پارامترهای مهم باتری در طراحی ربات و روش انتخاب بهینه آن

انتخاب باتری مناسب یکی از اساسی‌ترین تصمیم‌ها در طراحی و ساخت ربات است. یک باتری نامناسب نه‌تنها می‌تواند باعث کاهش عملکرد ربات شود، بلکه ممکن است به سایر قطعات الکترونیکی آسیب برساند یا حتی منجر به حوادث خطرناکی مانند آتش‌سوزی گردد. این مقاله به بررسی جامع پارامترهای مختلف باتری برای سازگاری با انواع ربات‌ها از جمله ربات‌های تعقیب خط و ربات‌های پروازی می‌پردازد. با درک صحیح این پارامترها و تطبیق آنها با نیازهای ربات موردنظر، می‌توانید بهینه‌ترین انتخاب را داشته باشید.

بخش اول: اصول و پارامترهای اساسی باتری

مکانیسم کارکرد باتری‌ها

باتری‌ها در اصل ظروف شیمیایی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. واکنش الکتروشیمیایی درون باتری، الکترون تولید می‌کند و جریان یافتن این الکترون‌ها از پایانه منفی (آند) به پایانه مثبت (کاتد) منجر به تولید جریان الکتریکی مستقیم (DC) می‌شود. این فرآیند اساس کار تمام باتری‌هایی است که در رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند .

پارامترهای کلیدی در انتخاب باتری ربات

انتخاب باتری مناسب مستلزم درک عمیق پارامترهای فنی مختلف و تطبیق آنها با نیازهای ربات است. مهمترین این پارامترها عبارتند از:

ولتاژ پایانه: ولتاژ بین پایانه‌های باتری است که با واحد ولت اندازه‌گیری می‌شود. با اتصال چندین سلول به صورت سری می‌توان به ولتاژ بالاتری دست یافت. ولتاژ مدار باز نیز به ولتاژ باتری هنگامی که نه در حال شارژ است و نه تخلیه، اشاره دارد .

ظرفیت ذخیره‌سازی: این پارامتر که با میلی‌آمپر-ساعت (mAh) یا آمپر-ساعت (Ah) اندازه‌گیری می‌شود، نشان می‌دهد باتری چقدر جریان می‌تواند در واحد زمان تأمین کند. برای مثال، یک باتری ۲۰۰۰ میلی‌آمپر-ساعت می‌تواند ۲ آمپر جریان را به مدت یک ساعت تأمین کند. اگر ربات شما تنها ۱۰۰۰ میلی‌آمپر جریان مصرف کند، این باتری حدود ۲ ساعت کار خواهد کرد .

نرخ تخلیه (C-rate): این پارامتر میزان شارژ و دشارژ باتری را نشان می‌دهد. 1C به معنای تخلیه کامل انرژی ذخیره شده در ۱ ساعت است. برای مثال، یک باتری با ظرفیت ۱۵۰۰ میلی‌آمپر-ساعت، در صورت تخلیه با 1C، جریان ۱۵۰۰ میلی‌آمپر را برای یک ساعت ارائه می‌دهد .

چگالی انرژی: مقدار انرژی ذخیره شده در باتری در واحد حجم است که تعیین می‌کند باتری چقدر انرژی را در ابعاد فیزیکی مشخصی می‌تواند ذخیره کند. این پارامتر به‌ویژه برای ربات‌های پرنده که وزن و حجم از اهمیت بالایی برخوردار است، حیاتی می‌باشد .

تعداد دوره چرخه شارژ: به تعداد دفعاتی گفته می‌شود که باتری قابل شارژ می‌تواند شارژ و دشارژ شود قبل از اینکه عملکرد آن به زیر حد انتظار برسد. این پارامتر بر طول عمر مفید باتری دارد .

مقاومت داخلی: تمام باتری‌ها دارای یک مقاومت داخلی هستند که بر وضعیت شارژ آنها تأثیر می‌گذارد. با افزایش مقاومت داخلی، باتری گرمای بیشتری تولید می‌کند و ثبات حرارتی کاهش یافته که بر کارایی باتری تأثیر منفی می‌گذارد .

اثر حافظه: این پدیده که به عنوان اثر باتری تنبل نیز شناخته می‌شود، معمولاً در برخی از باتری‌های قابل شارژ (به‌ویژه باتری‌های نیکل-کادمیوم) مشاهده می‌شود. اگر باتری وقتی کاملاً تخلیه نشده است شارژ شود، نقطه تخلیه قبلی را “به خاطر می‌آورد” و در استفاده‌های بعدی، هنگامی که میزان شارژ به آن نقطه خاص برسد، نیاز به شارژ مجدد پیدا می‌کند .

