Conceptos básicos de la batería del robot

La fuente de alimentación de un robot FRC ® es una única batería SLA (Sealed Lead Acid) de 12V y 18Ah no derramable, capaz de suministrar brevemente más de 180A y arquear más de 500A cuando está completamente cargada. El conjunto de la batería del robot incluye la batería COTS, los cables de plomo con contactos y el conector Anderson SB. Se anima a los equipos a tener varias baterías de robot.

Batería COTS

Las Reglas del Robot en el Manual del Juego especifican una batería de plomo-ácido sellada no derramable comercialmente [COTS] que cumple con criterios específicos, y da ejemplos de números de piezas legales de una variedad de proveedores.

Seguridad y manejo de la batería

Una batería sana está siempre «encendida» y los terminales están siempre energizados. Si las polaridades se cortocircuitan -por ejemplo, si una llave inglesa o una lata de aerosol se caen y puentean el espacio entre dos terminales desnudos- toda la energía almacenada se liberará en un arco peligroso. Este riesgo impulsa una amplia gama de buenas prácticas, como cubrir los terminales en el almacenamiento, sólo descubrir y trabajar en un terminal o polaridad a la vez, mantener los contactos SB completamente insertados en los conectores, etc.

NO lleve el conjunto de la batería por los cables, y evite siempre tirar de ellos. Tirar de las baterías por los cables empezará a dañar las lengüetas y la conexión interna de la lengüeta. Con el tiempo, el daño por fatiga puede acumularse hasta que toda la lengüeta se desprenda de la carcasa. Incluso si no está claramente rota, el daño por fatiga interna puede aumentar la resistencia interna de la batería, desgastándola prematuramente. La batería no podrá proporcionar la misma cantidad de corriente con una resistencia interna aumentada o si los conectores están sueltos.

One terminal of an FRC battery fully detached from the battery.

La caída de las baterías puede doblar las placas internas y causar problemas de rendimiento, crear abultamientos o incluso romper la carcasa de la batería. Mientras que la mayoría de las baterías FRC utilizan tecnología de vidrio absorbente [AGM] o gel para la seguridad y el rendimiento, cuando una célula se perfora todavía puede perder una pequeña cantidad de ácido de la batería. Esta es una de las razones por las que FIRST recomienda a los equipos tener un kit de derrame de baterías disponible.

Por último, algunos cargadores de baterías más antiguos sin funciones de «modo de mantenimiento» pueden sobrecargar la batería, lo que provoca la ebullición de parte del ácido de la misma.

An FRC battery that was boiled by a high current dumb charger.

Las baterías dañadas deben eliminarse de forma segura lo antes posible. Todas las tiendas que venden baterías SLA grandes, como las de los coches, deberían poder deshacerse de ellas por usted. Es posible que le cobren una pequeña cuota, o que le ofrezcan un pequeño «reembolso de la carga del núcleo», dependiendo de la ley de su estado.

Peligro

NO intente «reparar» las baterías dañadas o que no funcionen.

Construcción de la batería y herramientas

Cables de la batería

Los cables de la batería deben ser de cobre, con un tamaño mínimo (sección transversal) de 6 AWG (16mm2, 7 SWG) y una longitud máxima de 12», con código de colores para la polaridad, con un conector Anderson SB. Los cables de cobre estándar de 6AWG con cables de batería SB50 rosa/rojo suelen venir en el kit de piezas y los ofrecen los vendedores de FRC.

Cables conductores

Se permite el uso de cobre estañado, recocido o recubierto. No utilice CCA (aluminio revestido de cobre), aluminio u otro metal base que no sea cobre. El metal del conductor está normalmente impreso en el exterior del aislamiento con las otras clasificaciones del cable.

El tamaño del cable 6AWG es suficiente para casi todos los robots y se ajusta a los contactos estándar SB50. Un pequeño número de equipos adoptan tamaños de cable más grandes para obtener beneficios marginales de rendimiento.

Los cables de mayor número de hebras (que a veces se venden como «flexibles» o «para soldar») tienen un radio de curvatura más pequeño, lo que hace que sean más fáciles de enrutar, y un límite de fatiga más alto. No hay ningún requisito de número de hebras, pero tanto el 84/25 (cable de enganche «flexible» de 84 hebras) como el 259/30 (cable de «soldadura» de 259 hebras) serán mucho más fáciles de trabajar que el 19/0,0372 (cable de enganche de 19 hebras).

El aislamiento debe estar codificado por colores según el Manual del Juego: a partir de 2021, el cable de +12Vdc debe ser rojo, blanco, marrón, amarillo o negro con raya y el cable de tierra (cable de retorno) debe ser negro o azul. No hay ningún requisito explícito de temperatura de aislamiento, pero cualquier aislamiento ennegrecido o dañado significa que el cable debe ser reemplazado: a mano, 105C es suficiente y más bajo funcionará para casi todos los robots. No hay ningún requisito de tensión de aislamiento, pero si el aislamiento es más fino, es mejor.

Conector SB

El conector Anderson SB puede ser el estándar SB50 Rosa/Rojo, u otro conector Anderson SB. Se recomienda encarecidamente a los equipos que utilicen el SB50 rosa/rojo para la interoperabilidad: los otros colores y tamaños de carcasas no se interpondrán, y no podrá tomar prestadas las baterías ni los cargadores.

Siga las instrucciones del fabricante para engarzar los contactos y montar los cables en los conectores Anderson SB. Un pequeño destornillador de cabeza plana puede ayudar a insertar los contactos (empuje sobre el contacto, no sobre el aislamiento del cable), o puede ayudar a desenganchar el pestillo interno si el contacto está en la ranura equivocada o al revés.

Tapones de la batería

Los terminales de compresión («crimp lugs») para lengüetas de batería de perno #10 (o M5) (~0,2» o ~5mm de diámetro de orificio) están disponibles en línea y a través de casas de suministros eléctricos, vendidos por los tamaños de cable aceptados en AWG (o mm2) y el diámetro del poste («tamaño del perno», «diámetro del orificio»). Los proveedores de gama alta también distinguen en sus catálogos de terminales entre el número de hilos estándar (~19) y el número de hilos flexibles (>80). Algunos proveedores también ofrecen terminales en ángulo recto, además de los estilos rectos más comunes. Siga las instrucciones del fabricante para engarzar los terminales.

Los terminales de tornillo son legales, pero no se recomiendan. Si utiliza terminales de tornillo, utilice un destornillador del tamaño adecuado para apretar el terminal. Compruebe con frecuencia el apriete de los terminales porque pueden aflojarse con el tiempo.

Conexión de los bornes de la batería al poste

Una tuerca y un tornillo #10 o M5 conectan el terminal del cable de la batería a la lengüeta de la batería.

Advertencia

La oreja y la lengüeta deben estar en contacto directo, cobre con cobre: no ponga ningún tipo de arandela que los separe.

One terminal of an FRC battery with socket head bolt and nylon locking (nylock) nut.

Algunas baterías vienen con pernos de lengüeta en el paquete: pueden utilizarse, o sustituirse por pernos de aleación de acero más resistentes. Es una buena idea añadir una arandela de seguridad funcional, como una arandela de estrella #10 o un sistema de arandela nordlock, además de una tuerca de bloqueo de nylon («nylock»). Utilice sólo un tipo de arandela de seguridad en cada conexión. Aunque el fabricante proporcione arandelas de seguridad de anillo dividido en el paquete, no está obligado a utilizarlas.

One terminal of an FRC battery with socket head bolt, nordlock locking nuts, and nylon locking (nylock) nut.

Estas conexiones deben estar muy apretadas para que sean fiables. Cualquier movimiento de la lengüeta mientras está en funcionamiento puede interrumpir la alimentación del robot, lo que provoca reinicios del mismo y desconexiones de campo que duran 30 segundos o más.

Esta conexión también debe estar completamente cubierta para la seguridad eléctrica; la cinta eléctrica funcionará, pero se recomienda un termorretráctil que se ajuste a toda la conexión. Unas relaciones de contracción elevadas (mínimo 3:1, se recomienda 4:1) facilitarán la aplicación del termorretráctil. Se permite el uso de termorretráctiles con adhesivo. Asegúrese de cubrir todo el cobre. El termorretráctil debe ser «retocado» con cinta aislante si se ve algo de cobre.

One terminal of an FRC battery fully covered in heatshrink.

Cargadores de baterías

Hay muchos buenos cargadores de baterías COTS «inteligentes» diseñados para baterías SLA de 12V, con una capacidad de 6A o menos por batería, con características de «modo de mantenimiento». Los cargadores de más de 6A no están permitidos en los pits de FRC.

Los cargadores utilizados en la competencia deben utilizar conectores Anderson SB. Conectar un cable de batería con conector SB COTS a los cables del cargador utilizando tuercas de cable de tamaño adecuado o terminales de tornillo es rápido y sencillo (asegúrese de cubrir cualquier cobre expuesto con termorretracción o cinta eléctrica). Los contactos del conector SB también están disponibles para tamaños de cable más pequeños, si el equipo tiene capacidad de engarce.

Advertencia

Después de conectar el SB, compruebe dos veces las polaridades del cargador con un multímetro antes de enchufar la primera batería.

Algunos vendedores de FRC venden cargadores con conectores rojos SB50 preinstalados.

Herramientas de evaluación de baterías

Cargador de baterías

Si su cargador de baterías tiene un indicador de modo de mantenimiento, como un LED VERDE, puede utilizar ese indicador para saber si está LISTO. Algunos cargadores alternan periódicamente entre «CHARGING» y «READY». Este es un comportamiento de «mantenimiento», a veces asociado a que la batería se enfría y puede aceptar más carga.

Pantalla y registro de la Driver Station

Cuando el robot está enchufado y conectado a la Driver Station, el voltaje de la batería se muestra en el software de la NI Driver Station.

Después de terminar una sesión de conducción, puedes revisar el voltaje de la batería en el Visor de Registros..

Voltímetro o Multímetro de mano

Una lectura de voltaje de las sondas en el conector SB de una batería desconectada le dará una instantánea de lo que es el Voc (voltaje en circuito abierto, o «voltaje de flotación») en el estado «sin carga». En general, el Voc no es un método recomendado para entender la salud de la batería: el voltaje en circuito abierto no es tan útil como la combinación de la resistencia interna y los voltajes en cargas específicas que proporciona un Probador de Carga (o Analizador de Baterías).

Prueba de carga

Un comprobador de carga de baterías puede utilizarse como una forma rápida de determinar el estado detallado de una batería. Puede proporcionar información como: tensión en carga abierta, tensión bajo carga, resistencia interna y estado de carga. Estas métricas pueden utilizarse para confirmar rápidamente que una batería está lista para un partido e incluso ayudar a identificar algunos problemas a largo plazo con la batería.

Output screen of a common load tester showing properties of the battery.

La resistencia interna ideal debe ser inferior a 0.015 Ohms. La especificación del fabricante para la mayoría de las baterías es de 0.011 Ohms. Si una batería supera los 0.020 Ohms, es una buena idea considerar la posibilidad de no utilizar esa batería para los partidos de competencia.

Si una batería muestra voltajes significativamente más bajos en las cargas de corriente de prueba más altas, es posible que no termine de cargarse o que deba retirarse.

Entendiendo los voltajes de las baterías

Una «batería de 12V» es cualquier cosa menos 12.0V.

Completamente cargada, una batería puede tener entre 12,7 y 13,5 voltios en circuito abierto (Voc). La tensión en circuito abierto se mide con nada conectado.

Una vez que se conecta una carga (como un robot), y fluye cualquier cantidad de corriente, el voltaje de la batería caerá. Por lo tanto, si comprueba una batería con un voltímetro y marca 13,2, y luego la conecta a su robot y la enciende, marcará un valor inferior, quizás 12,9 en la pantalla de la Driver Station. Estos números variarán con cada batería y robot específico, véase la caracterización más adelante. Una vez que el robot empiece a funcionar, tomará más corriente y el voltaje bajará más.

Las baterías que indican 12,5 V en un robot inactivo deben cambiarse y cargarse antes de un partido. Cambie siempre las baterías antes de que el robot empiece a alcanzar los umbrales de seguridad de caída de tensión (que aparecen en la pantalla de la Driver Station), ya que al entrar frecuentemente en rangos de baja tensión se corre el riesgo de dañar la batería de forma permanente; este comportamiento puede producirse en una variedad de estados de la voz dependiendo de la salud de la batería, del fabricante de la misma y del diseño del robot. El estado de carga de la batería debe mantenerse por encima del 50% para su longevidad.

El voltaje y la corriente de la batería también dependen de la temperatura: las baterías frías son baterías felices.

