Источники питания мобильных роботов

В данной статье мы поговорим об актуальной проблеме - электропитании автономных систем.  За время участия в соревнованиях Eurobot мы испробовали несколько видов источников питания и пришли к определенным выводам, о которых сейчас будет рассказано.

Требования к источнику питания мобильного робота:

- Большая токоотдача
- Быстрая зарядка
- Малый вес
- Большое число циклов заряд/разряд
- Малые габариты
- Необслуживаемость
- Длительное сохранение заряда в режиме ожидания
- Желательно наличие встроенной защиты от перегрузки

1.  Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Это легкодоступный и распространенный вид аккумуляторов.  Доступны различные по варианты по емкости и соответственно габаритам. Нас в данном случае интересуют необлуживаемые 6 и 12 вольтовые  емкостью от 0.8 Ач до 7 Ач.

  • Теоретическая энергоемкость (Вт·ч/кг): около 133 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .
  • Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.
  • ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6,3 В или 12,6 В).(12,9 В)
  • Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.
  • Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40
  • КПД: порядка 80-90%
Напряжение ~ Заряд
12.70 V 100 %
12.46 V 80 %
12.24 V 55 %
12.00 V 25 %
11.90 V 0 %

Преимущества:

- Очень дешевые. Мы пользовались моделью 12В 3.2 Ач 134x67x60 мм. Цена: от 400  руб.

- Высокая токоотдача. Не нашел официальных сведений, по моему наблюдения номинальная длительная не менее, 5 С. Напомню С-это емкость в Ач. То есть, если С=3.2Ач, то токоотдача устройства будет не менее 16А. При этом такой аккумулятор способен отдать очень большой пусковой ток. Зачем высокая токоотдача в роботе? Это нужно для старта двигателей и аккумулятор должен отдать пусковой ток и не допустить просадки питания, чтобы не перезагрузить управляющую электронику.

- Простое и дешевое зарядное устройство. Быстрая зарядка

Недостатки:

- Тяжелые и габаритные. Посредственное отношение емкости к габаритам.

- При длительном неиспользовании возможно снижение характеристик. У нас был случай, когда в результате длительного полного неиспользования в течении 10 месяцев аккумуляторы сульфатировались и вышли из строя.

Вывод: Свинцово-кислотные аккумуляторы в ближайшее время сохранят статус наиболее распространенных источников питания. Но требование уменьшения габаритов и увеличения емкости приводят к необходимости другого выбора.

P.S> Этот тип аккумуляторов в последнее время сделал шаг вперед. Увеличен срок службы. Появились полностью необслуживаемые аккумуляторы, которые имеют специальные полупроницаемые клапаны и стравливают газы при зарядке автоматически.

2.Литий-полимерные аккумуляторы.(Li-Po)

Этот тип аккумуляторов мне впервые встретился в магазинах любителей моделизма. В проекте Eurobot 2011 мы сделали ставку на них. В габаритах и емкости, а также токоотдаче мы не проиграли, но столкнулись с очень острой проблемой этих аккумуляторов - выходе из строя при чрезмерной разрядке.

Преимущества:

  • Низкая цена за единицу ёмкости;
  • Большая плотность энергии на единицу объёма и массы;
  • Низкий саморазряд;
  • Толщина элементов от 1 мм;
  • Возможность получать гибкие формы;
  • Экологическая безопасность;
  • Токоотдача 10С-45С

Недостатки:

  • Снижаются характеристики на холоде;
  • Могут взорваться при перегреве свыше 70 градусов
  • Из-за высокой токоотдачи - взрывоопасны
  • Сложное зарядное устройство.
  • При разряде  ниже 2.5 вольт банка выходит из строя.
  • Снижение емкости по мере службы. Через пару лет теряют 20% емкости.
  • Дисбаланс банок при эксплуатации или зарядке. Требуют балансировки, т.е.  зарядки с выравниванием  отдельно каждой банки.

