充电一分钟,工作一整天!这个物流机器人的杀手锏在于电池

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充电一分钟,工作一整天!这个物流机器人的杀手锏在于电池
麻省理工科技评论 15天前 0

15天前

水岩科技凭借引入新电池技术,意图从根本解决机器人的可用性问题。
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水岩科技凭借引入新电池技术,意图从根本解决机器人的可用性问题。

中国已经成为全世界负载最重的物流产业国家之一,目前平均每天收发的货物已经超过一亿件,马云甚至认为几年后日流量十亿件将可能不是双十一的特例,而是成为常态。在这么沉重的物流负担之下,传统的人工管理方式已然捉襟见肘,事实上,人力本身就是一种瓶颈,人无法整天工作不休息、人无法在全黑的环境下工作、人很容易做出错误判断,增加物流的额外负担,那么,用机器取代人类,一切就可以解决了?

事实上,过去几年由 Amazon 带起的自动化仓储物流机器人的概念,成为许多货运或物流行业关注的焦点,尤其是中国许多领头的物流企业,纷纷都加入了自动化仓储系统的行列,希望藉此降低整体管理成本,增加管理以及物流本身的效率。但是机器人一旦接管仓储物流,业者又有新的问题要烦恼:如何让机器人可以达到最大可用工作时数,降低因故障或电池充电所耗损的时间,同时又要强化庞大机器员工的管理便利性?

水岩科技凭借引入新电池技术,意图从根本解决机器人的可用性问题。

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传统锂电池机器人面临效率瓶颈

水岩科技 CEO 吕江在两年前创立了水岩科技,致力于仓储自动化环境与设备相关方案的研发与提供,吕江在接受 DT 君专访时提到,完整的机器人自动仓储系统包含了四大部分,也就是机器人本体、货架、工作站以及系统,把这些摆到仓库中,配合针对个别商品类型的仓储管理算法,就可以打造出一个基本的自动仓储体系。

其实包括仓库、系统,以及货架的设计等相关成本并不高,以水岩提供的系统为例,其后端的服务器其实只要一般几万块人民币等级的硬件就可以承担起五千个机器人在同一仓库中的工作协调,而货架等基本上虽有一定的规格需求,但成本也不高。所以成本最高的部分其实就是机器人本身,为了要让机器人可以随时在最高效率下工作,且尽可能维持最高可用时间,尽量把投资设备的效益最大化,电池技术可以说是最关键的议题。

吕江表示,传统机器人使用的锂电池存在着高危险性,虽然可以做到快充,但快充所导致的高热可能会导致电池模块的损坏,且快充也会大大的降低电池寿命。所以使用传统锂电池的仓储物流机器人,多半都是依靠高电量来维持运作,并且尽量寻求较长的空闲时间来进行充电。

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但问题来了,仓储中心通常要应付 24 小时不间断的进出货工作,很难有真正的空闲时间,也因此,当有机器人必须因为充电而离开工作岗位时,势必就会造成一定的工作效率降低问题,而为了要弥补效率的损失,就必须要准备高于正常需求的机器人数量,以备随时替换,维持流水线的流畅。但这么一来,就必须要负担额外的机器人成本。

 

钛酸锂电池的技术特性:高可靠、低容量

吕江表示,为了解决这个问题,水岩提出了相当激进的概念,那就是使用最新的钛酸锂电池技术,用高达 120A 的超大电流快充取代过去的大容量锂电池应用概念。钛酸锂电池其实就是置换了负极材料的锂电池,有值得关注重要特性有以下几个:

首先,它的稳定性非常高,传统锂电池为了达到更高的能量密度,负极绝大多数使用碳材,缺点在于安全性及循环寿命不好,甚至容易因为温度变化而发生爆炸危险。若使用钛酸锂材料作为负极,由于该材料结构稳定,循环寿命良好;充放电时几乎无体积变化,较高的工作电位使得它在高速充电状态下,材料表面不会发生锂沉积而导致短路,安全性极优。也因此,钛酸锂电池可以承受极高电流通过而不会影响到寿命和稳定性,从而确保了快速充电的效率以及可靠性。

其次,传统锂电池负极材料在充放电的过程都会因为锂离子的交互过程导致晶体结构变化,影响充放电转换效率,一般多在 3000 次的充放电次数后负极材料就完全无法进行充放电,此时电池也等同宣告寿终正寝。但是钛酸锂电池的材料特性非常稳定,几乎不受充放电过程的锂离子影响,因此充放电循环理论上可高达数万次,根据实测,在 16000 次充放电之后还能维持超过 80% 的电容量,理论上机器人就算寿终正寝,电池仍能继续为下一台机器人工作。

最后,钛酸锂电池在材料结构上,提供锂离子三维扩散通道,这让环境温度不易影响充放电效率,理论上钛酸锂电池的电池结构在零下 50 到零上 60 度都可以进行正常充放电而不会产生任何效率上的折损或者风险。 

钛酸锂电池美好的地方太多,但为何市场上普及率并不高?吕江提到一个关键原因:该电池技术的最大的短板,就是钛酸锂电池的能量密度太低,续航能力较弱,且其对锂元素的利用率也不到一般锂电池的一半。换言之,如果要用钛酸锂电池达到一般锂电池的电容量,就必须使用更大量的锂元素。钛酸锂材料本身成本就高,如果要设计出大容量产品,就要耗用远高于一般电池的材料,这也导致钛酸锂电池的整体成本可能要高过传统锂电池三倍以上。

吕江强调,除了钛酸锂电池的稳定性外,促使水岩最新一代的仓储物流机器人改用钛酸锂电池的最大理由,在其可承受超大电流的快速充电能力。吕江表示,他们所使用的钛酸锂电池使用电流高达 120A 的充电座,可在六分钟充满八成电量,若繁忙时,甚至可控制在一分钟充到可维持整天工作的能力,解决物流机器人因充电而被迫缺工的窘况。

 

快充将可从根本改变自动仓储营运逻辑,强化营运弹性

吕江表示,虽然一般锂电池同样能做到快充,但他们认为并不适合于自动化仓储的环境中。主要理由就是传统锂电池材料不稳定,用来做快充的风险太高,小则损坏个体机器人,严重的话可能整个仓库都烧了也说不定。另外,就算使用过程都没有发生问题,快充也会大大减损传统锂电池的寿命,仓管运营者最后可能会为了更换电池而疲于奔命,增加营运成本不说,也大大的降低了仓储运转效率。

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吕江说,从传统充电转换到快充,可以用个方式来比拟:传统电动大巴用的是高容量锂电池,寻常班次结束后需要有比较长的时间进行充电,方可回复次日班次所需电力。而使用了钛酸锂电池取代传统锂电池之后,大巴可以在每次过站就进行短时间充电,并维持全日 24 小时营运,也因此就不会有服务上的空白部分。自动仓储物流机器人也是同样的概念,透过快充技术可以确保最高的续战力,即便电池即将耗光,也可在最短时间内回复工作状态,从而确保仓储流水线上的机器人可以随时维持在最大数量,确保整体的工作效率。

 

新款机器人上线后已被验证远较传统机器人杰出的可用弹性

吕江表示,水岩采用新钛酸锂电池的新款机器人投入使用已经将近半年,虽然新旧款最大的差别在外型以及电池使用类型,速度表现也一致,但目前在可用性及可靠性方面已经有比旧款产品更优秀的表现,平均检货能力亦超越业界平均水平。另外,水岩的物流机器人拥有相当高的自主能力,虽然视野小,但系统容错能力高,且设计了独家的平衡避震系统,类似汽车的独立悬挂,可容忍不是太平坦的工作环境,确保运送货物的安全。水岩科技也提供针对不同仓储环境设计的算法,配合系统内部的效率评估系统,从而确保各类型仓储管理物流上的效率可达最优化。

水岩物流机器人的钛酸锂电池模块来自国内另一家创立七年的公司科易动力,他们采用了业界可靠性最高的东芝电芯,从 2011 年推出至今达到零故障率的纪录,配合自主研发的 IMS 电池管理系统,目前也广被各种行业机器人及电动交通工具行业所采用。

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