Capítulo 1 GESTIÓN DE LA ALIMENTACIÓN

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1 Capítulo 1 GESTIÓN DE LA ALIMENTACIÓN 1 Introducción En un robot autónomo la gestión de la alimentación es fundamental, desde la generación de energía hasta su consumo, ya que el robot será más autónomo cuanto mejor gestione su energía. Un robot que no gestione bien su energía se quedará sin alimentación y no podrá seguir desarrollando la tarea para la que fue desarrollado. En la gestión de la energía de un robot hay varios aspectos a tener en cuenta: Las baterías (las tienen todos los robots) La fuente de alimentación (lo tienen todos los robots) Un módulo de gestión de energía (hay robots que no lo tienen) En la Figura 1-1 se muestra el esquema más sencillo de alimentación de un robot. Consta de una batería que suministra energía al robot, un fusible para evitar dañar las baterías, un interruptor que hace que el robot se encienda y una fuente de alimentación para estabilizar la tensión que necesita el robot. En este esquema o bien las baterías no son recargables, o si lo son es necesario quitarlas para poderlas recargar. Interruptor Fusible I0 Fuente de alimentación estabilizada Figura 1-1: Esquema de alimentación sin gestión de energía 2 Las baterías Los fuente de energía que usan fundamentalmente los robots móviles y pequeños son las baterías, ya que tienen un gran numero de ventajas: son baratas, en la mayor parte de los casos son seguras, pequeñas y fáciles de usar. A veces se habla de celdas en vez de baterías. Una celda es una unidad en la cual se produce una única reacción química para producir tensión. Una batería está formada por un conjunto de celdas.

2 Hay muchos tipos de baterías, y para poder determinar cuál usar es necesario conocer las diferentes características de las mismas: La tensión: varia según la reacción química que se use para generar electricidad. Por ejemplo, la mayor parte de las celdas alcalinas suelen ser de 1.5 voltios. Mientras que una batería de un coche tiene seis celdas de 2 voltios cada una. La capacidad: para un mismo tipo de reacción química cuanto más grande sea una celda, mayor electricidad será capaz de dar. La capacidad se mide en amperios-hora (Ah), que son los amperios que la celda puede suministrar en una hora antes de que su tensión baje de un umbral determinado. Por ejemplo: una batería de 1Ah, funciona durante una hora dando un amperio, o durante 2 horas dando medio amperio. Densidad de potencia: es el cociente entre la capacidad y el peso. Depende de la reacción química interna de la celda y de lo eficiente que sea la misma. Este aspecto es determinante a la hora de decidir qué batería poner en un robot autónomo. De hecho los motores y las baterías de un robot son los componentes que más pesan. Si las baterías pesan mucho se necesitan motores más grandes para poder mover el robot, lo que hace que pese aún más, por lo que necesitará más energía para poder moverse y así sucesivamente. Cuanto más grande sea la densidad de potencia, se pueden hacer robots o bien más pequeños, o bien con más autonomía, lo que remarca el carácter de robots autónomos. La curva de descarga: cuando una celda se está descargando, su voltaje va bajando con el paso del tiempo. La curva de descarga varía considerablemente según los tipos de pilas que se usen. Por ejemplo, las celdas alcalinas tienen una curva de descarga muy lineal, lo que hace muy sencillo determinar cuándo la celda se está debilitando. En cambio las celdas de Niquel-Cadmio tienen una curva de descarga lineal que de repente cae de forma muy abrupta, lo que hace que un robot deje de funcionar de forma repentina, sin darle tiempo a dar una aviso o a ir a un punto de carga. Resistencia interna: una celda puede ser modelada como una fuente de tensión ideal con una resistencia en serie. Cuando la celda genera corriente, la tensión de salida cae de forma proporcional a tensión que cae en su resistencia interna. Esta resistencia es la que determina la capacidad que tiene una celda de generar energía de forma instantánea. Cuanto menor sea la resistencia interna, más potencia puede generar la celda. Por lo tanto, una pila será mejor cuanto menor sea su resistencia interna, pero tienen una desventaja ya que un cortocircuito hace que la celda sea capaz de generar una elevada corriente que puede llegar a quemar los cables o a la propia celda. Es necesario tener en cuenta que la celda tiene que ser capaz de disipar el calor que genera la caída de tensión en su resistencia interna. Por ejemplo, las celdas de Litio-Polímetro, son las que menos resistencia interna tienen, pero son muy peligrosas ya que pueden provocar un incendio o una explosión si se tratan mal. Recargabilidad: es importante saber si una celda es recargable, y si lo es cuántas veces se puede cargar y si tiene memoria. Se dice que una celda tiene memoria si la celda se va deteriorando en caso de que no se use en ciclos completos (cargas y descargas completas). Todas las pilas recargables tienen memoria pero hay unas que tienen más que otras, de forma que siempre se habla de que las celdas no tienen memoria cuando son las que menos memoria tienen en ese momento en el mercado. Hace unos años eran las pilas de Níquel- Metal-Hidruro, pero actualmente las celdas que menos memoria tienen son las de Litio-Ion y Litio-Polímero. En cualquier caso, conviene al menos una vez al año hacer que las celdas

3 hagan un ciclo completo de carga y descarga. Debido a que las celdas son toxicas para el entorno, conviene usar celdas recargables. El tiempo de carga depende de la capacidad de la pila; por ejemplo, una pila de 1Ah, tarda una hora en cargarse a 1A, o 2 horas en cargarse a 0.5A. Coste: en general el coste de una celda está muy relacionado con su densidad de potencia. Existen muchos tipos de baterías, pero las más utilizadas en la actualidad son las que se comparan en la tabla siguiente: Tipo de celda Capacidad Densidad Resistencia Recargable Coste Alcalina 1.5V Alta Alta No Litio-Ion 1.5V Muy Alta 14g/VAh Pequeña Sí 2-3 Niquel Metal Hidruro 1.2V Alta Muy pequeña Sí 1-2 Litio- 3.6V 2C-5C Muy alta Extremadamente Sí 6 Polimero (10C) 8g/VAh pequeña Acido de plomo 2 V Baja Muy pequeña Sí Fuentes de alimentación La mayor parte de los componentes electrónicos necesitan ser alimentados a una tensión constante, que según el caso, puede oscilar en mayor o menor medida. Como las baterías no mantienen la tensión constate, bien porque se descargan o bien porque cuando están en carga no son capaces de mantener la tensión, es necesario un módulo que sea capaz de generar una tensión constante a partir de unas baterías. Eso es lo que se llama fuente de alimentación de tensión estabilizada. Como todos los robots móviles autónomos necesitan baterías, al igual que los coches, tienen una fuente de alimentación de tensión estabilizada. Existen dos tipos de fuente de tensión: las fuentes lineales y las fuentes conmutadas que se pasan a explicar a continuación. Las fuentes de alimentación lineales son unos componentes que a partir de una tensión continua no estabilizada V1 generan una tensión V2 estabilizada, ver Figura 1-2. Para ello hacen trabajar a los transistores internos en la zona activa de forma que la tensión entre base y colector es V1-V2, lo que hace que para un consumo de una intensidad I, la potencia que se tiene que disipar en el transistor, y por lo tanto potencia perdida en forma de calor, sea (V1-V2) I. Para poder disipar esa potencia, los transistores tienen que tener una superficie de disipación elevada, lo que hace que en la mayor parte de los casos tengan un disipador, con la consiguiente perdida de espacio. El rendimiento de la fuente de alimentación depende de la diferencia entre V1 y V2. Por ello, estas fuentes se suelen utilizar con tensiones de entrada y salida similares.

4 Zona activa del trasistor Potencia disipada= (V1-V2) I V1 Fuente de tensión lineal V1-V2 V2 I regulada Figura 1-2: Fuente de tensión lineal En cambió las fuentes de alimentación conmutadas hacen trabajar a los transistores internos en saturación y en corte, de forma que cuando el transistor está en saturación, la intensidad que circula por el mismo es elevada y que cuando el transistor está en corte, la intensidad que circula por el mismo es cero, ver Figura 1-3. En ambos casos la potencia disipada es muy proxima a cero, bien porque la tensión base emisor del transistor es 0 (en saturación), o bien porque la intensidad que circula por el transistor es 0 (en corte). Es por ello que suelen tener rendimientos elevados, del orden del 90%. Saturación, corte del transistor Potencia disipada=0 ON: V=0, I V1 Fuente de tensión lineal OFF: I=0, V1-V2 I V2 regulada Figura 1-3: Fuente de tensión conmutada Con el objetivo de aumentar la autonomía en los robots móviles se suelen usar fuentes conmutadas.

5 4 Sistema de gestión de energía El esquema eléctrico de la generación de energía de un robot con gestión de energía se muestra en la Figura 1-4. La energía se transmite a través del gestor de energía, que tiene su propia fuente de alimentación, a la fuente de alimentación del robot. Esta fuente es la encargada de generar, por ejemplo, 5V de continua estabilizada para el resto del robot. Además para proteger la batería se ha dispuesto de un fusible. Existen dos interruptores que se encargan de activar o desactivar las diferentes etapas implicadas en la generación de energía. El interruptor I0 deja paso o no a la energía que proviene de las baterías, de forma que si está apagado ni la fuente de alimentación, ni el módulo que gestiona la energía se encuentran activados. El interruptor I2 activa o desactiva la fuente de alimentación del robot. El modulo de gestión de energía tiene las siguientes tareas: Controlar la carga de las baterías de forma óptima. El proceso de carga de las baterías depende de la reacción química en la que se basen. Para este propósito generalmente existen circuitos integrados que se encargan de esta labor. En el caso de usar baterías de Litio- Polímero no se recomienda cargar las baterías en este módulo, ya que es tan compleja que necesita un microcontrolador que se encargue de ella. Monitorizar en todo momento la tensión de cada batería. De esta manera el robot puede determinar cuando debe dar una alarma para que se ponga a cargar. En el caso de las baterías de Litio-Polimero, es obligatorio monitorizar esta tensión de cada celda de la batería, ya que en ningún caso se debe dejar que alguna de las celdas se quede por debajo de un mínimo de carga permisible. Detectar la conexión o desconexión de una fuente de alimentación externa y conmutar de fuente de energía (desconectando o conectando las baterías) de forma automática. Es decir, actúa como fuente de alimentación ininterrumpida. La conmutación de fuente de energía debe hacerse lo suficientemente rápido como para que el robot no pierda alimentación. Por ello, se debe hacer usando diodos. Interruptor Fusible Datos de gestión hacia el robot Alim. Ext I0 Gestión de energía I1 Fuente de alimentación estabilizada Figura 1-4: Esquema de alimentación de un robot