جدول ۱: خلاصه‌ای از پارامترهای کلیدی باتری

پارامتر	تعریف	واحد اندازه‌گیری	اهمیت در رباتیک
ولتاژ پایانه	ولتاژ بین پایانه‌های باتری	ولت (V)	تأمین نیروی محرکه لازم برای موتورها و قطعات الکترونیکی
ظرفیت ذخیره‌سازی	مقدار جریانی که باتری در واحد زمان تأمین می‌کند	میلی‌آمپر-ساعت (mAh)	تعیین مدت زمان کارکرد ربات
نرخ تخلیه (C-rate)	میزان شارژ و دشارژ باتری با توجه به ظرفیت آن	C	تعیین حداکثر جریان مجاز خروجی از باتری
چگالی انرژی	مقدار انرژی ذخیره شده در واحد حجم	وات-ساعت بر لیتر (Wh/L)	تعیین وزن و ابعاد باتری نسبت به انرژی ذخیره شده
تعداد دوره چرخه شارژ	تعداد دفعات شارژ و دشارژ قبل از افت عملکرد	تعداد	تعیین طول عمر و دوام باتری
مقاومت داخلی	مقاومت ذاتی داخل باتری	اهم (Ω)	تأثیر بر کارایی و گرمای generated باتری

بخش دوم: انواع باتری‌های مورد استفاده در رباتیک

باتری‌های لیتیوم-یونی (Li-ion)

باتری‌های لیتیوم-یونی امروزه به طور گسترده‌ای در رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. این باتری‌ها از چگالی انرژی بالایی برخوردارند، اثر حافظه ندارند و نرخ خودتخلیه پایینی دارند. باتری‌های لیتیوم-یونی قابل شارژ بوده و نیاز به تعویض باتری‌های پرهزینه و وقت‌گیر را از بین می‌برند. قابلیت شارژ مجدد این باتری‌ها تضمین می‌کند که ربات‌ها می‌توانند به طور مداوم کار کنند و بهره‌وری و کارایی را در صنایع مختلف افزایش دهند .

باتری 18650: یکی از معروف‌ترین انواع باتری‌های لیتیوم-یونی، باتری 18650 است. ولتاژ نامی این باتری ۳.۷ ولت است (ولتاژ شارژ ۴.۲ ولت) . به طور کلی دو نوع باتری 18650 وجود دارد: محافظت شده و محافظت نشده. باتری‌های محافظت شده یک مدار محافظ دارند که اجازه نمی‌دهد باتری بیش از حد شارژ شده یا جریان زیادی بکشد. این ویژگی احتمال آتش‌سوزی یا انفجار را کاهش می‌دهد. باتری‌های محافظت نشده قیمت کمتری دارند اما استفاده از آنها تنها زمانی توصیه می‌شود که جریان در حال دریافت را بتوان اندازه‌گیری و کنترل کرد .

 

 

باتری‌های 18650 می‌توانند بین ۳۰۰ تا ۲۰۰۰ بار شارژ مجدد شوند. روش شارژ کردن باتری تأثیر مستقیم بر دوام آن دارد. برای افزایش طول عمر باتری، بهتر است هنگامی که ولتاژ آن به بین ۳ تا ۳.۷ ولت می‌رسد، آن را شارژ کنید. اگر ولتاژ باتری به کمتر از ۲.۵ ولت برسد، ممکن است باتری به طور دائم غیرقابل استفاده شود .

انواع شیمیایی باتری‌های لیتیوم-یون: باتری‌های لیتیوم-یونی از نظر ویژگی‌های شیمیایی انواع مختلفی دارند که هر کدام ویژگی‌های منحصر به فردی دارند :

• LifePO4 (لیتیوم آهن فسفات): ایمنی بالا و طول عمر طولانی
• LiMn2O4 (لیتیوم منگنز اکسید): قابلیت ارائه جریان بالا
• LiNiMnCoO2 (لیتیوم نیکل منگنز کبالت): چگالی انرژی بالا
• LiNiCoAlO2 (لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم اکسید): چگالی انرژی بسیار بالا
• LiCoO2 (لیتیوم کبالت اکسید): چگالی انرژی بالا اما پایداری کمتر

باتری‌های سرب-اسید

این باتری‌ها برای مصارف صنعتی و در ربات‌های بزرگتر که نیاز به جریان بالا دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگرچه وزن و حجم بیشتری دارند، اما قیمت پایین‌تر و قابلیت ارائه جریان بالا از مزایای آنها محسوب می‌شود.

باتری‌های نیکل-کادمیوم (Ni-Cd)

این باتری‌ها در گذشته به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما امروزه به دلیل اثر حافظه قابل توجه و وجود مواد سمی، کمتر در رباتیک استفاده می‌شوند.

