¿Cuánto durará la batería bajo la carga del motor? Una guía práctica para la estimación del tiempo de ejecución

Por qué es importante la estimación del tiempo de ejecución

Si alguna vez has visto morir a un robot en plena competición o has visto caer un dron del cielo antes de lo esperado, sabrás que los cálculos exhaustivos del tiempo de funcionamiento de la batería no son opcionales, sino imprescindibles. El problema es que la fórmula ingenua a la que todos recurren primero es:

casi siempre sobreestima el tiempo de ejecución. Los sistemas reales tienen pérdidas en la fase de conducción, baterías que no se deben descargar por completo y consumos de corriente que fluctúan con la carga mecánica. La calculadora [open the Battery Runtime (Motor Load)] (https://rftools.io/calculators/motor/battery-runtime-motor/) tiene en cuenta todos estos factores para que puedas obtener un número en el que puedas confiar sobre el terreno.

Las entradas que necesita saber

Veamos cada parámetro que acepta la calculadora y por qué es importante.

Capacidad de la batería ($C$) : nominal en miliamperios-hora (mAh) o amperios-hora (Ah). Este es el número principal que aparece en la etiqueta de la batería, pero recuerda: se mide en condiciones de descarga específicas (normalmente C/20 para plomo-ácido, 1C para LiPo). La capacidad utilizable real depende de la velocidad de descarga y de la temperatura. Voltaje de la batería ($V_{\text{bat}}$) — Voltaje nominal del paquete. La calculadora ofrece ajustes preestablecidos rápidos para productos químicos comunes: LiPo 1S (3,7 V), LiPo 2S (7,4 V), NiMH AA (1,2 V por celda) y plomo-ácido sellado de 12 V. También puedes introducir un voltaje personalizado para los paquetes más raros. Corriente media del motor ($I_{\text{avg}}$) : es la corriente media que consume el motor durante el ciclo de trabajo, no la corriente de parada ni la corriente en vacío. Si la hoja de datos de su motor solo proporciona valores de parada y sin carga, una primera estimación razonable para un motor con carga moderada es aproximadamente del 25 al 40% de la corriente de parada, pero mídala si es posible. Eficiencia de accionamiento ($\eta$) : ningún controlador de motor es 100% eficiente. Un puente en H que funciona en modo PWM puede tener una eficiencia del 85 al 95%, según la frecuencia de conmutación, el FET$R_{DS(on)}$y el ciclo de trabajo. Una placa controladora de corriente continua cepillada barata de un proveedor aficionado podría costar cerca del 80%. Este factor infla la corriente consumida de la batería en relación con la corriente suministrada al motor. Profundidad de descarga (DoD) : qué parte de la capacidad nominal de la batería está dispuesto a utilizar. En el caso de los paquetes LiPo, un estado de carga inferior al 20% acelera la degradación, por lo que un DoD del 80% es estándar. Las baterías de plomo-ácido son aún más sensibles: una regla de diseño común para el ciclo de vida de las baterías es el 50% de DoD. Las pilas de NiMH son más tolerantes y un 90% de DoD es razonable.

Las matemáticas detrás de la calculadora

La calculadora calcula cuatro salidas. Así es como se relacionan.

Capacidad utilizable: Corriente efectiva de la batería:

Como la fase de accionamiento no es perfectamente eficiente, la batería debe suministrar más corriente de la que consume el motor:

Tiempo de ejecución: Para mayor comodidad, la calculadora informa de esto tanto en horas como en minutos.

Energía de la batería (estimada) :Esto proporciona una cifra rápida de vatios-hora para el presupuesto energético, lo que resulta útil a la hora de comparar paquetes de diferentes voltajes.

Ejemplo resuelto: LiPo 2S alimentando un motorreductor de corriente continua pequeño

Supongamos que estás construyendo un pequeño robot con ruedas con un paquete LiPo 2S y dos motorreductores de corriente continua con escobillas.

Paso 1 — Capacidad utilizable: Paso 2 — Corriente efectiva de la batería: Paso 3 — Tiempo de ejecución: Paso 4 — Energía de la batería: Por lo tanto, con una conducción moderada, tendrías aproximadamente una hora de autonomía. En la práctica, si el robot pasa tiempo parado o con una carga ligera, obtendrás un poco más. Si está escalando rampas o empujando objetos, la corriente promedio aumenta y el tiempo de ejecución disminuye. Este es exactamente el tipo de análisis de sensibilidad que facilita la calculadora: basta con modificar$I_{\text{avg}}$y observar cómo cambian los números.

Consejos para obtener estimaciones más precisas

Mida la corriente promedio empíricamente. Conecte una resistencia de detección de corriente o un medidor de potencia USB a la red y haga funcionar el sistema durante unos minutos mediante un ciclo de trabajo representativo. El promedio que mida será mucho más preciso de lo que se imagina en cualquier hoja de datos.

Tenga en cuenta el resto del circuito. Los motores suelen ser la carga dominante, pero no olvide el microcontrolador, los sensores, los LED y los módulos de radio. Agregue sus corrientes de reposo a$I_{\text{avg}}$. Reduzca la temperatura. La capacidad de LiPo cae aproximadamente entre un 10 y un 15% a 0 °C, en comparación con 25 °C. Si su aplicación funciona en entornos fríos, reduzca$C$en consecuencia antes de conectarla. Tenga cuidado con la velocidad C Un LiPo de 2200 mAh con una descarga de 1,67 A funciona a unos 0,76 °C, lo que se encuentra dentro de la zona de confort de la mayoría de las mochilas. Si el motor consume corrientes de pulso altas que hacen que el paquete supere su velocidad C nominal, la caída de tensión reducirá la capacidad efectiva más allá de lo que capta el DoD por sí solo.

Pruébalo

Conecta las especificaciones de tu batería y la corriente del motor a la calculadora [abre la batería (carga del motor)] (https://rftools.io/calculators/motor/battery-runtime-motor/) y obtén una estimación exacta del tiempo de ejecución en segundos. Es la forma más rápida de comprobar tu presupuesto energético antes de comprar una batería o antes de que tu robot te avergüence en la pista de competición.