Mobile Roboter | eine Jahresarbeit

6. Stromversorgung

6.1. Verschiedene Energiespeicher

Hier geht es nicht um die Erzeugung von Strom, sondern um dessen mobile Speicherung. Das Thema hat bei mobilen Robotern eine recht starke Gewichtigkeit, da diese auf ihre Energie angewiesen sind, wie alle anderen Roboter auch, sie aber selbst transportieren müssen.

Für diesen Zweck brachte die technische Entwicklung im laufe der Zeit eine ganze Menge von Möglichkeiten mit sich. Die Stromversorgung eines mobilen Roboters muss einigen Anforderungen gerecht werden.

Die Energie muss ausreichen um eine sinnvolle Betriebszeit erreichen zu können. Dabei soll, auch bei eventuell auftretenden Verbrauchsspitzen, die Spannung möglichst konstant abgegeben werden. Weiterhin ist die Energiedichte entscheidend, da diese das Gewicht der Speichermedien bestimmt.

Normale Batterien sind als Stromquelle schon ganz gut geeignet. Die höchste Energiedichte haben Alkaline-Batterien, sie sind jedoch nicht wieder aufladbar. Als wiederaufladbare Energiequelle kommen Akkus in Frage. Die einfachsten sind die Pb-Akkus, aber sie sind recht schwer. Ebenfalls sehr verbreitet sind die NiCd-Akkus, die aber eine sehr geringe Energiedichte besitzen. Außerdem ist bei Ihnen der Memory-Effekt sehr ausgeprägt, was ein schnelles Nachladen problematisch macht. Etwas besser sind die NiMH-Akkus, bei denen der Memory-Effekt nur sehr schwach ausgeprägt und die Energiedichte höher ist. Noch besser sind die recht neuen Li-Ion-Akkus wie sie in Kameras, Handys usw. eingesetzt werden, aber sie sind auch recht teuer.

Je besser die Akkus werden, desto schwieriger ist auch ihre Behandlung. Die Pb-Akkus sind nur gegen Tiefentladung empfindlich. Laden kann man sie in jedem Zustand und ein Überladen verhindert sich fast von selbst, da der Stromfluss intern begrenzt wird. Die NiCd-Akkus sind da schon wesentlich sensibler: Schon ein einmaliges Überladen kann erhebliche Schäden verursachen. Noch empfindlicher sind die NiMH- und Li-Ion-Akkus. NiCd-Akkus sollten nur geladen werden, wenn sie völlig erschöpft sind, um den Memory-Effekt zu verhindern Bei NiMH- und Li-Ion-Akkus ist das Nachladen in beliebigen Zuständen besser möglich. Um all den Kriterien gerecht zu werden benötigt man ziemlich aufwendige und teure Ladegeräte.

Zukünftig könnte auch Wasserstoff als Energieträger im Roboterbau interessant werden.

6.2. Die Akkupacks

Ich entschied mich für NiMH-Akkupacks, die ursprünglich für Schnurlostelefone konzipiert worden waren. Dadurch sind es Leichtgewichtakkus, was für den Einsatz auf einem mobilen Roboter sehr von Vorteil ist; das Gesamtgewicht aller vier Akkus beträgt 467 g. Ein Akkupack enthält fünf einzelne Zellen, je 1,2 V, 110 mAh, die in Reihe geschaltet sind und somit eine Gesamtspannung von 6 V und eine Kapazität von 550 mAh besitzen. Die vier Akkupacks wurden zu zwei Zweiergruppen zusammengefügt (Reihenschaltung), sodass zwei Akkupacks a 12 V, 550 mAh entstanden.

Der eine Akkupack stellt seine Energie dem Microcontroller und den IR-Empfangsmodulen zur Verfügung, der andere den Motoren und den IR-Sendedioden. (Siehe auch Kapitel „7.2. Sensoransteuerung“)

6.3. Ladeverfahren

Geladen werden die zwei Akkupacks unabhängig voneinander mit dem Delta - U Ladeverfahren.

Dieses Ladeverfahren ist durch einen Ladeprozessor (TEA 1101 von Philips) gesteuert und überwacht die Ladespannung und deren Anstieg (durch vergleich mit vorherigen Werten) digital mit einer Auflösung von 12-Bit, sodass eine Genauigkeit von 0,25 % erreicht wird. Wenn die Ladekurve ihr Maximum überschritten hat wird automatisch auf Erhaltungsladung Umgeschalten. Dadurch ist ein Überladen der empfindlichen NiMH-Akkus ausgeschlossen und sie können aus jedem beliebigen Zustand heraus geladen werden.

Eine normale Ladung dauert rund zwei Stunden je Akkupack bei einem Ladestrom von etwa 350 mA.