se desconecta y reemplaza. Luego, el sistema de control verifica la batería entrante antes de permitirle compartir o asumir la carga.
El intercambio de baterías autónomo y intercambiable en caliente son conceptos relacionados pero diferentes. El intercambio en caliente se refiere al mantenimiento de la energía eléctrica durante el reemplazo de la batería. El intercambio autónomo agrega la capacidad mecánica y de software para que el robot o una estación de intercambio realice ese reemplazo sin un técnico.
Arquitectura del paquete de baterías extraíbles
El punto de partida es un paquete de baterías modular que se puede instalar y quitar sin abrir el chasis del robot. Las dimensiones de la batería, los puntos de montaje, los contactos de alimentación, los contactos de comunicación, las guías, las manijas y las funciones de bloqueo deben funcionar como una interfaz mecánica.
Para un robot cuadrúpedo, esta interfaz debe diseñarse teniendo en cuenta el uso repetido en el campo en lugar de un mantenimiento ocasional. La batería debe ubicarse constantemente en su compartimento para que los contactos de alimentación y comunicación lleguen a la posición deseada en todo momento.
Una arquitectura removible práctica normalmente coordina:
- voltaje de la batería y capacidad energética;
- dimensiones y masa del paquete;
- conectores de alimentación y comunicación;
- guías mecánicas y enclavamiento;
- mecanismos positivos de bloqueo y liberación;
- Interfaces de datos y protección BMS;
- requisitos de sellado ambiental.
La modularidad también simplifica el reemplazo de la batería y el mantenimiento futuro de la plataforma porque el robot puede usar una interfaz de batería definida en lugar de tratar el paquete como un componente interno permanente.
Continuidad de energía de intercambio en caliente
Durante un verdadero intercambio en caliente, el bus de alimentación principal del robot no debe colapsar cuando se retira una batería. Un diseño de batería dual puede lograr esto dejando un paquete conectado mientras se cambia el otro.
Esto no significa necesariamente que el robot continúe caminando durante el cambio físico de la batería. La importante distinción de ingeniería es que la computadora, los controladores, los sensores y otros sistemas necesarios no tienen que pasar por un ciclo completo de apagado y reinicio. Que la locomoción continúe durante el intercambio depende de la arquitectura mecánica y la estrategia de control del robot.
La continuidad de la energía requiere más que colocar dos baterías en paralelo. El sistema debe gestionar las diferencias en el voltaje de la batería, el tiempo de conexión, las condiciones de falla y la corriente disponible antes de transferir o compartir la carga.
Redundancia de energía de batería dual
Una arquitectura de batería dual crea dos fuentes de energía disponibles dentro del robot. Cuando está diseñada para intercambio en caliente, una batería puede permanecer activa mientras se retira la segunda.
DEEP Robotics proporciona un ejemplo cuadrúpedo comercial. Su plataforma LYNX utiliza baterías duales de intercambio rápido e identifica el sistema como intercambiable en caliente, lo que demuestra cómo la arquitectura de batería redundante se puede integrar en un cuadrúpedo de campo.
La redundancia puede soportar tres funciones importantes:
- Continuidad de energía: un paquete mantiene el sistema energizado durante el reemplazo.
- Gestión de carga: el sistema de control puede coordinar cómo las baterías disponibles suministran al robot.
- Respuesta de fallo: un paquete que informa una condición insegura puede aislarse si el sistema está diseñado para soportar esa respuesta.
La arquitectura final aún debe dimensionarse para que la batería restante pueda soportar la carga requerida del robot mientras su paquete complementario no esté disponible.
Pestillos y conectores de batería
Una batería intercambiable se puede conectar y desconectar muchas más veces que una batería interna convencional. Por lo tanto, la retención mecánica y el diseño del conector pasan a formar parte de la estrategia de confiabilidad eléctrica.
La interfaz de la batería debe evitar movimientos que puedan interrumpir la energía mientras el robot camina, gira, trepa o se encuentra con terreno irregular. Las guías ayudan a posicionar el paquete, mientras que un mecanismo de bloqueo positivo lo mantiene asentado después de la instalación.
La selección del conector debe considerar más que la clasificación de corriente nominal. Los ingenieros también necesitan evaluar:
- capacidad de corriente máxima;
- resistencia de contacto;
- aumento de temperatura;
- ciclos de apareamiento repetidos;
- exposición a la contaminación;
- alineación mecánica;
- vibración en la interfaz de la batería;
- Secuenciación de contactos de potencia y comunicación.
Un conector que funciona en un banco estacionario puede no seguir siendo confiable después de repetidos intercambios en un entorno de robot móvil.
Apretón de manos de BMS antes de la transferencia de carga
En una arquitectura inteligente de intercambio en caliente, conectar físicamente la batería no debería significar automáticamente aplicar la carga completa.
El controlador del robot y el BMS pueden primero intercambiar la información necesaria para determinar si el paquete entrante está listo. Dependiendo de la arquitectura del sistema, esa información puede incluir voltaje de la batería, temperatura, estado de carga, límites de corriente y estado de falla activa.
Una secuencia de control típica es:
- Detecta la batería insertada.
- Establecer comunicación.
- Verifique el estado y la compatibilidad de la batería.
- Prepare el camino eléctrico para la conexión.
- Habilite la salida de la batería.
- Confirmar funcionamiento estable.
- Comience a compartir o transferir la carga.
El protocolo y los mensajes exactos son específicos del OEM. El objetivo de ingeniería es consistente: una batería no debe ingresar a la ruta de energía activa hasta que el sistema haya establecido que su estado operativo es aceptable.
Por qué las baterías intercambiables en caliente aumentan el tiempo de actividad del robot cuadrúpedo
El tiempo de ejecución mide cuánto tiempo puede funcionar un robot con energía almacenada. El tiempo de actividad mide qué parte de la ventana operativa el robot está realmente disponible para trabajar.
Esa distinción importa. Aumentar la capacidad de la batería puede extender una misión, pero una estrategia de intercambio en caliente también aborda el tiempo entre misiones.
Tiempo de inactividad de carga versus tiempo de intercambio
Un flujo de trabajo de carga convencional vincula el robot al período de recarga de su batería. Un sistema intercambiable separa esas dos actividades: el robot recibe una batería cargada mientras el paquete agotado se carga fuera del robot.
Boston Dynamics ilustra por qué es importante la distinción. Las especificaciones publicadas actualmente por Spot identifican una batería de 564 Wh, aproximadamente 90 minutos de tiempo de ejecución promedio y un tiempo de recarga de 60 minutos. Boston Dynamics también describe el intercambio de baterías en caliente como una forma de respaldar el funcionamiento continuo. El tiempo de ejecución real varía según la carga útil y las condiciones de funcionamiento.
Por lo tanto, para un OEM, la comparación relevante no es simplemente:
Tiempo de ejecución de la batería A versus tiempo de ejecución de la batería B
Es:
tiempo de funcionamiento productivo + tiempo de intercambio + tiempo de recarga + disponibilidad de batería de repuesto
Un sistema con una rotación de la batería bien planificada puede mantener la carga fuera de la ruta operativa crítica del robot.
Operación continua de múltiples turnos
El intercambio en caliente se vuelve particularmente valioso cuando se espera que un cuadrúpedo trabaje en varios turnos.
Las aplicaciones potenciales incluyen:
- inspección industrial;
- patrulla de seguridad;
- monitoreo de infraestructura;
- reconocimiento de zonas peligrosas;
- inspección remota de instalaciones;
- Rondas autónomas programadas.
En estos flujos de trabajo, una parada de carga puede interrumpir un robot que de otro modo estaría disponible. Una estrategia de rotación de la batería permite que los paquetes agotados se recarguen mientras el robot trabaja desde otro paquete.