Аккумуляторы имеют 3.7 вольта на банку. На практике она может быть от 2.5 в разряженном виде до 4.2 в заряженном. Поэтому бортовая электроника должна быть робастной к такого рода диапазонам. Крайне опасен разряд ниже 2.5 вольт, в этом состоянии батарея стремительно деградирует и буквально спустя несколько часов теряет емкость почти полностью. Банку придется заменять. Если одна из банок в процессе эксплуатации потеряла емкость, то начинается процесс разбалансировки, когда текущее напряжение на банках становится не равно между собой как после зарядки обычным способом, так и во время работы. Это еще более усугубляет ситуацию, ускоряя процесс выхода из строя и время работы до разрядки.

График разряда LiPo аккумулятора (ток разрядки - 15А)


Как видно из графика LiPo обладают робастными свойствами. То есть способностью длительно сохранять приемлемое напряжение питания, при этом быстро проседают на последних 3-5% емкости. В это же время наибольшая вероятность убить банки, если вовремя не осуществить зарядку. Также они могут терять свои свойства при хранении в критически разряженном состоянии.

Для зарядки нужно специальное устройство.

- Individual cell balancing Li-ion, LiPo and LiFe capable Ni-Cd and NiMH capable
- Microprocessor controlled Delta-peak sensitivity
- Large range of charge currents Store function, allows safe storage current
- Input voltage monitoring. (Protects car batteries at the field)
- LCD display
- Charge current range: 0.1~5.0A
- Current drain for balancing Li-po: 300mAh/cell
- NiCd/NiMh battery cell count: 1~15cell
- Li-ion/Polymer cell count: 1~6series
- Pb battery voltage: 2v to 50v

Например,  такое мы используем сейчас. Позволяет заряжать разные типы аккумуляторов и их сборок и делать балансировку.

 

Вывод: Все хорошо в этих аккумуляторах, я даже готов смириться с зарядным устройством, которое стоит от 35$ и балансировкой. Но вот опасность чрезмерного разряда на данный момент заставила меня уже дважды заменять банку. Эти аккумуляторы нужно использовать в роботах с платой-диспетчером питания, которая возьмет на себя все проблемы контроля разряда и зарядки. Наверно, буду работать над таким устройством.

3.  Li-ION.

Это более портативный источник питания, свойственный электронным устройствам. Я применил его в маяковой системе навигации в виде аккумуляторов AA 3.7 вольта, 900мАч.

Преимущества

  • Высокая энергетическая плотность.
  • Низкий саморазряд.
  • Отсутствие эффекта памяти.
  • Простота обслуживания.

Недостатки

  • Теряют емкость со временем
  • Опасны при разрушении
  • Дорогие (особенно в копеечку обошлись в формате АА)
  • Высокий саморазряд (до 5% в месяц)
  • Низкая токоотдача

Стоимость таких сейчас от 180 руб за штуку.  Заряжаю их по программе LiPo в отсутствие функции зарядки Li-ION (из Китая привезли не то, что на картинке, а модель В5). Пока работают нормально, но делать нельзя. Имеют встроенную защиту от чрезмерной разрядки (далеко не все модели)  и токовую защиту.

Характеристики

  • Энергетическая плотность: 110 … 200 Вт*ч/кг
  • Внутреннее сопротивление: 150 … 250 мОм (для батареи 7,2 В)
  • Число циклов заряд/разряд до потери 20% ёмкости: 500—1000
  • Время быстрого заряда: 2-4 часа
  • Допустимый перезаряд: очень низкий
  • Саморазряд при комнатной температуре: 5-10% в месяц
  • Напряжение максимальное в элементе: 4,18..4,20 В (полностью заряжен)
  • Напряжение минимальное: 2,5..2,75 В(полностью разряжен)
  • Ток нагрузки относительно ёмкости (С):
    • — пиковый: больше 2С
    • — наиболее приемлемый: до 1С
  • Диапазон рабочих температур: −20 — +60 °C
  • обслуживание: не регламентируется

Вывод: Эти аккумуляторы не подходят для силового применения, но отлично вписываются в компактные встраиваемые системы. На нашем маяке 4 батареи АА обеспечивают работу при полной зарядке до 12 часов. Также требует спец. зарядного устройства, которое к тому же сложнее других приобрести.  Батареи без защиты выходят из строя при перезарядке всего на 20-30%. При этом нагреваются и если оставить их в таком состоянии без присмотра, все может закончиться весьма плачевно.

