Elegir el tipo de batería para un proyecto

Question

Estoy trabajando en una máquina que consta de 10 servos, y un microcontrolador. Los servos necesitan estar encendidos casi todo el tiempo durante unos 8 minutos. Estoy planeando utilizar el ATmega16 para proporcionar la señal a los servos. Los servos que estoy usando son los TGY-S4505B .

El problema que tengo es que no hay ninguna especificación para la cantidad de potencia que consume el servo, así que no sé para qué diseñar.

En segundo lugar, no sé qué tipo de batería funciona mejor para un proyecto como éste. Puedo elegir entre NiMh o LiPo (la máquina es móvil, por lo que debe tener una fuente de alimentación portátil). Tengo la posibilidad de cargar ambas, pero no sé qué tipo es mejor. El peso de la fuente de alimentación debe ser < 250g, pero esto es flexible. Cualquier consejo sobre la configuración de la energía para mi proyecto sería muy útil.

Answer 1

Puedes obtener algunos valores aproximados a partir de las especificaciones de rendimiento del servo. A pleno par (4,8 kg-cm) y velocidad (0,1s/60°), produce unos 5W de trabajo mecánico. Teniendo en cuenta varias ineficiencias, es razonable esperar que cada servo consuma más de 1A de corriente máxima.

Realmente depende de cuánto trabajo esperas que hagan los servos durante esos 8 minutos (colectivamente, en promedio). En el peor de los casos, podrías estar buscando 10A a tiempo completo, lo que requeriría una capacidad de batería de 1,33 A-h por carrera.

Answer 2

Puedes obtener una estimación aproximada de la cantidad de batería que necesitas independientemente de los servos teniendo en cuenta la cantidad de mecánica trabajo que necesitas hacer, y luego adivinar la eficiencia de la conversión de la energía eléctrica en trabajo (el 50% es razonable, a falta de mediciones). El trabajo es igual a la fuerza por la distancia:

\$ W = Fd \$

Si la fuerza está en newtons y la distancia en metros, entonces el trabajo estará en joules, una unidad de energía. También se puede considerar el máximo mecánico poder necesario, que es el producto de la fuerza y la velocidad:

\$ P = Fv \$

Si la fuerza se expresa en newtons y la velocidad en metros por segundo, la potencia se expresa en vatios, al igual que los sistemas eléctricos. Una vez más, hay que añadir un factor de error para la ineficacia de la conversión eléctrica <-> mecánica.

Puedes obtener la potencia máxima que puede suministrar una batería multiplicando su tensión nominal por su corriente nominal máxima:

\$ P = IE \$

Esto te da una idea aproximada de la corriente que debe suministrar tu batería, lo que puede darte una idea de la química de la batería que necesitas. También te indica que si disminuyes la fuerza o la velocidad de tus servos, necesitas menos corriente de batería.

Determinar la energía extraíble de una batería es un poco más difícil, ya que las pérdidas internas de la batería dependerán de la forma en que se extraiga la energía. Una suposición simplificada es que se puede obtener la cantidad nominal de carga eléctrica (mAh) a la tensión nominal de la batería. Una batería de 1000 mAh podría suministrar idealmente 1A durante una hora a la tensión nominal. Tenemos corriente y tensión para obtener energía, y tenemos tiempo (una hora) para obtenerla. Supongamos un voltaje nominal de 12V por ejemplo:

\$ 1000mAh \cdot 12V \dfrac {3660s}{1h} \dfrac{1}{1000m} \$

cancelar las unidades:

\$ 1000A \cdot 12V \dfrac {3660s}{1} \dfrac{1}{1000} = 1000A \cdot 12V \cdot 3.660s \$

Un amperio-voltio es un vatio, y un vatio-segundo es un julio, por lo que podemos decir:

\$ 1000A \cdot 12V \cdot 3.660s \approx 44 kJ\$

O más generalmente:

\$ Q_{mAh} \cdot V_{bat} \cdot 3.66 = E \$

Esto es cierto en la medida en que el voltaje de la batería es \$V_{bat}\$ . Por supuesto, sabes que el voltaje se reduce con una corriente alta y disminuye cuando se descarga, y también que a los fabricantes de baterías les gusta especificar la capacidad más allá del punto que se considera "muerto" para la mayoría de las aplicaciones, así que introduce un factor de error apropiado: tal vez la mitad de los mAh nominales, a menos que puedas encontrar información más detallada en la hoja de datos de la batería.

Answer 3

Corriendo.
No hay datos suficientes para una respuesta de calidad (de nadie).
2500 mAh NimH son unos 30g/batería o unas 8 baterías.
La densidad de energía en masa y volumen de la LiPo es quizás un poco más alta.
La LiPo debería poder tener una mayor tasa de descarga y una mayor tasa de carga.
La LiPo tiene problemas de seguridad pero no suelen ser un factor importante si se hace bien.