Para implementaciones las 24 horas del día, el cargador, la cantidad de baterías, el tiempo de carga, la temperatura de la batería, la duración de la misión y la capacidad de reserva deben planificarse en conjunto. El intercambio en caliente mejora la disponibilidad sólo cuando el flujo de trabajo de energía de soporte puede reponer los paquetes tan rápido como los consume la flota.
Estrategia de rotación de baterías de repuesto
Una rotación útil de la batería generalmente tiene tres estados:
| Estado de la batería | Rol operativo |
|---|---|
| en servicio | Alimentando el robot |
| Cargando | Recuperando energía para el próximo ciclo |
| Reserva lista | Totalmente preparado para el próximo intercambio. |
Para flotas de alta utilización, se puede incorporar un estado de inspección o enfriamiento adicional cuando lo requieran los límites de la celda, el paquete o la aplicación.
El requisito del paquete de repuesto debe determinarse a partir del tiempo de funcionamiento medido en el campo y no únicamente de la capacidad nominal. Los fabricantes de equipos originales de robots deben comparar el tiempo de ejecución efectivo con el tiempo de carga y luego incluir la reserva operativa para variables como la carga de la misión, la temperatura, las colas de carga y el envejecimiento.
Esto evita una situación en la que un robot admite el intercambio eléctrico en caliente pero aún así tiene que detenerse porque no hay batería cargada disponible.
Utilización de la batería a nivel de flota
A escala de flota, las baterías se convierten en activos operativos compartidos en lugar de accesorios asignados permanentemente a robots individuales.
El software de administración de batería puede rastrear información como:
- identificación de la manada;
- estado de carga;
- temperatura;
- estado de falla;
- estado de carga;
- historial operativo acumulado;
- disponibilidad para la próxima misión.
Esto hace posible enviar una batería lista según la necesidad operativa en lugar de simplemente elegir el paquete que esté físicamente más cerca.
Una flota bien gestionada también puede evitar que un grupo de baterías reciba un uso sustancialmente mayor que el resto del conjunto de baterías. El objetivo es una disponibilidad predecible en robots, cargadores y paquetes de repuesto.
Planificación de la recuperación de la misión sobre el terreno
Un cuadrúpedo que opera lejos de su lugar de carga necesita suficiente energía no solo para realizar la tarea asignada sino también para llegar a un punto de intercambio o recuperación seguro.
Por tanto, la estrategia de bajo consumo energético debería reflejar la misión real. El terreno, la carga útil, la velocidad al caminar, las pendientes, las cargas de los sensores, las cargas informáticas y las condiciones ambientales pueden cambiar la energía necesaria para regresar.
En lugar de esperar a que una batería alcance su estado de carga más bajo permitido, el robot puede utilizar un umbral de reserva de misión que deja suficiente energía para el retorno o la recuperación.
Para el trabajo remoto, el plan de batería debe responder cuatro preguntas antes de la implementación:
- ¿Dónde se puede reemplazar una batería?
- ¿Cuánta energía se requiere para llegar a ese punto?
- ¿Cuántos paquetes cargados hay disponibles?
- ¿Qué sucede si una batería informa una falla antes del cambio planificado?
Esto hace que el cambio de baterías pase de ser una acción de mantenimiento a una planificación de la misión.
Requisitos eléctricos para una operación confiable de intercambio en caliente
Un paquete intercambiable en caliente debe satisfacer tanto los requisitos de energía como los de potencia de un robot cuadrúpedo.
La energía, normalmente expresada en vatios-hora, influye en el tiempo que puede funcionar el robot. La capacidad de potencia y corriente determina si la batería puede soportar demandas rápidas del actuador sin caídas excesivas de voltaje, calor o disparos de protección.
