Batería para robots: su compañera de vida para actividades robóticas

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Baterías de iones de litio para robótica

Batería robótica su compañera de vida para actividades robóticas

Los robots necesitan energía eléctrica para hacer funcionar sus facultades mecánicas y electrónicas. Satisfacen sus necesidades de alimentación principalmente con baterías de robot. Los requisitos de una batería de robot dependen de los actuadores y las aplicaciones electrónicas utilizadas en el robot. Actualmente, podemos encontrar muchos tipos de baterías para robots. Por lo tanto, es necesario seleccionar la batería correcta en función de los requisitos del robot.

¿Qué baterías utilizan los robots?

Hay distintos tipos de baterías que se utilizan habitualmente en la industria robótica. Las necesidades de energía de un robot varían según la función que deba cumplir. Estas funciones incluyen la recogida electrónica de datos y los movimientos mecánicos. Los robots funcionan con una sola batería y con varias.
A continuación se indican las tecnologías de baterías estándar que se utilizan actualmente.
-Baterías de plomo selladas
-Pilas alcalinas (zinc/dióxido de manganeso)
-Baterías de níquel-cadmio
-Baterías de pilas de combustible
-Baterías de iones de litio (Li-ion)
-LiFePO4 (Baterías de fosfato de litio-hierro

La nueva tecnología de baterías y los diseños robóticos han superado a las baterías de plomo-ácido, y las baterías de litio han sustituido a éstas. Las baterías de iones de litio (Li-on) y de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) son las más populares entre los robots.

¿Los robots utilizan baterías de litio?

Sí, los robots utilizan baterías de litio. La batería es la principal fuente de energía eléctrica de los robots. Por eso, los robots necesitan depender de las fuentes de energía de las baterías para su movimiento mecánico y sus funciones electrónicas. Las baterías de iones de litio de los robots son similares a las de los smartphones.

Las baterías de iones de litio del robot son similares a las de los smartphones

¿Son las baterías de litio de los robots mejores que otras?

Sí, las baterías de litio para robots son mejores que otras. Como son ligeras, fáciles de recargar y tienen un bajo índice de autodescarga, estas baterías tienen una gran capacidad y están disponibles con una potencia de 3,7 V.

Especificaciones de la batería del robot

Capacidad nominal

La capacidad nominal es la cantidad de corriente que una batería de robot puede producir en una hora, también conocida como capacidad nominal de corriente. Por ejemplo, si la batería indica 1 amperio-hora, la batería puede suministrar continuamente una corriente de 1 amperio durante una hora antes de descargarse por completo. Supongamos una batería de automóvil con una capacidad de 70 amperios-hora, especificada como 3,5 amperios; entonces la batería puede suministrar una corriente de 3,5 amperios de forma continua durante 20 horas, lo que se calculará como 70 amperios-hora/3,5 amperios igual a 20 horas.

Grado de tensión

La tensión nominal es la tensión que una batería nueva puede suministrar al equipo electrónico.

Pila alcalina

Se trata de pilas no recargables. Están disponibles en 1,5V y 9V. Las pilas de 1,5 V están disponibles en AA, AAA, C y D. La pila AA tendrá unos 1000 mAh, la AAA menos de 1000 mAh, la C entre 2000 y 2500 mAh y la D unos 2000 mAh. La pila de 9V tendrá una potencia de 50-500mAh. Estas pilas no durarán mucho, ya que tienen una alta tasa de descarga. Sin embargo, estas pilas son económicas y adecuadas para llevar a cualquier lugar o proyecto.

Pilas de níquel-hidruro metálico

Son pilas recargables y vienen con 1,2 V y un rango de potencia de 600 mAh a 3300 mAh. Ofrecen una mayor duración y son un poco más caras. Aunque son más caras, estas pilas pueden suministrar una gran capacidad de corriente y son más ligeras y baratas. Puedes cargarlas a cuentagotas sin necesidad de un cargador caro. En lugar de estas baterías, se utilizan las baterías LiPo. El Ni-MH no ofrece tantos ciclos de carga como una batería de litio. Además, se descarga rápidamente cuando no se utiliza.

