中國造出水下永動機器人，一輩子不用換電池，一般國家弄不出來！
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-11 16:35
點擊量：次
12月20日中船重工又爆出了好消息，我國研制出了國內(nèi)首個“水下永動機器人”這是一個深海型海洋溫差自供能漂流浮標(biāo)樣機，該樣機將會用于全球海洋觀測計劃(Argo計劃)。這臺機器人的技術(shù)處于世界領(lǐng)先的水平。
Argo計劃是1998年推出的全球海洋觀測試驗項目，在此后的10多年里，世界上30多個沿海國家合作，在全球大洋中每隔300公里布放一個Argo浮標(biāo)，到目前為止，已經(jīng)布放了約3000個浮標(biāo)，組成了一個龐大的ARGO全球海洋觀測網(wǎng)，該觀測網(wǎng)真正實現(xiàn)了對全球海洋的鹽度剖面、上層海水溫和海流的實時觀測，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。各個國家的氣象和海洋科研人員通過對共享的大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了天氣預(yù)報的精準(zhǔn)度，降低了極端天氣給人類造成的災(zāi)難程度，被業(yè)界稱為是一場海洋觀測手段的革命。
如果想獲得長期穩(wěn)定的海洋資料，需要放置在大洋中的浮標(biāo)具有壽命長、成本低、無需日常維護(hù)和不易損壞等特點。之前放置的浮標(biāo)都是鋰電池提供動力，這種浮標(biāo)的成本不僅高，而且使用期限也就三五年的時間，如果浮標(biāo)失效后，還會造成海洋的污染。給設(shè)備“延壽”并降低污染是必須要解決的問題，科學(xué)家們把目光投向了海洋中可再生能源。
中船重工710研究所高級工程師介紹說，海洋里蘊藏著溫差能、波浪能和潮汐能等多種形式存在的巨大能量，在這些能量中，儲量最大的為溫差能，該能量是利用水體垂向溫度差異汲取能量，具有輸出波動小、清潔和可再生等優(yōu)點。而放置在大洋里的3000個Argo浮標(biāo)每天都在做垂向運動，所以很適合利用溫差能來提供動力。由于這項能源轉(zhuǎn)化難度大，所以710研究所聯(lián)合了國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，經(jīng)過4年艱苦奮戰(zhàn)，終于制成了水下永動機器人，這將為我國海洋探測裝備提供用之不盡的動力支持。
鈦酸鋰電池的技術(shù)特性：高可靠、低容量
呂江表示，為了解決這個問題，水巖提出了相當(dāng)激進(jìn)的概念，那就是使用最新的鈦酸鋰電池技術(shù)，用高達(dá) 120A/h 的超大電流快充取代過去的大容量鋰電池應(yīng)用概念。
鈦酸鋰電池其實就是置換了負(fù)極材料的鋰電池，有值得關(guān)注重要特性有以下幾個：
首先，它的穩(wěn)定性非常高，傳統(tǒng)鋰電池為了達(dá)到更高的能量密度，負(fù)極絕大多數(shù)使用碳材，缺點在于安全性及循環(huán)壽命不好，甚至容易因為溫度變化而發(fā)生爆炸危險。若使用鈦酸鋰材料作為負(fù)極，由于該材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命良好；充放電時幾乎無體積變化，較高的工作電位使得它在高速充電狀態(tài)下，材料表面不會發(fā)生鋰沉積而導(dǎo)致短路，安全性極優(yōu)。也因此，鈦酸鋰電池可以承受極高電流通過而不會影響到壽命和穩(wěn)定性，從而確保了快速充電的效率以及可靠性。