Corriente máxima y caída de voltaje
Los robots cuadrúpedos crean cargas eléctricas dinámicas. Caminar de manera constante, acelerar, recuperar el equilibrio, trepar y realizar movimientos rápidos no exigen la misma batería.
A medida que aumenta la corriente, el voltaje en el bus de alimentación del robot puede caer. Una caída excesiva de voltaje puede reducir la potencia disponible del actuador o hacer que el BMS o los componentes electrónicos posteriores alcancen sus umbrales de protección.
Por lo tanto, el tamaño del paquete debe considerar:
- corriente promedio de la misión;
- corriente continua de alta carga;
- corriente máxima de corta duración;
- capacidad de descarga celular;
- configuración de celdas paralelas;
- Límites actuales de BMS;
- resistencia del cableado y del conector;
- rango de voltaje permitido del sistema.
Una batería seleccionada sólo entre el promedio de vatios-hora puede tener suficiente energía para la misión y aún así no coincidir con el perfil de potencia máxima del robot.
La mejor especificación proviene de los rastros de potencia del robot registrados en condiciones operativas representativas.
Control de precarga y irrupción
Es posible que dos baterías intercambiables en caliente no tengan exactamente el mismo voltaje cuando se inserta un paquete cargado. La conexión directa de nodos eléctricos con una diferencia de voltaje significativa puede producir una corriente transitoria elevada.
Por lo tanto, la ruta de alimentación debería controlar cómo se une la nueva batería al bus de CC. Dependiendo de la arquitectura, esto puede implicar conmutación controlada, circuitos de precarga, aislamiento basado en FET u otra gestión de la ruta de energía.
El objetivo es llevar el paquete entrante al sistema sin crear un aumento de corriente incontrolado en el conector, los componentes de conmutación o el circuito de protección de la batería.
El comportamiento de precarga debe validarse en todo el rango de voltaje y condiciones de operación permitidos para el paquete, no solo cuando ambas baterías están cerca del mismo estado de carga.
Comunicación BMS y enclavamientos
El BMS protege la batería a nivel del paquete, mientras que el controlador del robot gestiona el sistema más amplio. Un diseño confiable de intercambio en caliente coordina ambos.
El sistema de control puede utilizar datos de la batería para determinar si se debe conectar, aislar, cargar o continuar operando un paquete. Las señales importantes pueden incluir:
- voltaje del paquete;
- actual;
- temperatura de la celda o del paquete;
- estado de carga;
- banderas de falla;
- Permiso de carga y descarga.
La comunicación debe complementar, no reemplazar, la protección eléctrica. Las protecciones contra sobrecorriente, cortocircuito, sobretensión, subtensión y temperatura aún necesitan hardware y lógica de control adecuados.
Para las baterías de litio industriales, IEC 62619:2022 especifica requisitos y pruebas de seguridad para celdas y baterías de litio secundarias utilizadas en aplicaciones industriales e incluye explícitamente aplicaciones motrices como vehículos guiados automatizados entre sus ejemplos. La aplicabilidad final aún depende del robot completo y de sus requisitos de uso final.
Sincronización de datos del estado de carga
El cambio de batería cambia la energía disponible del robot casi instantáneamente. Por lo tanto, el software debe reconocer el nuevo paquete y actualizar correctamente su estimación de energía.
Esto es especialmente importante en un sistema de batería dual donde los dos paquetes pueden entrar en servicio con diferentes estados de carga.
El robot debe distinguir entre:
- el estado de carga de cada paquete individual;
- energía total disponible para el robot;
- qué paquete lleva carga actualmente;
- si un paquete está disponible, aislado o en proceso de eliminación.
Simplemente reemplazar un porcentaje de batería mostrado por otro puede dar una imagen incompleta de un sistema de paquetes múltiples.
Para misiones autónomas, los datos actualizados de la batería deben alimentarse directamente en la planificación de la misión para que el robot pueda determinar si tiene suficiente energía para continuar, regresar o programar otro intercambio.
Límites térmicos durante los intercambios
Una mochila recién cargada, una mochila que regresa de una misión con mucha carga y una mochila almacenada al aire libre pueden comenzar a funcionar a diferentes temperaturas.
La temperatura de la batería afecta la aceptación de la carga, la capacidad de descarga, la resistencia interna y el comportamiento de protección. Por lo tanto, la lógica de intercambio en caliente debería tratar la temperatura como un límite operativo en lugar de simplemente un valor mostrado en el diagnóstico.
Un sistema robusto puede:
- controlar la temperatura del paquete antes de la conexión;
- impedir el funcionamiento fuera de los límites especificados;
- reducir la potencia permitida cuando sea necesario;
- retrasar la carga hasta que la batería entre en su rango de carga permitido;
- informar un comportamiento térmico anormal al controlador de la flota.
Los límites exactos deben provenir de las celdas seleccionadas, el diseño de la batería y la configuración BMS validada en lugar de un valor de temperatura genérico.
Aislamiento de fallas entre paquetes
Las baterías duales sólo proporcionan una redundancia útil si se puede evitar que una batería comprometa a la otra.
El sistema debe poder aislar un paquete que informe condiciones como una falla interna, voltaje inseguro, corriente excesiva o una condición de temperatura fuera de rango.
Se pueden utilizar rutas de alimentación controladas por FET, contactores, dispositivos de aislamiento y lógica de protección diseñada adecuadamente según los requisitos de voltaje, corriente, embalaje y seguridad.
La cuestión clave del diseño es simple:
Si una batería deja de estar disponible, ¿pueden la batería en buen estado y el bus de alimentación del robot permanecer en un estado controlado?
Responder a esa pregunta requiere probar tanto los swaps normales como las condiciones anormales.
Diseño de una batería intercambiable de robot cuadrúpedo para uso en campo
A Batería intercambiable para robot cuadrúpedo. debe funcionar como componente estructural y como fuente de energía. Los robots con patas exponen la mochila a movimientos repetidos, vibraciones, impactos, contaminantes exteriores y cambios rápidos de carga.
Por lo tanto, un diseño listo para el campo debe evaluarse como un módulo de batería completo en lugar de celdas más un BMS.
Densidad de energía y peso del paquete
Cada libra transportada por un cuadrúpedo influye en la masa total del sistema que deben mover sus actuadores. El peso de la batería también compite con los sensores, el hardware informático, el equipo de comunicaciones y la carga útil de la misión por la asignación de espacio y masa.
Por tanto, el diseño de la batería debe equilibrar:
- vatios-hora utilizables;
- capacidad de potencia máxima;
- masa del paquete;
- química celular;
- masa del recinto;
- protección estructural;
- diseño térmico;
- vida útil requerida.
La densidad de energía celular teórica más alta no crea automáticamente la mejor batería de robot. Los componentes a nivel de paquete, como el BMS, las barras colectoras, el gabinete, los conectores, el acolchado, los sellos y el hardware de retención, contribuyen al peso y volumen finales.
Para el desarrollo OEM, compare el rendimiento completo a nivel de paquete en lugar de las especificaciones de la celda únicamente.
Golpes, vibraciones y retención de paquetes
Un cuadrúpedo crea una carga mecánica que difiere de una aplicación de batería estacionaria. Caminar sobre superficies irregulares, escalar obstáculos, movimientos bruscos de estabilización y transporte pueden cargar repetidamente la mochila y su sistema de montaje.
La validación mecánica debe considerar:
- movimiento del paquete dentro del compartimento de la batería;
- retención del conector;
- apoyo celular;
- integridad de barras y soldaduras;
- alivio de tensión del cableado;
- sujetadores de gabinetes;
- durabilidad del pestillo.
ONU 38.3 incluye pruebas de diseño de baterías de litio asociadas con el transporte, pero no debe tratarse como un sustituto de la validación de la durabilidad en el campo de una aplicación específica. El Manual de la ONU es fundamentalmente un marco para el transporte de mercancías peligrosas, mientras que el OEM del robot debe definir las condiciones mecánicas creadas por la plataforma real.
Por lo tanto, las pruebas deben reproducir el perfil operativo esperado del robot lo más fielmente posible.
Protección contra el polvo y el agua
Los robots industriales y de exterior pueden encontrarse con polvo, agua, barro, condensación y procesos de limpieza. El gabinete de la batería y el compartimiento de la batería necesitan una protección adecuada al entorno previsto.
IEC 60529 define el código IP utilizado para clasificar la protección del gabinete contra la entrada de objetos sólidos y agua. En lugar de asignar un requisito de IP genérico a cada batería cuadrúpeda, los OEM deben seleccionar el nivel que coincida con el entorno de implementación.
La interfaz completa es importante. La protección puede verse comprometida si el gabinete está sellado pero el área del conector extraíble está expuesta.
Por lo tanto, el diseño ambiental debe considerar:
- juntas de carcasas de baterías;
- interfaces de conectores;
- aberturas para pestillos;
- contactos de comunicación;
- superficies de sellado;
- caminos de drenaje o contaminación alrededor del compartimiento de la batería.
El diseño también debe seguir siendo repetible después de muchos cambios de batería.
Rendimiento de descarga en climas fríos
El funcionamiento a baja temperatura cambia el comportamiento de la batería, por lo que un paquete que funciona bien en interiores puede no proporcionar la misma energía utilizable y potencia en exteriores.
Para un robot de campo, la validación de la temperatura debe incluir el perfil actual esperado de la batería en lugar de solo una prueba de capacidad de baja corriente.
El OEM debería definir:
- temperatura mínima de misión;
- corriente máxima requerida a esa temperatura;
- energía mínima utilizable;
- Límites de temperatura de BMS;
- condiciones de carga;
- cualquier estrategia de acondicionamiento térmico requerida.
Luego, el sistema de gestión de la batería puede utilizar la información de temperatura para evitar el funcionamiento fuera de los límites validados y coordinar cualquier reducción de potencia necesaria.
Esto es especialmente importante para los robots que deben comenzar una misión después de haber sido almacenados en un entorno no acondicionado.
Vida útil del ciclo de acoplamiento del conector
Un conector de batería interna convencional puede experimentar relativamente pocos ciclos de acoplamiento durante la vida útil del producto. Un paquete intercambiable puede sufrir inserción y extracción repetidas como parte del funcionamiento normal.
Por lo tanto, la durabilidad del conector debe coincidir con el número esperado de cambios de batería durante la vida útil del robot.
Los ingenieros deben monitorear:
- desgaste de contacto;
- fuerza de inserción;
- resistencia de contacto;
- temperatura del conector;
- rendimiento del contacto del resorte cuando corresponda;
- contaminación;
- daños a la vivienda;
- alineación después de un uso repetido.
Un conector puede seguir funcionando mecánicamente mientras aumenta su resistencia eléctrica. Para la robótica de alta corriente, ese aumento puede generar una caída de voltaje y calor adicionales, lo que hace que la inspección eléctrica forme parte de la validación de la interfaz a largo plazo.
Gabinetes de paquetes de baterías reparables
Un sistema intercambiable debería facilitar el reemplazo del módulo de batería sin necesidad de que los técnicos de campo abran el gabinete de la celda.
Esto respalda un modelo de servicio más limpio: el robot puede volver a funcionar con otro paquete mientras la batería extraída se inspecciona o se le da servicio por separado.
Las características útiles del gabinete pueden incluir:
- clara orientación de inserción;
- contactos protegidos;
- superficies robustas de elevación o manipulación;
- indicación de bloqueo positivo;
- interfaces con clave;
- etiquetas de identificación accesibles;
- diagnóstico de servicio a través del BMS.