Baterías de plomo selladas

Estas baterías son pesadas, pero son más baratas que el resto. Las baterías de plomo-ácido selladas (SLA) son buenas cuando se necesita energía de gran capacidad. Su mantenimiento es muy bajo y pueden cargar y descargar varios ciclos. Son buenas bestias de carga, y su capacidad de descarga no supera los 30% de su capacidad diseñada. Tienen un bajo coste y son fáciles de recargar. Para recargar una batería de plomo-ácido, se necesita una corriente de alto voltaje. Como estas baterías son pesadas, no son adecuadas para robots.

Las baterías selladas tienen sus méritos y sus deméritos. Son baratas y están disponibles en grandes capacidades. Pero estas baterías son ideales para equipos que requieren una gran capacidad energética y no necesitan suficiente potencia.

En el lado negativo, estas baterías son pesadas y requieren una recarga de varios amperios-hora. Su tasa de descarga es muy alta, por lo que hay que cargarlas a menudo por completo.

Baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio son ligeras y tienen una gran capacidad de carga. Tienen una capacidad de 3,7/3,2 V, son fáciles de cargar con cargadores especialmente diseñados y, por tanto, se utilizan mucho en teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Estas baterías vienen con un BMS junto con el embalaje. Son duraderas, ofrecen una tensión equilibrada durante la descarga y tienen una gran densidad energética. Sin embargo, estas baterías son un poco caras. ¿Dónde se utilizan? Tienen una amplia gama de usos, desde linternas hasta coches eléctricos.

Los robots necesitan energía eléctrica para hacer funcionar sus funciones mecánicas y electrónicas.

Baterías de polímero de litio

Las baterías de polímero de litio son las más utilizadas para alimentar robots debido a sus numerosas ventajas. Estas baterías son ligeras y presentan un alto índice de descarga. Además, su capacidad energética es superior a su tensión nominal. La batería de polímero de litio es en realidad una batería de iones de litio en un envoltorio blando. Son ideales para usuarios aficionados y excelentes en requisitos de uso intensivo de hasta 44,4 V (12S), donde se necesita densidad de energía y capacidad de corriente.

En la parte negativa, son altamente explosivos si no se manipulan adecuadamente. Pero en comparación con los proyectiles cuadrados y los cilindros, los paquetes blandos son más seguros y tienen menos probabilidades de explotar.

¿Qué batería es mejor para la robótica?

Las buenas baterías para robots son las de iones de litio, las de polímero de litio y las de níquel-hidruro metálico. Las baterías de plomo-ácido, níquel-cadmio y níquel-hidrógeno no son ideales para su uso en segmentos robóticos.

Las baterías de plomo-ácido son buenas opciones de energía de reserva, especialmente para uso estacionario. Su capacidad por unidad de peso es escasa y, además, son pesadas para su despliegue. El cadmio es un material tóxico, y no es mejor que una batería de níquel-hidruro metálico. Debido a la presencia de cadmio, las pilas de níquel-cadmio no se utilizan.

Las pilas de níquel-hidrógeno son pilas recargables basadas en hidrógeno presurizado en forma gaseosa y níquel. Utiliza una tecnología híbrida, mezcla de pilas de combustible y baterías. Tiene sólo un tercio de la densidad energética en comparación con la batería de iones de litio, pero puede ofrecer más de 20.000 ciclos de carga, lo que no es tan bueno como las baterías de iones de litio, pero tiene un precio más bajo. Por estas características, tiene una gran demanda en la industria aeroespacial.

Comparación de iones de litio Li-poly y NiMH

Tanto las de ión-litio como las de Li-Poly son estructuralmente iguales, pero tienen un mecanismo de construcción ligeramente diferente. Son de un mismo grupo, y la Li-Poly es una batería para fines especiales que las baterías de iones de litio. Como ya se ha mencionado, la batería de polímero de litio es en realidad un tipo de batería de iones de litio. Para permanecer en una sola pieza, las baterías de iones de litio se presionan contra un marco cilíndrico/cuadrado de metal durante el proceso de fabricación. Pero las baterías de Li-Poly no necesitan el soporte de un marco metálico. Pueden aguantar sin soporte metálico.

Las pilas de NiMH son conocidas por su mejor relación potencia-peso y su baja resistencia interna. En comparación con las pilas de iones de litio, son mucho más seguras y sus posibilidades de explosión son escasas. Sin embargo, tienen una mala relación energía-peso, muy pobre en comparación con las pilas de iones de litio.

Las pilas de NiMH son conocidas por su mejor relación peso/potencia

Pilas cilíndricas

La mayoría de las baterías que existen en el mercado son cilíndricas. Suelen tener un diámetro de 18 mm y una longitud de 65 mm, por lo que se las conoce popularmente como pilas 18650. Las baterías de forma cilíndrica pueden ser de iones de litio o NiMH, y en raras ocasiones, las baterías de Li-Poly también están disponibles en forma cilíndrica.

Normalmente, estas baterías vienen con una superficie plana de terminales + y -. Las baterías de terminal plano son para uso comercial, y el terminal se suelda según los requisitos de los paquetes de baterías. Para las pilas de consumo, que están listas para usar, vienen con el terminal + elevado y el lado - plano, que tiene que presionar contra el conector de resorte. Estas baterías deben mantenerse en las ranuras marcadas como la dirección que apunta a las posiciones de los terminales requeridos. Las baterías de consumo vienen con circuitos protegidos y por lo tanto, será un poco más largo, de 2 a 4 mm, que las baterías regulares 18650.

Aparte de las pilas 18650, puede encontrar muchos otros tamaños de pilas de ión-litio y NiMH. El tamaño AA viene en 14x50mm, se encuentra como 14500, y 18500, 26650, y 16650. Además, también puede encontrar pilas de tipo AAA, C, D, etc.
Batería de litio para robot de 25,5 V (7 baterías en serie)
Batería de litio para robot de 14,8 V (4 baterías en serie)
Batería de litio robot 46,8v (13baterías en serie)

La mayoría de las pilas del mercado son cilíndricas.

¿Cuánto cuesta una batería de robot?

El precio medio de una batería de iones de litio fue de $140 por kWh en 2020, y bajó a $ 132 por kWh en 2021. Debido a la escasez de materias primas, los precios podrían establecerse en $135 por kWh en 2022. Sin embargo, los expertos prevén que los precios acaben bajando hasta $100 por kWh en 2024.

¿Cómo se carga la batería de litio de un robot?

Le explicaré cómo cargar la batería de un robot. Cargar correctamente la batería de litio de un robot puede prolongar su vida útil. Almacenar la batería a la temperatura recomendada, no recargarla continuamente y dejar que se descargue lentamente son las mejores prácticas para cargar una batería y mejorar su vida útil y rendimiento.

-Antes de cargar la batería de litio del robot, compruebe su nivel de energía, conéctela al cargador y apáguelo antes de que la lectura de la batería llegue a 100%.
-Almacene la batería a una temperatura media y no la cargue continuamente. La temperatura de carga recomendada es de 10-30° C.

-Puedes comprobar la carga de la batería comprobando el icono de la batería. Recargue siempre cuando la carga de la batería muestre 40% y detenga la recarga no permitiendo que cruce 80%. Sería mejor no permitir que la carga de la batería caiga por debajo de 10% y toca 100%.
-Nunca mantenga la batería con el cargador continuamente encendido, ya que puede dañar la salud de la batería.

Otra buena práctica es apagar el dispositivo antes de enchufarlo para cargarlo. Ayudará a que la batería se recargue de la mejor manera. Si el dispositivo está apagado, la batería de iones de litio se cargará correctamente sin oponer resistencia. Cargar la batería con el dispositivo en posición de trabajo puede impedir que se cargue con todo su potencial.
La mejor práctica para recargar la batería de iones de litio de un robot es conectar el robot al cargador y conectar el cargador a la toma de corriente. Siga la secuencia y conecte la toma de corriente.

Si desea almacenar la batería, puede mantener la potencia de la batería a 40-50% cuando no haya operación. La batería tendrá una descarga lenta en este rango de potencia, pero seguirá funcionando con baja pérdida de capacidad. La mejor temperatura para almacenar la batería es 20-25℃.

Cómo elegir una batería de robot

Debemos tener en cuenta muchos factores antes de decidir el tipo de batería del robot. Un robot puede utilizar diferentes baterías, ya sean baterías NiMH, baterías LiPo o baterías Single Cell. Podemos seleccionar cualquier batería, pero las baterías de litio son la opción preferida.

Si tienes un presupuesto bajo y tu necesidad de energía es alta, las baterías de plomo-ácido son las mejores. Si no tienes limitaciones presupuestarias, deberías optar por baterías de iones de litio (Li-ion) o de polímero de litio (LiPo). Las baterías de iones de litio son un poco más caras, pero su ciclo de vida es entre 5 y 6 veces mayor que el de las baterías de plomo-ácido. Estas baterías son rentables a largo plazo, por lo que es mejor optar por las baterías de iones de litio para robots.

Valores nominales de la batería

Las pilas vienen con sus especificaciones impresas de forma visible. Esto ayudará al usuario a seleccionar la batería que mejor se adapte a sus necesidades. La información estándar que puede encontrar en una batería de robot es su voltaje o número de celdas, Ah (amperios hora) o mAh (miliamperios hora), para mostrar la capacidad de la batería. Aparte de esto, algunas baterías también tendrán impresiones para mostrar su clasificación de descarga o clasificación de corriente de ruptura. En las baterías LiPo será una clasificación C.

las pilas de litio son la opción preferida

Qué capacidad de tensión y corriente necesita

Su requisito de voltaje debe coincidir con el voltaje de la batería y el voltaje requerido para el motor. La capacidad es la potencia que determina la vida útil de la batería o el tiempo de funcionamiento del proyecto. Debes tener un conocimiento básico de la potencia continua que necesita el motor. El uso de un medidor sensor de corriente puede permitirte conocer el consumo de carga del motor. El requisito de corriente será la corriente total requerida para todos los motores.

Opciones de batería robótica

Las baterías son la fuente de energía de los robots móviles y, en este sentido, las baterías de iones de litio desempeñan un papel importante en comparación con otras baterías, incluidas las de plomo-ácido. Entre las baterías de litio, las de iones de litio y las de fosfato de hierro y litio son las más utilizadas.

¿Cuál es la densidad energética del Li-ion? Si hacemos un estudio comparativo, podemos encontrar que la densidad energética de la batería ternaria de Li-ion es de 200 a 300Whkg y la de LiFEPO4 de125 a 160Whkg, respectivamente. Las baterías ternarias de litio están disponibles en 3,7V y las LiFePO4 vienen con un voltaje de 3,2V.

Del mismo modo, cuando comprobamos las diferencias de ciclo de vida de Li-ion ternario y LiFePO4, Li-ion ternario muestra un ciclo de vida de 2500 ciclos. Pero el ciclo de vida será bajo cuando trabajen a alta temperatura. Del mismo modo, LiFePO4 muestra 4000 ciclos, y tendrán un mejor rendimiento en un entorno de alta temperatura. En general, ambas tienen una gran capacidad de almacenamiento, pero LiFePO4 tiene una capacidad de almacenamiento ligeramente mejor que las baterías ternarias de Li-ion.

Conclusión

Las baterías de iones de litio tienen una tensión nominal elevada y una gran capacidad de almacenamiento de energía. Cuando la batería tiene una capacidad de almacenamiento y una tensión nominal más elevadas, se produce un calentamiento rápido que puede afectar a los parámetros de seguridad.

LiFePO4 tiene mejor estabilidad térmica ya que utiliza fosfato como cátodo y no se inflama en caso de sobrecalentamiento. Todas las baterías de Li-ion son reciclables. Las baterías LiFePO4 para robots entran en la clasificación de no tóxicas y son fáciles de desechar. Por lo tanto, las baterías LiFePO4 son una opción más preferida que cualquier otra batería para robots.

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