Akkulaufzeit unter Motorlast: Praktischer Leitfaden

Warum Laufzeitschätzung wichtig ist

Folgendes lernt jeder Robotikingenieur auf die harte Tour: Ihr Roboter wird im schlimmsten Moment sterben, wenn Sie nicht zuerst rechnen. Ich habe gesehen, wie Wettbewerbsroboter mitten im Spiel zum Stillstand kamen, und ich habe gesehen, wie Drohnen vom Himmel fielen, weil jemand einem Batterieetikett vertraut hat, ohne die Laufzeit zu berechnen. Der Instinkt besteht darin, die einfachste Formel zu verwenden:

Das wird dich anlügen. Es wird Ihnen sagen, dass Sie doppelt so viel Laufzeit haben wie Sie tatsächlich haben, und Sie werden während einer Demo oder vor Ort herausfinden, wann es zu spät ist, das Problem zu beheben. Echte Systeme sind nicht so einfach. Ihr Motortreiber verschwendet Strom in Form von Wärme. Ihre Batterie sollte nicht auf Null heruntergefahren werden, wenn Sie möchten, dass sie mehr als ein Dutzend Zyklen übersteht. Und Ihr Motor zieht keinen konstanten Strom — er variiert je nach mechanischer Belastung, Beschleunigung und einem Dutzend anderer Faktoren.

Der Rechner für die Akkulaufzeit (Motorlast) behebt dieses Problem. Er berücksichtigt die Treibereffizienz, die Grenzwerte für die sichere Entladungstiefe und gibt Ihnen eine Laufzeit, die Sie tatsächlich einplanen können. Verwenden Sie es, bevor Sie eine Batterie spezifizieren, und nicht, nachdem Ihr Prototyp während des Investorengesprächs leer ist.

Die Eingaben, die Sie kennen müssen

Lassen Sie uns aufschlüsseln, was der Taschenrechner benötigt und warum jeder Parameter in der realen Welt tatsächlich wichtig ist.

Akkukapazität ($C$) — Dies ist die auf Ihrem Akku aufgedruckte Zahl in Milliamperestunden (mAh) oder Amperestunden (Ah). Scheint einfach, oder? Außer dass diese Nummer kleingedruckt ist. Bei Blei-Säure-Batterien wird sie normalerweise mit der Entladerate C/20 gemessen, was bedeutet, dass sie die Batterie über 20 Stunden entladen. Bei LiPo-Packs liegt sie normalerweise bei 1 °C. Ziehen Sie mehr Strom als unter den Testbedingungen, und Ihre effektive Kapazität sinkt. Auch die Temperatur spielt eine Rolle: Ein LiPo bei 0 °C liefert möglicherweise nur 85% seiner Nennkapazität. Denken Sie daran, wenn Sie im Winter etwas im Freien tun. Akkuspannung ($V_{\text{bat}}$) — Die Nennspannung Ihres Akkus. Der Rechner verfügt über Voreinstellungen für die üblichen Verdächtigen: 3,7 V für ein Einzelzellen-LiPo (1S), 7,4 V für 2 S, 1,2 V für NiMH-AA-Zellen und 12 V für versiegelte Blei-Säure. Sie können auch eine benutzerdefinierte Spannung eingeben, wenn Sie etwas Seltsames wie ein 6S-Pack oder ein 24-V-System verwenden. Denken Sie daran, dass es sich um eine Nennspannung handelt — Ihre Packspannung sinkt unter Last ab und steigt an, wenn Sie die Last entfernen, aber die Nennspannung verwenden wir für Energieberechnungen. Motorstrom, Durchschnitt ($I_{\text{avg}}$) — Hier bauen die meisten Leute Mist. Sie benötigen den durchschnittlichen Strom während Ihres typischen Betriebszyklus, nicht den Stillstandsstrom aus dem Datenblatt (der viel höher ist) und nicht den Leerlaufstrom (der viel niedriger ist). Wenn Sie Räder auf ebenem Boden mit mäßiger Last durchdrehen, ziehen Sie möglicherweise 25— 40% des Stillstandsstroms. Eine Rampe erklimmen? Vielleicht 60%. Die einzige Möglichkeit, dies mit Sicherheit zu wissen, besteht darin, es zu messen, aber selbst eine grobe Schätzung ist besser, als den Stallstrom zu verwenden und sich zu fragen, warum Ihre Batterie in zehn Minuten leer ist. Effizienz des Antriebs ($\eta$) — Ihr Motortreiber ist kein perfekter Allrounder. Eine H-Brücke, die moderne MOSFETs im PWM-Modus verwendet, kann einen Wirkungsgrad von 85— 95% erreichen, wenn sie gut konzipiert ist, mit einer angemessenen Frequenz schaltet und niedrige$R_{DS(on)}$FETs verwendet. Eine billige, gebürstete DC-Treiberplatine, die Sie für 3$ bei eBay bekommen haben? Vielleicht 80% an einem guten Tag. Dieser fehlende Wirkungsgrad führt zu Hitze im Treiber, und was noch wichtiger ist, das bedeutet, dass die Batterie mehr Strom liefern muss, als den Motor tatsächlich erreicht. Das ist kein geringer Effekt — bei einem Wirkungsgrad von 85% ist Ihr Batteriestrom etwa 18% höher als der Motorstrom. Entladungstiefe (DoD) — Wie viel von der Batterie Sie tatsächlich verwenden möchten. Hier kommt es wirklich auf die Batteriechemie an. LiPo-Packs beginnen sich schnell zu verschlechtern, wenn Sie sie regelmäßig unter 20% des Ladezustands entladen. Daher sind 80% DoD die Standardpraxis. Wenn Sie tiefer gehen, haben Sie heute vielleicht noch ein paar Minuten Laufzeit, aber in einem Monat werden Sie neue Batterien kaufen. Blei-Säure ist sogar noch empfindlicher — die meisten Designs verwenden 50% DoD, um eine angemessene Lebensdauer zu erreichen. NiMH ist nachsichtiger, und Sie können problemlos 90% DoD verwenden, ohne das Rudel zu zerstören. Mit dem Rechner können Sie dies anpassen, sodass Sie je nach Anwendung die Laufzeit gegen die Akkulaufzeit eintauschen können.

