无形能量源：解码神秘能量的奥秘

1.能量源的功能

自然界中各种各样的蛇都需要通过捕食猎物来补充能量，同样仿蛇机器人也因运动而需要补充能量。真实情况中的仿蛇机器人与科幻作品中的仿蛇机器人是根本不同的。科幻作品中的仿蛇机器人其动力似乎取之不尽用之不竭，它们采用的是核动力或太阳能电池，充满电后，可以长时间使用才会消耗殆尽。受制于核技术的现实水准，人们目前还无法为机器人配备合适的核动力系统；各种太阳能电池目前也无法为机器人提供足够的动力。因此，目前大部分机器人都是由电池供电的。

电源系统是机器人必不可少的组成部分。没有电源的驱动，设计再精巧、功能再复杂、性能再优异的机器人也会进退维谷、无法动弹。由于仿蛇机器人要求能够机动灵活地运动，特别是要求在狭小空间内也能够穿梭往来，采用拖缆方式进行有线供电显然是不行的，因此必须通过使用电池进行无拖缆供电。还要看到的是，仿蛇机器人体积小、重量轻、动力不够充沛、负载不够强大，因此在满足续航时间要求前提下，还要使电源系统尽可能实现轻量化、小型化、节能化，以便尽可能多地为仿蛇机器人提供动力。

图3-27　手机使用的锂离子电池

2.电池的种类

（1）锂离子电池。

锂离子电池是一种可充电电池（见图3-27）。与其他类型电池相比，锂离子电池有非常低的自放电率、低维护性和相对较短的充电时间，还有重量轻、容量大、无记忆效应、不含有毒物质等优点。常见的锂离子电池主要是锂-亚硫酸氯电池。这种电池长处很多，例如单元标称电压为3.6～3.7 V，在常温中以等电流密度放电时，其放电曲线极为平坦，整个放电过程中电压十分平稳，这对众多用电产品来说是极为宝贵的。另外，在-40℃的情况下，锂离子电池的电容量还可以维持在常温容量的50%左右，具有极为优良的低温操作性能，远超镍氢电池。加上其年自放电率为2%左右，一次充电后贮存寿命可长达10年，并且充放电次数可达500次以上，这使得锂离子电池获得人们的青睐。尽管锂离子电池的价格相对来说比较昂贵，但与镍氢电池相比，锂离子电池的重量较镍氢电池轻30%～40%，能量比却高出60%[105]。正因为如此，锂离子电池生产量和销售量都已超过镍氢电池，目前已在数码娱乐产品、通信产品、航模产品等领域拥有了广阔的“用武之地”。

锂离子电池以碳素材料作负极，以含锂化合物作正极。由于在电池中没有金属锂存在，只有锂离子存在，故称之为锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）[106]。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，所以被人们形象地称之为“摇椅电池”。

当对锂离子电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极[107]。而作为负极的碳素材料呈层状结构，内部有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中。嵌入的锂离子越多，充电容量就越高。同样，当对电池进行放电时（即人们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回到正极的锂离子越多，放电容量就越高。

一般锂离子电池充电电流设定在0.2～1C^[3]之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且采用过大的电流来充电，容量不容易充满，这是因为电池内部的电化学反应需要时间，就跟人们倒啤酒一样，倒得太快的话容易产生泡沫，盈满酒杯，反而不容易倒满啤酒。

锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功，它把锂离子嵌入碳（石油焦炭和石墨）中形成负极（传统锂电池用锂或锂合金作负极），正极材料常用LixCoO2，也有用LixNiO2和LixMnO4的，电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯（EC）+二甲基碳酸酯（DMC）[108]。

石油焦炭和石墨作负极材料无毒，且资源充足。锂离子嵌入碳中，克服了锂的高活性，解决了传统锂电池存在的安全问题。正极LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平，同时还使成本有所降低，总之锂离子电池的综合性能提高了[109]。

（2）锂聚合物电池。

虽然锂离子电池具有很多优点，但它并非十全十美。高的能量密度和低的自放电率使它相对其他电池占有一定优势，但它依然面临一些影响其使用寿命和安全性的困惑。

首先影响锂离子电池声誉的是其安全性问题。相对于铅酸蓄电池、镍氢电池等具备较强的抗过充、过放电的能力，锂离子电池在充、放电时容易出现险情[110]。锂离子电池的充电截止电压必须限制在4.2 V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。另一方面，锂离子电池具有严格的放电底限电压，通常为2.5 V，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。因此，在使用锂离子电池组时必须配备专门的过充电、过放电保护电路。