La capacidad de servicio no debe debilitar la protección estructural. El objetivo es un reemplazo rápido a nivel del sistema combinado con un mantenimiento controlado del nivel de la batería.
Cómo deben especificar los OEM los paquetes de baterías para robots de intercambio en caliente
Un programa exitoso de intercambio en caliente comienza con los requisitos de la misión del robot, no con la capacidad de la batería del catálogo.
El OEM debe proporcionar al fabricante de baterías una especificación eléctrica, mecánica, ambiental, de comunicación y regulatoria lo suficientemente detallada como para diseñar y validar el paquete completo.
Definir el perfil de poder de la misión
Comience midiendo el robot.
Registre el voltaje y la corriente de la batería mientras el cuadrúpedo realiza los movimientos que encontrará en servicio, incluidas combinaciones representativas de locomoción, carga útil, sensores y computación a bordo.
A useful power profile separates:
- carga inactiva;
- carga normal para caminar;
- operación sostenida de alta carga;
- picos cortos del actuador;
- consumo de sensores y computación;
- alimentación de accesorios o carga útil.
A partir de ese rastro, los ingenieros pueden determinar tanto la demanda de energía como la demanda actual.
La relación energética básica es:
Energía de la batería (Wh) = voltaje nominal (V) × capacidad (Ah)
Pero los vatios-hora nominales no deben considerarse como tiempo de funcionamiento garantizado en el campo. La duración real de la misión depende de la carga operativa, la ventana utilizable de la batería, la temperatura, el terreno, la carga útil, las pérdidas eléctricas y los límites de protección.
Establecer tiempo de ejecución e intercambiar objetivos
A continuación, defina los requisitos de tiempo de actividad en términos operativos.
En lugar de especificar sólo “dos horas de duración de la batería”, un OEM puede definir:
- tiempo mínimo de ejecución efectiva de la misión;
- interrupción máxima aceptable del cambio de batería;
- número de turnos operativos;
- objetivo de cambio de carga;
- recuento de cargadores disponibles;
- reserva de batería requerida;
- Número máximo de swaps esperados por día.
Estas entradas determinan el conjunto de baterías y el paquete individual.
Por ejemplo, un robot puede tener suficiente energía para una misión pero aún necesita varios paquetes para soportar el funcionamiento continuo mientras se recargan las baterías agotadas. Por lo tanto, el objetivo a nivel de sistema es disponibilidad, no simplemente la capacidad máxima del paquete.
Haga coincidir los límites de voltaje y corriente
La electrónica de potencia de la batería y del robot debe funcionar dentro de la misma ventana eléctrica.
La especificación de la batería debe definir claramente:
| Parámetro | Por qué es importante |
|---|---|
| Tensión nominal | Establece la arquitectura básica de potencia del robot. |
| Voltaje máximo del paquete | Debe seguir siendo compatible con la electrónica posterior. |
| Tensión mínima de funcionamiento | Define la ventana de descarga utilizable. |
| Corriente continua | Admite el funcionamiento sostenido del robot |
| Corriente máxima | Soporta cargas dinámicas del actuador |
| Límites de protección de BMS | Determina cuándo el paquete se desconecta o reduce la potencia. |
| Corriente de carga | Influye en el diseño del sistema de carga. |
| Interfaz de comunicación | Permite el estado de la batería y el intercambio de control. |
Los requisitos de corriente máxima deberían provenir de cargas robóticas medidas con un margen de ingeniería adecuado y no del consumo de energía promedio.
Para el intercambio en caliente, la especificación también debe definir la diferencia de voltaje permitida y la secuencia controlada utilizada cuando se conecta otro paquete al bus de alimentación.
Estandarizar las interfaces de baterías mecánicas
La intercambiabilidad de las baterías depende de la estandarización mecánica.
