人形机器人的电池管理正在成为难题

人形机器人的Demo和发布会越来越多。能走路、跑步、搬箱子，也能完成一些过去只有人才能做的动作。但真正进入工厂后，评价标准就不一样了。客户很少关心它能不能完成一次搬运，更关心一天能干多少活，中途停几次，充电要多久，旁边需不需要安排一个人照看。

续航由此成了一个很现实的问题，许多人形机器人原型机，工作时间可能只有一小时左右。原型开发阶段，机器人主要用于采集数据、训练算法和验证动作，一小时还能接受；进入产线以后，机器人频繁返回充电站，设备利用率和投资回报率都会受到影响。

业界喜欢讨论人形机器人的大脑，GPU、视觉模型和运动算法占据了大量注意力。机器人的耗电大户却分散在全身。双腿要维持平衡，腰部需要转动，手臂负责抓取，灵巧手还要控制更多微型电机，机器人中大约60%的电子器件与电机控制和驱动有关。机器人站着不动也在耗电，走路时多个关节同时加减速，搬起重物后，电流还会继续上升。

电池加大一些，续航自然能够延长。问题是人形机器人必须背着这块电池运动。容量增加带来的重量，最后还要由电机负责抬起来。电池越重，关节负荷越大，新增的电量有一部分会消耗在搬运电池本身。躯干内部的空间也很紧张，计算平台、配电板、散热系统、线缆和电池都要装进去，留给每个模块的体积十分有限。

因此人形机器人的供电问题很难单靠增加电芯解决。

一小时续航，进厂以后不够用

关注续航的原因是人形机器人的供电方式受限。早期工业机器人固定在围栏里，底座接入交流电网，电池最多承担断电备份之类的辅助任务。协作机器人开始与人共同工作，机械臂随后装上移动底盘，电池的重要性才逐渐提高。晶圆厂里运送晶圆的移动机械臂、仓库里的搬运机器人和家用服务机器人，大多已经采用电池供电，常见平台集中在48V附近。

人形机器人延续了这套电压体系。48V可以为电机提供较高功率，电流和线缆尺寸也不会过于夸张，相关电池、驱动和保护器件已经有较成熟的供应链。很多机器人满电时的电池电压还会高于48V，系统需要在一个较宽的电压范围内工作。

但和这些机器人相比，人形机器人的负载动态要求极高。扫地机器人沿着地面移动，负载变化相对缓慢；电动工具虽然有启动电流，工作模式通常比较明确。人形机器人可能在一秒内完成站起、转身和抬手，几个关节同时动作，母线电流会突然出现很高的尖峰。下蹲、减速或者放下重物时，关节电机又可能进入发电状态，把能量送回直流母线。

电流由电池流向电机，转眼又从电机返回电池，BMS需要精准控制两个方向的电流。电池如果已经接近满电，回馈电流继续灌入，母线电压便会不断提高。

这也是人形机器人和许多电池设备的差别，它的电流很少长时间停留在一个平稳区间，靠平均功耗估算剩余时间，误差很容易不断积累。

机器人还剩多少电，不能只看一个百分比

BMS在机器人内部并不显眼，却管着几个很具体的问题：电芯有没有过压，温度是否异常，当前最大输出功率，机器人能不能完成手里的任务，以及它是否还有足够电量返回充电站。

这些判断依赖SOC和SOH。SOC表示电池还剩多少电，SOH反映电池老化后的健康程度。手机上的电量数字偶尔跳动一下，用户通常还能接受；一台双足机器人在搬运途中误判电量，后果会麻烦得多。它可能在工位之间停下，甚至在电量耗尽时失去平衡摔倒。

机器人控制系统需要知道的也不只是“还剩20%”。一段平路、一次上下楼和搬运一个重物，消耗的电量完全不同，剩余电量必须与下一步任务放在一起计算。电池还能支持多少个动作，走到充电站需要多少能量，中途会不会遇到坡道，这些信息会共同决定机器人的工作指引。

机器人可以利用过去执行任务时积累的数据学习能耗规律，相同的搬运路线跑过多次以后，系统能够逐渐掌握各个关节的耗电情况，再结合电池状态判断下一项任务是否可行。电量计量精度越高，机器人提前结束工作的时间就越少，电池里的容量也能用得更充分。

这种能力落到硬件上，需要电芯监测、保护、电流测量和电量计量共同配合。

TI提供了BQ76972负责监测多串电芯的电压和温度，也承担电芯均衡和部分保护功能。串联电池包中，只要有一节电芯提前达到欠压门限，整个电池包就必须停止放电。各节电芯容量和内阻存在差异，均衡做得不好，标称容量再大的电池也用不完。

另一款BQ41Z90把监测、保护和电量计量放进一颗器件中。TI引入了动态阻抗跟踪算法，根据电池阻抗和负载变化修正SOC及SOH估算。人形机器人的电流曲线起伏很大，电池温度和内阻也在随动作改变，固定模型很难一直保持准确，算法需要在运行过程中不断校正。

集成度在这里并非一句常见的产品宣传语。机器人躯干内部空间有限，芯片减少一颗，外围电路缩小一点，PCB和线束就能腾出一些位置。监测、保护和计量分散在多颗器件上，连接和诊断也会更加复杂。量产机器需要考虑装配、维修和故障率，高集成度则可极大简化这些担忧。

人形机器人需要确保断电下的功能安全

电池管理还有一个容易被忽视的任务：给机器人留下安全停机的时间。

固定机械臂发生故障，控制系统可以切断电机，机械结构停在原位。双足机器人一直依靠关节电机保持平衡，突然断电后，身体很可能直接倒下。旁边有人或设备时，一台几十公斤重的机器人倾倒，风险不难想象。

BMS检测到欠压、过流或电池温度异常后，不能只把电源切断。故障信息需要提前传给主控制器，让机器人放下手中的物品、降低重心，或者移动到一个适合停机的位置。也正因此，需要剩余电量准确估算，从而减少破坏损失满足安全流程。

随着未来越来越多的机器人进入工厂、商场甚至家庭，人与机器之间很难一直保持安全距离。电池包发生故障时，系统需要知道哪里出现问题，故障是否可控，电压、温度和电流传感器提供的这些数据，必须足够支撑判断。

补能方式决定一台机器人每天能干多久

除了电池容量需要关注之外，人形机器人的充电和换电同样值得关注。

最简单的是插线充电，成本低，但是需要人工连接，活动范围也会受到限制。酒店、商场等工作区域较小的场景或许能够接受，工厂通常希望机器人自己完成补能。

自动对接充电已经比较常见。机器人发现电量不足，自主走到充电站，与充电触点连接。它很像一台体型更大的扫地机器人，只不过在功率、充电口位置和动作轨迹调度方面需要关注。工厂里同时运行几十台机器人，充电站数量有限，什么时候返回、哪一台先充，也会影响整条产线的效率。

换电试图把停机时间压得更短，比如优必选Walker S2可以实现机器人自主更换电池，整个过程不需要操作人员参与。换电机构会增加机械复杂度，也需要准备更多电池和充电设施，但对于要求连续作业的场景，换电更适合。

无线充电也是一个热点技术，机器人在短暂停留时，可以补充一部分电能。不过现阶段，无线充电的功率和效率还很难覆盖所有应用，线圈尺寸、对准精度和散热都需要关注。

充电设备本身也在追求更高功率密度。TI展示了一套3.6kW的AC/DC充电方案，使用GaN器件提高转换效率并缩小体积。外部充电器把交流电转换成直流电，机器人内部再通过升降压控制器适配48V或54V电池，控制器还需要集成电流、电压采样和保护功能。另外还有一套1kW的低成本方案。

写在最后

任何电子系统单独拿出来都算不上人形机器人独有，48V电池、电芯监测、GaN电源、CAN和EtherCAT，已经在汽车、储能和工业设备中使用多年，人形机器人把它们挤进一个与人体尺寸接近的平台，同时还要求会走路、能保持平衡，还要连续工作数小时，因此原有方案中的每一点损耗和误差都有可能被放大。

机器人的体系和其他行业类似，但由于各种约束，其电子与机械设计还需要进行额外定制，随着未来人形机器人持续放量，物理AI市场将会带来更多的产品机遇。

来源：机器人开发圈 作者：冀凯