其次，傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料在充放電的過程都會因為鋰離子的交互過程導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)變化，影響充放電轉(zhuǎn)換效率，一般多在 3000 次的充放電次數(shù)后負(fù)極材料就完全無法進(jìn)行充放電，此時電池也等同宣告壽終正寢。但是鈦酸鋰電池的材料特性非常穩(wěn)定，幾乎不受充放電過程的鋰離子影響，因此充放電循環(huán)理論上可高達(dá)數(shù)萬次，根據(jù)實測，在 16000 次充放電之后還能維持超過 80% 的電容量，理論上機器人就算壽終正寢，電池仍能繼續(xù)為下一臺機器人工作。
圖丨水巖科技的物流機器人正在工作
最后，鈦酸鋰電池在材料結(jié)構(gòu)上，提供鋰離子三維擴散通道，這讓環(huán)境溫度不易影響充放電效率，理論上鈦酸鋰電池的電池結(jié)構(gòu)在零下 50 到零上 60 度都可以進(jìn)行正常充放電而不會產(chǎn)生任何效率上的折損或者風(fēng)險。
鈦酸鋰電池美好的地方太多，但為何市場上普及率并不高？呂江提到一個關(guān)鍵原因：該電池技術(shù)的最大的短板，就是鈦酸鋰電池的能量密度太低，續(xù)航能力較弱，且其對鋰元素的利用率也不到一般鋰電池的一半。換言之，如果要用鈦酸鋰電池達(dá)到一般鋰電池的電容量，就必須使用更大量的鋰元素。鈦酸鋰材料本身成本就高，如果要設(shè)計出大容量產(chǎn)品，就要耗用遠(yuǎn)高于一般電池的材料，這也導(dǎo)致鈦酸鋰電池的整體成本可能要高過傳統(tǒng)鋰電池三倍以上。
呂江強調(diào)，除了鈦酸鋰電池的穩(wěn)定性外，促使水巖最新一代的倉儲物流機器人改用鈦酸鋰電池的最大理由，在其可承受超大電流的快速充電能力。呂江表示，他們所使用的鈦酸鋰電池使用電流高達(dá) 120A/h 的充電座，可在六分鐘充滿八成電量，若繁忙時，甚至可控制在一分鐘充到可維持整天工作的能力，解決物流機器人因充電而被迫缺工的窘?jīng)r。
快充將可從根本改變自動倉儲營運邏輯，強化營運彈性
呂江表示，雖然一般鋰電池同樣能做到快充，但他們認(rèn)為并不適合于自動化倉儲的環(huán)境中。主要理由就是傳統(tǒng)鋰電池材料不穩(wěn)定，用來做快充的風(fēng)險太高，小則損壞個體機器人，嚴(yán)重的話可能整個倉庫都燒了也說不定。另外，就算使用過程都沒有發(fā)生問題，快充也會大大減損傳統(tǒng)鋰電池的壽命，倉管運營者最后可能會為了更換電池而疲于奔命，增加營運成本不說，也大大的降低了倉儲運轉(zhuǎn)效率。
呂江說，從傳統(tǒng)充電轉(zhuǎn)換到快充，可以用個方式來比擬：傳統(tǒng)電動大巴用的是高容量鋰電池，尋常班次結(jié)束后需要有比較長的時間進(jìn)行充電，方可回復(fù)次日班次所需電力。而使用了鈦酸鋰電池取代傳統(tǒng)鋰電池之后，大巴可以在每次過站就進(jìn)行短時間充電，并維持全日 24 小時營運，也因此就不會有服務(wù)上的空白部分。
自動倉儲物流機器人也是同樣的概念，透過快充技術(shù)可以確保最高的續(xù)戰(zhàn)力，即便電池即將耗光，也可在最短時間內(nèi)回復(fù)工作狀態(tài)，從而確保倉儲流水線上的機器人可以隨時維持在最大數(shù)量，確保整體的工作效率。
新款機器人上線后已被驗證遠(yuǎn)較傳統(tǒng)機器人杰出的可用彈性
呂江表示，水巖采用新鈦酸鋰電池的新款機器人投入使用已經(jīng)將近半年，雖然新舊款最大的差別在外型以及電池使用類型，速度表現(xiàn)也一致，但目前在可用性及可靠性方面已經(jīng)有比舊款產(chǎn)品更優(yōu)秀的表現(xiàn)，平均檢貨能力亦超越業(yè)界平均水平。
另外，水巖的物流機器人擁有相當(dāng)高的自主能力，雖然視野小，但系統(tǒng)容錯能力高，且設(shè)計了獨家的平衡避震系統(tǒng)，類似汽車的獨立懸掛，可容忍不是太平坦的工作環(huán)境，確保運送貨物的安全。水巖科技也提供針對不同倉儲環(huán)境設(shè)計的算法，配合系統(tǒng)內(nèi)部的效率評估系統(tǒng)，從而確保各類型倉儲管理物流上的效率可達(dá)最優(yōu)化。