El OEM debe proporcionar dibujos controlados que definan:
- dimensiones máximas de la batería;
- límites de masa;
- dirección de inserción;
- superficies de montaje;
- ubicación del conector;
- tolerancias;
- geometría del pestillo;
- codificación;
- autorización de remoción;
- Secuencia de contactos eléctricos cuando corresponda.
Esto resulta especialmente importante si la misma familia de baterías servirá para varias configuraciones de robot.
Una interfaz consistente puede reducir el trabajo de integración en toda la flota y simplificar los racks de carga, las estaciones de intercambio, el almacenamiento de baterías de repuesto y las herramientas de mantenimiento.
Validar el cumplimiento de la seguridad y el transporte
El cumplimiento de las baterías debe adaptarse a la aplicación y al mercado previstos en lugar de tratarse como una lista de verificación de certificación genérica.
Para baterías de litio secundarias industriales, IEC 62619:2022 proporciona requisitos y pruebas de seguridad para aplicaciones industriales. Debido a que un robot cuadrúpedo tiene su propia arquitectura mecánica y eléctrica, el OEM también debe evaluar cualquier estándar a nivel de sistema aplicable a la máquina final.
Los objetivos de protección de ingreso se pueden especificar utilizando IEC 60529 cuando se requiere sellado ambiental.
El transporte es un requisito aparte. Para los envíos a EE. UU., la Administración de Seguridad de Materiales Peligrosos y Oleoductos establece que las celdas y baterías de litio ofrecidas para el transporte deben haber pasado las pruebas de diseño aplicables en el Manual de Pruebas y Criterios de la ONU, Subsección 38.3. Los fabricantes y distribuidores posteriores también deben poner a disposición el resumen de pruebas de baterías de litio prescrito.
Por lo tanto, para un programa de baterías OEM, la planificación de la calificación debe distinguir entre:
- requisitos de seguridad de celdas y baterías;
- calificación de transporte;
- protección ambiental;
- validación eléctrica específica del robot;
- pruebas mecánicas y de misión específicas de robots.
Pasar una categoría no valida automáticamente las demás.
Personalización OEM de batería MANLY
En Batería MANLY, abordamos el desarrollo de baterías de robots en función de los requisitos del robot en lugar de asumir que un paquete estándar se adapta a cada plataforma.
Nuestras capacidades de batería de robot incluyen la personalización del voltaje, la capacidad, las dimensiones, la corriente de carga y descarga de BMS, los conectores, la carcasa y el cableado de la batería. Las configuraciones de batería de robot seleccionadas también admiten interfaces de comunicación como CAN Bus, RS485 y RS232.
Para un proyecto de intercambio en caliente cuadrúpedo, un OEM puede definir las entradas de ingeniería clave antes del desarrollo del paquete:
- voltaje operativo y máximo;
- vatios-hora requeridos;
- corriente continua y máxima;
- dimensiones y peso máximos del paquete;
- geometría del compartimento de la batería;
- conector de alimentación;
- protocolo de comunicación;
- Umbrales de protección BMS;
- requisitos ambientales;
- método de carga;
- frecuencia de intercambio esperada;
- requisitos reglamentarios y de transporte.
MANLY Battery ya produce configuraciones de baterías de robots en las categorías de 24 V, 36 V y 48 V y admite el desarrollo de baterías de robots personalizadas.
Sin embargo, para una batería intercambiable de robot cuadrúpedo, el diseño final debe diseñarse en torno a la traza de energía del robot específico, el compartimiento de la batería mecánica, la secuencia de intercambio en caliente, la arquitectura de comunicación y el entorno de campo. El voltaje y la capacidad del catálogo son solo el punto de partida.
El sistema de intercambio en caliente más potente es aquel en el que la batería, el controlador del robot, la interfaz mecánica, el flujo de trabajo de carga y la estrategia de paquete de repuesto están diseñados como un único sistema de energía. Eso es lo que convierte una batería extraíble en una herramienta práctica para ampliar el tiempo de actividad del robot cuadrúpedo.
