モーターに負荷がかかった状態でバッテリーはどのくらい持ちますか？ランタイム推定の実践ガイド

ランタイム推定が重要な理由

ロボットが競技中に死亡したり、ドローンが予想よりも早く空から落ちたりするのを見たことがあるなら、既成概念にとらわれないバッテリー実行時間の計算はオプションではなく、必須であることをご存知でしょう。問題は、誰もが最初に思い付く単純な公式だということです。

「MATHBLOCK_0」

ほとんどの場合、実行時間を過大評価します。実際のシステムには、駆動段損失、完全に放電してはいけないバッテリ、および機械的負荷によって変動する電流があります。[バッテリランタイム (モーター負荷)] (https://rftools.io/calculators/motor/battery-runtime-motor/) 計算機はこれらすべての要素を考慮しているため、現場で実際に信頼できる数値が得られます。

知っておくべきインプット

計算機が受け入れる各パラメーターと、それがなぜ重要なのかを見ていきましょう。

バッテリー容量 (「MATHINLINE_9」) — ミリアンペア時 (mAh) またはアンペア時 (Ah) で定格されています。これはバッテリーラベルの見出し番号ですが、特定の放電条件（通常、鉛蓄電池の場合はC/20、LiPoの場合は1C）で測定されていることに注意してください。実際に使用可能な容量は、放電率と温度によって異なります。 バッテリー電圧 (「MATHINLINE_10」) — 定格パック電圧。このカリキュレータには、LiPo 1S (3.7 V)、LiPo 2S (7.4 V)、NiMH AA (セル当たり 1.2 V)、12 V 密閉型鉛蓄電池などの一般的な化学物質をすばやくプリセットできます。オッドボールパックにはカスタム電圧を入力することもできます。 モーター電流、平均 (「MATHINLINE_11」) — これはデューティサイクル中にモーターが消費する平均電流であり、ストール電流や無負荷電流ではありません。モーターのデータシートにストール値と無負荷値しか記載されていない場合、まず適度な負荷のモーターの推定値はストール電流の約 25 ～ 40% ですが、できれば測定してください。 ドライブ効率 (「MATHINLINE_12」) — 100% 効率の良いモータードライバーはありません。PWM モードで動作する H ブリッジは、スイッチング周波数、FET「MATHINLINE_13」、およびデューティサイクルにもよりますが、85～ 95% の効率が得られる場合があります。ホビー用サプライヤの安価なブラシ付き DC ドライバボードでは、80% 近くになる場合があります。この係数により、バッテリーから流れる電流は、モーターに供給される電流に比例して膨張します。 放電深度 (DoD) — バッテリーの定格容量のうち、どの程度使用しても構わないと思っているか。LiPoパックの場合、充電状態が 20% を下回ると劣化が加速するため、DoD は 80% が標準です。鉛蓄電池はさらに感度が高く、サイクル寿命の一般的な設計ルールは 50% のDoDです。NiMHセルの方が許容範囲が広く、90% のDoDが妥当です。

電卓の背後にある数学

計算機は 4 つの出力を計算します。これらがどのように関係しているのかを次に示します。

有効容量:

「マスブロック_1」

バッテリからの有効電流:

ドライブステージは完全には効率的ではないため、バッテリーはモーターが消費する電流よりも多くの電流を供給する必要があります。

「MATHBLOCK_2」

ランタイム:

「マスブロック_3」

電卓は便宜上、これを時間と分の両方で報告します。

バッテリーエネルギー (推定):

「マスブロック_4」

これによって、電力バジェットのワット時の数値が簡単にわかり、異なる電圧のパックを比較する場合に便利です。

使用例:小型DCギアモータに給電する2S LiPo電源

2S LiPoパックと2つのブラシ付きDCギアモーターを搭載した小型の車輪付きロボットを作っているとしましょう。

ステップ 1 — 有効容量:

「マスブロック_5」

ステップ 2 — 実効バッテリ電流:

「マスブロック_6」

ステップ 3 — ランタイム:

「MATHBLOCK_7」

ステップ 4 — バッテリーエネルギー:

「マスブロック_8」

したがって、中程度の運転では、約 1 時間のランタイムが得られます。実際には、ロボットが静止していたり、負荷が軽い状態で過ごしたりすると、もう少し多くの時間が得られます。ランプを登ったり物体を押したりすると、平均電流は上昇し、ランタイムは低下します。これはまさに電卓で簡単にできる種類の感度解析です。「MATHINLINE_18」を微調整して、数値がどのように変化するかを確認するだけです。

より正確な推定を行うためのヒント

平均電流を実験的に測定します。 電流検出抵抗器または USB パワーメーターをインラインに固定し、数分間システムを通常のデューティサイクルで実行します。測定する平均値は、データシートの推測よりもはるかに正確です。

回路の残りの部分を考慮してください。 通常はモーターが主負荷ですが、マイクロコントローラー、センサー、LED、無線モジュールも忘れないでください。それぞれの静止電流を「MATHINLINE_19」に加算します。 温度に応じたディレート。 LiPoの容量は、25°Cと比較して0°Cで約10〜15％低下します。アプリケーションが低温環境で動作する場合は、プラグを差し込む前に「MATHINLINE_20」を適宜減らしてください。 Cレートに注意してください 1.67Aで放電された2200mAhのLiPoは約0.76℃で動作します。これはほとんどのパックで十分快適ゾーン内です。モーターに高いパルス電流が流れ、パックが定格Cレートを超えると、電圧低下によって実効容量が国防総省だけで得られる容量を超えて減少します。

試してみてください

お手持ちのバッテリー仕様とモーター電流を [バッテリーランタイム (モーター負荷) を開く] (https://rftools.io/calculators/motor/battery-runtime-motor/) 計算機に接続すると、正確なランタイム推定値が数秒で得られます。これは、バッテリーパックを購入する前、またはロボットが競技場であなたを困らせる前に、電力予算の健全性を確認する最速の方法です。