P.S. Появились такие аккумуляторы очень похожие на АА, только длиннее и толще. Так что будьте внимательны при покупке, дабы не приобрести сей гибрид.  Кроме того, не все, что продается, перезаряжается, читайте внимательно этикетку.

4. LiFePo4.

Даешь нанотехнологии или гениальные инженеры компании А123!

Параметры

  • Теоретическая энергоемкость:560 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоемкость(Вт·ч/кг): около — 120 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоплотность(Вт·ч/дм³): около — 250 Вт·ч/дм³.
  • ЭДС: 1,35 В.
  • Рабочая температура:+450 °C.

Достоинства

  • Безопасный прочный корпус, в отличие от оболочек Li-Po аккумуляторов
  • Сверхбыстрый заряд (при токе 7А полный заряд за 15 мин)
  • Очень большой ток отдачи 60А — рабочий режим; 132А — кратковременный режим (до 10-ти секунд)
  • Саморазряд 3 % за 3 года
  • Работают на холоде (до −30 гр. С) без потери рабочих свойств
  • Наработка на отказ 1000 циклов (втрое больше, чем у никелевых аккумуляторов)

Недостатки

  • Требуют специального зарядного устройства (не совместимы с LiPo зарядниками)
  • Тяжелее, чем Li-Po

Эти аккумуляторы не использовались мною, но судя по отзывам - они закрывают часть недостатков Li-ION, такие как ограниченная токоотдача, опасность возгорания и,по идее,  стоимость.  Но вот с последним в этой стране точно проблемы, ибо стоят они дороже Li-ION. К тому же я затрудняюсь ответить, где их можно вот так запросто прийти и купить в розницу.

Вывод: Перспективный источник питания.

5. NiCd. Видимо, до сих пор остается отличным вариантом. Пожалел, что не поставил именно их.

  • Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³.
  • Удельная мощность: 150..500 Вт/кг.
  • ЭДС = 1,37 В.
  • Рабочее напряжение = 1,35..1,0 В.
  • Нормальный ток зарядки = 0,1...1 С, до 2.5с - у силовых.
  • Саморазряд: 10 % в месяц.
  • Рабочая температура: −15…+40 °C.
  • Токи разряда достигают 40А для силовых и всего до 0.3С-0.5С для обычных версий.

 

 

 

 

 

 

Эти источники питания - старички в своем деле. Именно они впервые использовались в моделизме для силовых применений.

Преимущества:

- Высокая токоотдача.

- Отсутствие побочных эффектов при чрезмерной разрядке/зарядке.

- Возможность восстановления при ухудшении свойств

- Простая и быстрая зарядка. Силовые версии могут быть заряжены за 20-40 минут, но график заряда уже другой и  устройство зарядки сложнее и дороже.

- Могут храниться разряженными.

Недостатки:

- Нужен диспетчер питания для устранения эффекта памяти. Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится.

- Деградируют при разряде малыми токами ( уж в роботе это им не суждено)

- Все-таки дорогие.

На днях выложу ссылки на силовые NiCd аккумуляторы цилиндрической формы. Они могут быть объединены в блоки, так как имеют специальные выводы для прямой пайки. Оптом в количестве 20-40 штук уже могут быть выгодны. Такие же силовые, но меньших размеров стоят в электрических шуроповертах.  Да, кстати, они имеют странный форм-фактор и выглядят примерно так:

 

- Ток до 25А

- Напряжение 1.2 вольта

- Можно собирать в сборки последовательно

- Стоят от 2$

- Форм-фактор Sub-C 23 x 43 mm

 

 

 

 

Вывод: Очень заманчивый вариант. Определенно стоит попробовать.

6. NiMh. Наверняка уж про них слышали все. Так как различные бытовые приборы сделаны именно на них. Определенно,  в силовой части роботов они применены не могут быть, зато подходят отлично для автономных портативных систем. Такие мы использовали раньше в маяках системы навигации и в световых точках системы навигации с применением СТЗ.

  • Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): 300 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоёмкость: около — 60-72 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около — 150 Вт·ч/дм³.
  • ЭДС: 1,3 В.(номинальное напряжение 1.2 В)
  • Рабочая температура: −60…+55 °C.(-40... +55)
  • Срок службы: около 300—500 циклов заряда/разряда.
  • Ток разряда 0,2С до 0,5С

 

 

 

 

 

Преимущества:

- Не имеют эффекта памяти

- Нет побочных эффектов при разрядке/зарядке.

- Простая зарядка

Недостатки:

- Дорогие для своих возможностей

- Слаботочные (есть исключения)

- Длительная зарядка.

Вывод: Вряд ли стоит что-либо добавлять от себя, когда и так все понятно. Питаем слаботочные устройства - электронику, не более.

Примечание: Никто не опровергает возможность соединения элементов параллельно, но тут стоит отметить, что в простейшем случае такая схема соединения приводит к повышенному саморазряду. Но все же я находил в сети примеры реализации японских NiMh автомобильных аккумуляторов. Также есть компания Tenergy, которая производит интересную модель NiMh аккумуляторов:

 

- Емкость 5Ач!!!!

- Ток разряда - до 40А

- Напряжение 1.2 вольта

- Можно собирать в сборки последовательно

- Стоят от 7$

- Форм-фактор Sub-C 23 x 43 mm

 

 

 

7. Ионисторы. Я не оговорился. Недавно приобрел плату Махаон в терре на базе ARM контроллера от STM и с удивлением обнаружил там ионистор в качестве источника резервного питания. ( иногда их называют еще суперконденсаторами)

Преимущества ионисторов:
• большой срок службы;
• малое внутреннее сопротивление - обеспечивает сглаживание импульсов (бросков) тока нагрузки, если ионистор включен параллельно аккумуляторной батарее;
• быстрый заряд - в течение нескольких секунд из-за низкого внутреннего сопротивления;
• работа ионистора при любом напряжении, не превосходящем номинального;
• неограниченное число циклов заряд/разряд;
• отсутствие необходимости контроля за режимом зарядки;
• использование простых методов заряда;
• широкий диапазон рабочих температур: -25...+70 °С;
• относительная дешевизна ионисторов.
Недостатки ионисторов:
•не обеспечивают достаточного накопления энергии;
• маленькая энергетическая плотность;
• низкое напряжение на некоторых типах ионисторов;
• для получения требуемого напряжения необходимо последовательное подключение не менее трех ионисторов;
• высокий саморазряд.

Теперь о схемотехнике резервного питания.  Ионистор емкостью около 0.5 фарад способен питать цифровое устройство с током потребления несколько мА - до 20 минут ( для точного подсчета времени умножьте емкость на критическую разность потенциалов для устройства и разделите на ток потребления). Однако, как правило заряжаются они от того же источника, что  питает цифровую часть. Поэтому во избежание перегрузки источника напряжения применяют токоограничение, несмотря на то, что ионистор имеет куда большее внутреннее сопротивление во сравнению с обычным конденсатором.  Не стоит также забывать, что конденсатор при разрядке уменьшает разность потенциалов между обкладками, что еще более уменьшает время резервирования, поэтому иногда вместе с ними могут использовать повышающие схемы питания, позволяющие выжать из него все возможное.

Вывод: Честно, я серьезно задумался о применении такой штуки в электронике роботов. У нас была большая проблема при схеме питания порядка 9 электронных плат, из которых 4 были силовыми с общей землей, которая выражалась в циклических перезагрузках системы в результате старта индуктивной нагрузки: двигателей, клапанов, и просадки питания соответственно ( на осциллографе вслед за просадкой питания шел также выброс). Ионисторы частично решили бы проблему. Также, стоит помнить, что время зарядки такой системы может также исчисляться минутами, особенно в схемах с токоограничением.

Заключение: Думаю, что рассмотрел большинство популярных источников автономного питания. Вообще список аккумуляторов включает в себя как минимум 20-30 позиций. Вообще, считаю, что проблема мощных и компактных источников энергии - это то, что наиболее ограничивает развитие техники, надеюсь, когда-нибудь эта проблема будет решена.

Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.