Tiempo de funcionamiento de la batería (carga del motor)
Calcule el tiempo de funcionamiento de la batería para los sistemas accionados por motor teniendo en cuenta el consumo de corriente del motor, la eficiencia y la profundidad de descarga.
Fórmula
t = C_usable / I_draw, C_usable = C × DoD
Cómo Funciona
El tiempo de funcionamiento de la batería de un sistema accionado por motor depende de la capacidad de energía utilizable de la batería y del consumo medio de energía del sistema motor. Tiempo de ejecución (horas) = (capacidad de la batería en Wh × DoD)/p_average, donde DoD es la profundidad de descarga (normalmente el 80% en el caso del plomo-ácido y el 90% en el de iones de litio y LiFePO4). En el caso de un motor de corriente continua que consume corriente I con un voltaje V, p_average = V × I/τ_system, donde l_system tiene en cuenta las pérdidas del motor, el controlador y el cableado. Para aplicaciones de carga variable, utilice la potencia promedio del ciclo de trabajo en lugar de la potencia máxima.
Ejemplo Resuelto
Un robot de 24 V con una batería LiFePO4 de 20 Ah utiliza dos motores de accionamiento que consumen 8 A en total a toda velocidad, pero funciona con un ciclo de trabajo del 60% en promedio. La eficiencia del sistema motor es del 82%. Paso 1: Energía utilizable de la batería: e_Utilizable = V × Ah × DoD = 24 × 20 × 0,90 = 432 Wh Paso 2 — Potencia eléctrica media consumida: p_ELEC = V × i_AVG = 24 × (8 × 0,60) = 24 × 4,8 = 115,2 W Paso 3: Entrada de energía desde la batería (teniendo en cuenta la eficiencia): p_Batería = p_ELEC/ 424 = 115,2/0,82 = 140,5 W Paso 4 — Tiempo de funcionamiento de la batería: t = e_Usable/p_Battery = 432/140,5 = 3,08 horas Paso 5 — Verificación de capacidad a velocidad C: i_AVG = P_Batería/V = 140,5/24 = 5,85 A → 5,85/20 = 0,29 °C, muy por debajo del índice de descarga continua de LiFePO4 Resultado: el robot funciona durante aproximadamente 3,1 horas con una carga completa y un ciclo de trabajo del 60%.
Consejos Prácticos
- ✓Registre el consumo de corriente real con un sensor de corriente durante los ciclos de operación representativos: la corriente promedio en el mundo real es casi siempre inferior a las estimaciones más desfavorables
- ✓Para las celdas de iones de litio, limite la profundidad de descarga al 80% para prolongar su ciclo de vida; las celdas NMC se degradan rápidamente por debajo de 2,8 V/celda durante descargas profundas repetidas
- ✓Agregue un margen de seguridad de tiempo de ejecución del 20 al 25% a su tiempo de ejecución calculado al dimensionar la batería: permite el envejecimiento (pérdida de capacidad durante los ciclos de carga) y cargas superiores a las esperadas
Errores Comunes
- ✗Usar la corriente máxima del motor en lugar de la corriente promedio: para un robot que funciona con un ciclo de trabajo del 60%, esto sobreestima el consumo de energía en un 67% y, en consecuencia, subestima el tiempo de ejecución
- ✗Haciendo caso omiso de las pérdidas del controlador y del cableado: las pérdidas de conmutación del controlador del motor del 5 al 15% y las caídas de resistencia del cable reducen el tiempo de ejecución real en comparación con los cálculos realizados únicamente con el motor
- ✗Olvidando que la capacidad de la batería disminuye significativamente a altas velocidades de descarga (efecto Peukert), una batería de plomo-ácido de 20 Ah solo produce ~ 14 Ah con una descarga de 2 °C
Preguntas Frecuentes
¿Qué es el efecto Peukert y cómo afecta a los cálculos de tiempo de ejecución?
El efecto Peukert describe cómo la capacidad de la batería disminuye a velocidades de descarga más altas. Afecta principalmente a las baterías de plomo-ácido (exponente de Peukert 1,1-1,3) y, en menor medida, a las baterías de LiFePO4 (exponente ~1,05). Con tasas C altas, la capacidad efectiva es menor, lo que reduce el tiempo de ejecución por debajo del cálculo simple de Wh/P. Utilice las curvas de descarga del fabricante con la tasa C adecuada para obtener estimaciones precisas.
¿Debo ajustar el tamaño de mi batería a la corriente máxima o media?
Ajuste la energía de la batería (Wh) para que el consumo de energía promedio cumpla con los objetivos de tiempo de ejecución. Ajuste la potencia nominal de corriente continua de la batería según el consumo máximo de corriente a fin de evitar una caída excesiva de la tensión. En el caso de cargas pulsadas, añada capacitancia volumétrica para absorber los picos de corriente, de modo que la batería solo perciba una corriente promedio uniforme.
¿Cómo afecta la temperatura al tiempo de funcionamiento de la batería?
La capacidad de la batería disminuye a bajas temperaturas: una pila de iones de litio ofrece aproximadamente el 80% de la capacidad nominal a 0 °C y el 60% a -20 °C. Las baterías de plomo-ácido son aún más sensibles. Las altas temperaturas (por encima de 45 °C) aceleran la degradación de la capacidad con el tiempo. Para aplicaciones en exteriores, reduzca la capacidad de la batería y añada la gestión térmica para obtener mejores resultados.
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