其次影响锂离子电池声誉的是价格。锂离子电池的价格较高，并且需要配备保护电路，因此相同能量的锂离子电池其价格是免维护铅酸蓄电池的10倍以上。

图3-28　锂聚合物电池

为了解决这些问题，最近出现了锂聚合物电池（Li-Polymer，见图3-28），其本质同样是锂离子电池，而所谓锂聚合物电池是在电池的三要素——正极、负极与电解质中，至少有一个或一个以上的要素是采用高分子材料制成的。在锂聚合物电池中，高分子材料大多数被用在了正极和电解质上[111]。正极采用导电高分子聚合物或一般锂离子电池使用的无机化合物，负极采用锂金属或锂碳层间化合物，电解质采用固态或者胶态高分子电解质，或者是有机电解液，因而比能量较高。例如，锂聚苯胺电池的比能量可达350 Wh/kg，但比功率只有50～60 W/kg。由于锂聚合物中没有多余的电解液，因此它更可靠和更稳定。

目前常见的液体锂离子电池在过度充电的情形下，容易造成安全阀破裂因而起火爆炸，这是非常危险的。所以必须加装保护电路以确保电池不会发生过度充电的情形。而高分子锂聚合物电池相对液体锂离子电池而言具有较好的耐充放电特性，对外加保护集成电路IC线路方面的要求可以适当放宽。此外，在充电方面，锂聚合物电池可以利用IC定电流充电，与锂离子电池所采用的“恒流-恒压”充电方式比较起来，可以缩短充电等待的时间。

新一代的锂聚合物电池在聚合物化的程度上做得非常出色，所以形状上可以做到很薄（最薄为0.5 mm），还可以实现任意面积化和任意形状化，这就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，锂聚合物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都较锂离子电池有了大幅度的提高，得到人们的青睐。

图3-29　镍氢电池

（3）镍氢电池。

镍氢电池（见图3-29）是早期镍镉电池的替代产品[112]。由于不再使用有毒的重金属——镉，镍氢电池可以消除重金属元素给环境带来的污染问题。镍氢电池使用氧化镍作为阳极，使用吸收了氢的金属合金作为阴极，这种金属合金可吸收高达本身体积100倍的氢，储存能力极强。另外，镍氢电池具有与镍镉电池相同的1.2伏电压，加上自身的放电特性，可在一小时内再充电。由于内阻较低，一般可进行500次以上的充放电循环。镍氢电池具有较大的能量密度比，这意味着人们可以在不增加设备额外重量的情况下，使用镍氢电池代替镍镉电池来有效延长设备的工作时间。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。镍氢电池另外一个值得称道的优点是它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加方便地使用。

由于化石燃料在人类大规模开发利用的情况下变得越来越少，近年来，氢能源的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向得到人们的青睐。虽然镍氢电池确实是一种性能良好的蓄电池，但航天用镍氢电池是高压镍氢电池（氢压可达3.92 MPa，即40 kg/cm2），高压力氢气贮存在薄壁容器内使用存在爆炸的风险，而且镍氢电池还需要贵金属做催化剂，使它的成本变得昂贵起来，在民用市场难以推广。因此国外自20世纪70年代开始就一直在研究民用的低压镍氢电池。

需要注意的是，镍氢电池的大电流放电能力不如铅酸蓄电池和镍镉电池，尤其是电池组串联较多时更是如此。例如由20个镍氢电池串联起来使用，其放电能力被限制在2～3C范围内。

时至今日，镍氢电池已经是一种成熟的产品，目前国际市场上年产镍氢电池的数量约为7亿只。日本镍氢电池产业规模和产量一直高居各国前列，在镍氢电池领域也开发和研制了多年。我国制造镍氢电池原材料的稀土金属资源十分丰富，已经探明的稀土储量占世界已经探明总储量的80%以上。目前国内研制开发的镍氢电池原材料加工技术日趋成熟，相信在不久的未来，我国镍氢电池的产量和质量一定会领先世界。

（4）一次性干电池

一次性电池即原电池，又名干电池。它有别于充电电池，是一种放电后不能再充电使其复原的电池。目前，机器人使用的干电池要么是碱性电池（见图3-30），要么是碳性电池（见图3-31）。

图3-30　一次性碱性干电池

图3-31　一次性碳性干电池(www.xing528.com)

碱性电池亦称为碱性干电池、碱性锌锰电池、碱锰电池，是锌锰电池系列中性能最优秀的品种，适用于需放电量大及长时间使用的场合。其电池内阻较低，电动势比较稳定，因此产生的电流比一般的碳性电池更大。碱性电池因不含汞，因此可随生活垃圾处理，无须刻意回收。

碳性电池全称为中性锌-二氧化锰干电池，属于化学电源中的原电池，是一种一次性电池。因为这种化学电源装置的电解质是一种不能流动的糊状物，所以也叫做干电池。碳性电池主要用于低耗电电器，不仅适用于手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等，而且也适用于国防、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域。

上述两种一次性电池的主要区别如下：

①碱性电池与碳性电池的化学成分和结构不同，但输出电压是相同的。

②碱性电池的内阻较小可以输出大电流，且容量较大，可以工作更长的时间。

③两类电池互换并无大碍，但是碳性电池不适合用于一些大电流要求的设备。

④碳性电池密封性能差，易漏液损坏设备。

（5）电池的合理选择

在为仿蛇机器人选择电源的过程中必须仔细考虑各类传感器的工作电压、舵机的工作电压、机器人整体的能耗情况、机器人全部的运动时间等参数。在以上多个参数中，各类传感器多是通过导线与控制芯片连接的，控制芯片一般可以提供3.3 V和5.0 V的电压，但本书设计的仿蛇机器人使用舵机的额定电压较高（大于5 V）。

在上述电池中，锂离子电池、锂聚合物电池、镍氢电池三类都具备重复充放电功能，可供选用。锂离子电池和锂聚合物电池的标准输出电压为3.7 V，如果仿蛇机器人采用这些电池的话，则需通过串联实现7.2 V、11.2 V的供电；镍氢电池的标准输出电压为1.2 V，如果输出电压达到6 V则需要将5个电池串联在一起，整体的重量和体积大大增加，不是十分合适；一次性干电池只适用于短时调试。所以在本次能量源的选择上采用了锂聚合物电池，具体如图3-32所示。

图3-32　为仿蛇机器人准备的锂聚合物电池

3.注意事项

通常认为，锂聚合物电池在贮存状态下的带电量以40%～60%之间最为合适。当然很难时时做到这一点。闲置的锂聚合物电池也会受到自放电的困扰，长久的自放电会造成电池过放。为此，应针对自放电现象做好两手准备：一是定期充电，使其电压维持在3.6～3.9 V之间，锂聚合物电池因为没有记忆效应可以随时充电；二是确保放电终止电压不被突破，如果在使用过程中出现了电量不足的警报，应果断停用相应设备。

（1）放电。

①环境温度。放电是锂聚合物电池的工作状态，此时的温度要求为-20～60℃；

②放电终止电压。目前普遍的标准是2.75 V，有的可设置为3 V；

③放电电流。锂聚合物电池也有大电流、大容量等类型，可以进行大功率放电的锂聚合物电池其电流应控制在产品规格书的范围以内。

（2）充电。

锂聚合物电池充电器的工作特性应符合锂电池充电三阶段的特点，即能够实现预充电、恒流充电和恒压充电三个阶段的充电要求。为此，原装充电器是上上之选。

①环境温度。锂聚合物电池充电时的环境温度应控制在0～40℃范围内；

②充电截止电压。锂聚合物电池的充电截止电压为4.2 V，即使是多个电池芯串联组合充电，也要采用平衡充电方式，保证单只电芯的电压不会超过4.2 V；

③充电电流。锂聚合物电池在非急用情况下可用0.2C充电，一般不能超过1C充电。

4.电池的使用

（1）锂聚合物电池需配置相应的保护电路板。它具有过充电保护、过放电保护、过流（或过热）保护及正负极短路保护等功能；同时在电池组中还有均流及均压功能，以确保电池使用的安全性；

（2）锂聚合物电池需配置相应的充电器，保证充电电压在4.2 V±0.05 V的范围内。切勿随便使用一个锂电池充电器来对其充电；

（3）切勿深度放电（放电到2.75 V），放电深度浅时可提高电池的寿命（它没有记忆效应），采用浅度放电（放电到3V）较为合适；

（4）不能与其他种类电池或不同型号的锂聚合物电池混用；

（5）不能挤压、折弯电池，否则会对其造成损坏；

（6）不要放在加热器及火源附近，否则会损坏电池；

（7）长期不用时应定期充电，使电压保持在3.0 V以上；

（8）注意不同的放电倍率C与放电容量大小有关，其相互关系如表3-5所示：

表3-5　锂聚合物电池放电倍率与放电容量的关系