Tiempo de funcionamiento de la batería bajo carga del motor: guía práctica

Por qué es importante la estimación del tiempo de ejecución

Esto es algo que todo ingeniero robótico aprende por las malas: tu robot morirá en el peor momento posible si no haces los cálculos primero. He visto cómo los robots de competición se paralizaban a mitad de partida, y he visto cómo caían drones del cielo porque alguien confiaba en la etiqueta de una pila sin llegar a calcular su autonomía. El instinto es coger la fórmula más sencilla:

Esto te mentirá. Te dirá que tienes el doble de tiempo de ejecución del que realmente tienes y descubrirás durante una demostración o sobre el terreno cuando sea demasiado tarde para solucionarlo. Los sistemas reales no son tan sencillos. El conductor del motor desperdicia energía en forma de calor. La batería no debe agotarse si quieres que sobreviva más de una docena de ciclos. Además, el motor no consume corriente constante, sino que varía en función de la carga mecánica, la aceleración y una docena de factores más.

La calculadora Battery Runtime (Motor Load) corrige este problema. Tiene en cuenta la eficiencia del conductor, los límites seguros de profundidad de descarga y te proporciona un número de tiempo de ejecución que puedes planificar. Utilízala antes de especificar las especificaciones de una batería, no después de que tu prototipo se agote durante la campaña de inversión.

Las entradas que necesita saber

Analicemos lo que necesita la calculadora y por qué cada parámetro es realmente importante en el mundo real.

Capacidad de la batería ($C$) : es el número impreso en la batería en miliamperios-hora (mAh) o amperios-hora (Ah). Parece sencillo, ¿verdad? Excepto que ese número viene con letra pequeña. En el caso de las baterías de plomo-ácido, normalmente se mide con una velocidad de descarga C/20, lo que significa que descargan la batería durante 20 horas. En el caso de los paquetes de LiPo, por lo general es de 1C. Si consume más corriente que las condiciones de prueba, su capacidad efectiva disminuye. La temperatura también es importante: un LiPo a 0 °C puede que solo te dé el 85% de su capacidad nominal. Ten esto en cuenta si vas a hacer algo al aire libre en invierno. Voltaje de la batería ($V_{\text{bat}}$) : el voltaje nominal de su paquete. La calculadora tiene ajustes preestablecidos para los sospechosos habituales: 3,7 V para las baterías LiPo de una sola celda (1S), 7,4 V para las 2S, 1,2 V para las pilas AA de NiMH y 12 V para las de plomo-ácido selladas. También puedes introducir un voltaje personalizado si estás usando algo raro, como un sistema 6S o un sistema de 24 V. Recuerda que se trata de un voltaje nominal: el voltaje del paquete se hunde bajo carga y aumenta cuando retiras la carga, pero el nominal es el que utilizamos para los cálculos de energía. Corriente del motor, promedio ($I_{\text{avg}}$) : aquí es donde la mayoría de la gente se equivoca. Se necesita la corriente promedio durante un ciclo de funcionamiento normal, no la corriente de parada de la hoja de datos (que es mucho más alta) ni la corriente en vacío (que es mucho más baja). Si haces girar ruedas sobre un terreno plano con una carga moderada, es posible que estés consumiendo entre un 25 y un 40% de la corriente de bloqueo. ¿Subiendo una rampa? Quizá el 60%. La única forma de saberlo con certeza es medirlo, pero incluso una estimación aproximada es mejor que utilizar la corriente acumulada y preguntarse por qué se agotó la batería en diez minutos. Eficiencia de accionamiento ($\eta$) : el controlador de su motor no es una transmisión perfecta. Un puente en H que utilice MOSFET modernos en modo PWM puede alcanzar una eficiencia del 85 al 95% si está bien diseñado, cambia a una frecuencia razonable y utiliza FET $R_{DS(on)}$ bajos. ¿Una placa controladora de corriente continua cepillada barata que compraste por 3 dólares en eBay? Quizá el 80% en un buen día. Esa falta de eficiencia se convierte en calor en el conductor y, lo que es más importante, significa que la batería tiene que suministrar más corriente de la que realmente llega al motor. Este efecto no es insignificante: con una eficiencia del 85%, la corriente de la batería es aproximadamente un 18% más alta que la corriente del motor. Profundidad de descarga (DoD) : la cantidad de batería que estás dispuesto a usar realmente. Aquí es donde la química de la batería es realmente importante. Los paquetes LiPo comienzan a degradarse rápidamente si los agotas con regularidad por debajo del 20% de su estado de carga, por lo que la DoD del 80% es una práctica habitual. Si profundizas más, es posible que hoy consigas unos minutos más de autonomía, pero comprarás baterías nuevas en un mes. El plomo-ácido es aún más sensible: la mayoría de los diseños utilizan un 50% de DoD para tener un ciclo de vida razonable. El NiMH es más tolerante y puedes usar una dosis de DoD al 90% de forma segura sin dañar a la manada. La calculadora te permite ajustarlo para que puedas cambiar el tiempo de funcionamiento por la duración de la batería en función de la aplicación.

