ロボットに最適な電源を選択する方法

次の記事では、移動ロボットへの電力供給に関する実践的なアドバイスをいくつか紹介したいと思います。 早速始めてみましょう。

市場にはさまざまな種類のバッテリーがありますが、話を簡単にするために、それらを 2 つのグループに分けます。

ロボットに最適なバッテリーがあります…

...そしてそれほど性能の良くないバッテリー (つまり、使用しないでください):

他にもいくつかの種類がありますが、高価なもの、購入が難しいもの、または充電が難しいものについては説明しません。

以下の表は、上記のバッテリーの種類 (ロボットに適したバッテリー) の概要を示しています。 最大 90℃ の電流で放電できる最新のリチウムイオン電池は数多くありますが、すべてを説明しようとすると表が 10 倍広くなります。

実際、リチウムポリ電池はリチウムイオン電池のサブグループです。 通常のリチウムイオン電池の特別バージョンと言えます。 なぜ彼らは特別なのでしょうか? 違いは、生産中にリチウムイオン電池を金属缶 (通常は円筒形) に押し込んで一体化させる必要があることです。 後に導入されたリチウムポリ電池は異なる構造をしており、外部シリンダーのサポートなしでも自立することができます。

ただし、Li-Ion と Li-Poly の電気パラメータはほぼ同じです。

NiMH バッテリーは、内部抵抗が低く、出力重量比が優れているため、人気があります。 また、リチウムベースの電池よりもはるかに安全です。 このようなバッテリーが爆発することは非常にまれです (ただし、火の中に投げ込むことはお勧めしません ;))。 NiMH の比エネルギー (エネルギー対重量比) は、リチウム電池よりもはるかに悪いです。

[bctt tweet="適切なバッテリーのサイズ、バージョン、高電流能力、容量などを選択することは、NiMH かリチウムイオンのどちらかを選択することよりもはるかに重要です。" ユーザー名 = "iotforall"]

電池の最も一般的な形式は円筒形の缶です。 リチウムイオン、ニッケル水素に使用されますが、ごくまれにリチウムポリ電池にも使用されます（前述したように、缶は必要ありません）。 上の写真のセルは直径 18 mm、長さ 65 mm です。 これが「18650」セルと呼ばれる理由です。 したがって、18650 セルを見つけた場合は、それがリチウムイオン電池であるとほぼ確信できます。

黄色の端子には平らな「+」端子があることがわかります。これは、グループ内のセルを溶接してバッテリー パックを形成するために準備されています (以下に示すものなど)。 青色の「民生」セルは「+」端子が盛り上がっており、「-」端子側のバネにより電池ホルダーへの抜き差しが容易に行えます。 民生用セルには保護回路が組み込まれていることが多いため、通常の 18650 セルよりも約 2 ～ 4 mm 長くなります。

リチウムイオンおよびニッケル水素電池の他の一般的な寸法は、AA として広く知られている 14500 (14x50mm) です。 18500、26650、16650、AAA、C、D、その他多くのタイプもあります。

電池の構造上金属缶が必要な場合に使用される形状です。 角柱型リチウムイオン電池は、リチウムポリ電池がまだ普及していなかった時代に、ハンドヘルド機器 (携帯電話など) で一般的に使用されていました。 面白い事実: Nokia 3310 は角柱状の NiMH バッテリーを使用していました。

前述したように、リチウムポリ電池には金属製の筐体は必要ありません。 それらは薄くて弾力のあるスライスの形で製造され、缶に丸めるのではなく積み重ねてパウチに挿入します。 同じ電力を供給しながら「リチウムイオン」よりも「リチウムポリ」の重量が軽い主な理由は、金属パッケージがないことです。

パウチセルはコスト効率が高く、通常は非常に薄いため、スマートフォン、タブレット、ネットブックに電力を供給する場合に最適です。

ポーチには保護回路が組み込まれている場合があります。

ブロックとして積み重ねることもできます。

これらのブロックは、ドローン、RC カー、その他の高性能玩具によく使用されます。 RC愛好家向けのリチウムポリバッテリーには保護回路がありません。 消費者市場を考慮すると、これは非常に特殊な状況です。

スマートフォン用の Li-Polys とクアッドコプター用の Li-Polys を混同しないように注意することが重要です。 最初のものは通常高エネルギータイプで、内部抵抗が非常に大きく、最大放電電流が低くなります (約 1C)。 一方、RC愛好家向けのバッテリーは、最大30〜90℃の大電流での放電に備えています。 つまり…どちらもリポリですが…全く違います。

ロボットは異なっており、力への欲求も異なります。 この記事の目的として、3 つのロボットの例について説明します。

相撲ロボットとは何ですか？ 相撲競技で他のロボットと戦うために設計されたロボットです。 このような競技会のルールでは、通常、設置面積の制限を 10 x 10 cm とし、高さは制限されません。 最大重量は500gです。 ほとんどの場合、ミニ相撲ロボットは 2 つの DC またはブラシレス モーターと、対戦相手をてこにしたり混乱させたりするために使用される追加の可動部品をいくつか使用します。

この例では、駆動に 2 つの DC モーターを使用し、相手を持ち上げてグリップを失わせるためにスコップを使用します。 スコップは最初はロボットの上に配置されているため、ロボットの設置面積は制限内にあります。 開始直後、スコップが低い位置に移動し、ロボットの前に配置されます。 スクープはRCサーボで制御されます。

通常、競技自体は非常に短いですが、ロボットは連続した数回の戦闘で動作し続けなければなりません。 合計の最小作業時間は 15 分であると仮定します。

また、モーターによって引き出される大電流のピークに対処するために低インピーダンスのコンデンサーを使用することも想定しており、そのためバッテリーはピークで約 4A を供給する必要があります。 ロボットが使用する平均電流は約2Aとなります。

それでは、バッテリーの要件を指定しましょう。

これらのパラメータがあれば、適合するバッテリーをいくつかリストアップして選択できます。

NiMH: 7x AAA バッテリー パック — FDK HR-4U または類似品

コメント: 充電も簡単で安全です。 充電時間は長いですが、バッテリーホルダーを使用して交換可能なバッテリーとして使用できます（より多くのスペースが必要です）。 重さはわずか100g。 容量と価格の比率が最も低い。

リチウムイオン: 3×18650 バッテリーパック: Tenergy 31012、11.1V 2200mAh、保護回路付き

コメント: 充電は難しくなりますが、充電ははるかに速くなります。 過充電、過放電、ショートを防止する保護回路を内蔵しています。 NiMHよりも大きいですが、2倍以上の容量があるため、日中の充電や交換を心配する必要はありません。

リポリ: ハイペリオン G5 50C 2S 850mAh リポ

コメント: 最高のパフォーマンスと最小限の重量と容積を求めるなら、正しい選択です。 欠点は電圧が低いことです。ケーブルを短くし、電子機器には LDO レギュレーターを使用する必要があります。 保護回路がないため、安全性が低くなります。

次に、飛行ロボットの例について説明します。ロボットはできるだけ軽量である必要があります (飛行する必要がありますよね?)。 さまざまなサイズがありますが、45 x 45 cmのドローンとしましょう。 プロペラに 4 つの BLDC モーターを使用し、小型ながらスマートな電子回路と無線トランシーバーを備えています。 電源は短時間に大量のエネルギーを供給する必要があります。

ドローンの重量とモーターの出力に関連するすべての計算が完了し、公称電圧が約 14 ～ 15 V のバッテリーが必要であることがわかっていると仮定しました。

バッテリーの要件は次のとおりです。

これらの要件を満たすバッテリーの例:

ニッケル水素:今回はそうではありません。重量単位から多くのエネルギーが必要です。 リチウムベースの電池ははるかに優れています

リチウムイオン: KeepPower IMR18650 2500mAh 3.7V 20A セル製 12×18650 (4S3P) バッテリー パック (連続 20A、ピーク 35A)

コメント: 容量は必要以上に大きいように見えますが、大電流を使用するとその半分にもなる可能性があります。 リチウムイオンはドローンには使用されていません。 ご覧のとおり、これらを使用するのはおかしなことではありませんが、大電流バージョンを見つけて購入するのは難しく、比電力 (出力重量比) が高電流リチウムポリ セルよりもはるかに低いです。ロボットの飛行には重要です。

Li-Poly: Turnigy グラフェン 5000mAh 4S 45C Lipo Pack w/XT90 (連続 45C、ピーク 90C)

コメント: おそらくパラメータは誇張されていますが、最大放電電流には大きな余裕があるため、それでも最良の選択です。 これにより、バッテリーの寿命が長くなります。 容量重量比はリチウムイオンよりも低くなりますが、これは低電流放電の場合に限られます。 このアプリケーションでは低電流は発生せず、飛行時間は宣言された容量から計算されるよりも短くなります。

AGV は、ボード上にシングル ボード コンピューター、カメラ、多数のセンサーを備えた無人搬送車です。 4 つの車輪があり、そのうち 2 つは DC モーターによって駆動されます。 そのアプリケーションは、さまざまな建物の部屋の形状をスキャンし、テクスチャ付きの部屋のマップを作成することです。 カメラのレンズの焦点を合わせ、LiDAR で部屋をスキャンし、生データを計算または送信するにはかなり時間がかかるため、速度は重要ではありません。 したがって、ロボットはあまり速く運転することができません。

今回の消費は電流ではなく電力に関連しています。これは、多くの DC/DC コンバータが高電圧および低電流を低電圧および高電流に変換するためです。 次に、バッテリーの最小電圧 (10V) を選択し、便宜上平均電流を計算します。

バッテリーの要件は次のとおりです。

ニッケル水素:今回はそうではありません。エネルギーが優先事項です。 リチウムベースの電池ははるかに優れています

リチウムイオン: INR18650–35E Samsung 3500mAh 製 6×18650 (3S2P) バッテリー パック

コメント: とても良い選択でした。 比エネルギー (容量対重量比) は、この体積に必要なエネルギーよりもはるかに大きくなります。 価格は安いです。

Li-Poly: LP616594 4700mAh 3.7V 製 3S1P バッテリー パック

コメント: 重量と体積は減りますが、比エネルギーは悪く、価格は高くなります。 低電流リチウムイオンタイプの例 - 最大電流はわずか 2C ですが、この目的には十分です。

この記事が、ロボットに適したバッテリーの選択に役立つことを願っています。

留意すべき点がいくつかあります: