モーター負荷下でのバッテリー稼働時間：実用ガイド

ランタイム推定が重要な理由

ロボットエンジニアなら誰でも苦労して学んでいることがあります。最初に計算をしないと、ロボットは最悪の瞬間に死んでしまうということです。対戦ロボットが試合の途中で停止するのを見てきました。また、ドローンが空から落ちるのを見たことがあります。誰かが実際にランタイムを計算せずにバッテリーラベルを信頼していたからです。一番シンプルな公式をつかむのが本能です。

これはあなたに嘘をつくでしょう。実際の実行時間の2倍のランタイムがあることがわかり、修正するには遅すぎる場合はデモ中や現場でわかります。実際のシステムはそれほど単純ではありません。モータードライバーは電力を熱として浪費します。バッテリーを12サイクル以上使用したいのであれば、バッテリーをゼロまで減らすべきではありません。また、モーターは定電流を流しません。機械的負荷、加速度、その他多数の要因によって電流が変化します。

バッテリーランタイム (モーター負荷)計算機がこれを修正します。ドライバーの効率、安全な放電深度制限が考慮され、実際に計画できるランタイム数値が得られます。投資家向けピッチでプロトタイプが故障した後ではなく、バッテリーのスペックを決定する前に使用してください。

知っておくべきインプット

計算ツールに必要なものと、各パラメーターが現実の世界で実際に重要な理由を詳しく見ていきましょう。

バッテリー容量 ($C$) — バッテリーに印刷されている数値をミリアンペア時 (mAh) またはアンペア時 (Ah) で表したものです。簡単に思えますよね？ただし、その番号には細かい文字が付いています。鉛蓄電池の場合、通常はC/20の放電率で測定されます。つまり、20時間以上にわたって放電します。LiPoパックの場合、通常は1Cです。テスト条件よりも多くの電流を流すと、有効容量が低下します。温度も重要です。0°CのLiPoでは、定格容量の 85% しか得られない場合があります。冬に屋外で何かをする場合は、このことを覚えておいてください。 バッテリー電圧 ($V_{\text{bat}}$) — パックの公称電圧。この計算ツールには、通常想定される用途向けにプリセットが用意されています。単一セルLiPo (1S) の場合は3.7V、2Sの場合は7.4V、NiMH単三電池の場合は1.2V、密閉型鉛蓄電池の場合は12Vです。また、6S パックや 24 V システムのような奇妙なものを使っている場合は、カスタム電圧を入力することもできます。これは公称電圧であることを忘れないでください。パック電圧は負荷がかかると低下し、負荷を取り除くと上昇しますが、電力の計算には公称値を使用します。 モーター電流、平均 ($I_{\text{avg}}$) — ほとんどの人が失敗するところです。データシートのストール電流 (はるかに高い) や無負荷電流 (ずっと低い) ではなく、標準動作サイクル中の平均電流が必要です。平坦な地面で適度な負荷をかけてホイールを回転させている場合、ストール電流の 25 ～ 40% が流れている可能性があります。スロープを登る？たぶん60％。確実に知る唯一の方法はそれを測定することですが、ストール電流を使用して、なぜバッテリーが10分以内に切れたのか疑問に思うよりも、大まかな見積もりでも良いでしょう。 ドライブ効率 ($\eta$) — お使いのモータードライバーは完全なパススルーではありません。最新のMOSFETをPWMモードで使用したHブリッジは、適切に設計され、適切な周波数でスイッチングし、$R_{DS(on)}$ の低いFETを使用していれば、85～ 95% の効率に達する可能性があります。eBay で 3 ドルで買える安価なブラシ付き DC ドライバボード?天気の良い日には 80% くらいかな。この効率の低下はドライバーの熱に変わり、さらに重要なのは、バッテリーが実際にモーターに届く電流よりも多くの電流を供給しなければならないということです。これは小さな影響ではありません。85% の効率では、バッテリ電流はモータ電流よりも約 18% 高くなります。 放電深度 (DoD) — 実際に使用したいバッテリーの量。ここでバッテリーの化学的性質が本当に重要になります。LiPoパックは、充電状態が 20% 以下の状態で定期的に消耗するとすぐに劣化し始めるため、80% のDoDが標準的な方法です。さらに深く掘り下げると、今日はさらに数分のランタイムが得られるかもしれませんが、1か月以内に新しいバッテリーを購入することになります。鉛蓄電池はさらに感度が高く、ほとんどの設計では適度なサイクル寿命を得るために50％のDoDを使用しています。NiMHの方が許容範囲が広く、90% のDoDを安全に使用しても問題ありません。この計算ツールではこれを調整できるので、アプリケーションによっては実行時間とバッテリー寿命のバランスを取ることができます。

計算ツールの背後にある数学

計算ツールは4つの数字を吐き出します。実際に計算している内容とその理由は次のとおりです。

有効容量:

簡単に言うと、定格容量を取り、使用したい割合を掛けます。もし、2200 mAhのパックを持っていて、DoD（放電深度）の 80% に制限しているのであれば、1760 mAh で十分です。

バッテリーからの有効電流:

ここでドライバーの効率が重要になります。バッテリはモータ電流を供給するだけでなく、ドライバの損失を補うのに十分な電流を供給する必要があります。

モーターの出力が1.5Aで、ドライバーの効率が 90% の場合、バッテリーは実際には1.67Aを供給しています。その余分な0.17AがMOSFETの熱に変換されます。

ランタイム:

これで、バッテリーの持続時間を計算できます。

計算ツールはこれを時間と分の両方で表示します。なぜなら、誰も小数時間で考えないからです。これは実際に気になる数値、つまりシステムがシャットダウンするまでの時間です。

バッテリーエネルギー (推定):

これによりワット時がわかり、さまざまな電圧のバッテリーを比較する場合に便利です。2200 mAh 2S LiPo (7.4 V) と 4400 mAh 1S LiPo (3.7 V) の定格容量は mAh 単位では同じですが、2S パックのエネルギーは 2 倍です。ワット時はその混乱を解消します。

動作例:小型DCギヤモータに給電する2S LiPo

では、実際のシナリオを見ていきましょう。あなたは小さな車輪付きロボットを作っています。大学の大会用だったり、ガレージをいじったりするだけかもしれません。2S LiPoパックと、ホイールを駆動するブラシ付きDCギアモーターが2つあります。

ステップ 1 — 有効容量:

LiPoを完全に消耗させることはないので、次のようになります。

ステップ 2 — 有効バッテリ電流:

ドライバーの効率は 90% なので、バッテリーはモーターが消費する量よりも多く電力を供給します。

ステップ 3 — ランタイム:

約1時間のランタイム。これは、路面が平らで、速度が安定していて、激しい加速がない状態で、適度な運転を続けていることを前提としています。

ステップ 4 — バッテリーエネルギー:

つまり、このパックには13ワット時の使用可能なエネルギーが入っています。これを別の電圧パックと比較した場合、この数値を使用することになります。

ここで現実を確認してみましょう。ロボットがセンサーの入力を待っている時間の半分をじっと座っていたり、ゆっくり動いたりすると、実際の実行時間は63分より長くなります。ランプを登ったり、物体を押したり、急激な方向転換を行ったりする場合、平均電流は上昇し、得られる電流は少なくなります。これがまさに計算機が役立つ理由です。ロボットに期待される動作に基づいて $I_{\text{avg}}$ にさまざまな値を代入し、ランタイムが動作条件にどれほど敏感かを確認できます。この1.5Aの平均値は軽作業では0.8A、重作業では2.5Aで、ランタイムは110分から42分に短縮されます。

より正確な見積もりを行うためのヒント

現実世界の平均電流を測定してください。 データシートは出発点ですが、福音にはなりません。電流検出抵抗器や USB パワーメーター (ディスプレイとログ付きのもの) を用意して、通常の動作サイクルにおけるシステムの消費量を実際に測定してください。代表的なタスクを実行して 5 分間実行し、平均値を調べます。この数値は、ストール電流とハンドウェーブに基づく推測値の 10 倍の価値があります。 回路の残りの部分を忘れないでください 通常、電力を最も多く消費するのはモーターですが、電流を流すのはモーターだけではありません。マイクロコントローラが 50 mA を消費する可能性があります。センサースイートによってさらに 100 mA が追加される場合があります。直前に追加した WiFi モジュールは？送信時には 200 mA になる可能性があります。すべてを足し合わせて $I_{\text{avg}}$ に含めないと、実行時間が不思議なほど短くなってしまいます。 温度はオプションではありません。 LiPoの容量は、室温と比較して0°Cで10〜15％低下します。冬にドローンを飛ばす場合や、寒い時期に屋外ロボットを走らせる場合は、計算ツールに接続する前に容量を下げる必要があります。そうしないと、バッテリーが早く切れてしまうことに驚かされます。寒冷地での運用では、$C$ に0.85を掛けて、それを1日と呼ぶ人もいます。 Cレートに注意してください この例では、2200mAhのパックから1.67A (約0.76C) を引き出しています。ほとんどのLiPoパックは1Cの連続電圧で十分で、はるかに高いバースト電流にも対応できます。しかし、起動時にモーターが短時間停止したり、障害物にぶつかったりして、高いパルス電流を流していて、パックの定格Cレートを超えると、電圧低下が発生し、DoD（放電深度）の設定で考慮される値を超えて実効容量が減少します。バースト定格が20Cのパックなら問題ありません。Cレーティングのない安いパック？君はギャンブルをしている。 負荷がかかった状態での電圧低下を考慮してください。 バッテリーが放電し、より多くの電流を流すにつれて、端子電圧は低下します。ほとんどのDCモーターアプリケーションでは、これは放電サイクルの終わりに近づくにつれてモーターの動作が少し遅くなることを意味しますが、これは問題ありません。しかし、電圧に敏感な電子機器 (6.5 V 以上の入力を必要とする 5 V レギュレータなど) を使用している場合は、DoD の制限値に達する前にシステムが故障する可能性があります。この計算ツールでは平均的な実行時間が得られますが、実際のシステムには考慮すべき最低電圧があります。

自分で試してみてください

これは、一度やって忘れてしまうようなことではありません。モーターを交換したり、バッテリーパックを交換したり、ドライブプロファイルを調整したりするたびに、ランタイムが変わります。実際の数値を バッテリーランタイム (モーター負荷)計算機に差し込んで、何が得られるか見てみましょう。所要時間は30秒で、電力予算が現実的か、それともより大きなバッテリー、より効率的なドライバー、より軽い機械的負荷が必要かがわかります。

これまで、チェックせずにバッテリーが「十分に長く」持ちこたえると誰かが思ったために失敗するプロジェクトがあまりにも多くありました。そんな人になってはいけない。計算を行い、電流を測定し、余裕を持って設計してください。あなたの将来の自分、そして競合他社のパフォーマンスは、きっとあなたに感謝されるでしょう。