Las matemáticas detrás de la calculadora

La calculadora arroja cuatro números. Esto es lo que realmente está calculando y por qué.

Capacidad utilizable:

Sencillo: se toma la capacidad nominal y se multiplica por la fracción que está dispuesto a utilizar. Si tienes un paquete de 2200 mAh y te estás limitando al 80% de DoD, tienes 1760 mAh con los que trabajar.

Corriente efectiva de la batería:

Aquí es donde entra en juego la eficiencia del conductor. La batería no solo suministra corriente al motor, sino que tiene que suministrar suficiente corriente para cubrir las pérdidas del conductor:

Si el motor consume 1,5 A y el controlador tiene una eficiencia del 90%, la batería en realidad suministra 1,67 A. Esos 0,17 A adicionales se convierten en calor en los MOSFET.

Tiempo de ejecución:

Ahora podemos calcular cuánto dura la batería:

La calculadora muestra esto tanto en horas como en minutos porque nadie piensa en horas decimales. Este es el número que realmente le interesa: cuánto tiempo pasará hasta que su sistema se apague.

Energía de la batería (estimada) :

Esto te da vatios-hora, lo cual es útil cuando comparas baterías con diferentes voltajes. Una LiPo 2S de 2200 mAh (7,4 V) y una LiPo 1S de 4400 mAh (3,7 V) tienen la misma capacidad nominal en mAh, pero el paquete 2S tiene el doble de energía. Los vatios-hora resuelven la confusión.

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

Repasemos un escenario real. Estás construyendo un pequeño robot con ruedas, tal vez para una competición universitaria o simplemente para perder el tiempo en tu garaje. Tienes un pack LiPo 2S y dos motorreductores de corriente continua con escobillas que accionan las ruedas.

Paso 1: Capacidad utilizable:

No vas a agotar el LiPo por completo, así que:

Paso 2 — Corriente efectiva de la batería:

Su conductor es eficiente en un 90%, por lo que la batería suministra más de lo que consumen los motores:

Paso 3 — Tiempo de ejecución:

Aproximadamente una hora de tiempo de ejecución. Eso suponiendo una conducción moderada y continua: terreno plano, velocidad constante, sin aceleración agresiva.

Paso 4 — Energía de la batería:

Así que tienes 13 vatios-hora de energía utilizable en este paquete. Si compararas esto con un paquete de voltaje diferente, este es el número que usarías.

He aquí la comprobación de la realidad: si su robot pasa la mitad del tiempo sentado esperando la entrada del sensor o moviéndose lentamente, su tiempo de ejecución real será superior a 63 minutos. Si está subiendo rampas, empujando objetos o haciendo cambios rápidos de dirección, la corriente promedio aumentará y obtendrás menos. Esta es precisamente la razón por la que la calculadora es útil: puedes introducir diferentes valores para el $I_{\text{avg}}$ en función de lo que esperas que haga el robot y ver qué tan sensible es tu tiempo de ejecución a las condiciones de funcionamiento. Esa media de 1,5 A puede ser de 0,8 A para trabajos ligeros o de 2,5 A para trabajos pesados, y el tiempo de ejecución oscila de 110 minutos a 42 minutos en consecuencia.

Consejos para obtener estimaciones más precisas

Mida su corriente promedio en el mundo real. Las hojas de datos son un punto de partida, pero no son el evangelio. Consiga una resistencia de detección de corriente o un medidor de alimentación USB (de los que tienen pantalla y registro) y mida realmente lo que consume su sistema durante un ciclo de funcionamiento típico. Ejecútelo durante cinco minutos realizando tareas representativas y observe el promedio. Ese número vale diez veces más que cualquier suposición basada en la corriente de parada y el movimiento de la mano. No olvides el resto del circuito. Los motores suelen ser los que más energía consumen, pero no son los únicos que consumen corriente. Es posible que tu microcontrolador consuma 50 mA. Es posible que su conjunto de sensores añada otros 100 mA. ¿Ese módulo WiFi que agregaste en el último momento? Podrían ser 200 mA al transmitir. Súmalo todo e inclúyelo en $I_{\text{avg}}$, o tendrás un tiempo de ejecución misteriosamente corto. La temperatura no es opcional. La capacidad de LiPo se reduce entre un 10 y un 15% a 0 °C en comparación con la temperatura ambiente. Si vuelas un dron en invierno o utilizas un robot al aire libre cuando hace frío, debes reducir tu capacidad antes de conectarlo a la calculadora. De lo contrario, te sorprenderás cuando la batería se agote antes de tiempo. Algunas personas simplemente multiplican $C$ por 0.85 para operar en climas fríos y dan por terminado el día. Cuida tu velocidad C-Rate. En este ejemplo, obtenemos 1,67 A de un paquete de 2200 mAh, lo que equivale a unos 0,76C. La mayoría de los paquetes LiPo funcionan a 1C de forma continua y pueden soportar corrientes de ráfaga mucho más altas. Pero si utilizas corrientes de pulso altas (por ejemplo, si el motor se detiene brevemente durante el arranque o choca con un obstáculo) y superas la tasa C nominal del paquete, verás una caída de tensión que reduce la capacidad efectiva más allá de lo que representa el DoD. Una mochila que aguante una ráfaga de 20C aguantará bien esta situación. ¿Un paquete barato sin clasificación C? Estás apostando. Tenga en cuenta la caída de tensión bajo carga. A medida que la batería se descarga y se consume más corriente, la tensión del terminal disminuye. En la mayoría de las aplicaciones de motores de corriente continua, esto solo significa que el motor funciona un poco más lento hacia el final del ciclo de descarga, lo cual está bien. Pero si tienes componentes electrónicos sensibles al voltaje (como un regulador de 5 V que necesita al menos una entrada de 6,5 V), es posible que el sistema deje de funcionar antes de que alcances el límite del DoD. La calculadora te ofrece un tiempo de ejecución promedio, pero los sistemas reales tienen niveles mínimos de voltaje que debes respetar.

Pruébalo tú mismo

No es una de esas cosas que haces una vez y olvidas. Cada vez que cambias los motores, cambias las baterías o ajustas tu perfil de conducción, tu autonomía cambia. Introduce tus valores reales en la calculadora Duración de la batería (carga del motor) y comprueba lo que obtienes. Tarda 30 segundos y te dirá si tu presupuesto de energía es realista o si necesitas una batería más grande, un controlador más eficiente o una carga mecánica más ligera.

He visto demasiados proyectos fracasar porque alguien supuso que la batería duraría «lo suficiente» sin comprobarlo. No seas esa persona. Haz los cálculos, mide tu corriente y diseña con margen. Tu futuro yo, y tu desempeño en la competencia, te lo agradecerán.