室外巡检机器人电池组的制作方法

1.本发明属于机器人制造技术与电池制造技术的交叉领域，具体涉及一种室外巡检机器人电池组。


背景技术：

2.室外巡检机器人，是依靠其自身携带的电池(组)给机器人的控制系统、驱动系统和信息采集与识别系统提供电能，从而控制并驱动机器人完成工作。现有的、投入实际应用的室外巡检机器人，大多使用液态锂电池(组)，其原因是，一方面，相对于传统的蓄电池，锂电池具有诸多优点，另一方面，相对于现有的固态锂电池(不包括用于低能耗用品的小容量固态锂电池)，液态锂电池的生产成本较低，且技术上更加成熟。然而，液态锂电池也存在一个较为明显的技术缺陷，那就是在低温环境下，其性能严重衰减，从而极大地限制了室外巡检机器人工作的时间、地域。例如，在北方寒冷的冬季，或者在昼夜温差极大的高寒山区，室外巡检机器人难以正常工作。
3.为了改善液态锂电池的低温性能，目前，本技术领域主要采用了以下两类技术方案：
4.其一，设置电池自动加热装置，当电池(组)的环境温度降至设定的温度值(该数值等于或者略高于电池正常工作的温度下限)时，由机器人的控制器发出指令，启动自动加热装置给机器人的电池(组)供热，以便确保电池(组)正常工作。采用这种技术方案，确实能在一定程度上解决了机器人电池(组)在低温环境下不能正常工作的问题。然而，由于给机器人电池(组)供热的电能来源于机器人电池(组)本身，而电池(组)在低温环境下又不能正常充放电，故在寒冷的季节或地域，机器人电池(组)需要持续地将电能转化为热能来确保其自身的正常工作，这就极大地增加了电能的消耗，使得电池(组)每充满一次电后，机器人有效工作时间大幅度缩短，不仅降低机器人的工作效率，而且也会因频繁的充电而缩短电池(组)的循坏寿命。
5.其二，通过改进锂电池的内部物质成分，特别是电解液的物质成分，来提高锂电池的耐低温能力。例如，有研究者撰文(rashad muhammad and asif muhammad.understanding the low temperature electrochemistry of magnesium-lithium hybrid ion battery in all-phenyl-complex solutions[j].journal of energy chemistry,2021,56:383-390.)指出，全苯基-四氢叶酸酯溶液(apc-thf solutions)对锂电池的电解液的冻结有很强的抑制作用，从而有效提高锂电池的低温性能。又如，复旦大学夏永姚、王永刚教授领衔的研究团队提出了一种以乙酸乙酯为溶剂的电解液，该电解液具有较低的冰点，在-70℃的低温下仍保持有足够的离子电导率，并基于此电解液构建全电池体系，探索电池在低温下的充放电特性(董晓丽等.低温-70℃下工作的有机物电池[j].科学新闻,2019(02):141.)。再如，近年来，国内外有不少专利或专利申请公开了通过改进锂电池电解液或/和电极材料来提高其低温性能的技术方案。此外，2021年1月，在俄罗斯圣彼得堡举行的一个技术论坛上，有俄罗斯研究者介绍，其所属研发团队成
功研制了可在零下75℃的极端低温环境下工作的含有氟化物的锂电池。但该研究者同时指出，所述锂电池也存在一些不足，主要是能量密度低(约为同容积普通锂电池的百分之五十)、循环寿命短(约为同容积普通锂电池的百分之五十)和制造成本高(约为同规格普通锂电池的三倍)，故目前难以实现商业化应用。事实上，该研究者所指出的问题，也是现有的、通过改进锂电池的电解液或/和电极材料来提高其耐低温能力的技术方案所普遍面临的问题，区别仅仅在于程度不同。
[0006]
总之，无论是通过设置电池自动加热装置，还是通过改进锂电池的内部物质成分，都能在不同程度上提高锂电池的抗低温能力，但同时也存在一些技术缺陷，从而限制了室外巡检机器人应用的时空范围。另需说明的是，在电池制造技术领域，研发人员也在研究其他类型的耐低温电池，例如，含镍的金属聚合物电池，并且也取得了积极的技术效果，但是，怎样在提高电池耐低温能力的同时，又确保其具备能量密度高、循环寿命长、倍率性能佳和安全性好的优点，仍然存在诸多技术难点有待克服。


技术实现要素：

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本发明的目的旨在有效地改进室外巡检机器人电池组的低温性能，从而克服上述现有技术的缺陷，该发明目的是通过下述技术方案实现的：
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一种室外巡检机器人电池组，包括下述部件：
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(1)第一电池，其作用给所述机器人的驱动系统和信息采集与识别系统供电；
[0010]
(2)温度传感器，其作用是适时监测第一电池的温度；
[0011]
(3)自动电加热装置，其作用是在第一电池有需要时，给第一电池供热；
[0012]
(4)用于安装第一电池、温度传感器和自动电加热装置的电池箱；
[0013]
温度传感器、自动电加热装置与所述机器人的控制器通讯连接；
[0014]
所述电池组还包括安装在电池箱内的第二电池，第二电池具有耐低温能力，且分别与自动电加热装置和温度传感器电连接。
[0015]
本发明的基本技术构思是：以能量密度高、但耐低温能力差的第一电池给所述机器人的驱动系统和信息采集与识别系统(包括用于承载信息采集与识别系统的云台)供电；以耐低温能力强、但能量密度低的第二电池给所述机器人的控制器和温度传感器供电，并在第一电池需要加热的情况下，给自动电加热装置供电，从而通过自动电加热装置给第一电池供热，以确保第一电池正常工作。由于所述机器人所需的大部分电能是用于驱动系统和信息采集与识别系统，而控制器和温度传感器所需电能不多，且自动电加热装置也只是在第一电池需要加热时才消耗电能，故对于本发明来说，第二电池的能量密度低，并不是缺点。另需说明的是，在本发明中，所谓第一、第二，并不具有数量限定的作用，根据所述机器人的实际需要，可以并联或串列的方式设置多个第一电池或第二电池。
[0016]
在上述技术方案的基础上，本发明可附加下述技术手段，以便更好地实现本发明的目的：
[0017]
所述第一电池为能量密度达到300wh/kg以上的锂电池，所述第二电池为可以在零下45℃以下的环境中工作的耐低温锂电池，其能量密度不低于120wh/kg。
[0018]
进一步地，所述电池箱的箱板用隔热材料制作，箱板上设有供导线和数据线穿过的通孔，在导线和数据线与通孔的接触处还设置有密封圈。
[0019]
进一步地，所述电池箱内设有绝热隔板，绝热隔板将电池箱分隔为用于安放第一电池的第一电池室和用于安放第二电池的第二电池室，所述温度传感器和自动电加热装置安装在第一电池室中，绝热隔板上还设有通孔，其作用是让连通第二电池与温度传感器、自动电加热装置的导线通过，在导线与通孔的接触处还设有密封圈。
[0020]
进一步地，在所述第二电池室中还设置有分别与第二电池电连接的第二自动电加热装置和第二温度传感器。
[0021]
本发明还提供了室外巡检机器人电池组的使用方法，其包括以下两种状态：
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(1)当室外巡检机器人处于工作状态，且所述温度传感器监测到第一电池的温度降至设定的最低值时，所述机器人的控制器根据温度传感器发送的温度信息，向自动电加热装置发出指令，使自动电加热装置与第二电池连通，从而给第一电池加热；当所述温度传感器监测到第一电池的温度上升至设定的最高值时，控制器根据温度传感器发送的温度信息，向自动电加热装置发出指令，断开自动电加热装置与第二电池之间的电路；待第一电池的温度逐渐降至设定的最低值时，重新启动自动电加热装置给第一电池供热；
[0023]
(2)当室外巡检机器人处于休息状态，且电池组无需充电时，第二锂电池与自动电加热装置之间的电路处于断开状态，当室外巡检机器人由休息状态转入工作状态或者电池组需要充电时，如果温度传感器监测到的温度在设定的最低值以下，则先由机器人的控制器发出指令，启动自动电加热装置给第一电池供热，待第一电池的温度升至设定的最低值以上时，所述机器人再投入工作，或者与充电装置连接后给所述电池组充电。
[0024]
本发明的主要有益效果如下：
[0025]
通过将耐低温能力强、能量密度低的电池与能量密度高、耐低温能力差的电池组合使用，以能量密度高、耐低温能力差的电池给机器人的驱动系统、信息采集与识别系统供电，以耐低温性能强的电池给机器人的控制系统(主要是控制器和温度传感器)供电，并在必要的情况下，通过自动电加热装置给能量密度高、耐低温能力差的电池供热，本发明克服了现有的耐低温性能强的电池所普遍存在的因能量密度低而难以高效率地控制并驱动室外巡检机器人完成工作的技术缺陷。
附图说明
[0026]
图1是本发明一个实施例的横切面结构示意图。
具体实施方式
[0027]
以下，结合附图介绍本发明的一个实施例。
[0028]
如图1所示，一种室外巡检机器人电池组，包括一种室外巡检机器人电池组，包括：第一锂电池1，其作用给所述机器人的驱动系统和信息采集与识别系统供电；温度传感器2，其作用是适时监测第一电池的温度；自动电加热装置3，其作用是在第一电池有需要时，给第一电池供热；用于安装第一锂电池1、温度传感器2和自动电加热装置3的电池箱4；温度传感器2、自动电加热装置3与所述机器人的控制器(图中未示出)通讯连接。
[0029]
所述电池组还包括安装在电池箱4内的第二锂电池5，第二锂电池5具有耐低温能力，且分别与自动电加热装置3和温度传感器2电连接。
[0030]
电池箱4的箱板用隔热材料制作，箱板上设有供导线和数据线穿过的通孔，在导线
和数据线与通孔的接触处还设置有密封圈，电池箱4内还设有隔热版401，隔热版401将电池箱4分隔为用于安装第一锂电池1的第一电池室和用于安装第二锂电池5的第二电池室，温度传感器2和自动电加热装置3安装在第一电池室中。本实施例采用这这种结构设计的原因是，第二锂电池5具有耐低温能力，一般说来，仅需给第二锂电池1加热，不需要给第二锂电池5本身加热，故这种结构设计有助于节省第二锂电池5的电能。
[0031]
在本实施例中，第一锂电池1是现有技术的一种能量密度为303wh/kg的锂电池，其适用的温度范围是-10—70℃，通常以0—45℃为佳，第二锂电池5是现有技术中的一种能量密度为120wh/kg的锂电池，其适用的温度范围是-50—70℃，通常以-40—45℃为佳。
[0032]
以上，结合附图介绍了本发明室外巡检机器人电池组的一个实施例的结构特征，以下进一步介绍其使用方法。
[0033]
所述电池组的使用方法包括工作状态、休息状态和充电状态三种情形：当室外巡检机器人处于工作状态，且温度传感器2检测到第一锂电池1的温度降至0℃时(本实施例设定的最低值)，所述机器人的控制器根据温度传感器2传送的温度信号，向自动电加热装置3发出指令，接通自动电加热装置3与第二锂电池5之间的电路，使自动电加热装置3向第一锂电池1供热。当第一锂电池1的温度升高至10℃时(本实施例设定的最高值)，断开自动电加热装置3与第二锂电池5之间的电路，待第一锂电池1的温度逐渐降至0℃时，重新启动自动电加热装置3给第一锂电池1供热。
[0034]
当室外巡检机器人处于休息状态，且所述电池组无需充电时，第二锂电池5与自动电加热装置3之间的电路处于断开状态，当室外巡检机器人由休息状态转入工作状态或者电池组需要充电时，如果温度传感器监测到的温度在0℃以下(亦即低于设定的最低值)，则先由机器人的控制器发出指令，启动自动电加热装置3给第一锂电池1供热，待第一锂电池1的温度升至0℃以上时，所述机器人再投入工作，或者与充电装置连接后给所述电池组充电。
[0035]
另需说明的是，本实施例适用于环境温度最低不低于零下50℃的地区，如果在环境温度低于零下50℃的地区实施本发明，就需要使用耐寒能力更强的低温电池或者在第二电池室中设置分别与第二锂电池5电连接的第二自动电加热装置和第二温度传感器，当第二温度传感器监测到第二锂电池5降至接近零下50℃的低温时，例如降至零下48℃时，由机器人的控制器发出指令，启动第二自动电加热装置给第二锂电池加热。