باتری‌های نیکل-متال هیدرید (Ni-MH)

این باتری‌ها نسبت به نیکل-کادمیوم چگالی انرژی بالاتری دارند و اثر حافظه در آنها کمتر است، اما هنوز هم به اندازه باتری‌های لیتیوم-یونی کارآمد نیستند.

جدول ۲: مقایسه انواع باتری‌های مورد استفاده در رباتیک

نوع باتری	چگالی انرژی	تعداد دوره شارژ	اثر حافظه	مزایا	معایب
لیتیوم-یون	بالا	۳۰۰-۲۰۰۰	ندارد	چگالی انرژی بالا، نرخ تخلیه پایین	نیاز به مدار محافظ، خطر آتش‌سوزی در صورت استفاده نادرست
سرب-اسید	پایین	۵۰۰-۸۰۰	ندارد	قیمت پایین، قابلیت ارائه جریان بالا	وزن و حجم زیاد، چگالی انرژی پایین
نیکل-کادمیوم	متوسط	۱۰۰۰-۱۵۰۰	دارد	دوام مکانیکی بالا، عملکرد خوب در دماهای پایین	اثر حافظه قابل توجه، حاوی مواد سمی
نیکل-متال هیدرید	متوسط-بالا	۵۰۰-۱۰۰۰	کم	اثر حافظه کمتر نسبت به Ni-Cd	نرخ خودتخلیه نسبتاً بالا

بخش سوم: انتخاب باتری برای انواع ربات‌ها

ربات‌های تعقیب خط

ربات‌های تعقیب خط از جمله ربات‌های محبوب و پرکاربرد در مسابقات رباتیک و سیستم‌های حمل و نقل داخلی هستند. این ربات‌ها برای تعقیب یک مسیر از پیش تعیین شده طراحی شده و در محیط‌هایی مانند کارخانه‌ها، بیمارستان‌ها و کتابخانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند . مهمترین چالش در این ربات‌ها، دستیابی به کمترین زمان طی کردن مسیر است که مستقیماً به طراحی کنترلر و انتخاب مناسب قطعات از جمله باتری و موتور بستگی دارد .

نیازهای باتری در ربات تعقیب خط:

• ولتاژ و جریان مناسب برای موتورها: موتورهای DC که عموماً در ربات‌های تعقیب خط استفاده می‌شوند، به ولتاژ و جریان کافی برای حرکت نیاز دارند. موتورهای DC دارای این ویژگی هستند که سرعت موتور تابعی از ولتاژ اعمال شده به دو سر آن است و گشتاور خروجی موتور تابعی از مقدار جریانی است که از باتری می‌کشد .
• پایداری ولتاژ: نوسانات ولتاژ می‌تواند بر عملکرد سنسورهای سطوح نور (IR) که برای تشخیص خط استفاده می‌شوند تأثیر منفی بگذارد.
• اندازه و وزن مناسب: باتری‌های سنگین‌تر، وزن کل ربات را افزایش داده و برای حرکت آن انرژی بیشتری مصرف می‌شود . همچنین، باتری‌های بزرگ ممکن است با چیدمان مکانیکی ربات تداخل داشته باشند.
• مدت زمان کارکرد کافی: باتری باید ظرفیت کافی برای کارکرد ربات در طول مسابقه یا شیفت کاری را داشته باشد.

انتخاب بهینه: برای ربات‌های تعقیب خط کوچک و متوسط، باتری‌های لیتیوم-یونی 18650 با ظرفیت ۲۰۰۰ تا ۳۵۰۰ میلی‌آمپر-ساعت گزینه مناسبی هستند. این باتری‌ها تعادل خوبی بین وزن، حجم و ظرفیت ارائه می‌دهند. برای ربات‌های بزرگتر یا ربات‌هایی که در محیط‌های صنعتی استفاده می‌شوند، ممکن است باتری‌های لیتیوم-پلیمری با ظرفیت بالاتر یا پک‌های باتری سرب-اسید کوچک مناسب‌تر باشند.

 

ربات‌های پروازی (مولتی‌روتورها)

ربات‌های پروازی مانند کوادکوپترها به دلیل ماهیت پروازی، نیازمندی‌های سخت‌تری در مورد باتری دارند. وزن مهمترین فاکتور در این ربات‌هاست، زیرا هر گرم وزن اضافی به معنای مصرف انرژی بیشتر و کاهش زمان پرواز است.

نیازهای باتری در ربات‌های پروازی:

• چگالی انرژی بسیار بالا: باتری باید حداکثر انرژی را در حداقل وزن و حجم ذخیره کند.
• نرخ تخلیه بالا (C-rate): موتورهای براشلس مورد استفاده در ربات‌های پروازی به جریان بسیار بالایی نیاز دارند، به‌ویژه در هنگام بلند شدن و مانورهای سریع.
• پایداری در شرایط مختلف دمایی: ربات‌های پروازی ممکن است در ارتفاعات مختلف با دمای متفاوتی مواجه شوند.
• امنیت بالا: خرابی باتری در حین پرواز می‌تواند فاجعه‌بار باشد.

انتخاب بهینه: باتری‌های لیتیوم-پلیمر (Li-Po) به دلیل چگالی انرژی بسیار بالا و قابلیت ارائه جریان زیاد، گزینه استاندارد و ترجیحی برای ربات‌های پروازی هستند. این باتری‌ها در اشکال و بسته‌بندی‌های متنوعی تولید می‌شوند که امکان چیدمان بهینه در بدنه ربات را فراهم می‌کنند.

سایر انواع ربات‌ها

• ربات‌های انسان‌نما: به باتری‌هایی با شکل‌پذیری خاص (مانند Li-Po) و چگالی انرژی بالا نیاز دارند تا در فضای محدود بدنه جای بگیرند.
• ربات‌های چرخ‌دار بزرگ: ممکن است از پک‌های باتری لیتیوم-یون با ولتاژ بالا یا باتری‌های سرب-اسید استفاده کنند.
• ربات‌های زیرآبی: علاوه بر چگالی انرژی، به آب‌بندی و قابلیت کار در اعماق مختلف نیاز دارند.

بخش چهارم: ملاحظات عملی و راهنمای نهایی

تطبیق باتری با موتورها و سیستم الکترونیکی

هنگام انتخاب باتری، باید مطمئن شوید که باتری می‌تواند جریان مورد نیاز تمامی قطعات ربات، به‌ویژه موتورها را تأمین کند. یک پارامتر مهم در موتورهای DC، جریان توقف (Stall Current) است. این جریان زمانی اتفاق می‌افتد که گشتاور خارجی به موتور اعمال می‌شود و موتور متوقف می‌شود. در این حالت موتور جریان ماکزیمم (گاهی تا ۱۰۰ آمپر) را از باتری می‌کشد که می‌تواند منجر به تخلیه سریع باتری، سوختن مدار درایور یا حتی سوختن خود موتور شود .

برای محاسبه تقریبی جریان توقف از رابطه زیر استفاده می‌شود:

که در آن Vin ولتاژ ورودی و R مقاومت داخلی موتور است .

ملاحظات ایمنی

رعایت نکات ایمنی در استفاده از باتری‌ها، به‌ویژه باتری‌های لیتیوم-یونی و لیتیوم-پلیمری، ضروری است:

• از باتری‌های محافظت شده استفاده کنید یا مدار محافظ جداگانه برای باتری‌های محافظت نشده طراحی کنید .
• باتری‌ها را در دمای مناسب شارژ و نگهداری کنید.
• از شارژرهای مناسب و با کیفیت استفاده کنید.
• باتری‌های متورم یا آسیب‌دیده را بلافاصله از سرویس خارج کنید .
• از تخلیه کامل باتری خودداری کنید، زیرا به طول عمر آن آسیب می‌زند .

محاسبه زمان کارکرد ربات

برای محاسبه تقریبی زمان کارکرد ربات می‌توانید از رابطه زیر استفاده کنید:

برای دقت بیشتر، باید منحنی تخلیه باتری را نیز در نظر بگیرید. هر چه این منحنی صاف‌تر باشد، باتری بهتر است .

جمع‌بندی و توصیه‌های نهایی

انتخاب باتری مناسب برای ربات یک فرآیند چند بعدی است که نیازمند در نظر گرفتن عوامل مختلفی از جمله نوع ربات، شرایط کاری، محدودیت‌های وزنی و بودجه است. برای انتخاب نهایی:

1. نیازهای خود را دقیق تعریف کنید: نوع ربات، وزن، ابعاد، توان مصرفی و زمان کارکرد مورد نیاز را مشخص کنید.
2. پارامترهای فنی باتری را بررسی کنید: ولتاژ، ظرفیت، C-rate، وزن و ابعاد را با نیازهای خود مقایسه کنید.
3. ملاحظات ایمنی را جدی بگیرید: به‌ویژه برای باتری‌های لیتیومی که پتانسیل خطر بیشتری دارند.
4. به بودجه و در دسترس بودن توجه کنید: باتری‌های با کیفیت از برندهای معتبر را انتخاب کنید.
5. از مشورت با متخصصان و مطالعه datasheet غافل نشوید.

باتری‌های لیتیوم-یونی به‌طور کلی گزینه مناسبی برای اکثر ربات‌ها هستند، اما برای هر کاربرد خاص، باید نوع، سایز و پیکربندی بهینه را انتخاب کنید. با انتخاب صحیح باتری، می‌توانید از حداکثر پتانسیل ربات خود بهره برده و از عملکرد مطمئن و پایدار آن لذت ببرید.