모터 부하 시 배터리 사용 시간: 실용 가이드

런타임 추정이 중요한 이유

모든 로봇 엔지니어가 힘들게 배우는 것은 다음과 같습니다. 먼저 계산을 하지 않으면 로봇이 최악의 순간에 죽게 된다는 것입니다.경기 도중에 경쟁용 로봇이 멈추는 것을 보기도 했고, 드론이 하늘에서 떨어지는 것도 봤어요. 누군가 런타임을 계산하지 않고 배터리 라벨을 믿었기 때문이죠.가장 간단한 공식을 익히는 게 본능적입니다.

이것은 여러분에게 거짓말일 것입니다.실제 실행 시간보다 두 배 더 많은 런타임이 있다는 것을 알려주고, 수정하기에 너무 늦었을 때 데모나 현장에서 확인할 수 있습니다.실제 시스템은 그렇게 간단하지 않습니다.모터 드라이버는 전력을 열로 낭비합니다.배터리를 12회 이상 버티려면 배터리를 0으로 소모해서는 안 됩니다.그리고 모터는 일정한 전류를 공급하지 않습니다. 전류는 기계적 부하, 가속도 및 기타 12가지 요인에 따라 달라집니다.

배터리 런타임 (모터 부하) 계산기가 이 문제를 해결합니다.이 계산기는 운전자 효율과 안전한 방전 깊이 제한을 고려하며 실제로 계획을 세울 수 있는 런타임 수치를 제공합니다.투자자 피치 중에 프로토타입이 다 소모된 후가 아니라 배터리 사양을 정하기 전에 사용하세요.

알아야 할 입력

계산기에 필요한 것이 무엇인지, 그리고 각 파라미터가 실제 세계에서 실제로 중요한 이유를 설명해 보겠습니다.

배터리 용량 ($C$) — 배터리에 출력되는 밀리암페어시 (mAh) 또는 암페어시 (Ah) 단위로 출력되는 숫자입니다.간단해 보이죠?숫자가 작은 글씨로 나온다는 점만 빼면요.납축 배터리의 경우 일반적으로 C/20 방전율로 측정됩니다. 즉, 배터리가 20시간 이상 방전됩니다.LiPo 팩의 경우 일반적으로 1C입니다.테스트 조건보다 더 많은 전류를 공급하면 유효 용량이 떨어집니다.온도도 중요합니다. 0°C의 LiPo는 정격 용량의 85% 만 제공할 수 있습니다.겨울에 야외에서 할 일이 있다면 이 점을 염두에 두세요. 배터리 전압 ($V_{\text{bat}}$) — 팩의 공칭 전압.계산기에는 일반적인 용도에 맞는 사전 설정이 있습니다. 단전지 LiPo (1S) 의 경우 3.7V, 2S의 경우 7.4V, NiMH AA 셀의 경우 1.2V, 밀폐형 납산의 경우 12V입니다.6S 팩이나 24V 시스템과 같은 이상한 장치를 사용하는 경우 사용자 지정 전압을 입력할 수도 있습니다.이 전압은 공칭 전압이라는 점을 기억하세요. 부하가 걸리면 팩 전압이 떨어지고 부하를 제거하면 상승하지만 에너지 계산에는 공칭 전압이 사용됩니다. 모터 전류, 평균 ($I_{\text{avg}}$) — 대부분의 사람들이 실수를 하는 부분은 다음과 같습니다.일반적인 작동 주기 동안의 평균 전류가 필요합니다. 데이터시트의 스톨 전류 (훨씬 높음) 와 무부하 전류 (훨씬 낮은 전류) 가 필요하지 않습니다.평평한 바닥에서 적당한 부하로 바퀴를 돌리면 실속 전류의 25~ 40% 가 소모될 수 있습니다.경사로를 오르시나요?아마 60% 정도.확실하게 알 수 있는 유일한 방법은 측정해 보는 것입니다. 하지만 스톨 전류를 사용해서 배터리가 10분 안에 왜 방전되었는지 궁금해하는 것보다는 대략적인 추정치로도 더 좋습니다. 주행 효율성 ($\eta$) — 모터 드라이버는 완벽한 패스스루가 아닙니다.PWM 모드에서 최신 MOSFET을 사용하는 H-브리지는 잘 설계되고 적절한 주파수로 전환하고 낮은$R_{DS(on)}$FET을 사용하는 경우 효율이 85~ 95% 에 달할 수 있습니다.이베이에서 3달러에 구입한 싸구려 브러시드 DC 드라이버 보드?날씨가 좋은 날에는 80% 정도일 수도 있겠죠.이렇게 효율이 떨어지면 운전자의 발열로 이어집니다. 더 중요한 것은 배터리가 모터에 실제로 도달하는 전류보다 더 많은 전류를 공급해야 한다는 뜻입니다.이는 결코 작은 영향이 아닙니다. 85% 효율에서 배터리 전류는 모터 전류보다 약 18% 더 높습니다. 방전 깊이 (DoD) — 실제로 사용할 배터리의 양.바로 이 부분이 배터리 화학 작용이 정말 중요한 부분입니다.LiPo 팩은 20% 충전 상태에서 정기적으로 방전되면 성능이 빠르게 저하되기 시작하므로 80% DoD가 표준 관행입니다.더 깊이 들어가 보면 오늘은 몇 분 더 사용할 수 있지만 한 달 후에 새 배터리를 구입하게 될 것입니다.납산은 훨씬 더 민감합니다. 대부분의 설계는 합리적인 사이클 수명을 위해 50% DoD를 사용합니다.NiMH는 더 관대하며 팩을 망치지 않고도 90% DoD를 안전하게 사용할 수 있습니다.계산기를 사용하여 이 값을 조정할 수 있으므로 애플리케이션에 따라 배터리 수명과 런타임을 맞출 수 있습니다.

계산기 뒤에 숨겨진 수학

계산기는 네 개의 숫자를 출력합니다.실제 컴퓨팅이란 무엇이며 그 이유는 다음과 같습니다.

가용 용량: 간단합니다. 계산된 용량에 사용하려는 비율을 곱하면 됩니다.만약 2200mAh 팩을 사용하고 있고 80% DoD로 제한한다면 1760mAh를 사용할 수 있는 셈입니다. 배터리로 인한 유효 전류:

이것이 바로 드라이버 효율성이 중요한 이유입니다.배터리는 모터 전류만 공급하는 것이 아니라 드라이버의 손실을 감당할 수 있는 충분한 전류를 공급해야 합니다.

모터가 1.5A를 소모하고 드라이버의 효율이 90% 라면 배터리가 실제로 1.67A를 공급한 것입니다. 그 여분의 0.17A는 MOSFET의 열로 바뀝니다.

런타임:

이제 배터리 수명을 계산할 수 있습니다.

계산기는 이것을 시간과 분 단위로 보여줍니다. 아무도 십진수 시간으로 생각하지 않기 때문입니다.실제로 신경 쓰이는 숫자입니다. 시스템이 종료되기까지 얼마나 걸리는지 알 수 있죠.

배터리 에너지 (예상) :이렇게 하면 와트시를 알 수 있는데, 이는 서로 다른 전압의 배터리를 비교할 때 유용합니다.2200mAh 2S LiPo (7.4V) 와 4400mAh 1S LiPo (3.7V) 의 정격 용량은 mAh 단위로 동일하지만 2S 팩의 에너지는 두 배입니다.와트시를 사용하면 혼란을 줄일 수 있습니다.

실제 사례: 소형 DC 기어 모터에 전원을 공급하는 2S LiPo

실제 시나리오를 살펴보겠습니다.여러분은 바퀴 달린 작은 로봇을 만들고 있습니다. 대학 시합을 위한 것일 수도 있고 차고에서 장난을 치고 있을 수도 있습니다.2S LiPo 팩과 두 개의 브러시드 DC 기어 모터가 바퀴를 구동합니다.

1단계 — 가용 용량:

LiPo가 완전히 소모되는 것은 아니므로:

2단계 — 유효 배터리 전류:

드라이버의 효율은 90% 이므로 모터가 소비하는 양보다 배터리가 더 많이 소모됩니다.

3단계 — 런타임: 실행 시간 약 1시간.평평한 지면과 일정한 속도, 과격한 가속이 없는 지속적인 중속 주행을 전제로 한 것입니다.

4단계 — 배터리 에너지: 따라서 이 팩에는 13와트시의 사용 가능한 에너지가 들어 있습니다.이 제품을 다른 전압 팩과 비교한다면 이 수치를 사용할 것입니다.

이제 현실을 확인해 보겠습니다. 로봇이 가만히 앉아 센서 입력을 기다리거나 느리게 움직이는 데 절반의 시간을 보낸다면 실제 작동 시간은 63분보다 길어집니다.경사로를 오르거나, 물체를 밀거나, 급격한 방향 변경을 할 경우 평균 전류는 올라가고 전류는 더 적게 받게 됩니다.이 계산기가 유용한 이유가 바로 여기에 있습니다. 로봇이 무엇을 할 것으로 예상하는지에 따라$I_{\text{avg}}$값을 다르게 입력하여 런타임이 작동 조건에 얼마나 민감한지 확인할 수 있습니다.평균 1.5는 가벼운 작업에서는 0.8A, 무거운 작업의 경우 2.5A일 수 있으며, 그에 따라 런타임이 110분에서 42분으로 줄어듭니다.

더 정확한 추정을 위한 팁

현실 세계의 평균 전류를 측정하세요. 데이터시트는 출발점이지만 복음은 아닙니다.전류 감지 저항기 또는 USB 파워 미터 (디스플레이와 로깅 기능이 있는 종류) 를 사용하여 일반적인 작동 주기 동안 시스템이 소비하는 전력을 실제로 측정해 보세요.5분 동안 대표적인 작업을 수행하면서 실행한 다음 평균을 확인해 보세요.가판대 전류와 손으로 흔들어 본 추측 수치보다 10배 더 높은 수치입니다. 회로의 나머지 부분도 잊지 마십시오. 모터는 일반적으로 전력 소모량이 가장 크지만 전류를 소비하는 유일한 요소는 아닙니다.마이크로컨트롤러가 50mA를 소모할 수도 있습니다.센서 제품군에 100mA가 더 추가될 수 있습니다.마지막 순간에 추가한 WiFi 모듈?전송 시 200mA가 될 수 있습니다.이 모든 것을 합해서$I_{\text{avg}}$안에 포함시키세요. 그렇지 않으면 런타임이 불가사의하게 부족해질 수 있습니다. 온도는 선택 사항이 아닙니다. LiPo 용량은 0°C에서 실온에 비해 10-15% 정도 떨어집니다.겨울에 드론을 날리거나 추운 날씨에 실외 로봇을 조종하는 경우 계산기에 연결하기 전에 용량을 줄여야 합니다.그렇지 않으면 배터리가 일찍 소모되어도 놀라실 겁니다.혹독한 날씨에서 작동하는 경우$C$에 0.85를 곱해서 하루라고 부르는 사람도 있습니다.

C 레이트를 조심하세요. 이 예에서는 2200mAh 팩에서 1.67A (약 0.76C) 를 추출하고 있습니다.대부분의 LiPo 팩은 1C 연속 사용에 만족하며 훨씬 높은 버스트 전류를 처리할 수 있습니다.하지만 높은 펄스 전류 (예: 시동 중에 모터가 잠시 멈추거나 장애물에 부딪히면) 팩의 정격 C-rate를 초과하면 전압 강하로 인해 유효 용량이 DoD 설정이 설명하는 수준 이상으로 감소합니다.20C 버스트 등급의 팩은 이 문제를 잘 처리할 수 있습니다.C 등급이 없는 싸구려 팩?도박을 하고 있잖아. 부하 시 전압 강하를 고려하십시오. 배터리가 방전되고 더 많은 전류를 끌어오면 단자 전압이 떨어집니다.대부분의 DC 모터 애플리케이션에서 이는 방전 주기가 끝날 무렵에는 모터가 약간 느리게 작동한다는 의미이지만 괜찮습니다.하지만 전압에 민감한 전자 장치 (예: 최소 6.5V 입력이 필요한 5V 레귤레이터) 를 사용하는 경우 DoD 한도에 도달하기 전에 시스템이 고장날 수 있습니다.계산기는 평균 사용 시간을 알려주지만 실제 시스템에서는 전압 플로어를 준수해야 합니다.

직접 해보기

이것은 한 번 해보면 잊어버리는 일이 아닙니다.모터를 교체하거나, 배터리 팩을 교체하거나, 드라이브 프로필을 조정할 때마다 런타임이 바뀝니다.실제 수치를 배터리 런타임 (모터 부하) 계산기에 입력하고 결과를 확인해 보십시오.30초 만에 전력 소모량이 현실적인지, 더 큰 배터리, 더 효율적인 드라이버 또는 더 가벼운 기계적 부하가 필요한지 알 수 있습니다.

테스트를 거치지 않고 배터리가 “충분히 오래” 버틸 수 있을 거라고 생각하는 사람이 있었기 때문에 실패하는 프로젝트를 너무 많이 본 적이 있습니다.그런 사람이 되지 마세요.계산을 하고, 전류를 측정하고, 여유를 두고 설계하세요.미래의 자아와 경쟁 성과에 감사할 것입니다.