Die Mathematik hinter dem Taschenrechner

Der Taschenrechner gibt vier Zahlen aus. Hier erfahren Sie, was er tatsächlich berechnet und warum.

Nutzbare Kapazität: Ganz einfach: Sie nehmen die Nennkapazität und multiplizieren sie mit dem Bruchteil, den Sie verwenden möchten. Wenn Sie ein 2200-mAh-Paket haben und sich auf 80% DoD beschränken, haben Sie 1760 mAh, mit denen Sie arbeiten können. Effektiver Strom aus der Batterie:

Hier kommt die Fahrereffizienz ins Spiel. Die Batterie liefert nicht nur den Motorstrom — sie muss genug Strom liefern, um die Verluste im Treiber abzudecken:

Wenn Ihr Motor 1,5 A zieht und Ihr Treiber einen Wirkungsgrad von 90% hat, liefert die Batterie tatsächlich 1,67 A. Diese zusätzlichen 0,17 A werden in Ihren MOSFETs in Wärme umgewandelt.

Laufzeit:

Jetzt können wir berechnen, wie lange die Batterie hält:

Der Taschenrechner zeigt dies sowohl in Stunden als auch in Minuten an, weil niemand in Dezimalstunden denkt. Dies ist die Zahl, die Ihnen wirklich wichtig ist — wie lange dauert es, bis Ihr System heruntergefahren wird.

Batterieenergie (geschätzt) :Dadurch erhalten Sie Wattstunden, was nützlich ist, wenn Sie Batterien mit unterschiedlichen Spannungen vergleichen. Ein 2200-mAh-LiPo (7,4 V) und ein 4400-mAh-1S-LiPo (3,7 V) haben dieselbe Nennkapazität in mAh, aber das 2S-Paket hat die doppelte Energie. Wattstunden lösen das Durcheinander.

Funktioniertes Beispiel: 2S LiPo treibt einen kleinen DC-Getriebemotor an

Lassen Sie uns ein reales Szenario durchgehen. Du baust einen kleinen Roboter auf Rädern — vielleicht für einen Hochschulwettbewerb oder einfach nur zum Herumspielen in deiner Garage. Sie haben ein 2S-LiPo-Paket und zwei gebürstete Gleichstromgetriebemotoren, die die Räder antreiben.

Schritt 1 — Nutzbare Kapazität:

Sie werden den LiPo nicht vollständig ablassen, also:

§5 §

Schritt 2 — Effektiver Batteriestrom:

Ihr Treiber arbeitet zu 90% effizient, sodass die Batterie mehr liefert, als die Motoren verbrauchen:

Schritt 3 — Laufzeit:

§7 §

Ungefähr eine Stunde Laufzeit. Das setzt kontinuierliches gemäßigtes Fahren voraus — flacher Boden, gleichbleibende Geschwindigkeit, keine aggressive Beschleunigung.

Schritt 4 — Batterieenergie: Sie haben also 13 Wattstunden an nutzbarer Energie in diesem Paket. Wenn Sie das mit einem anderen Spannungspack vergleichen würden, würden Sie diese Zahl verwenden.

Hier ist der Realitätscheck: Wenn Ihr Roboter die Hälfte seiner Zeit damit verbringt, still zu sitzen, auf Sensoreingaben zu warten oder sich langsam zu bewegen, wird Ihre tatsächliche Laufzeit länger als 63 Minuten sein. Wenn er Rampen erklimmt, Gegenstände schiebt oder schnelle Richtungswechsel durchführt, steigt der durchschnittliche Strom und du wirst weniger bekommen. Genau aus diesem Grund ist der Taschenrechner nützlich — Sie können verschiedene Werte für$I_{\text{avg}}$eingeben, je nachdem, was Sie vom Roboter erwarten, und sehen, wie empfindlich Ihre Laufzeit auf Betriebsbedingungen reagiert. Dieser Durchschnitt von 1,5 A kann 0,8 A für leichte Beanspruchung oder 2,5 A für schwere Arbeiten sein, und die Laufzeit schwankt entsprechend von 110 Minuten auf 42 Minuten.

