So wählen Sie die richtige Stromquelle für Ihren Roboter aus

Im folgenden Artikel möchte ich einige praktische Ratschläge zur Stromversorgung mobiler Roboter geben. Lasst uns gleich loslegen.

Es gibt viele verschiedene Arten von Batterien auf dem Markt, aber der Einfachheit halber teilen wir sie in zwei Gruppen ein.

Es gibt Batterien, die sich hervorragend für Roboter eignen …

…und Batterien, die nicht so toll sind (also nicht verwenden):

Es gibt noch ein paar andere Typen, aber wir werden hier nicht auf Dinge eingehen, die teuer, schwer zu kaufen oder schwer aufzuladen sind.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen allgemeinen Überblick über die oben genannten Batterietypen (die für Roboter geeignet sind). Es gibt viele moderne Li-Ion-Zellen, die eine Entladung mit einem Strom von bis zu 90 °C ermöglichen, aber die Tabelle wäre zehnmal breiter, wenn ich sie alle beschreiben wollte.

Tatsächlich sind Li-Poly-Akkus die Untergruppe der Li-Ion-Akkus. Wir können sagen, dass es sich um eine spezielle Version normaler Li-Ion-Akkus handelt. Warum sind sie etwas Besonderes? Der Unterschied besteht darin, dass Li-Ion-Zellen bei der Herstellung in eine Metalldose (meist zylindrisch) gepresst werden müssen, damit sie in einem Stück bleiben. Später eingeführte Li-Poly-Zellen haben einen anderen Aufbau und können sich ohne die Unterstützung des Außenzylinders halten.

Allerdings sind die elektrischen Parameter von Li-Ion und Li-Poly nahezu identisch.

Die NiMH-Akkus sind aufgrund ihres geringen Innenwiderstands und ihres guten Leistungsgewichts beliebt. Sie sind auch viel sicherer als Zellen auf Li-Basis. Explosionen solcher Batterien sind wirklich selten (ich würde jedoch nicht empfehlen, sie ins Feuer zu werfen ;)). Die spezifische Energie (Energie-Gewichts-Verhältnis) von NiMH ist viel schlechter als die von Lithiumzellen.

[bctt tweet="Die Wahl der richtigen Akkugröße, Version, Hochstromfähigkeit, Kapazität usw. ist viel wichtiger als die Wahl zwischen NiMH oder Li-Ion." Benutzername="iotforall"]

Die beliebteste Form aller Batterien ist eine zylindrische Dose. Wird für Li-Ion-, NiMH- und sehr selten für Li-Poly-Zellen verwendet (sie benötigen, wie bereits erwähnt, keine Dose). Die Zellen auf dem Foto oben haben einen Durchmesser von 18 mm und sind 65 mm lang. Aus diesem Grund werden sie „18650“-Zellen genannt. Wenn Sie also eine 18650-Zelle finden, können Sie fast sicher sein, dass es sich um eine Li-Ion-Zelle handelt.

Sie können sehen, dass der gelbe einen flachen „+“-Anschluss hat – er ist für das Verschweißen von Zellen in einer Gruppe zu Batteriesätzen vorbereitet (wie der unten gezeigte). Die blaue „Consumer“-Zelle verfügt über einen erhöhten „+“-Anschluss, so dass sie mit einer Feder auf der „-“-Anschlussseite leicht in einen Batteriehalter eingesetzt und daraus entnommen werden kann. Verbraucherzellen verfügen oft über eingebaute Schutzschaltungen und sind daher etwa 2–4 ​​mm länger als normale 18650-Zellen.

Andere beliebte Abmessungen für Li-Ionen- und NiMH-Zellen sind 14500 (14 x 50 mm), allgemein bekannt als AA. Sie können auch 18500, 26650, 16650, AAA, C, D und viele andere Typen finden.

Diese Form wird verwendet, wenn die Batteriekonstruktion ein Metallgehäuse erfordert. Die prismatischen Li-Ion-Zellen wurden häufig in tragbaren Geräten (wie Mobiltelefonen) verwendet, als die Li-Poly-Batterien noch nicht beliebt waren. Interessante Tatsache: Das Nokia 3310 verwendete einen NiMH-Akku in Prismenform.

Wie bereits erwähnt, benötigen Li-Poly-Akkus kein Metallgehäuse. Sie werden in Form dünner, elastischer Scheiben hergestellt, die gestapelt in die Beutel gesteckt werden, statt sie in die Dose aufzurollen. Das Fehlen der Metallverpackung ist der Hauptgrund dafür, dass „Li-Poly“ bei gleicher Leistung weniger wiegt als „Li-Ion“.