Las NimH tienen unos 8 x 1,2V x 2,5 Ah = 24 vatios/hora de energía almacenada. Si se descargan a un ritmo de 8 minutos = 8C+, bajarán a unos 12-15 Wh.
8 minutos a 12 Wh = 60/8 x 12 =~~ 90 vatios continuos.
LiPo susceptible de ser sustancialmente mejor en alta tasa de C para la versión de alta I especificada.

Answer 4

Si ya tienes uno de ellos a mano, yo conectaría dos multímetros, uno para medir la corriente y otro para medir la tensión (lo ideal es que también tengas una carga controlada). Calcula el consumo de energía y escala en consecuencia.

Un cálculo rápido de la mano:

El motor parece un motor de corriente continua con escobillas estándar.

Especificaciones relativas:

Par de apriete: 3.9kg.cm @ 4.8v / 4.8kg.cm @ 6v

La velocidad: 0.13sec 60°@ 4.8v / 0.10 60° @ 6v

La suposición es que se enumeran el par de arranque y la velocidad en vacío.

Máxima potencia mecánica de este motor (suponiendo un accionamiento de 6V):

\begin {Ecuación} \frac {47.1 N \cdot cm}{2} \cdot \frac {10.472 rad \cdot sec^{-1}}{2} = 1,21 W \end {Ecuación}

Para 10 de ellos sería 12.21W .

Funcionando a máxima potencia durante 8 minutos, la capacidad mínima de energía de la batería debería ser 5861J . La capacidad de la batería no suele especificarse en julios, así que hagamos un cálculo rápido de A*hr.

Suponiendo que los motores sean perfectamente eficientes y el accionamiento de 6V, necesitaríamos 12.21W / 3V = 4.07A mínimo para accionar todos los motores a máxima potencia. Si se paran todos los motores el consumo de corriente es el doble de esto, o 8.14A . Así que durante 8 minutos, la capacidad mínima de la batería para detener todos los motores es 1085.3 mA hr .

Ahora bien, los motores no son perfectamente eficientes y, por desgracia, no indican su eficiencia. Podrían ser tan malos como un solo dígito o en el rango del 90%. Yo calcularía en el lado cauteloso, digamos el 20% (esos motores no gritan exactamente "eficiente" para mí). Así que apuntar a una capacidad de la batería de más de 5.43 A hr . Por supuesto, esto supone que los motores se paran por completo los 8 minutos, y si es así, probablemente tengas otros problemas. Dependiendo del caso de uso exacto, probablemente se puede conseguir con una capacidad menor. No olvides que otros circuitos también consumen energía de la batería.

Answer 5

Aunque tenemos muchos cálculos, parece que nadie ha mencionado el tipo de batería que hay que utilizar.

Mi solución "general" sería optar siempre por las LiPo, a menos que se disponga de las NiMH o se tema realmente que las LiPo vayan a explotar o empezar a arder. Además, las LiPos tienen una densidad de energía mucho mayor y serían mucho más fáciles de encajar en el límite de 250 g.

Hay baterías LiPo de 6 Ah disponibles habitualmente para coches de juguete y helicópteros que pueden soportar altas corrientes de descarga. Sin embargo, veo dos problemas aquí: El primero es el voltaje y el segundo es la masa.

Para que funcione a 6 V, probablemente querrás al menos baterías "2S". Tienen dos celdas conectadas en serie y su tensión nominal, si no recuerdo mal, es de 7,4 V. El voltaje máximo es de 8,4 V, pero caerá rápidamente. Esto puede requerir el uso de un regulador buck para alimentar los servomotores. Realmente no veo la manera de utilizar una sola célula, ya que su voltaje total de 4,2 V sería demasiado pequeño.

El segundo problema es la masa. Por lo que puedo ver, la masa para las baterías de capacidad cercana a los 6 Ah está en el margen de 400 g a 600 g. Las baterías de 2S parecen estar más cerca del margen de 400 g, mientras que las de 3 S suelen superar los 500 g. En torno a los 3 Ah y 4 Ah, hay baterías disponibles con una masa de unos 300 g, por lo que podrían ser un compromiso adecuado si la experimentación demuestra que el valor de 6 Ah es excesivo.

Para el final una recomendación más: Asegúrate de conseguir una batería con un enchufe de "equilibrio". Este conector proporciona un acceso individual a cada célula y hace posible una carga correcta y una fácil inspección de cada célula. Algunas baterías más baratas pueden no tener dicho conector, así que evítalas.