Tempo de execução da bateria (carga do motor)

Calcule o tempo de operação da bateria para sistemas acionados por motor, considerando o consumo de corrente do motor, a eficiência e a profundidade de descarga.

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Fórmula

t = C_usable / I_draw, C_usable = C × DoD

C — Battery capacity (mAh)

DoD — Depth of discharge (%)

Como Funciona

A duração da bateria para um sistema movido a motor depende da capacidade de energia utilizável da bateria e do consumo médio de energia do sistema motor. Tempo de execução (horas) = (Capacidade da bateria em Wh × DoD) /P_average, onde DoD é a profundidade de descarga (normalmente 80% para chumbo-ácido, 90% para íon-lítio/LiFePO4). Para um motor de corrente contínua consumindo corrente I na tensão V, P_average = V × I/η_system, onde η_system contabiliza as perdas do motor, do controlador e da fiação. Para aplicações de carga variável, use a potência média do ciclo de trabalho em vez da potência de pico.

Exemplo Resolvido

Um robô de 24 V com uma bateria LiFePO4 de 20 Ah usa dois motores de acionamento consumindo 8 A no total em velocidade máxima, mas funciona com um ciclo de trabalho de 60% em média. A eficiência do sistema motor é de 82%.

Etapa 1 — Energia utilizável da bateria:

E_utilizável = V × Ah × DoD = 24 × 20 × 0,90 = 432 Wh

Etapa 2 — Energia elétrica média consumida:

P_elec = V × I_avg = 24 × (8 × 0,60) = 24 × 4,8 = 115,2 W

Etapa 3 — Entrada de energia da bateria (contabilizando a eficiência):

P_bateria = P_elec/τ = 115,2/0,82 = 140,5 W

Etapa 4 — Tempo de execução da bateria:

t = E_usable/p_Battery = 432/ 140,5 = 3,08 horas

Etapa 5 — Verificação de capacidade na taxa C:

I_avg = P_bateria/V = 140,5/24 = 5,85 A → 5,85/20 = 0,29C - bem dentro da classificação de descarga contínua LiFePO4

Resultado: o robô opera por aproximadamente 3,1 horas com carga total e ciclo de trabalho de 60%.

Dicas Práticas

✓Registre o consumo real de corrente com um sensor de corrente durante ciclos de operação representativos — a corrente média do mundo real é quase sempre menor do que as estimativas do pior caso
✓Para células de íon de lítio, limite a profundidade de descarga a 80% para um ciclo de vida mais longo; as células NMC se degradam rapidamente abaixo de 2,8 V/célula durante descargas profundas repetidas
✓Adicione uma margem de segurança de tempo de execução de 20 a 25% ao seu tempo de execução calculado ao dimensionar a bateria — permite o envelhecimento (perda de capacidade durante os ciclos de carga) e cargas acima do esperado

Erros Comuns

✗Usando a corrente de pico do motor em vez da corrente média — para um robô funcionando a 60% do ciclo de trabalho, isso superestima o consumo de energia em 67% e subestima o tempo de execução adequadamente
✗Ignorando as perdas do controlador e da fiação — perdas de comutação do controlador do motor de 5 a 15% e quedas de resistência do cabo reduzem o tempo de operação real em comparação com os cálculos somente do motor
✗Esquecendo que a capacidade da bateria cai significativamente em altas taxas de descarga (efeito Peukert) - uma bateria de chumbo-ácido de 20 Ah fornece apenas ~ 14 Ah com descarga de 2C

Perguntas Frequentes

O que é o efeito Peukert e como ele afeta os cálculos de tempo de execução?

O efeito Peukert descreve como a capacidade da bateria diminui com taxas de descarga mais altas. Ela afeta principalmente baterias de chumbo-ácido (expoente de Peukert 1,1—1,3) e, em menor grau, LiFePO4 (expoente ~ 1,05). Em altas taxas de C, a capacidade efetiva é menor, reduzindo o tempo de execução abaixo do cálculo simples de Wh/P. Use as curvas de descarga do fabricante na taxa C apropriada para estimativas precisas.

Devo dimensionar minha bateria para corrente de pico ou corrente média?

Dimensione a energia da bateria (Wh) para o consumo médio de energia para atingir as metas de tempo de execução. Dimensione a corrente nominal contínua da bateria para o pico de consumo de corrente para evitar queda excessiva de tensão. Para cargas pulsadas, adicione capacitância em massa para absorver os picos de corrente para que a bateria veja apenas uma corrente média suavizada.

Como a temperatura afeta o tempo de execução da bateria?

A capacidade da bateria diminui em baixas temperaturas: uma célula de íon de lítio fornece aproximadamente 80% da capacidade nominal a 0 °C e 60% a -20 °C. As baterias de chumbo-ácido são ainda mais sensíveis. Altas temperaturas (acima de 45 °C) aceleram a degradação da capacidade ao longo do tempo. Para aplicações externas, reduza a capacidade da bateria e adicione gerenciamento térmico para obter melhores resultados.

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