Comment choisir la bonne source d'alimentation pour votre robot

Dans l'article suivant, je voudrais partager quelques conseils pratiques sur l'alimentation électrique des robots mobiles. Allons droit au but.

Il existe de nombreux types de batteries disponibles sur le marché, mais pour simplifier les choses, nous les diviserons en deux groupes.

Il y a des batteries qui sont super pour les robots…

…et des piles qui ne sont pas si bonnes (c'est-à-dire, ne les utilisez pas):

Il existe quelques autres types, mais nous ne discuterons pas de quelque chose de cher, difficile à acheter ou difficile à facturer.

Le tableau ci-dessous vous donnera un aperçu général des types de batteries mentionnés ci-dessus (celles qui conviennent aux robots). Il existe de nombreuses cellules Li-Ion modernes, qui permettent de les décharger avec un courant jusqu'à 90C, mais le tableau serait 10 fois plus large si je voulais toutes les décrire.

En fait, les batteries Li-Poly sont le sous-groupe des batteries Li-Ion. Nous pouvons dire qu'il s'agit d'une version spéciale des batteries Li-Ion ordinaires. Pourquoi sont-ils spéciaux ? La différence est que pendant la production, les cellules Li-Ion doivent être pressées dans une boîte métallique (généralement cylindrique) afin qu'elles restent en un seul morceau. Les cellules Li-Poly, qui ont été introduites plus tard, ont une construction différente et peuvent se tenir debout sans le support du cylindre externe.

Cependant, les paramètres électriques du Li-Ion et du Li-Poly sont presque identiques.

Les batteries NiMH sont populaires en raison de leur faible résistance interne et de leur bon rapport puissance/poids. Ils sont également beaucoup plus sûrs que les cellules à base de Li. Les explosions de telles batteries sont vraiment rares (cependant je déconseille de les jeter au feu ;)). L'énergie spécifique (rapport énergie/poids) du NiMH est bien pire que celle des piles au lithium.

[bctt tweet="Choisir la bonne taille de batterie, la bonne version, la capacité de courant élevé, la capacité, etc. est beaucoup plus important que de choisir entre NiMH ou Li-Ion." nom d'utilisateur="iotforall"]

La forme la plus populaire de toutes les piles est une boîte cylindrique. Utilisé pour Li-Ion, NiMH et très rarement pour les cellules Li-Poly (ils n'ont pas besoin d'une canette comme mentionné précédemment). Les cellules sur la photo ci-dessus ont un diamètre de 18 mm et une longueur de 65 mm. C'est la raison pour laquelle elles sont appelées cellules "18650". Donc, si vous trouvez une cellule 18650, vous pouvez être presque certain qu'il s'agit d'une cellule Li-Ion.

Vous pouvez voir que le jaune a une borne "+" plate - il est préparé pour souder des cellules dans un groupe pour former des batteries (comme celle illustrée ci-dessous). La cellule bleue "consommateur" a une borne "+" surélevée, de sorte qu'elle peut être facilement insérée et retirée d'un support de batterie avec un ressort du côté de la borne "-". Les cellules grand public ont souvent des circuits de protection intégrés et sont donc environ 2 à 4 mm plus longues que les cellules 18650 ordinaires.

Les autres dimensions populaires pour les cellules Li-Ions et NiMH sont 14500 (14x50mm) largement connues sous le nom de AA. Vous pouvez également trouver 18500, 26650, 16650, AAA, C, D et bien d'autres types.

Cette forme est utilisée lorsque la construction de la batterie nécessite une boîte métallique. Les cellules Li-Ion prismatiques étaient couramment utilisées dans les appareils portables (comme les téléphones portables) lorsque les batteries Li-Poly n'étaient pas encore populaires. Fait amusant : le Nokia 3310 utilisait une batterie NiMH de forme prismatique.

Comme mentionné précédemment, les batteries Li-Poly n'ont pas besoin d'un boîtier métallique. Ils sont produits sous forme de fines tranches élastiques, qui sont empilées et insérées dans les sachets au lieu d'être enroulées dans la boîte. L'absence d'emballage métallique est la principale raison pour laquelle "Li-Poly" pèse moins que "Li-Ion", fournissant la même puissance.

Les cellules de poche sont rentables et sont généralement très fines, elles conviennent donc parfaitement pour alimenter les smartphones, les tablettes et les netbooks en électricité.

Les pochettes peuvent parfois avoir des circuits de protection :

Ils peuvent également être empilés en blocs :

Ces blocs sont souvent utilisés dans les drones, les voitures RC et autres jouets de grande puissance. Les batteries Li-Poly pour les amateurs de RC n'ont aucun circuit de protection. Il s'agit d'une situation unique si l'on tient compte du marché de la consommation.

Il est important de rappeler de ne pas confondre Li-Polys pour smartphones et Li-Polys pour quadcoptères ! Les premiers sont généralement des types à haute énergie, ont une résistance interne assez grande et un courant de décharge maximum faible (environ 1C). D'autre part, les batteries pour les amateurs de RC sont préparées pour se décharger avec un courant élevé, jusqu'à 30–90C ! Donc… ils sont tous les deux Li-Polys… mais complètement différents.

Les robots sont différents, tout comme leur appétit de puissance. Discutons de trois exemples de robots dans le cadre de cet article :

Qu'est-ce qu'un robot sumo ? C'est un robot conçu pour se battre avec un autre robot dans des compétitions de sumo. Les règles de ces compétitions spécifient généralement la limite de 10 x 10 cm d'empreinte, avec n'importe quelle hauteur autorisée. Le poids maximum est de 500g. Dans la plupart des cas, les robots mini-sumo utilisent deux moteurs à courant continu ou sans balais et quelques pièces mobiles supplémentaires utilisées pour faire levier ou confondre l'adversaire.

Dans notre exemple, nous utiliserons deux moteurs à courant continu pour la conduite et une pelle pour soulever l'adversaire, lui faisant perdre son emprise. La pelle est placée au-dessus du robot au début, de sorte que l'empreinte du robot est dans la limite. Juste après le départ, une pelle se déplacera en position basse et se placera devant le robot. La pelle est contrôlée avec un servo RC.

Habituellement, les compétitions elles-mêmes sont assez courtes mais le robot doit rester opérationnel pendant plusieurs batailles d'affilée. Supposons que 15 minutes est un temps de travail minimum total.

Nous avons également supposé que nous utiliserions des condensateurs à faible impédance pour gérer les pics de courant élevés tirés par les moteurs, de sorte que les batteries doivent fournir environ 4 A dans un pic. Le courant moyen utilisé par le robot sera d'environ 2A.

Alors, spécifions maintenant les exigences pour les batteries :

Ayant ces paramètres, nous pouvons lister quelques batteries assorties à choisir.

NiMH : 7 piles AAA — FDK HR-4U ou similaire

Commentaire : Facile à charger et sûr. Temps de charge long, mais peut être utilisé comme batterie remplaçable avec le support de batterie (besoin de plus d'espace). Seulement 100g de poids. Le rapport capacité/prix le plus bas.

Li-Ion : Pack batterie 3×18650 : Tenergy 31012, 11.1V 2200mAh avec circuit de protection

Commentaire : Plus difficile à charger, mais la charge est beaucoup plus rapide. Intègre un circuit de protection pour éviter les surcharges, les décharges excessives et les courts-circuits. Plus grand que NiMH mais a plus de deux fois sa capacité, vous n'aurez donc pas à vous soucier de le charger ou de le remplacer pendant la journée.

LiPoly : LiPo Hyperion G5 50C 2S 850mAh

Commentaire : Bon choix si vous voulez les meilleures performances et le poids et le volume les plus bas. L'inconvénient est la basse tension - vous devez garder les câbles courts et utiliser les régulateurs LDO pour l'électronique. Il n'a pas de circuit de protection, c'est donc une option moins sûre !

Parlons maintenant d'un exemple de robot volant, qui devrait être aussi léger que possible (il doit voler, n'est-ce pas ?). Il existe différentes tailles mais disons que c'est un drone de 45 x 45 cm. Il utilise quatre moteurs BLDC pour les hélices, possède des circuits électroniques petits mais intelligents et un émetteur-récepteur radio. La source d'alimentation doit fournir beaucoup d'énergie en peu de temps.

Nous avons supposé que tous les calculs liés au poids du drone et à la puissance des moteurs ont été effectués et nous savons que nous avons besoin d'une batterie avec une tension nominale d'environ 14-15V.

Les exigences pour les batteries sont :

Exemples de batteries répondant à ces exigences :

NiMH : pas cette fois - nous avons besoin de beaucoup d'énergie d'une unité de poids ; Les cellules à base de Li sont bien meilleures

Li-Ion : 12 × 18650 (4S3P) batterie composée de cellules KeepPower IMR18650 2500mAh 3,7V 20A (20A continu, 35A crête)

Commentaire : La capacité semble beaucoup plus que nécessaire, mais avec le courant élevé, elle peut même être la moitié de celle-ci. Les Li-Ions ne sont pas utilisés dans les drones. Comme on peut le voir, ce n'est pas fou de les utiliser, mais il est difficile de trouver et d'acheter les versions à courant élevé et elles ont une puissance spécifique (rapport puissance / poids) beaucoup plus faible que les cellules Li-Poly à courant élevé, qui est critique dans les robots volants.

Li-Poly : Turnigy Graphene 5000mAh 4S 45C Lipo Pack avec XT90 (45C continu, 90C pic)

Commentaire : Les paramètres sont probablement surestimés, mais cela reste le meilleur choix en raison d'une grande marge de courant de décharge maximal. Cela devrait assurer une longue durée de vie d'une batterie. Le rapport capacité/poids est inférieur à celui du Li-Ion mais uniquement pour les décharges à faible courant. Dans cette application, nous n'aurons pas de courants faibles et le temps de vol sera plus court que celui calculé à partir de la capacité déclarée.

L'AGV est un véhicule guidé automatisé avec un seul ordinateur embarqué, une caméra et de nombreux capteurs embarqués. Il a 4 roues, dont 2 sont entraînées par des moteurs à courant continu. Son application est de scanner la forme des pièces dans différents bâtiments et de créer une carte des pièces avec des textures. La vitesse n'est pas critique car la mise au point des objectifs de la caméra, la numérisation de la pièce avec LiDAR et le calcul ou la transmission de données brutes prennent assez de temps. Par conséquent, le robot ne peut pas rouler trop vite.

Cette fois, la consommation est liée à la puissance, et non au courant, en raison de nombreux convertisseurs DC/DC qui convertissent une tension plus élevée et un courant faible en une tension plus faible et un courant élevé. Ensuite, nous pouvons choisir la tension minimale de la batterie - 10 V - et calculer le courant moyen pour notre commodité.

Les exigences pour les batteries sont les suivantes :

NiMH : pas cette fois — l'énergie est une priorité ; Les cellules à base de Li sont bien meilleures

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

Commentaire : Très bon choix. L'énergie spécifique (rapport capacité sur poids) est bien supérieure à celle requise pour ce volume. Le prix est bas.

Li-Poly : un pack batterie 3S1P en LP616594 4700mAh 3.7V

Commentaire : Poids et volume inférieurs, mais énergie spécifique moins bonne et prix plus élevé. Un exemple de type Li-Ion à faible courant - le courant maximum n'est que de 2C mais il est suffisant à cette fin.

Nous espérons que cet article vous aidera à choisir la bonne batterie pour votre robot.

Quelques éléments à garder à l'esprit :