（9-1）电源管理与能源系统：电池选择与安全

本章内容围绕人形机器人电源管理与能源系统展开，系统介绍了人形机器人的整机能源方案的设计思路与工程实现。首先从电池选型与安全出发，分析不同锂电池类型的性能特点，介绍了电池保护电路与热管理在保障系统可靠性中的关键作用。随后讲解了机器人运行过程中的能耗建模与评估知识，重点讨论了步行等典型工况下的能耗估计、高峰功耗抑制策略以及合理的电源分配架构设计。最后介绍充电与扩展能源方案，包括快速充电、自动换电及外接供电接口，为机器人实现长续航与灵活应用提供支撑。

9.1 电池选择与安全

电池系统是人形机器人能源体系的核心，其性能、安全性与可靠性直接影响整机续航能力和运行稳定性。本节将从工程应用角度出发，围绕电池类型选择、安全防护与热管理三方面，系统阐述适用于人形机器人的电池方案设计原则。

9.1.1 锂电池类型

在人形机器人动力系统中，锂电池是当前唯一能同时满足高能量密度、高功率密度、小型化、轻量化核心需求的储能方案。不同类型的锂电池在电极材料、电化学特性上存在显著差异，直接决定了其在人形机器人中的适用场景、续航表现与安全性能。

1. 三元锂电池（NCM/NCA）

（1）技术原理

三元锂电池的正极材料由镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）或镍（Ni）、钴（Co）、铝（Al）三种金属氧化物按一定比例混合而成，负极多为石墨，电解液为有机液态电解质。通过调整正极材料中各金属的比例，可实现能量密度与功率密度的灵活调控。三元锂电池的结构如图9-1所示。

图9-1 三元锂电池的结构

（2）核心特性

1. 能量密度高：量产型三元锂电池能量密度可达200300Wh/kg，部分高镍体系（如NCM811、NCA）可突破300Wh/kg。
2. 功率密度优异：可实现大电流充放电，满足人形机器人快速起步、跳跃、应急制动等瞬时高功率需求。
3. 低温性能好：在20℃环境下仍能保持70%以上的放电容量，适应多场景作业需求。
4. 循环寿命：常规体系循环次数约10002000次，高镍体系循环寿命略低，约8001500次。

（3）人形机器人应用案例

1. 特斯拉Optimus：采用定制化高镍三元锂电池组，通过圆柱电芯串联成模组，兼顾能量密度与散热效率，支撑机器人持续行走、搬运等全工况作业。
2. 宇树科技H1：使用小型化三元锂电池模组，集成于机器人躯干内部，利用其高功率密度特性，实现高速奔跑（13km/h）、360°旋转等动态动作。

（4）优势与局限性

1. 优势：能量密度与功率密度平衡最佳，是当前人形机器人动力电源的首选方案。

2. 局限性：钴元素成本高且资源稀缺，高镍体系热稳定性较差，存在热失控风险，需搭配复杂的热管理与电池管理系统（BMS）。

3. 磷酸铁锂电池（LFP）

（1）技术原理

磷酸铁锂电池的正极材料为磷酸铁锂（LiFePO₄），负极为石墨，电解液为有机液态电解质。其电化学体系基于磷酸铁锂的脱嵌锂反应，具有稳定的橄榄石晶体结构。磷酸铁锂电池几何结构如图9-2所示。

图9-2 磷酸铁锂电池几何结构

（2）核心特性

1. 安全性极高：橄榄石结构在过充、短路、高温等极端条件下不易分解，无热失控风险，穿刺实验中仅发热不燃烧。
2. 循环寿命长：量产型磷酸铁锂电池循环次数可达30005000次，部分长循环体系可突破10000次。
3. 成本优势：不含钴、镍等稀有金属，材料成本较三元锂电池低30%40%。
4. 能量密度：常规体系能量密度为120180Wh/kg，低于三元锂电池。

（3）人形机器人应用案例

1. 智元人形机器人：采用磷酸铁锂软包电池组，通过模组化设计分散布置于机器人腿部与躯干，利用其高安全性与长循环寿命特性，适配工业场景下的长时间、高负荷作业。
2. 工业级人形机器人（如达闼科技X2）：选择磷酸铁锂电池作为动力电源，优先保障人机协作场景下的安全可靠性。

（4）优势与局限性

1. 优势：安全性与循环寿命突出，适合对成本敏感、对安全性要求极高的工业与人机协作场景。

2. 局限性：能量密度较低，同等电量下体积与重量更大，不利于人形机器人的轻量化设计；低温性能较差，20℃环境下放电容量仅为常温的50%左右。

3. 半固态锂电池

（1）技术原理

半固态锂电池是液态锂电池向全固态锂电池的过渡方案，其核心改进为采用固态电解质替代部分液态电解质，或采用凝胶电解质、聚合物电解质。正极材料可沿用三元或磷酸铁锂体系，负极多为石墨或硅碳复合负极。

图9-3展示了半固态电池的制备流程原理，展示了"注液组装-原位固化"两步核心工艺：

1. 在第一步"注液与组装"中，正极、负极及二者间的液态单体/前驱体完成初始装配，此时电解质处于液态；
2. 随后通过UV触发的"原位固化"工艺（第二步），中间的液态单体转化为半固态电解质，最终形成"正极-半固态电解质-负极"的稳定结构，直观体现了半固态电池从液态前驱体到固态化电解质的核心制备逻辑。

图9-3 半固态电池的制备流程原理

半固态电池的结构剖面如图9-4所示。

图9-4 半固态电池的结构剖面图

（2）核心特性

1. 能量密度提升：半固态锂电池能量密度可达300400Wh/kg，较传统液态三元锂电池提升30%50%。
2. 安全性显著改善：固态电解质不燃、不挥发，大幅降低热失控风险，同时可抑制锂枝晶生长，提升循环稳定性。
3. 充放电性能：支持快充，部分体系可实现1C3C快充，满足人形机器人快速补能需求。

（3）人形机器人应用案例

1. 特斯拉Optimus下一代原型机：计划采用半固态锂电池，目标是在提升能量密度的同时，解决高镍三元锂电池的安全隐患，延长机器人续航时间。
2. 宇树科技新一代人形机器人：研发半固态锂电池模组，通过小型化设计进一步降低电池重量占比，提升机器人的运动灵活性。

（4）优势与局限性

1. 优势：兼顾高能量密度与高安全性，是未来人形机器人锂电池的核心发展方向。

2. 局限性：量产成本较高，固态电解质的界面阻抗问题尚未完全解决，充放电效率与循环寿命仍需优化。

3. 钛酸锂电池（LTO）

（1）技术原理

钛酸锂电池的负极材料为钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂），正极材料可采用三元或磷酸铁锂体系，电解液为有机液态电解质。纳米钛酸锂电池的结构如图9-5所示，其核心优势在于钛酸锂的尖晶石结构具有极高的稳定性。

图9-5 纳米钛酸锂电池的结构图

（2）核心特性

1. 超快速充：支持10C以上的快充，可在1015分钟内充满电，适合需要快速补能的场景。
2. 循环寿命极长：循环次数可达1000020000次，是传统锂电池的510倍。
3. 低温性能优异：40℃环境下仍能保持80%以上的放电容量，适应极寒环境作业。
4. 能量密度：能量密度较低，仅为60100Wh/kg，远低于三元与磷酸铁锂电池。

（3）人形机器人应用场景

钛酸锂电池目前尚未成为人形机器人的主流动力电源，主要用于对快充、低温性能、循环寿命有特殊要求的特种人形机器人，如极地探测人形机器人、应急救援人形机器人等。

（4）优势与局限性

1. 优势：快充性能、循环寿命与低温性能无可替代，适合特种场景。

2. 局限性：能量密度过低，同等电量下体积与重量过大，严重影响人形机器人的运动性能与续航时间。

3. 主流锂电池类型对比总结

（1）三元锂电池：综合性能最佳，是当前消费级与高端人形机器人的首选电源。

（2）磷酸铁锂电池：安全性与成本优势突出，适合工业级与人机协作人形机器人。

（3）半固态锂电池：未来核心发展方向，有望解决能量密度与安全性的矛盾。

（4）钛酸锂电池：特种场景专用电源，难以成为主流方案。

总而言之，人形机器人用锂电池的选型需围绕能量密度、功率密度、安全性与场景需求综合权衡。三元锂电池凭借性能平衡优势，成为特斯拉Optimus、宇树H1等主流机型的首选；磷酸铁锂电池以高安全、长循环特性，适配工业级机器人场景。半固态锂电池兼具高能量密度与安全性，是下一代动力方案的核心方向；钛酸锂电池则因超低能量密度，仅用于极地、救援等特种场景。当前技术路线下，液态锂电池仍占主导，半固态技术的量产突破将推动人形机器人续航与安全性能的双重跃升。

9.1.2 安全保护电路

安全保护电路是人形机器人动力系统与控制系统的核心保障模块，其核心功能是实时监测系统异常状态，并通过快速响应的硬件/软件联动机制，阻断危险回路、调整运行参数，最终保障机器人自身硬件安全、软件运行稳定及周边环境（人员、设备）的安全。

1. 基本原理

安全保护电路采用信号采集-逻辑判断-执行输出三级架构实现保护功能，具体说明如下所示。

1. 信号采集层：通过各类传感器（电流、电压、温度、碰撞、位置传感器等）采集机器人运行过程中的关键物理量，将异常信号（如过流、过压、过热）转换为可处理的电信号；

2. 逻辑判断层：由控制单元（MCU、FPGA或专用保护芯片）对采集的信号进行阈值比较、逻辑运算，判断是否触发保护条件，同时支持多故障信号的优先级排序；

3. 执行输出层：通过执行元件（继电器、MOS管、IGBT等）切断危险回路（如电机驱动回路、电源主回路），或向主控系统发送故障指令，驱动机器人进入安全姿态（如紧急停机、肢体回收）。

4. 核心保护功能

针对人形机器人的运行特点，安全保护电路需要实现如下核心保护功能。

1. 电气安全保护
2. 过流保护：监测电机驱动回路、电源回路的电流值，当电流超过阈值（如电机堵转、线路短路导致的过流）时，快速切断驱动回路，防止电机、驱动板烧毁。
3. 过压/欠压保护：监测电源系统的输入/输出电压，当电压过高（如电源模块故障）或过低（如电池欠电）时，触发保护机制，避免电气元件因电压异常损坏。
4. 短路保护：通过电流突变检测实现短路故障的快速响应，通常采用硬件级快速熔断器或电子短路保护电路，响应时间可达微秒级。

（2）热安全保护

在电机、驱动控制器、电池等核心发热部件处部署温度传感器（NTC、PTC或热电偶），当温度超过安全阈值时，触发降功率运行或停机保护，防止热失控。

（3）机械与碰撞保护

1. 碰撞保护：通过肢体末端的力传感器、扭矩传感器或机身的碰撞检测开关，感知机器人与周边环境的碰撞冲击，当冲击力超过阈值时，立即切断对应关节的动力输出，避免机械结构损坏或对人员造成伤害。
2. 超限保护：通过关节位置传感器（编码器、电位器）监测肢体运动范围，当关节运动超过预设的机械限位时，触发限位保护，防止关节脱臼、传动机构断裂。

（4）紧急停机保护

配置硬件级急停回路，支持人工触发（急停按钮）或软件触发（主控系统故障指令），急停信号具有最高优先级，可直接切断所有动力回路，使机器人进入完全静止的安全状态。

3. 电路拓扑结构

人形机器人安全保护电路典型拓扑结构分为分布式保护与集中式管理两类，具体说明如下所示。

1. 分布式保护：在每个关节驱动模块、电源分支模块中集成独立的保护子电路，实现故障的局部隔离，避免单个模块故障影响整个系统；

2. 集中式管理：由主安全控制单元汇总所有保护子电路的故障信号，进行统一的逻辑判断与故障分级，同时记录故障信息（故障类型、发生时间、触发位置），便于后续故障排查。

3. 关键元件选型

4. 传感器：电流检测选用霍尔电流传感器（非接触式，抗干扰强）；温度检测选用NTC热敏电阻（成本低、响应快）；碰撞检测选用微型力敏电阻或霍尔碰撞开关。

5. 控制单元：优先选用专用安全控制芯片（如TI的UCC系列、ADI的安全监测芯片）或带安全内核的MCU（如STM32H7系列），支持硬件级故障判断，响应速度快于软件逻辑。

6. 执行元件：低功率回路选用MOS管（响应快、无触点）；高功率主回路选用电磁继电器或固态继电器（SSR），确保回路切断的可靠性。

7. 应用案例

以人形机器人腿部膝关节驱动模块为例，其安全保护电路集成了过流、过热、超限三重保护功能：

1. 霍尔电流传感器实时监测电机相电流，当电流超过15A（堵转阈值）时，保护控制单元在200μs内触发MOS管关断，切断电机驱动回路；

2. NTC热敏电阻贴装在电机定子上，当温度超过120℃时，触发降功率指令，电机转速降低50%，若温度持续上升至150℃，则完全停机；

3. 编码器监测关节旋转角度，当角度超过预设的-10°~120°范围时，立即切断驱动信号，同时驱动制动装置锁死关节。

4. 优势与局限性

（1）优势

1. 响应速度快：硬件级保护机制响应时间可达微秒级，远快于软件保护，能有效应对短路、过流等突发故障；
2. 可靠性高：采用冗余设计（如双路传感器采集、多重执行元件），降低单一元件故障导致的保护失效风险；
3. 兼容性强：支持与机器人主控系统的通信交互，可根据运行场景动态调整保护阈值（如轻载模式、重载模式的过流阈值不同）。

（2）局限性

1. 电路复杂度高：多保护功能的集成导致电路元件数量增加，对布线、散热设计提出更高要求；

2. 阈值整定难度大：需结合机器人实际运行工况（负载、速度、环境温度）反复调试保护阈值，避免误触发或漏触发。

3. 注意事项

4. 优先级排序：明确各保护功能的优先级（如急停保护>短路保护>过流保护>过热保护），避免多故障同时触发时的逻辑冲突；

5. 冗余设计：关键保护回路（如急停、短路保护）采用双路冗余设计，提高保护系统的可靠性；

6. 电磁兼容：信号采集电路需增加隔离、滤波措施，避免电机驱动回路的电磁干扰导致保护信号误触发；

7. 故障反馈：保护电路触发后，需向主控系统发送清晰的故障编码，同时提供本地故障指示（如LED灯），便于故障定位与排查。

9.1.3 热管理

在人形机器人锂电池系统中，热管理是保障电池性能稳定、安全可靠、寿命延长的核心关键技术。人形机器人运动时电池充放电功率波动剧烈（如行走、跳跃时的瞬时高功率放电），且内部空间紧凑、散热路径有限，电池温度易快速升高或出现局部温差，进而引发容量衰减、热失控风险。不同热管理技术在散热效率、体积重量、适配场景上存在显著差异，直接决定锂电池系统在机器人中的运行表现。

1. 液冷式热管理

（1）技术原理

液冷式热管理通过在电池模组内部或外部布置流道，利用冷却液（如水-乙二醇溶液、硅油）的循环流动，将电池产生的热量传递至散热器。根据流道布置方式，可分为冷板式液冷（流道与电池模组表面贴合）与浸没式液冷（电池完全浸没在绝缘冷却液中）。系统由冷却液、循环泵、散热器、温度传感器及控制单元组成。

（2）核心特性

1. 散热效率高：冷却液的导热系数远高于空气，可快速带走电池大量热量，控温精度可达±2℃。
2. 温度均匀性好：通过优化流道设计，可有效降低电池模组内部的温差，避免局部过热。
3. 适配高功率场景：能满足人形机器人高功率充放电时的散热需求，适合大容量电池模组。
4. 系统复杂度高：需配备循环泵、散热器等部件，体积与重量较大，对密封性能要求严格。

（3）优势与局限性

1. 优势：散热效率与控温精度最高，适合高功率、大容量锂电池系统，是高端人形机器人的首选方案。

2. 局限性：系统体积大、重量高，增加机器人动力负担；密封要求高，存在冷却液泄漏风险，需搭配复杂的检漏与防护机制。

3. 风冷式热管理

（1）技术原理

风冷式热管理以空气为换热介质，通过自然对流或强制对流（风扇）的方式，将电池产生的热量散发至环境中。根据气流方向，可分为串行风冷（气流沿电池模组轴向流动）与并行风冷（气流垂直穿过电池模组间隙）。系统由风扇、风道、温度传感器及控制单元组成。

（2）核心特性

1. 系统结构简单：无需冷却液与密封部件，体积小、重量轻，易于集成到紧凑的机器人内部空间。
2. 成本低廉：核心部件为风扇与风道，制造与维护成本远低于液冷系统。
3. 散热效率有限：空气导热系数低，在高功率充放电场景下难以快速散发热量，控温精度约±5℃。
4. 温度均匀性差：电池模组边缘与中心区域易出现较大温差，影响电池一致性。

（3）人形机器人应用案例

1. 宇树科技H1：采用强制对流风冷系统，在电池模组两侧布置高速微型风扇，通过优化风道设计，使气流垂直穿过电池电芯间隙，配合机器人躯干的通风孔实现散热，满足高功率运动时的基础散热需求，同时保持机器人的轻量化设计。
2. 消费级小型人形机器人（如优必选Walker X）：采用自然对流+辅助风扇的风冷方案，在低功率运行时依赖自然对流散热，高功率运行时自动启动风扇，兼顾能耗与散热效果。

（4）优势与局限性

1. 优势：结构简单、体积小、重量轻、成本低，适合小型化、轻量化的消费级人形机器人。

2. 局限性：散热效率与控温精度较低，无法满足高功率、大容量锂电池系统的散热需求，高温环境下性能衰减明显。

3. 相变材料（PCM）热管理

（1）技术原理

相变材料热管理利用相变材料（如石蜡、脂肪酸、高分子相变材料）在相变温度下吸收或释放大量潜热的特性，实现电池温度的调控。将相变材料封装于电池模组间隙或表面，当电池温度升高时，相变材料融化吸收热量；当温度降低时，相变材料凝固释放热量，维持电池温度在合理范围。可单独使用，也可与风冷、液冷结合形成复合热管理系统。

（2）核心特性

1. 被动控温：无需额外动力驱动，依靠相变材料的物理特性实现控温，能耗低。
2. 控温精度高：相变材料在相变温度附近可保持恒温，有效抑制电池温度快速升高，控温精度可达±1℃。
3. 体积兼容性好：相变材料可制成柔性薄膜或填充块，适配机器人内部复杂的空间结构。
4. 散热能力有限：相变材料的潜热容量有限，长时间高功率运行时易达到相变饱和，需配合主动散热系统使用。

（3）人形机器人应用案例

1. 宇树科技新一代人形机器人：采用风冷+相变材料复合热管理系统，在电池电芯之间填充高分子相变材料，优先通过相变材料吸收热量，当温度超过相变阈值时，自动启动风冷系统将热量散出，兼顾被动控温的低能耗与主动散热的高可靠性。例如宇树科技H2采用低惯量高速内转子永磁同步电机，能够实现更好的响应速度和散热效果，如图9-6所示。

图9-6 宇树科技H2

1. 特种人形机器人（如高温环境作业机器人）：采用相变材料+隔热层的被动热管理方案，通过相变材料吸收电池热量，隔热层阻挡外部高温传入，适用于无主动散热条件的极端场景。

（4）优势与局限性

1. 优势：被动控温、能耗低、控温精度高，适合作为主动热管理系统的辅助方案，或用于极端环境下的特种机器人。

2. 局限性：散热能力有限，无法单独满足高功率、长时间运行的散热需求，相变材料的循环稳定性需进一步优化。

3. 热管式热管理

（1）技术原理

热管式热管理利用热管的高效导热特性，将电池产生的热量快速传递至散热器。热管内部填充有工质（如甲醇、丙酮、水），在蒸发端吸收热量后工质汽化，蒸汽沿热管流动至冷凝端释放热量并液化，液态工质通过毛细作用回流至蒸发端，形成循环。系统由热管、散热器、温度传感器及控制单元组成，可与风冷、液冷结合使用。

（2）核心特性

1. 导热效率极高：热管的等效导热系数是铜的数百倍，可快速传递电池局部热量，避免热点产生。
2. 结构紧凑：热管体积小、重量轻，可弯曲成复杂形状，适配机器人内部的狭小空间。
3. 被动导热为主：无需额外动力驱动，仅在冷凝端需配合风冷或液冷实现热量散出。
4. 成本较高：热管的制造工艺复杂，成本高于风冷与相变材料热管理系统。

（3）人形机器人应用案例

1. 特斯拉Optimus下一代原型机：研发热管+液冷复合热管理系统，在电池模组的热点区域布置微型热管，快速将局部热量传递至液冷板，再通过液冷系统散出，进一步提升电池温度均匀性与散热效率，同时降低液冷系统的功耗。
2. 工业级人形机器人（如达闼科技X3）：采用热管+风冷复合热管理系统，利用热管将电池热量传递至机器人躯干的散热鳍片，再通过风扇强制对流散热，兼顾散热效率与系统轻量化。

（4）优势与局限性

1. 优势：导热效率高、结构紧凑、重量轻，适合解决电池局部热点问题，可与其他热管理技术形成高效复合系统。

2. 局限性：制造成本高，单独使用时散热能力有限，需配合风冷或液冷系统完成热量最终散出。

3. 主流热管理技术对比总结

（1）液冷式热管理：散热效率与控温精度最高，适合高功率、大容量锂电池系统，是特斯拉Optimus、混元工业机器人等高端机型的首选方案。

（2）风冷式热管理：结构简单、成本低、轻量化，适合宇树H1、消费级小型机器人等对体积重量敏感的场景。

（3）相变材料热管理：被动控温、能耗低，适合作为辅助热管理方案，或用于特种极端环境。

（4）热管式热管理：导热效率高，适合解决局部热点问题，常与风冷、液冷结合形成复合系统。

总而言之，人形机器人锂电池热管理技术的选型需围绕散热效率、体积重量、场景需求综合权衡。当前主流方案为复合热管理系统，通过主动散热（液冷、风冷）与被动散热（相变材料、热管）的结合，在满足高功率散热需求的同时，实现系统轻量化与低能耗。头部企业如特斯拉、宇树科技均在研发高效复合热管理技术，其核心目标是在紧凑空间内实现电池温度的精准控制，推动人形机器人续航与安全性能的双重提升。