Pouch-Zellen sind kostengünstig und in der Regel sehr dünn und eignen sich daher hervorragend, wenn es um die Stromversorgung von Smartphones, Tablets und Netbooks geht.

Beutel können manchmal Schutzschaltungen haben:

Sie können auch in Blöcken gestapelt werden:

Diese Blöcke werden häufig in Drohnen, RC-Cars und anderen Hochleistungsspielzeugen verwendet. Li-Poly-Akkus für RC-Bastler verfügen über keine Schutzschaltungen. Dies ist eine einzigartige Situation, wenn man den Verbrauchermarkt berücksichtigt.

Es ist wichtig, daran zu denken, Li-Polys für Smartphones und Li-Polys für Quadrocopter nicht zu verwechseln! Die ersten sind in der Regel energiereiche Typen, haben einen recht großen Innenwiderstand und einen niedrigen maximalen Entladestrom (ca. 1C). Andererseits sind Akkus für RC-Bastler für die Entladung mit hohem Strom, bis zu 30–90 °C, vorbereitet! Es sind also beide Li-Polymer-Akkus, aber völlig unterschiedlich.

Roboter sind anders, ebenso wie ihr Appetit auf Macht. Lassen Sie uns für den Zweck dieses Artikels drei Roboterbeispiele diskutieren:

Was ist ein Sumoroboter? Es handelt sich um einen Roboter, der dafür konzipiert ist, in Sumo-Wettbewerben mit einem anderen Roboter zu kämpfen. In den Regeln solcher Wettbewerbe ist in der Regel eine Grundfläche von 10 x 10 cm festgelegt, wobei jede beliebige Höhe zulässig ist. Das maximale Gewicht beträgt 500g. In den meisten Fällen verwenden Mini-Sumo-Roboter zwei Gleichstrom- oder bürstenlose Motoren und einige zusätzliche bewegliche Teile, die dazu dienen, den Gegner auszuhebeln oder zu verwirren.

In unserem Beispiel verwenden wir zwei Gleichstrommotoren zum Antrieb und eine Schaufel, um den Gegner hochzuheben, sodass er seinen Halt verliert. Die Schaufel wird zu Beginn über dem Roboter platziert, sodass die Stellfläche des Roboters im Rahmen bleibt. Gleich nach dem Start bewegt sich eine Schaufel in die untere Position und wird vor dem Roboter platziert. Die Schaufel wird mit einem RC-Servo gesteuert.

Normalerweise sind die Wettkämpfe selbst recht kurz, aber der Roboter muss mehrere Schlachten hintereinander einsatzbereit bleiben. Gehen wir davon aus, dass insgesamt 15 Minuten als Mindestarbeitszeit gelten.

Wir gingen außerdem davon aus, dass wir einige Kondensatoren mit niedriger Impedanz verwenden werden, um die hohen Stromspitzen der Motoren zu bewältigen, sodass die Batterien in einer Spitze etwa 4 A liefern müssen. Der durchschnittliche vom Roboter verbrauchte Strom beträgt etwa 2A.

Lassen Sie uns nun die Anforderungen an die Batterien spezifizieren:

Anhand dieser Parameter können wir einige passende Batterien zur Auswahl auflisten.

NiMH: 7x AAA-Akku – FDK HR-4U oder ähnlich

Kommentar: Einfach aufzuladen und sicher. Lange Ladezeit, kann aber mit dem Batteriehalter als Wechselakku verwendet werden (benötigt mehr Platz). Nur 100g Gewicht. Das niedrigste Kapazität-Preis-Verhältnis.

Li-Ion: 3×18650 Akkupack: Tenergy 31012, 11,1V 2200mAh mit Schutzschaltung

Kommentar: Das Aufladen ist schwieriger, aber das Aufladen geht viel schneller. Integriert eine Schutzschaltung zur Vermeidung von Überladung, Tiefentladung und Kurzschlüssen. Größer als NiMH, aber mit mehr als der doppelten Kapazität, sodass Sie sich tagsüber keine Gedanken über das Aufladen oder Ersetzen machen müssen.

Li-Poly: Hyperion G5 50C 2S 850 mAh LiPo

Kommentar: Die richtige Wahl, wenn Sie die beste Leistung und das geringste Gewicht und Volumen wünschen. Der Nachteil ist die niedrige Spannung – Sie müssen die Kabel kurz halten und die LDO-Regler für die Elektronik verwenden. Es verfügt über keine Schutzschaltung und ist daher eine weniger sichere Option!

Lassen Sie uns nun ein Beispiel für einen Flugroboter diskutieren, der so leicht wie möglich sein sollte (er muss fliegen, oder?). Es gibt verschiedene Größen, aber sagen wir, es handelt sich um eine 45 x 45 cm große Drohne. Es verwendet vier BLDC-Motoren für Propeller, verfügt über kleine, aber intelligente elektronische Schaltkreise und einen Funk-Transceiver. Die Stromquelle soll in kurzer Zeit viel Energie liefern.

Wir gingen davon aus, dass alle Berechnungen zum Drohnengewicht und zur Motorleistung durchgeführt wurden und wir wissen, dass wir eine Batterie mit einer Nennspannung von etwa 14–15 V benötigen.

Die Anforderungen an die Batterien sind:

Beispiele für Batterien, die diese Anforderungen erfüllen:

NiMH: Diesmal nicht – wir brauchen viel Energie pro Gewichtseinheit; Li-basierte Zellen sind viel besser

Li-Ion: 12×18650 (4S3P) Akkupack aus KeepPower IMR18650 2500mAh 3,7V 20A Zellen (20A Dauerbetrieb, 35A Spitze)

Kommentar: Die Kapazität scheint viel mehr als erforderlich zu sein, aber bei der hohen Stromstärke kann sie sogar die Hälfte davon betragen. Li-Ionen werden in Drohnen nicht verwendet. Wie wir sehen, ist es nicht verrückt, sie zu verwenden, aber es ist schwierig, die Hochstromversionen zu finden und zu kaufen, und sie haben eine viel geringere spezifische Leistung (Leistungsgewichtsverhältnis) als Hochstrom-Li-Poly-Zellen, die ist bei fliegenden Robotern von entscheidender Bedeutung.

Li-Poly: Turnigy Graphene 5000 mAh 4S 45C Lipo Pack mit XT90 (45C kontinuierlich, 90C Spitze)

Kommentar: Wahrscheinlich sind die Parameter überbewertet, aber aufgrund des großen Spielraums für den maximalen Entladestrom ist es immer noch die beste Wahl. Dies soll eine lange Lebensdauer einer Batterie gewährleisten. Das Verhältnis von Kapazität zu Gewicht ist geringer als bei Li-Ion, jedoch nur für die Entladung mit geringem Strom. Bei dieser Anwendung werden wir keine geringen Strömungen haben und die Flugzeit wird kürzer sein als anhand der angegebenen Kapazität berechnet.

AGV ist ein fahrerloses Transportfahrzeug mit einem einzigen Bordcomputer, einer Kamera und vielen Sensoren auf dem Bord. Es verfügt über 4 Räder, 2 davon werden von Gleichstrommotoren angetrieben. Seine Anwendung besteht darin, die Form der Räume in verschiedenen Gebäuden zu scannen und eine Karte der Räume mit Texturen zu erstellen. Die Geschwindigkeit ist nicht entscheidend, da das Fokussieren der Kameraobjektive, das Scannen des Raums mit LiDAR und die Berechnung oder Übertragung von Rohdaten ziemlich lange dauern. Daher kann der Roboter nicht zu schnell fahren.

Diesmal bezieht sich der Verbrauch auf die Leistung und nicht auf den Strom, da viele DC/DC-Wandler höhere Spannungen und niedrige Ströme in niedrigere Spannungen und hohe Ströme umwandeln. Dann können wir die Mindestspannung für die Batterie wählen – 10 V – und den durchschnittlichen Strom für unsere Bequemlichkeit berechnen.

Die Anforderungen an die Batterien sind folgende:

NiMH: Diesmal nicht – Energie hat Priorität; Li-basierte Zellen sind viel besser

Li-Ion: 6×18650 (3S2P) Akkupack aus INR18650–35E Samsung 3500mAh

Kommentar: Sehr gute Wahl. Die spezifische Energie (Kapazitäts-Gewichts-Verhältnis) ist viel größer als für dieses Volumen erforderlich. Der Preis ist niedrig.

Li-Poly: ein 3S1P-Akku aus LP616594 4700 mAh 3,7 V

Kommentar: Geringeres Gewicht und Volumen, aber schlechtere spezifische Energie und höherer Preis. Ein Beispiel für einen Niedrigstrom-Li-Ion-Typ – der maximale Strom beträgt nur 2C, reicht aber für diesen Zweck aus.

Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen bei der Auswahl der richtigen Batterie für Ihren Roboter hilft.

Ein paar Dinge, die Sie beachten sollten: