Tempo de operação da bateria sob carga do motor: guia prático

Por que a estimativa de tempo de execução é importante

Aqui está algo que todo engenheiro de robótica aprende da maneira mais difícil: seu robô morrerá no pior momento possível se você não fizer as contas primeiro. Já vi robôs de competição pararem no meio de uma partida e vi drones caírem do céu porque alguém confiou em uma etiqueta de bateria sem realmente calcular o tempo de execução. O instinto é pegar a fórmula mais simples:

Isso vai mentir para você. Ele dirá que você tem o dobro de tempo de execução do que realmente tem, e você descobrirá durante uma demonstração ou em campo quando é tarde demais para corrigir. Sistemas reais não são tão simples. Seu motorista de motor desperdiça energia na forma de calor. Sua bateria não deve chegar a zero se você quiser que ela sobreviva a mais de uma dúzia de ciclos. E seu motor não puxa corrente constante — ela varia com a carga mecânica, a aceleração e uma dúzia de outros fatores.

A calculadora Battery Runtime (Motor Load) corrige isso. Ele considera a eficiência do motorista, a profundidade segura dos limites de descarga e fornece um número de tempo de execução que você pode realmente planejar. Use-o antes de especificar uma bateria, não depois que seu protótipo morrer durante a apresentação do investidor.

As entradas que você precisa saber

Vamos detalhar o que a calculadora precisa e por que cada parâmetro realmente importa no mundo real.

Capacidade da bateria ($C$) — Esse é o número impresso em sua bateria em miliamperes-hora (mAh) ou amperes-hora (Ah). Parece simples, certo? Exceto que esse número vem com letras miúdas. Para baterias de chumbo-ácido, normalmente é medida na taxa de descarga C/20, o que significa que elas descarregam a bateria por mais de 20 horas. Para pacotes LiPo, geralmente é de 1C. Puxe mais corrente do que as condições de teste e sua capacidade efetiva diminui. A temperatura também é importante: um LiPo a 0 °C pode fornecer apenas 85% de sua capacidade nominal. Lembre-se disso se estiver fazendo alguma coisa ao ar livre no inverno. Voltagem da bateria ($V_{\text{bat}}$) — A voltagem nominal do seu pacote. A calculadora tem predefinições para os suspeitos usuais: 3,7 V para um LiPo de célula única (1S), 7,4 V para 2S, 1,2 V para células AA NiMH e 12 V para chumbo-ácido selado. Você também pode inserir uma voltagem personalizada se estiver executando algo estranho, como um pacote 6S ou um sistema de 24 V. Lembre-se de que essa é a tensão nominal - a tensão da embalagem cairá sob carga e aumentará quando você remover a carga, mas nominal é o que usamos para cálculos de energia. Corrente do motor, média ($I_{\text{avg}}$) — É aqui que a maioria das pessoas erra. Você precisa da corrente média durante seu ciclo operacional típico, não da corrente de parada da folha de dados (que é muito maior) e não da corrente sem carga (que é muito menor). Se você estiver girando rodas em terreno plano com carga moderada, poderá estar puxando de 25 a 40% da corrente de parada. Subindo uma rampa? Talvez 60%. A única maneira de saber com certeza é medi-la, mas mesmo uma estimativa aproximada é melhor do que usar a corrente de parada e se perguntar por que sua bateria acabou em dez minutos. Eficiência de acionamento ($\eta$) — Seu acionador de motor não é uma passagem perfeita. Uma ponte H usando MOSFETs modernos no modo PWM pode atingir 85— 95% de eficiência se for bem projetada, comutando em uma frequência razoável e usando FETs de$R_{DS(on)}$baixos. Uma placa de driver DC escovada barata que você comprou por $3 no eBay? Talvez 80% em um bom dia. Essa falta de eficiência se transforma em calor no motorista e, mais importante, significa que a bateria precisa fornecer mais corrente do que a que realmente chega ao motor. Esse não é um efeito pequeno — com 85% de eficiência, a corrente da bateria é cerca de 18% maior que a corrente do motor. Profundidade de descarga (DoD) — Quanto da bateria você está realmente disposto a usar. É aqui que a química da bateria realmente importa. Os pacotes LiPo começam a se degradar rapidamente se você os drenar regularmente abaixo de 20% do estado de carga, então 80% do DoD é uma prática padrão. Vá mais fundo e você poderá ter mais alguns minutos de tempo de execução hoje, mas comprará baterias novas em um mês. O chumbo-ácido é ainda mais sensível — a maioria dos projetos usa 50% de DoD para obter um ciclo de vida razoável. O NiMH é mais tolerante e você pode usar 90% do DoD com segurança sem matar a matilha. A calculadora permite que você ajuste isso para que você possa trocar o tempo de execução pela longevidade da bateria, dependendo da sua aplicação.

A matemática por trás da calculadora

A calculadora mostra quatro números. Aqui está o que realmente é computação e por quê.

Capacidade utilizável: Simples: você pega a capacidade nominal e multiplica pela fração que deseja usar. Se você tem um pacote de 2200 mAh e está se limitando a 80% do DoD, você tem 1760 mAh para trabalhar. Corrente efetiva da bateria:

É aqui que entra a eficiência do motorista. A bateria não fornece apenas a corrente do motor — ela precisa fornecer corrente suficiente para cobrir as perdas no motorista:

Se seu motor puxa 1,5 A e seu motorista é 90% eficiente, a bateria está, na verdade, fornecendo 1,67 A. Esse 0,17 A extra está se transformando em calor em seus MOSFETs.

Tempo de execução:

Agora podemos calcular quanto tempo dura a bateria:

A calculadora mostra isso em horas e minutos porque ninguém pensa em horas decimais. Esse é o número com o qual você realmente se importa — quanto tempo falta para o sistema ser desligado.

Energia da bateria (estimada) :Isso fornece watts-hora, o que é útil quando você compara baterias em voltagens diferentes. Um LiPo 2S de 2200 mAh (7,4 V) e um LiPo 1S de 4400 mAh (3,7 V) têm a mesma capacidade nominal em mAh, mas o pacote 2S tem o dobro da energia. Os watts-hora eliminam a confusão.

Exemplo resolvido: 2S LiPo alimentando um pequeno motor de engrenagem DC

Vamos analisar um cenário real. Você está construindo um pequeno robô com rodas — talvez para uma competição universitária ou apenas para brincar na sua garagem. Você tem um pacote LiPo 2S e dois motoredutores DC escovados acionando as rodas.

Etapa 1 — Capacidade utilizável:

Você não vai drenar totalmente o LiPo, então:

Etapa 2 — Corrente efetiva da bateria:

Seu driver é 90% eficiente, então a bateria fornece mais do que os motores consomem:

Etapa 3 — Tempo de execução: Cerca de uma hora de tempo de execução. Isso pressupõe uma condução moderada contínua — terreno plano, velocidade constante, sem aceleração agressiva.

Etapa 4 — Energia da bateria: Então você tem 13 watts-hora de energia utilizável neste pacote. Se você estivesse comparando isso com um pacote de voltagem diferente, esse é o número que você usaria.

Agora, aqui está a verificação da realidade: se seu robô passar metade do tempo sentado, esperando a entrada do sensor ou se movendo lentamente, seu tempo de execução real será superior a 63 minutos. Se estiver subindo rampas, empurrando objetos ou fazendo mudanças rápidas de direção, a corrente média aumenta e você obtém menos. É exatamente por isso que a calculadora é útil — você pode inserir valores diferentes para$I_{\text{avg}}$com base no que você espera que o robô faça e ver o quão sensível seu tempo de execução é às condições operacionais. Essa média de 1,5 A pode ser de 0,8 A para serviços leves ou 2,5 A para trabalhos pesados, e o tempo de execução varia de 110 minutos para 42 minutos de acordo.

Dicas para estimativas mais precisas

Meça sua corrente média no mundo real. As planilhas de dados são um ponto de partida, mas não são evangélicas. Obtenha um resistor com sensor de corrente ou um medidor de energia USB (do tipo com tela e registro) e meça realmente o que seu sistema extrai durante um ciclo operacional típico. Execute-o por cinco minutos fazendo tarefas representativas e veja a média. Esse número vale dez vezes mais do que qualquer suposição baseada na corrente de parada e no aceno manual. Não se esqueça do resto do circuito. Os motores geralmente consomem mais energia, mas não são a única coisa que consome corrente. Seu microcontrolador pode puxar 50 mA. Seu conjunto de sensores pode adicionar mais 100 mA. Aquele módulo WiFi que você adicionou no último minuto? Pode ser de 200 mA durante a transmissão. Some tudo e inclua em$I_{\text{avg}}$, ou você terá um tempo de execução misteriosamente curto. A temperatura não é opcional. A capacidade de LiPo cai de 10 a 15% a 0 °C em comparação com a temperatura ambiente. Se você estiver pilotando um drone no inverno ou operando um robô ao ar livre em climas frios, precisará reduzir sua capacidade antes de conectá-lo à calculadora. Caso contrário, você ficará surpreso quando a bateria acabar mais cedo. Algumas pessoas simplesmente multiplicam$C$por 0,85 para operações em climas frios e encerram o dia.

Observe sua taxa C. Neste exemplo, estamos retirando 1,67 A de um pacote de 2200 mAh, que é cerca de 0,76C. A maioria dos pacotes LiPo funciona com 1C contínuo e pode lidar com correntes de ruptura muito mais altas. Mas se você estiver puxando altas correntes de pulso — digamos que seu motor pare brevemente durante a partida ou bata em um obstáculo — e estiver excedendo a taxa C nominal do pacote, você verá uma queda de tensão que reduz a capacidade efetiva além do que a configuração do DoD considera. Um pacote classificado para explosão de 20° C aguentará isso bem. Um pacote barato sem classificação C? Você está apostando. Considere uma queda de tensão sob carga. Conforme a bateria descarrega e você puxa mais corrente, a tensão do terminal cai. Para a maioria das aplicações de motores DC, isso significa apenas que o motor funciona um pouco mais devagar no final do ciclo de descarga, o que é bom. Mas se você tiver componentes eletrônicos sensíveis à voltagem (como um regulador de 5 V que precisa de pelo menos 6,5 V de entrada), seu sistema pode ficar marrom antes de você atingir o limite do DoD. A calculadora fornece um tempo de execução médio entre casos, mas os sistemas reais têm níveis de tensão que você precisa respeitar.

Experimente você mesmo

Essa não é uma daquelas coisas que você faz uma vez e esquece. Toda vez que você troca motores, troca baterias ou ajusta seu perfil de acionamento, seu tempo de execução muda. Insira seus números reais na calculadora Battery Runtime (Motor Load) e veja o que você obtém. Leva 30 segundos e dirá se seu orçamento de energia é realista ou se você precisa de uma bateria maior, um driver mais eficiente ou uma carga mecânica mais leve.

Já vi muitos projetos falharem porque alguém presumiu que a bateria duraria “o suficiente” sem verificar. Não seja essa pessoa. Faça as contas, meça sua corrente e projete com margem. Seu eu futuro — e seu desempenho na competição — agradecerão.