电路堆叠轻量级固态电池如何助力微型机器人飞起来

尽管它们是科幻电影和阴谋论的主要内容，但在现实生活中，被电池和电子设备压得喘不过气来的微型飞行微型机器人一直在努力走得很远。但是，一种称为“飞行电池”拓扑结构的电路和轻型固态电池的新组合可以让这些机器人真正起飞，有可能从一个重达毫克的系统为微型机器人供电数小时。

微型机器人可能是一项重要的技术，可以发现被埋在瓦砾中的人，或者在其他危险情况下侦察前方。但这是一项艰巨的工程挑战，加州大学圣地亚哥分校 （University of California， San Diego） 的电气和计算机工程教授帕特里克·梅西尔 （Patrick Mercier） 说。Mercier 的学生 Zixiao Lin 上个月在 IEEE 国际固态电路会议 （ISSCC） 上介绍了这种新电路。“你有这些非常小的机器人，你希望它们在野外能持续尽可能长的时间，”Mercier 说。“最好的方法是使用锂离子电池，因为它们具有最好的能量密度。但有一个基本问题，即执行器需要的电压比电池能够提供的电压高得多。

Mercier 解释说，锂电池可以提供大约 4 伏特的电压，但微型机器人的压电致动器需要数十到数百伏特的电压。包括 Mercier 自己的团队在内的研究人员已经开发了升压转换器等电路来提高电压。但是，由于它们需要相对较大的电感器或一堆电容器，因此它们会增加太多的质量和体积，通常占用的空间与电池本身一样多。

法国国家电子实验室 CEA-Leti 开发的一种新型固态电池提供了一种潜在的解决方案。这些电池是采用半导体加工技术制成的薄膜材料堆栈，包括钴酸锂和氮氧磷锂，可以切割成微小的电池。一个 0.33 立方毫米、0.8 毫克的电池可以存储 20 微安小时的电量，或每升约 60 安培小时。（锂离子耳塞式电池可提供超过 100 Ah/L 的容量，但大约是其 1,000 倍。位于法国格勒诺布尔的 CEA-Leti 基于该技术的衍生公司 Inject Power 正准备在 2026 年底开始批量生产。

动态堆叠电池

由于固态电池可以切割成微小的电池，研究人员认为他们可以使用不需要电容器或电感器的电路来实现高电压。相反，该电路会主动重新排列许多微型电池之间的连接，将它们从并联移动到串行，然后再返回。

想象一下，一个微型无人机通过拍打连接到压电致动器的机翼来移动。它的电路板上有十几个固态微型电池。每个电池都是由四个晶体管组成的电路的一部分。这些充当开关，可以动态地改变与该电池邻居的连接，使其要么是并联的，因此它们共享相同的电压，要么是串行的，因此它们的电压被添加。

开始时，所有电池都并联，提供的电压远不足以触发执行器。然后，UCSD 团队构建的 2 平方毫米 IC 开始打开和关闭晶体管开关。这将重新排列单元之间的连接，以便前两个单元串行连接，然后是三个，然后是四个，依此类推。在百分之几秒内，电池全部串联起来，电压已经向致动器上堆积了大量的电荷，以至于它把微型机器人的翅膀折断了。然后 IC 展开该过程，使电池再次并联，一次一个。

“飞电池”中的集成电路总面积为 2 平方毫米。帕特里克·梅西耶

绝热充电

为什么不一次串联每个电池，而不是通过这种斜坡上升和下降方案呢？一句话，效率。

只要电池序列化和并联以足够低的频率完成，系统就会绝热充电。也就是说，它的功率损失被最小化。

但 Mercier 说，这是执行器触发后发生的事情，“真正的魔力就在这里”。电路中的压电致动器就像一个电容器，储存能量。“就像汽车中的再生制动一样，我们可以回收存储在该执行器中的一些能量。”由于每个电池都未堆叠，因此剩余储能系统的电压低于执行器，因此一些电荷会流回电池中。

加州大学圣地亚哥分校团队实际上测试了两种固态微型电池——东京 TDK 的 1.5 伏陶瓷版本 （CeraCharge 1704-SSB） 和 CEA-Leti 的 4 V 定制设计。使用 1.6 克 TDK 电池时，电路达到 56.1 伏特，并提供每克 79 毫瓦的功率密度，但使用 0.014 克定制存储时，最高电压为 68 V，并表现出 4,500 mW/g 的功率密度。

Mercier 计划与机器人合作伙伴一起测试该系统，同时他的团队和 CEA-Leti 致力于改进飞行电池系统的封装、小型化和其他特性。需要工作的一个重要特性是微型电池的内阻。“挑战在于，堆叠的越多，串联电阻就越高，因此我们可以运行系统的频率就越低，”他说。

尽管如此，Mercier 似乎看好飞行电池让微型机器人保持高空飞行的机会。“具有电荷恢复和无被动的绝热充电：这是有助于增加飞行时间的两个胜利。”