Caracterización de la batería

Se puede utilizar un analizador de baterías para realizar una inspección detallada y una comparación del rendimiento de la batería.

Graph from a common battery analyzer plotting volts and AmpHrs for many different batteries.

Proporcionará gráficos del rendimiento de la batería a lo largo del tiempo. Esta prueba requiere un tiempo considerable (aproximadamente dos horas), por lo que es menos adecuada para realizar pruebas durante la competición. Se recomienda realizar esta prueba en cada batería cada año para controlar y seguir su rendimiento. Esto determinará cómo debe utilizarse: en los partidos, en los entrenamientos, en las pruebas o en la eliminación.

Con la carga de prueba estándar de 7,5 amperios, las baterías de competencia deberían tener una capacidad de 11,5 amperios hora como mínimo. Todo lo que sea menos que eso solo debería usarse para prácticas u otros casos de uso menos exigentes.

Longevidad de la batería

Una batería tiene una vida útil de unos 1200 ciclos de carga/recarga normales. Las altas corrientes necesarias para un partido de FRC reducen esa vida útil a unos 400 ciclos. Estos ciclos están pensados para una descarga relativamente baja, de unos 13,5 a 12 o 12,5 voltios. Los ciclos profundos de la batería (que se descargue por completo) la dañarán.

Las baterías duran más si se mantienen completamente cargadas cuando no se utilizan, ya sea cargándolas regularmente o utilizando un cargador de mantenimiento. Las baterías pierden aproximadamente 0,1 V cada mes de inactividad.

Las pilas deben mantenerse alejadas del calor y el frío extremos. Por lo general, esto significa almacenar las baterías en un área con clima controlado: un armario de clase suele estar bien, un contenedor de transporte en un aparcamiento es más arriesgado.

Mejores prácticas para las baterías

  • Utilice sólo una batería cargada para los partidos de competencia. Si se encuentra en una situación en la que se ha quedado sin baterías cargadas, ¡pide ayuda a un equipo veterano! Nadie quiere ver un robot muerto en el campo (brownout) debido a una batería mala o sin cargar.

  • Se recomienda encarecidamente a los equipos que utilicen herramientas adecuadas y prácticas estrictas de control de calidad para los procesos de engaste (pida ayuda a los equipos veteranos locales o a un electricista comercial), o que utilicen cables de batería fabricados por el proveedor.

  • Espere a que las baterías se enfríen después del partido antes de recargarlas: la carcasa no debe estar caliente al tacto, quince minutos suelen ser suficientes.

  • Los equipos deberían considerar la posibilidad de comprar varias pilas nuevas cada año para ayudar a mantener sus baterías frescas. Los partidos de eliminación pueden requerir muchas pilas y puede que no haya tiempo suficiente para recargarlas.

A wooden bookcase like cart for storing and charging batteries.
  • Un cargador de baterías de varios bancos permite cargar más de una batería a la vez. Muchos equipos construyen un carro de robot para sus baterías y cargadores, lo que permite un fácil transporte y almacenamiento.

  • Es una buena idea identificar permanentemente cada batería con al menos: número de equipo, año y un identificador único.

  • Los equipos también pueden utilizar algo extraíble (pegatinas, máquina de etiquetado, etc.) para identificar para qué debe usarse esa batería en función de sus datos de rendimiento y de cuándo se realizó la última prueba del analizador.

A battery flag is just a small piece of plastic that fits in the battery connector.
  • El uso de banderas de batería (un trozo de plástico colocado en el conector de la batería) es una forma habitual de indicar que una batería se ha cargado. Las banderas para baterías también pueden imprimirse fácilmente en 3D.

  • Se pueden adquirir asas para los contactos del SB50 o imprimirlas en 3D para evitar que se tire de los cables al conectar o desconectar las baterías. No utilice estas asas para soportar el peso de la batería.

A plastic handle bolted on to an assembled SB50 connector.
  • Algunos equipos cosen correas para el transporte de la batería a partir de viejos cinturones de seguridad u otro tipo de nylon plano que se ajusta alrededor de la batería para ayudar a evitar el transporte por los cables.

An example showing a 2" wide nylon strap, wrapped around the battery and sewn into a loop.
  • Las abrazaderas de borde de las bridas se pueden utilizar con terminales de engarce de 90 grados para aliviar la tensión de los cables de la batería.

An example showing edge clips with zipties holding leads on a battery.