Durée de vie de la batterie sous charge du moteur : guide pratique

Pourquoi l'estimation du temps d'exécution est importante

Voici une chose que tout ingénieur en robotique apprend à ses dépens : votre robot mourra au pire moment possible si vous ne faites pas le calcul au préalable. J'ai vu des robots de compétition s'arrêter en cours de match, et j'ai vu des drones tomber du ciel parce que quelqu'un faisait confiance à une étiquette de batterie sans réellement calculer la durée de fonctionnement. L'instinct est de choisir la formule la plus simple :

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Cela va te mentir. Cela vous indiquera que vous avez deux fois plus d'autonomie que vous n'en avez réellement, et vous le découvrirez lors d'une démonstration ou sur le terrain s'il est trop tard pour corriger. Les vrais systèmes ne sont pas si simples. Votre motorisation gaspille de l'énergie sous forme de chaleur. Votre batterie ne doit pas être réduite à zéro si vous voulez qu'elle survive à plus d'une douzaine de cycles. Et votre moteur ne produit pas un courant constant. Il varie en fonction de la charge mécanique, de l'accélération et d'une douzaine d'autres facteurs.

Le calculateur Battery Runtime (Motor Load) corrige ce problème. Il tient compte de l'efficacité du conducteur, de la profondeur de sécurité des limites de décharge et vous donne un nombre de temps d'exécution que vous pouvez réellement planifier. Utilisez-le avant de spécifier une batterie, et non après la mort de votre prototype lors de la présentation aux investisseurs.

Les entrées que vous devez connaître

Découvrons les besoins de la calculatrice et expliquons pourquoi chaque paramètre est réellement important dans le monde réel.

Capacité de la batterie ($C$) — Il s'agit du chiffre imprimé sur votre batterie en milliampères-heures (mAh) ou en ampères-heures (Ah). Cela semble simple, non ? Sauf que ce numéro est en petits caractères. Pour les batteries au plomb, il est généralement mesuré au taux de décharge C/20, ce qui signifie qu'elles déchargent la batterie en 20 heures. Pour les packs LiPo, c'est généralement à 1C. Si vous consommez plus de courant que dans les conditions du test, votre capacité effective diminue. La température est également importante : un LiPo à 0 °C peut ne vous donner que 85 % de sa capacité nominale. Gardez cela à l'esprit si vous faites quelque chose à l'extérieur en hiver. Tension de la batterie ($V_{\text{bat}}$) — La tension nominale de votre pack. Le calculateur comporte des préréglages pour les suspects habituels : 3,7 V pour un LiPo monocellulaire (1S), 7,4 V pour le 2S, 1,2 V pour les piles NiMH AA et 12 V pour le plomb-acide scellé. Vous pouvez également ajouter une tension personnalisée si vous utilisez quelque chose de bizarre, comme un pack 6S ou un système 24 V. N'oubliez pas qu'il s'agit d'une tension nominale : la tension de votre boîtier s'affaisse sous charge et augmente lorsque vous retirez la charge, mais c'est la valeur nominale que nous utilisons pour les calculs énergétiques. Courant moteur, moyen ($I_{\text{avg}}$) — C'est là que la plupart des gens font des erreurs. Vous avez besoin du courant moyen pendant votre cycle de fonctionnement habituel, pas du courant de blocage indiqué dans la fiche technique (qui est bien plus élevé) ni du courant à vide (qui est bien plus faible). Si vous faites tourner des roues sur un sol plat avec une charge modérée, il se peut que vous produisiez 25 à 40 % du courant de décrochage. Grimper une rampe ? Peut-être 60 %. La seule façon de le savoir avec certitude est de le mesurer, mais même une estimation approximative vaut mieux que d'utiliser le courant de décrochage et de se demander pourquoi votre batterie est morte en dix minutes. Efficacité de l'entraînement ($\eta$) — Votre moteur n'est pas un intermédiaire parfait. Un pont en H utilisant des MOSFET modernes en mode PWM peut atteindre une efficacité de 85 à 95 % s'il est bien conçu, s'il commute à une fréquence raisonnable et utilise des FET$R_{DS(on)}$faibles. Une carte de commande DC brossée bon marché que vous avez achetée pour 3$ sur eBay ? Peut-être 80 % lors d'une bonne journée. Ce manque d'efficacité se transforme en chaleur dans le conducteur et, plus important encore, cela signifie que la batterie doit fournir plus de courant que ce qui atteint réellement le moteur. L'effet n'est pas négligeable : à 85 % d'efficacité, le courant de votre batterie est environ 18 % plus élevé que le courant du moteur. Profondeur de décharge (DoD) — Quantité de batterie que vous êtes prêt à utiliser réellement. C'est là que la chimie de la batterie est vraiment importante. Les packs LiPo commencent à se dégrader rapidement si vous les vidangez régulièrement à un niveau de charge inférieur à 20 %, donc 80 % de DoD est une pratique courante. Si vous allez plus loin, vous aurez peut-être encore quelques minutes d'autonomie aujourd'hui, mais vous achèterez de nouvelles batteries dans un mois. Le plomb-acide est encore plus sensible : la plupart des modèles utilisent 50 % de DoD pour obtenir une durée de vie raisonnable. Le NiMH est plus indulgent et vous pouvez utiliser 90 % de DoD en toute sécurité sans tuer le pack. La calculatrice vous permet de régler cela afin de pouvoir comparer l'autonomie par rapport à la longévité de la batterie en fonction de votre application.

Les mathématiques qui sous-tendent la calculatrice

La calculatrice recrache quatre chiffres. Voici en quoi consiste réellement l'informatique et pourquoi.

Capacité utilisable :

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C'est simple : vous prenez la capacité nominale et vous la multipliez par la fraction que vous êtes prêt à utiliser. Si vous avez un pack de 2200 mAh et que vous vous limitez à 80 % de DoD, vous disposez de 1760 mAh pour travailler.

Courant effectif de la batterie :

C'est là que l'efficacité du conducteur entre en jeu. La batterie ne se contente pas de fournir le courant du moteur, elle doit fournir suffisamment de courant pour couvrir les pertes subies par le conducteur :

Si votre moteur produit 1,5 A et que votre pilote est efficace à 90 %, la batterie fournit en fait 1,67 A. Ces 0,17 A supplémentaires se transforment en chaleur dans vos MOSFET.

Durée :

Nous pouvons maintenant calculer la durée de vie de la batterie :

Le calculateur l'indique en heures et en minutes car personne ne pense en heures décimales. C'est le chiffre qui vous intéresse réellement : combien de temps avant que votre système ne s'arrête.

Énergie de la batterie (estimée) :Cela vous donne des wattheures, ce qui est utile lorsque vous comparez des batteries à différentes tensions. Un LiPo 2S 2200 mAh (7,4 V) et un LiPo 1S 4400 mAh (3,7 V) ont la même capacité nominale en mAh, mais le pack 2S a deux fois plus d'énergie. Les wattheures mettent fin à la confusion.

Exemple concret : un LiPo 2S alimentant un petit motoréducteur à courant continu

Passons en revue un scénario réel. Vous construisez un petit robot à roues, peut-être pour une compétition universitaire ou simplement pour vous amuser dans votre garage. Vous avez un pack LiPo 2S et deux motoréducteurs à courant continu à balais qui entraînent les roues.

Étape 1 — Capacité utilisable :

Vous n'allez pas vider complètement le LiPo, donc :

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Étape 2 — Courant effectif de la batterie :

Votre pilote étant efficace à 90 %, la batterie fournit plus que ce que les moteurs consomment :

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Étape 3 — Exécution :

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Durée d'exécution d'environ une heure. Cela suppose une conduite modérée et continue : sol plat, vitesse constante, aucune accélération agressive.

Étape 4 — Énergie de la batterie :

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Vous avez donc 13 wattheures d'énergie utilisable dans ce pack. Si vous le compariez à un autre bloc de tension, c'est le chiffre que vous utiliseriez.

Voici maintenant la réalité : si votre robot passe la moitié de son temps à attendre l'entrée du capteur ou à se déplacer lentement, votre autonomie réelle sera supérieure à 63 minutes. S'il s'agit de grimper sur des rampes, de pousser des objets ou de changer de direction rapidement, le courant moyen augmente et vous diminuerez. C'est exactement pour cela que le calculateur est utile : vous pouvez saisir différentes valeurs pour le$I_{\text{avg}}$en fonction de ce que vous attendez du robot et voir dans quelle mesure votre temps d'exécution est sensible aux conditions de fonctionnement. Cette moyenne de 1,5 A peut être de 0,8 A pour les travaux légers ou de 2,5 A pour les travaux lourds, et l'autonomie passe de 110 minutes à 42 minutes en conséquence.

