Baterias e pilhas para uso em robótica móvel

Fonte de energia de um robô móvel
Baterias
Rede eléctrica
Painéis solares
Etc.
Baterias e pilhas para
uso em robótica móvel
FONTE DE
ENERGIA
Sistemas Robóticos
Engenharia Informática 2003/2004
Carlos Carreto
[email protected]
Fonte de energia de um robô móvel
Um robô móvel necessita de uma fonte de energia para poder
funcionar.
Para garantir o bom funcionamento dos circuitos electrónicos,
devemos garantir que a energia seja fornecida com uma
tensão constante e que não haja ruído nem flutuações de
corrente que interfiram com o bom funcionamento dos
circuitos.
SENSORES
SISTEMA DE
CONTROLE
ACTUADORES
Distância
Velocidade
Posicionamento
Etc.
Controle planificado
Controle reactivo
Controle inteligente
Etc.
Motores
Válvulas
Altifalantes
Etc.
Fonte de Energia
Baterias
As baterias são a fonte de energia mais usada pelos robôs móveis.
Uma bateria converte energia química em energia eléctrica.
Devido à natureza química das baterias, estas exibem uma variedade
complexa de propriedades:
•
•
•
•
•
•
•
•
Recarregabilidade
Densidade de Energia
Capacidade
Tenção
Resistência Interna
Taxa de Descarga
Tempo de Vida em Repouso
Dependência da Temperatura
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Propriedades das Baterias
Propriedades das Baterias
Recarregabilidade
Densidade de Energia
Existem dois tipos de baterias, as baterias recarregáveis
também chamadas baterias secundárias e as baterias não
recarregáveis, também chamadas baterias primárias.
A densidade de energia representa a quantidade máxima de
energia por unidade de massa que uma tecnologia particular
de baterias consegue armazenar.
A Densidade de Energia é normalmente medida em Watthora/quilograma (Wh/kg).
Propriedades das Baterias
Propriedades das Baterias
Capacidade
Tensão
A capacidade da bateria é a sua energia armazenada. A Capacidade é
normalmente indicada em Amperes-hora ou miliamperes/hora. A Capacidade
é o produto da densidade de energia pela massa da bateria.
A tensão produzida pela bateria é característica da reacção química que
ocorre nessa bateria. A tensão é indicada em Volts.
Uma bateria de 5Ah deveria conseguir fornecer 5A durante uma hora, ou 1A
durante cinco horas, ou 0.5A durante dez horas, etc. Na prática não é assim
tão simples. O fabricante determina a capacidade da bateria testando-a em
períodos e taxas de descarga que dificilmente coincidirão com os que a
bateria usará. Convêm então escolher baterias com capacidade 20% a 40%
superiores à necessária.
Outra razão para essa escolha é o facto de que alguns componentes do robô,
como por exemplo os motores, poderem exigir valores de corrente elevados
no momento em que são ligados. O período de exigência pode ser muito
breve, na ordem dos 100 a 200 milisegundos, mas a bateria deve conseguir
fornecer esta corrente, com risco de se danificar.
A tensão decresce à media que a bateria perde a sua carga. Normalmente
considera-se que uma bateria está descarregada quando a sua tensão baixa
para 80% do valor indicado. Por exemplo, uma bateria de 6V é considerada
descarregada quando a sua tensão atingir os 4.8V. Passados os 80% a
bateria já não conseguirá fornecer o valor de corrente indicado na sua
capacidade.
Uma maneira prática de conhecer o estado das baterias do robô é
implementar um circuito monitor que na sua forma mais simples pode ligar
um LED indicativo do nível de tensão, ou pode instruir o robô a procurar uma
recarga, ou simplesmente fazer com que o robô se desligue, evitando que
tenha um comportamento erróneo devido a falta de energia.
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Propriedades das Baterias
Propriedades das Baterias
Resistência Interna
Taxa de Descarga
Quando a bateria é curto-circuitada, a corrente que fornece é
limitada pela sua resistência interna.
A taxa de descarga é medida em unidades de corrente e
representa a taxa a que a bateria descarrega a sua energia.
A resistência interna de uma bateria aumenta à medida que
esta descarrega.
A taxa máxima de descarga é limitada pela resistência interna
da bateria.
Propriedades das Baterias
Propriedades das Baterias
Tempo de Vida em Repouso
Dependência da Temperatura
Uma bateria perde a sua carga mesmo quando não está ligada
a um circuito.
A maioria das propriedades que caracterizam as baterias, em
particular, a capacidade e o tempo de vida em repouso, são
afectadas pela temperatura a que a bateria está sujeita.
O tempo de vida em repouso mede a velocidade a que essa
descarga ocorre.
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A Bateria Ideal
Tamanhos Standard das Baterias
A bateria ideal teria uma densidade de energia muito elevada,
uma tensão constante durante a descarga, uma resistência
interna muito baixa, funcionaria a temperaturas extremas,
teria um tempo de vida em repouso infinito, seria recarregável
e seria muito barata.
Infelizmente não existe uma tecnologia de baterias que exiba
todas essas características, pelo que na prática, dependendo
da aplicação que queremos dar à bateria, é necessário abdicar
de algumas qualidade para poder ter outras.
Química das Baterias
Química das Baterias
Alcalinas
Carbono-Zinco
Têm uma densidade de
energia elevada e uma
resistência interna baixa. O
seu custo é moderado e são
fáceis de encontrar à venda.
A tensão varia à medida a
bateria descarrega. Não são
recarregáveis.
Existem à mais de 100 anos.
Sãs as mais baratas, mas são
também as que têm a menor
densidade de energia. A
tensão varia à medida que a
bateria descarrega. Têm uma
resistência interna elevada e
o seu desempenho a
temperaturas baixas é pobre.
Não são recarregáveis.
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Química das Baterias
Química das Baterias
Mercúrio e Prata
Lítio
Têm uma densidade de
energia elevada e a tensão
mantém-se constante à
medida que descarregam.
São caras e estão apenas
disponíveis em formato tipo
botão ou moeda. Não são
recarregáveis.
Têm a maior densidade de
energia das baterias
disponíveis no mercado. A
tensão mantém-se constante
à medida que descarregam.
Têm um tempo de vida em
repouso que pode chegar aos
10 anos. Têm uma grande
resistência interna e são
muito caras. Não são
recarregáveis.
Química das Baterias
Chumbo-Ácido
Estão disponíveis em vários
tamanhos rectangulares. São
relativamente baratas. Têm
uma resistência interna muito
baixa. Têm uma densidade
de energia muito pequena.
São recarregáveis.
Química das Baterias
Nickel-Cadmium
(Níquel-Cádmio NiCd)
São no geral usadas para
substituir as baterias alcalinas,
mas têm uma tenção inferior a
estas. Têm uma resistência interna
baixa, mas a densidade de energia
é comparável à das baterias
Chumbo-Ácido. Estão sujeitas ao
efeito “memória”. São
relativamente baratas. São
recarregáveis.
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Química das Baterias
Outros tipos interessantes
Baterias de Lithium Ion
Nickel-Metal-Hydride
(Hidreto de Níquel NiMH)
Têm características semelhantes às
baterias NiCd, com a vantagem de
terem uma densidade de energia maior.
Não contêm Cádmio, pelo que são
menos perigosas para o meio ambiente.
Actualmente custam cerca de 2 a 3
vezes mais do que as baterias NiCd. São
recarregáveis.
Power Packs
Outros tipos interessantes
Recargadores
1.2v 500mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC
- GA
- O
-N0500AR
1.2v 600mAh Sanyo Cell A size SMC
- GA
- O
- N0600AE
1.2v 800mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC
- GA
- O
-N0800AR
1.2v 1250mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC
- GA
- O
- N1250SCRL
1.2v 3000mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC
- GA
- O
- N3000CR
1.2v 700mAh Hi- Cap Pencell SMC
- GA
- O
- N3U
1.2v 1000mAh Hi- Cap Pencell SMC
- GA
- O
- N3US
1.2v 700mAh Sanyo Cell M Tagged SMC
- GA
- O
- N
3UTAG
1.2v 4000mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC
- GA
- O
- N4000DRL
1.2v 500mAh Sanyo Cell AA SMC
- GA
- O
- NK0500AAEC
1.2v 1100mAh Sanyo Cell Hi- Cap SMC
- GA
- O
- NK1100AEL
1.2v 1200mAh Sanyo Cell Hi- Cap SMC
- GA
- O
- NK1200AE
1.2V 1300mAh Sanyo Cell Sub C SMC
- GA
- O
- NK1300SC
1.2v 1700mAh Sanyo Cell A size SMC
- GA
- O
- NK1700AU
1.2v 4400mAh Sanyo Cell D size SMC
- GA
- O
- NK4400D
1.2v 5000mAh Sanyo Cell D size SMC
- GA
- O
- NK5000DE
1.2v 7000mAh Sanyo Cell F size SMC
- GA
- O
- NK700F
1.2v 2400mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC
- GA
- O
- NRC2400
1.2v 2400mAh Sanyo Cell Tagged SMC
- GA
- O
- NRC2400TAG
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Curva de Descarga
Comparação das Tecnologias
Química
Recarregável
Densidade
de Energia
(Wh/kg)
Tensão
Capacidade típica
(mAh)
Resistência
Interna
(ohms)
Comentário
Alcalina
Não
130
1.5
AA
C
D
0.1
Actualmente é a bateria
primária mais comum.
ChumboÁcido
Sim
40
2.0
1.2-120 Ah
0.006
Disponível numa grande
variedade de tamanhos
Lítio
Não
300
3.0
A
C
D
0.3
Excelente densidade de
energia, mas muito caras.
1400
4500
10000
1800
5000
14000
Oxido de
Mercúrio
Não
120
1.35
Moeda
NiCd
Sim
38
1.2
AA
C
D
500
1800
4000
NiMH
Sim
57
1.3
AA
4/3A
1100
2300
Moeda
Oxido de
Prata
Não
130
1.6
Zinco-Ar
Não
310
1.4
CarbonoZinco
Não
75
1.5
190
180
A figura compara a curva de descarga, das tecnologias de bateria mais comuns,
com as baterias de Lítio, considerando dois aspectos: A linha a tracejado
representa a tensão de saída em função da capacidade consumida; a linha
solida mostra a tensão em função do tempo. Considere-se que as baterias são
do mesmo tamanho e têm a mesma taxa de descarga.
10
0.009
Resistência interna muito
baixa e fáceis de encontrar.
Melhor densidade de energia
do que as NiCd, mas mais
caras.
10
Grande densidade de energia,
mas não são fáceis de
encontrar.
D
6000
Muito baratas, mas obsoletas.
Os valores do quadro são aproximados. Os valores precisos dependem dos detalhes da bateria em particular.
Os valores podem do estado da carga da bateria, da temperatura a que se encontra e da sua história de descarga.
Aumento dos Valores das Baterias
É possível obter tensões e correntes mais elevadas ligando
várias baterias entre si, em série ou em paralelo.
Em Série
Ao ligar as baterias em série, a tensão resultante
é a soma da tensão de cada bateria individual.
Em Paralelo
Ao ligar as baterias em paralelo, a corrente
resultante é a soma das correntes de cada
bateria individual.
Circuito Monitor
A figura mostra um circuito
monitor muito simples. O
potenciómetro R1 define a
tensão mínima que activa o
circuito. O LED acenderá quando
a tenção da bateria cair para
além nível definido por R1.
Para usar o circuito com uma
bateria de 6V, substituir D1 por
um díodo zener de 3.3 V.
Antes de usar o circuito, R1
deve ser calibrada com uma
bateria descarregada.
Para garantir o bom funcionamento destes
circuitos, as baterias que os compõem devem ter
as mesmas características e a mesma carga.
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Regulador de Tensão
Os circuitos electrónicos podem ser muito sensíveis à variações
de tensão e corrente da fonte de energia. Para evitar tais
variações são usados reguladores de tensão.
Alimentação dos Circuitos
É de evitar que a corrente dos motores passe pelas
ligações que alimentam os outros circuitos.
Errado
Correcto
Alimentação dos Circuitos
Os motores quando não são
convenientemente isolados,
provocam efeitos indesejáveis nos
circuitos electrónicos fazendo com
que estes não trabalhem
correctamente. A figura a mostra o
uso de um condensador para
proteger o circuito do ruído
provocado pelos motores. A figura b
mostra uma maneira de proteger o
circuito de alterações de tensão
provocados pela mudança de
sentido dos motores. O díodo
previne que o condensador não seja
descarregado pelos motores. A
figura c mostra uma situação de
total isolamento entre a alimentação
dos circuitos e a alimentação do
motor.
Alimentação dos Circuitos
As ligações entre a bateria e
os circuitos devem ser feitas
de modo a não haver ciclos
de terra. A alteração de
campos magnéticos induz
tensões em qualquer ciclo
que se encontrem nas
ligações. Isto pode significar
que os diferentes
componentes ligados ao ciclo
não tenham uma referência
de tensão comum. A terra de
um componente pode ter
uma tensão maior ou menor
do que a terra de outro
componente, provocando um
funcionamento erróneo.
Bateria
Controlador
Sensor
Sensor
Bateria
Controlador
Sensor
Actuador
Actuador
Sensor
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