Cómo elegir la fuente de alimentación adecuada para su robot

En el siguiente artículo me gustaría compartir algunos consejos prácticos sobre cómo suministrar energía a los robots móviles. Saltemos directamente a eso.

Hay muchos tipos diferentes de baterías disponibles en el mercado, pero para simplificar las cosas, las dividiremos en dos grupos.

Hay baterías que son geniales para los robots...

…y baterías que no son tan buenas (es decir, no las use):

Hay un par de otros tipos, sin embargo, no discutiremos nada costoso, difícil de comprar o difícil de cargar.

La siguiente tabla le dará una descripción general de los tipos de batería mencionados anteriormente (las adecuadas para robots). Hay muchas celdas modernas de Li-Ion, que permiten descargarlas con corriente hasta 90C, pero la tabla sería 10 veces más amplia si quisiera describirlas todas.

De hecho, las baterías Li-Poly son el subgrupo de las baterías Li-Ion. Podemos decir que son una versión especial de las baterías normales de Li-Ion. ¿Por qué son especiales? La diferencia es que durante la producción, las celdas de iones de litio deben presionarse en una lata de metal (generalmente cilíndrica) para que permanezcan en una sola pieza. Las celdas de Li-Poly, que se introdujeron más tarde, tienen una construcción diferente y pueden sostenerse sin el apoyo del cilindro externo.

Sin embargo, los parámetros eléctricos de Li-Ion y Li-Poly son casi idénticos.

Las baterías de NiMH son populares debido a su baja resistencia interna y su buena relación potencia-peso. También son mucho más seguras que las células basadas en Li. Las explosiones de tales baterías son realmente raras (sin embargo, no recomendaría tirarlas al fuego;)). La energía específica (relación energía-peso) de NiMH es mucho peor que la de las celdas de litio.

[bctt tweet="Elegir el tamaño, la versión, la capacidad de alta corriente, la capacidad, etc. de la batería correctos es mucho más importante que elegir entre NiMH o Li-Ion". nombre de usuario="iotforall"]

La forma más popular de cualquier batería es una lata cilíndrica. Se utiliza para Li-Ion, NiMH y muy raramente para células Li-Poly (no necesitan una lata como se mencionó anteriormente). Las celdas de la foto de arriba tienen un diámetro de 18 mm y una longitud de 65 mm. Esa es la razón por la que se llaman celdas "18650". Entonces, si encuentra una celda 18650, puede estar casi seguro de que es una celda de iones de litio.

Puede ver que el amarillo tiene un terminal plano "+": está preparado para soldar celdas en un grupo para formar paquetes de baterías (como el que se muestra a continuación). La celda azul de "consumidor" tiene un terminal "+" elevado, por lo que se puede insertar y quitar fácilmente de un soporte de batería con un resorte en el lado del terminal "-". Las celdas de consumo a menudo tienen circuitos de protección incorporados y, por lo tanto, son entre 2 y 4 mm más largas que las celdas 18650 normales.

Otras dimensiones populares para las celdas de iones de litio y NiMH son 14500 (14x50 mm), ampliamente conocidas como AA. También puedes encontrar 18500, 26650, 16650, AAA, C, D y muchos otros tipos.

Esta forma se usa cuando la construcción de la batería requiere una lata de metal. Las celdas prismáticas de iones de litio se usaban comúnmente en dispositivos portátiles (como teléfonos celulares) cuando las baterías de polímero de litio aún no eran populares. Dato curioso: el Nokia 3310 usaba una batería de NiMH en forma de prisma.

Como se mencionó anteriormente, las baterías Li-Poly no necesitan una carcasa de metal. Se producen en forma de lonchas finas y elásticas, que se apilan y se insertan en las bolsas en lugar de enrollarse en la lata. La falta del embalaje metálico es la razón principal por la que "Li-Poly" pesa menos que "Li-Ion", proporcionando la misma potencia.

Las celdas de bolsa son rentables y, por lo general, son muy delgadas, por lo que se adaptan perfectamente cuando se trata de suministrar energía a teléfonos inteligentes, tabletas y netbooks.

Las bolsas a veces pueden tener circuitos de protección:

También se pueden apilar en bloques:

Estos bloques se usan a menudo en drones, autos RC y otros juguetes de alta potencia. Las baterías Li-Poly para aficionados a RC no tienen ningún circuito de protección. Esta es una situación única si se tiene en cuenta el mercado de consumo.

¡Es importante recordar que no hay que confundir Li-Polys para teléfonos inteligentes y Li-Polys para cuadricópteros! Los primeros suelen ser tipos de alta energía, tienen una resistencia interna bastante grande y una corriente de descarga máxima baja (alrededor de 1C). Por otro lado, las baterías para aficionados al RC están preparadas para descargarse con alta corriente, ¡hasta 30–90C! Entonces... ambos son Li-Polys... pero completamente diferentes.

Los robots son diferentes, al igual que su apetito por el poder. Analicemos tres ejemplos de robots para el propósito de este artículo:

¿Qué es un robot de sumo? Es un robot diseñado para luchar con otro robot en competiciones de sumo. Las reglas de tales competencias generalmente especifican el límite de 10 x 10 cm de huella, con cualquier altura permitida. El peso máximo es de 500g. En la mayoría de los casos, los robots de minisumo utilizan dos motores de corriente continua o sin escobillas y algunas piezas móviles adicionales que se utilizan para hacer palanca o confundir al oponente.

En nuestro ejemplo, utilizaremos dos motores de corriente continua para conducir y una pala para levantar al oponente, haciéndolo perder el agarre. La pala se coloca sobre el robot al principio, por lo que la huella del robot está dentro del límite. Justo después del inicio, una cuchara se moverá a la posición más baja y se ubicará frente al robot. La pala se controla con un servo RC.

Por lo general, las competiciones en sí son bastante cortas, pero el robot debe permanecer operativo durante varias batallas seguidas. Supongamos que 15 minutos es un tiempo de trabajo mínimo total.

También asumimos que usaremos algunos condensadores de baja impedancia para manejar los picos de alta corriente que consumen los motores, por lo que las baterías tienen que entregar alrededor de 4 A en un pico. La corriente promedio utilizada por el robot será de aproximadamente 2A.

Entonces, ahora especifiquemos los requisitos para las baterías:

Teniendo estos parámetros, podemos enumerar algunas baterías a juego para elegir.

NiMH: 7 pilas AAA — FDK HR-4U o similar

Comentario: Fácil de cargar y seguro. Largo tiempo de carga, pero se pueden usar como baterías reemplazables con el soporte de la batería (necesita más espacio). Solo 100g de peso. La relación capacidad-precio más baja.

Li-Ion: paquete de baterías 3×18650: Tenergy 31012, 11.1V 2200mAh con circuito de protección

Comentario: Más difícil de cargar, pero la carga es mucho más rápida. Integra un circuito de protección para evitar sobrecargas, sobredescargas y cortocircuitos. Más grande que NiMH pero tiene más del doble de su capacidad, por lo que no tendrá que preocuparse por cargarlo o reemplazarlo durante el día.

Li-Poly: Hyperion G5 50C 2S 850mAh LiPo

Comentario: Elección correcta si desea el mejor rendimiento y el menor peso y volumen. El inconveniente es el bajo voltaje: debe mantener los cables cortos y usar los reguladores LDO para la electrónica. ¡No tiene ningún circuito de protección, por lo que es una opción menos segura!

Analicemos ahora un ejemplo de un robot volador, que debe ser lo más liviano posible (¿necesita volar, verdad?). Los hay de diferentes tamaños pero digamos que es un dron de 45 x 45 cm. Utiliza cuatro motores BLDC para hélices, tiene circuitos electrónicos pequeños pero inteligentes y un transceptor de radio. La fuente de alimentación entregará mucha energía en poco tiempo.

Asumimos que se han realizado todos los cálculos relacionados con el peso del dron y la potencia de los motores y sabemos que necesitamos una batería con un voltaje nominal de aproximadamente 14-15V.

Los requisitos para las baterías son:

Ejemplos de baterías que cumplen estos requisitos:

NiMH: no esta vez, necesitamos mucha energía de una unidad de peso; Las células basadas en Li son mucho mejores

Li-Ion: paquete de baterías de 12 × 18650 (4S3P) hecho de celdas KeepPower IMR18650 2500mAh 3,7V 20A (20A continuo, 35A pico)

Comentario: La capacidad parece mucho más de lo necesario, pero con la alta corriente puede ser incluso la mitad de eso. Los iones de litio no se utilizan en drones. Como podemos ver, no es una locura usarlos, pero es difícil encontrar y comprar las versiones de alta corriente y tienen una potencia específica (relación potencia-peso) mucho más baja que las celdas Li-Poly de alta corriente, que es fundamental en los robots voladores.

Li-Poly: Turnigy Graphene 5000mAh 4S 45C Lipo Pack con XT90 (45C continuo, 90C pico)

Comentario: Probablemente los parámetros estén exagerados, pero sigue siendo la mejor opción debido a un gran margen de corriente máxima de descarga. Esto debería asegurar una larga vida útil de la batería. La relación capacidad-peso es menor que para Li-Ion, pero solo para descargas de baja corriente. En esta aplicación no tendremos bajas corrientes y el tiempo de vuelo será menor al calculado a partir de la capacidad declarada.

AGV es un vehículo guiado automatizado con una sola computadora de tablero, una cámara y muchos sensores en el tablero. Tiene 4 ruedas, 2 de ellas son accionadas por motores DC. Su aplicación es escanear la forma de las habitaciones en diferentes edificios y crear un mapa de las habitaciones con texturas. La velocidad no es crítica porque enfocar las lentes de la cámara, escanear la habitación con LiDAR y computar o transmitir datos sin procesar lleva bastante tiempo. Por lo tanto, el robot no puede conducir demasiado rápido.

Esta vez, el consumo está relacionado con la potencia, no con la corriente, debido a muchos convertidores CC/CC que convierten un voltaje más alto y una corriente baja en un voltaje más bajo y una corriente alta. Luego, podemos elegir el voltaje mínimo para la batería, 10 V, y calcular la corriente promedio para nuestra conveniencia.

Los requisitos para las baterías son los siguientes:

NiMH: esta vez no: la energía es una prioridad; Las células basadas en Li son mucho mejores

Li-Ion: paquete de baterías 6×18650 (3S2P) hecho de INR18650–35E Samsung 3500mAh

Comentario: Muy buena elección. La energía específica (relación capacidad-peso) es mucho mayor que la requerida para este volumen. El precio es bajo.

Li-Poly: un paquete de baterías 3S1P hecho de LP616594 4700mAh 3.7V

Comentario: Menor peso y volumen, pero peor energía específica y mayor precio. Un ejemplo de un tipo de iones de litio de baja corriente: la corriente máxima es solo 2C, pero es suficiente para este propósito.

Esperamos que este artículo le ayude a elegir la batería adecuada para su robot.

Un par de cosas a tener en cuenta: