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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
Baterías
Fuente de
alimentación
Tensión
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.
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 NíquelMetal-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
•
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 Tensión
Alcalina
1.5V
Litio-Ion
1.5V
Niquel Metal 1.2V
Hidruro
Litio3.6V
Polimero
Acido de
2V
plomo
Capacidad
2C-5C
(10C)
Densidad
Alta
Muy Alta
14g/VAh
Alta
Resistencia
Alta
Pequeña
Recargable
No
Sí
Muy pequeña
Sí
Muy alta
8g/VAh
Baja
Extremadamente Sí
pequeña
Muy pequeña
Sí
Coste
2-3
Euro/VAh
1-2
Euro/VAh
6 Euro/VAh
0.1-0.25
Euro/VAh
3 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.
Zona activa del trasistor
Potencia disipada= (V1-V2)·I
Baterías
V1
V1-V2
Fuente de tensión
lineal
I
Tensión
regulada
V2
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
Baterías
V1
Fuente de tensión
lineal
OFF: I=0, V1-V2
I
Tensión
regulada
V2
Figura 1-3: Fuente de tensión conmutada
Con el objetivo de aumentar la autonomía en los robots móviles se suelen usar fuentes conmutadas.
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 LitioPolímero 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
Alim. Ext
Datos de gestión hacia el robot
Gestión de
energía
I0
I1
Fuente de
alimentación
Baterías
Figura 1-4: Esquema de alimentación de un robot
Tensión
estabilizada