Tipps für genauere Schätzungen

Messen Sie Ihren Durchschnittsstrom in der realen Welt. Datenblätter sind ein Ausgangspunkt, aber sie sind kein Evangelium. Besorgen Sie sich einen Strommesswiderstand oder einen USB-Leistungsmesser (die Art mit Display und Protokollierung) und messen Sie tatsächlich, was Ihr System während eines typischen Betriebszyklus verbraucht. Lassen Sie es fünf Minuten lang laufen und erledigen Sie repräsentative Aufgaben und sehen Sie sich den Durchschnitt an. Diese Zahl ist zehnmal mehr wert als jede Schätzung, die auf Stallstrom und Handbewegungen basiert. Vergessen Sie nicht den Rest Ihres Stromkreiss. Motoren sind normalerweise der größte Stromfresser, aber sie sind nicht das einzige, was Strom verbraucht. Ihr Mikrocontroller könnte 50 mA aufnehmen. Ihre Sensorsuite könnte weitere 100 mA hinzufügen. Das WiFi-Modul, das du in letzter Minute hinzugefügt hast? Könnte beim Senden 200 mA sein. Addieren Sie alles und nehmen Sie es in$I_{\text{avg}}$auf, sonst wird Ihnen die Laufzeit auf rätselhafte Weise knapp. Die Temperatur ist nicht optional. Die LiPo-Kapazität sinkt bei 0 °C im Vergleich zur Raumtemperatur um 10— 15%. Wenn Sie im Winter eine Drohne fliegen oder bei kaltem Wetter einen Outdoor-Roboter einsetzen, müssen Sie Ihre Kapazität verringern, bevor Sie ihn an den Taschenrechner anschließen. Andernfalls werden Sie überrascht sein, wenn Ihre Batterie früh leer wird. Manche Leute multiplizieren einfach$C$mit 0,85 für den Betrieb bei kaltem Wetter und nennen es Feierabend.

Achten Sie auf Ihre C-Rate. In diesem Beispiel ziehen wir 1,67 A aus einem 2200-mAh-Pack, was etwa 0,76 C entspricht. Die meisten LiPo-Packs sind mit 1C Dauerbetrieb zufrieden und können Burstströme verarbeiten, die viel höher sind. Wenn Sie jedoch hohe Impulsströme abziehen — sagen wir, Ihr Motor bleibt beim Start kurz stehen oder stößt auf ein Hindernis — und Sie die Nenn-C-Rate des Akkus überschreiten, wird es zu einem Spannungsabfall kommen, der die effektive Kapazität über das hinaus reduziert, was die DoD-Einstellung berücksichtigt. Ein Paket, das für einen Burst von 20 C ausgelegt ist, kommt damit gut zurecht. Ein billiges Paket ohne C-Bewertung? Du spielst. Berücksichtigen Sie den Spannungsabfall unter Last. Wenn sich die Batterie entlädt und Sie mehr Strom abziehen, sinkt die Klemmenspannung. Für die meisten Anwendungen mit Gleichstrommotoren bedeutet dies nur, dass der Motor gegen Ende des Entladezyklus etwas langsamer läuft, was in Ordnung ist. Wenn Sie jedoch über spannungsempfindliche Elektronik verfügen (z. B. einen 5-V-Regler, der mindestens 6,5 V-Eingang benötigt), kann es vorkommen, dass Ihr System durchgebrannt ist, bevor Sie Ihr DoD-Limit erreichen. Der Rechner gibt Ihnen eine durchschnittliche Laufzeit an, aber echte Systeme haben Spannungsuntergrenzen, die Sie einhalten müssen.

Versuch es selbst

Das gehört nicht zu den Dingen, die man einmal tut und dann vergisst. Jedes Mal, wenn Sie Motoren wechseln, Akkus austauschen oder Ihr Antriebsprofil anpassen, ändert sich Ihre Laufzeit. Geben Sie Ihre tatsächlichen Zahlen in den Rechner für Akkulaufzeit (Motorlast) ein und sehen Sie, was Sie bekommen. Es dauert 30 Sekunden und Sie erfahren, ob Ihr Leistungsbudget realistisch ist oder ob Sie eine größere Batterie, einen effizienteren Treiber oder eine geringere mechanische Belastung benötigen.

Ich habe zu viele Projekte gesehen, die gescheitert sind, weil jemand ohne Überprüfung davon ausgegangen ist, dass die Batterie „lange genug“ halten würde. Sei nicht diese Person. Rechnen Sie nach, messen Sie Ihren Strom und entwerfen Sie mit Rand. Ihr zukünftiges Ich — und Ihre Leistung im Wettbewerb — werden es Ihnen danken.