Conseils pour des estimations plus précises

Mesurez votre courant moyen dans le monde réel. Les fiches techniques sont un point de départ, mais elles ne sont pas de l'évangile. Procurez-vous une résistance de détection de courant ou un capteur de puissance USB (du type avec affichage et enregistrement) et mesurez réellement ce que votre système utilise au cours d'un cycle de fonctionnement normal. Exécutez-le pendant cinq minutes en effectuant des tâches représentatives et observez la moyenne. Ce chiffre vaut dix fois plus que n'importe quelle estimation basée sur le courant de décrochage et les mouvements de la main. N' oubliez pas le reste de votre circuit. Les moteurs sont généralement les plus gourmands en énergie, mais ils ne sont pas les seuls à consommer du courant. Votre microcontrôleur peut produire 50 mA. Votre suite de capteurs peut ajouter 100 mA supplémentaires. Ce module WiFi que tu as ajouté à la dernière minute ? Peut être de 200 mA lors de la transmission. Additionnez le tout et incluez-le dans le$I_{\text{avg}}$, ou vous serez mystérieusement à court d'exécution. La température n'est pas facultative. La capacité du LiPo diminue de 10 à 15 % à 0 °C par rapport à la température ambiante. Si vous pilotez un drone en hiver ou si vous utilisez un robot d'extérieur par temps froid, vous devez réduire votre capacité avant de le brancher à la calculatrice. Sinon, vous serez surpris si votre batterie s'épuise prématurément. Certaines personnes se contentent de multiplier$C$par 0,85 pour une opération par temps froid et mettent fin à cela.

Surveillez votre taux C. Dans cet exemple, nous tirons 1,67 A d'un pack de 2 200 mAh, soit environ 0,76 °C. La plupart des packs LiPo fonctionnent à 1C en continu et peuvent supporter des courants de rafale beaucoup plus élevés. Mais si vous utilisez des courants d'impulsion élevés (par exemple, votre moteur s'arrête brièvement au démarrage ou heurte un obstacle) et que vous dépassez le taux C nominal du pack, vous constaterez une baisse de tension qui réduit la capacité effective au-delà de ce que le réglage du DoD prend en compte. Un pack conçu pour une rafale de 20 °C s'en chargera très bien. Un pack pas cher sans cote C ? Tu joues. Tenez compte de l'affaissement de la tension en cas de charge. À mesure que la batterie se décharge et que vous consommez plus de courant, la tension aux bornes chute. Pour la plupart des applications de moteurs à courant continu, cela signifie simplement que le moteur tourne un peu plus lentement vers la fin du cycle de décharge, ce qui est bien. Mais si vous avez des composants électroniques sensibles à la tension (comme un régulateur 5 V nécessitant une entrée d'au moins 6,5 V), votre système risque de griller avant que vous n'atteigniez votre limite DoD. Le calculateur vous donne une durée d'exécution moyenne, mais les systèmes réels ont des niveaux de tension que vous devez respecter.

Essayez-le vous-même

Ce n'est pas une de ces choses qu'on fait une fois et qu'on oublie. Chaque fois que vous changez de moteur, que vous échangez des batteries ou que vous modifiez le profil de votre lecteur, votre durée de fonctionnement change. Entrez vos chiffres réels dans le calculateur Battery Runtime (Motor Load) et voyez ce que vous obtenez. Cela prend 30 secondes et vous indiquera si votre budget énergétique est réaliste ou si vous avez besoin d'une batterie plus grande, d'un pilote plus efficace ou d'une charge mécanique plus légère.

J'ai vu trop de projets échouer parce que quelqu'un pensait que la batterie durerait « assez longtemps » sans vérifier. Ne sois pas cette personne. Faites le calcul, mesurez votre courant et concevez avec une marge. Votre personnalité future et vos performances en compétition vous en seront reconnaissantes.