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バッテリーランタイム (モーター負荷)

モーターの消費電流、効率、放電深度を考慮して、モーター駆動システムのバッテリー稼働時間を計算します。

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公式

t = C_usable / I_draw, C_usable = C × DoD

C — Battery capacity (mAh)
DoD — Depth of discharge (%)

仕組み

モーター駆動システムのバッテリー稼働時間は、バッテリーの使用可能なエネルギー容量とモーターシステムの平均消費電力によって異なります。ランタイム (時間) = (バッテリー容量 (Wh × DoD))/P_Average。ここで DoD は放電深度 (通常、鉛蓄電池は 80%、リチウムイオン/LiFePO4 では 90%)。DC モーターが電圧 V で流れる電流 I の場合、P_Average = V × I/η_system となります。ここで、η_system はモーター、コントローラー、および配線の損失を考慮します。可変負荷アプリケーションでは、ピーク電力ではなく平均デューティサイクル電力を使用してください。

計算例

20AhのLiFePO4バッテリーを搭載した24Vロボットは、フルスピードで合計8Aを消費する2つの駆動モーターを使用しますが、平均60％のデューティサイクルで動作します。モーターシステムの効率は 82% です。
ステップ1 — バッテリー使用可能エネルギー:
e_Usable= V × Ah × DoD = 24 × 20 × 0.90 = 432 Wh
ステップ 2 — 平均消費電力:
P_ELEC = V × i_AVG = 24 × (8 × 0.60) = 24 × 4.8 = 115.2 W
ステップ 3 — バッテリーからの入力電力 (効率を考慮に入れる):
P_Battery = P_ELEC/= 115.2/0.82 = 140.5 W
ステップ 4 — バッテリーランタイム:
t = e_Usable/P_Battery = 432/140.5 = 3.08 時間
ステップ 5 — C レートでの容量チェック:
i_AVG = P_Battery/V = 140.5/24 = 5.85 A → 5.85/20 = 0.29C — LiFePO4の連続放電定格内に十分収まっています
結果: ロボットは 60% のデューティサイクルでフル充電すると約 3.1 時間動作します。

実践的なヒント

  • ✓代表的な動作サイクルにおける電流センサーによる実際の消費電流の記録 — 実際の平均電流は、ほとんどの場合、ワーストケースの推定値よりも低くなります
  • ✓リチウムイオン電池の場合、サイクル寿命を長くするには、放電深度を 80% に制限してください。NMC電池は、深放電を繰り返すと2.8 V/セル以下で急速に劣化します。
  • ✓バッテリのサイズを決定する際は、計算された実行時間に 20 ～ 25% のランタイム安全マージンを追加します。これにより、経年劣化（充電サイクルによる容量損失）や予想よりも高い負荷を考慮できます

よくある間違い

  • ✗平均電流の代わりにピークモーター電流を使用する — 60% のデューティサイクルで稼働するロボットの場合、消費電力が 67% 過大評価され、それに応じて実行時間が過小評価される
  • ✗コントローラーと配線の損失は無視してください。モーターコントローラーのスイッチング損失が5～ 15%、ケーブル抵抗が低下すると、モーターのみの計算と比較して実際の実行時間が短くなります。
  • ✗高い放電率ではバッテリー容量が大幅に低下することを忘れています（Peukert効果）。20Ahの鉛蓄電池は、2Cの放電で約14Ahしか供給しません

よくある質問

Peukert効果は、放電率が高くなるとバッテリー容量がどのように減少するかを表します。主に鉛蓄電池 (Peukert指数 1.1—1.3) に影響しますが、LiFePO4 (指数 ~ 1.05) はそれほど影響しません。Cレートが高いと、有効容量が低くなり、実行時間が単純なWh/P計算よりも短くなります。正確な推定値を得るには、適切なCレートでのメーカーの排出曲線を使用してください。
ランタイムの目標を達成するために、平均消費電力に合わせてバッテリーエネルギー (Wh) のサイズを設定します。過度な電圧低下を避けるため、バッテリーの連続定格電流をピーク電流に合わせて調整してください。パルス負荷の場合は、バルク容量を追加して電流のピークを吸収し、バッテリーに平滑化された平均電流のみが流れるようにします。
バッテリー容量は低温で減少します。リチウムイオン電池は、0°Cで定格容量の約80％、-20°Cで60％を供給します。鉛蓄電池はさらに感度が高くなります。高温 (45 °C 以上) では、時間の経過と共に容量の低下が加速します。屋外用途では、最良の結果を得るためにバッテリー容量を下げ、熱管理を追加してください。

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