🔋 Sistema de Energia e Bateria

Objetivo

Dominar o sistema de energia do G1: bateria, BMS, carregamento, otimização de autonomia e segurança.

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🔋 Bateria Principal

Especificações Técnicas

Tipo: LiPo 12S (12 células em série)

┌─────────────────────────────────────┐
│  UNITREE G1 BATTERY PACK            │
├─────────────────────────────────────┤
│ Configuração: 12S2P                 │
│ • 12 cells em série (voltagem)      │
│ • 2 cells em paralelo (capacidade)  │
├─────────────────────────────────────┤
│ Voltagem Nominal:    48V (44.4V)    │
│ Voltagem Máxima:     50.4V          │
│ Voltagem Mínima:     36V            │
├─────────────────────────────────────┤
│ Capacidade:          9000mAh (9Ah)  │
│ Energia Total:       432 Wh         │
│ Corrente Contínua:   30A            │
│ Corrente Pico:       90A (10s)      │
├─────────────────────────────────────┤
│ Peso:                2.1kg          │
│ Dimensões:           250x150x80mm   │
│ Química:             LiPo (LiCoO₂)  │
└─────────────────────────────────────┘

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Química da Bateria

Por que LiPo?

LiPo vs Outras Tecnologias:

Tipo	Energia/kg	Potência Pico	Ciclos	Custo
LiPo	180 Wh/kg	⭐⭐⭐⭐⭐	500	💰💰
Li-Ion	250 Wh/kg	⭐⭐⭐	1000	💰💰💰
LiFePO₄	120 Wh/kg	⭐⭐	2000	💰
NiMH	80 Wh/kg	⭐⭐	500	💰

Vantagens LiPo para Robótica:

1. ✅ Alta potência de pico (90A = 4.3kW!)

   • Necessário para saltos, corrida
   • Motores podem puxar muita corrente instantaneamente

2. ✅ Baixa resistência interna

   • Menos aquecimento durante descarga
   • Voltagem estável mesmo com alta carga

3. ✅ Formato flexível

   • Pode ser moldada no quadril do robô
   • Centraliza peso (melhor para balanço)

Desvantagens:

• ❌ Ciclos de vida menor (500 vs 1000 Li-Ion)
• ❌ Mais perigosa se mal utilizada (risco de fogo)
• ❌ Degrada mais rápido se armazenada carregada

Anatomia das Células

Cada célula LiPo:

┌──────────────────┐
│   + Terminal     │ ← 4.2V (carregada)
├──────────────────┤
│  [Catodo: LiCoO₂]│ ← Óxido de cobalto
├──────────────────┤
│  [Eletrólito]    │ ← Gel polimérico
├──────────────────┤
│  [Anodo: Grafite]│ ← Carbono
├──────────────────┤
│   - Terminal     │ ← 0V (referência)
└──────────────────┘
   │
   └─→ Íons Li⁺ fluem entre anodo/catodo

Reação Química:

• Descarga: Li⁺ vai do anodo → catodo (energia liberada)
• Carga: Li⁺ vai do catodo → anodo (energia armazenada)

Degradação ao Longo do Tempo:

# Capacidade restante após N ciclos
def battery_capacity(cycles, initial_capacity=9.0):
    # Modelo de degradação LiPo
    capacity = initial_capacity * (0.8 ** (cycles / 500))
    return round(capacity, 2)

print(f"Ciclo 0:    {battery_capacity(0)} Ah")    # 9.00 Ah
print(f"Ciclo 250:  {battery_capacity(250)} Ah")  # 8.05 Ah
print(f"Ciclo 500:  {battery_capacity(500)} Ah")  # 7.20 Ah (80%)
print(f"Ciclo 1000: {battery_capacity(1000)} Ah") # 5.18 Ah (fim de vida)

Configuração 12S2P

12S2P Explicado:

Série (12S): Aumenta Voltagem
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
[3.7V] + [3.7V] + ... + [3.7V] = 44.4V

Paralelo (2P): Aumenta Capacidade
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
[4.5Ah]
   ║     → 9Ah total
[4.5Ah]


Layout Físico:
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│ S1  │ S2  │ S3  │ S4  │ S5  │ S6  │
│ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │
│ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│ S7  │ S8  │ S9  │ S10 │ S11 │ S12 │
│ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │
│ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │ ║   │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘

Por que 12S?

• Motors need 48V nominal for efficiency
• Standard industrial voltage (less DC-DC conversion)
• Good balance between weight and power

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🛡️ BMS (Battery Management System)

Funções do BMS

O BMS é o "cérebro" que protege a bateria e maximiza vida útil.

Proteções Implementadas:

1. Sobre-corrente (Overcurrent Protection)

   Se corrente > 90A por <10s → Desliga saída

2. Sub-voltagem (Under-voltage Protection)

   Se qualquer célula < 3.0V → Desliga para proteger

3. Sobre-voltagem (Over-voltage Protection)

   Se qualquer célula > 4.25V → Para carregamento

4. Temperatura

   Se temp > 60°C → Reduz corrente máxima
   Se temp > 70°C → Desliga emergência
   Se temp < 0°C → Bloqueia carregamento

5. Balanceamento de Células

   Durante carga, equaliza voltagem de todas células
   Método: Passive balancing (dissipa excesso em resistor)

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Leitura de Dados do BMS

API Python

from unitree_sdk import Robot

robot = Robot()
battery = robot.get_battery_status()

print(f"🔋 Estado da Bateria")
print(f"━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━")
print(f"Voltagem Total:    {battery.voltage:.2f}V")
print(f"Corrente:          {battery.current:.2f}A")
print(f"SOC (Estado):      {battery.soc}%")
print(f"Capacidade Resta:  {battery.remaining_capacity:.2f}Ah")
print(f"Temperatura:       {battery.temperature}°C")
print(f"Ciclos de Vida:    {battery.cycle_count}")
print(f"Health:            {battery.health}%")
print(f"━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━")

# Voltagens individuais das células
for i, cell_v in enumerate(battery.cell_voltages):
    print(f"Célula {i+1:2d}: {cell_v:.3f}V")

# Checar warnings
if battery.soc < 20:
    print("⚠️  Bateria baixa! Retornar à base.")

if battery.temperature > 55:
    print("⚠️  Bateria quente! Reduzir carga.")

if max(battery.cell_voltages) - min(battery.cell_voltages) > 0.1:
    print("⚠️  Células desbalanceadas! Fazer carga completa.")

ROS2 Topic

# Ver status da bateria via ROS2
ros2 topic echo /battery_status

---
header:
  stamp:
    sec: 1703001234
    nanosec: 567890123
  frame_id: 'base_link'
voltage: 46.8  # Volts
current: 12.3  # Amps (positivo = descarga)
soc: 78        # State of Charge (%)
temperature: 42  # Celsius
health: 95     # Battery health (%)
cycle_count: 127
cell_voltages: [3.90, 3.91, 3.89, 3.90, 3.91, 3.90,
                3.89, 3.90, 3.91, 3.90, 3.89, 3.90]
time_to_empty: 3420  # Seconds (57 min)
---

Monitoramento Contínuo:

# Plot em tempo real
ros2 run plotjuggler plotjuggler

# Adicionar /battery_status/soc
# Adicionar /battery_status/temperature

Display LED

LEDs na Bateria Física:

┌────────────────────────┐
│  BATERIA UNITREE G1    │
│                        │
│  ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐  │
│  │🟢│ │🟢│ │🟢│ │⚪│  │ ← 75% carga
│  └──┘ └──┘ └──┘ └──┘  │
│                        │
│  [  BUTTON  ]          │ ← Press para ver SOC
└────────────────────────┘

Interpretação dos LEDs:

• 🟢 🟢 🟢 🟢 = 100-75%
• 🟢 🟢 🟢 ⚪ = 75-50%
• 🟢 🟢 ⚪ ⚪ = 50-25%
• 🟢 ⚪ ⚪ ⚪ = 25-10%
• 🔴 ⚪ ⚪ ⚪ = <10% (CRÍTICO)
• 🔴 piscando = Erro BMS

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⚡ Sistema de Carregamento

Carregador Oficial

Unitree G1 Smart Charger

Especificações:
├─ Input:  100-240V AC (universal)
├─ Output: 50.4V DC @ 5A (252W)
├─ Tempo de Carga:
│  ├─ 0→80%:  1.5h (fast charge)
│  ├─ 80→100%: 0.5h (trickle charge)
│  └─ Total:   ~2h
├─ Proteções:
│  ├─ Curto-circuito
│  ├─ Sobre-temperatura
│  ├─ Polaridade reversa
│  └─ EMI filtering
└─ Conectividade:
   └─ LED status + comunicação BMS

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Processo de Carregamento

Estágios de Carga

CC-CV Protocol (Constant Current - Constant Voltage):

Corrente/Voltagem
    │
5A  ├─────────┐               STAGE 1: CC (Constant Current)
    │         │               ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    │         │               • 5A constante
    │         │               • Voltagem sobe gradualmente
    │         │               • 0% → 80% SOC
    │         └──────────┐    • Rápido (~1.5h)
    │                    │
    │                    │    STAGE 2: CV (Constant Voltage)
    │                    │    ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    │                    │    • 50.4V constante
    │                    └──  • Corrente cai gradualmente
    │                         • 80% → 100% SOC
0A  └─────────────────────── • Lento (~0.5h) para balancear células
    0%                  80%  100%
         Estado de Carga (SOC)

Por que CV é lento?

• Células precisam balancear
• Previne sobre-voltagem em células individuais
• Maximiza vida útil da bateria

Procedimento

Como Carregar o G1:

1. Desligue o Robô

   # Via software
   robot.shutdown()
   
   # Ou pressione botão power por 5s

2. Conecte o Carregador

   • Porta de carga: lateral do quadril (plug XT60)
   • LED carregador: Vermelho (carregando)

3. Aguarde Carga Completa

   • LED muda para Verde
   • ~2 horas total
   • BMS balanceia células automaticamente

4. Desconecte

   • Sempre desconecte carregador primeiro
   • Depois desligue da tomada

⚠️ NUNCA:

• ❌ Carregar com robô ligado (pode confundir BMS)
• ❌ Usar carregador não-oficial (risco de fogo)
• ❌ Deixar carregando <24h sem supervisão
• ❌ Carregar em temperatura <0°C ou >45°C

Carga Rápida

Carregador Rápido (Opcional - $300):

Unitree Fast Charger 10A:
├─ Output: 50.4V @ 10A (504W)
├─ 0→80% em 45 minutos
├─ Total: ~70 minutos
└─ Requer cooling ativo (ventilador)

Trade-offs:

• ✅ 2x mais rápido
• ✅ Útil para operação 24/7 (turnos)
• ❌ Reduz ciclos de vida em ~20%
• ❌ Bateria mais quente durante carga
• ❌ Requer ventilação adequada

Quando usar Fast Charge:

• Operação comercial com downtime limitado
• Situações emergenciais
• Não usar rotineiramente

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📊 Autonomia e Otimização

Consumo por Atividade

Benchmark Oficial:

Atividade	Potência Média	Autonomia
Standby (motores off)	20W	20h+
Damping (gravidade)	50W	8h
Parado em pé	80W	5h
Caminhada lenta (0.5 m/s)	150W	4.5h
Caminhada normal (1 m/s)	250W	2.8h
Caminhada rápida (2 m/s)	400W	1.7h
Corrida (3 m/s)	600W	1.1h
Manipulação (braços)	+30W	-20min
LIDAR ativo	+8W	-15min
Processamento IA (GPU)	+15W	-25min

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Estimativa de Autonomia

def estimate_runtime(activities):
    """
    Estima autonomia baseado em perfil de uso.

    activities: lista de (potência_W, duração_min)
    """
    BATTERY_WH = 432  # Wh

    total_energy = 0  # Wh

    for power, duration_min in activities:
        energy = (power * duration_min) / 60  # W * h
        total_energy += energy

    remaining = BATTERY_WH - total_energy
    return remaining, (remaining / BATTERY_WH) * 100

# Exemplo: Missão de inspeção
mission = [
    (150, 30),  # 30min caminhando lento
    (80, 10),   # 10min parado (inspecionando)
    (180, 5),   # 5min manipulando (tirando foto)
    (150, 30),  # 30min retornando
]

remaining_wh, soc = estimate_runtime(mission)
print(f"Energia restante: {remaining_wh:.1f} Wh ({soc:.0f}%)")
print(f"Missão OK: {soc > 20}")  # Mínimo 20% reserva

# Output:
# Energia restante: 256.5 Wh (59%)
# Missão OK: True

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Dicas de Otimização

Otimizações de Software

1. Desligar Sensores Desnecessários

# Se não precisa de LIDAR indoor
robot.lidar.disable()  # Economiza 8W

# Reduzir framerate de câmeras
robot.camera_front.set_fps(15)  # Default: 30fps
# Economiza ~3W

# Modo de IA econômico
robot.set_ai_mode('power_save')
# Usa GPU apenas quando necessário
# Economiza ~10W em média

2. Otimizar Trajetórias

# Preferir caminhos retos (menos correções)
path = planner.plan(start, goal, optimize='energy')

# Velocidade ótima: 0.8-1.2 m/s
robot.set_walk_speed(1.0)  # Sweet spot eficiência

# Evitar acelerações bruscas
robot.set_acceleration(0.5)  # m/s² (default: 1.0)

3. Modo de Hibernação

# Durante pausas longas (<5min)
robot.hibernate()
# - Desliga motores
# - Senta no chão
# - Mantém apenas sistemas vitais
# Consumo: 15W (vs 80W em pé)

# Despertar
robot.wake_up()  # 10s para ficar em pé novamente

Otimizações de Hardware

1. Bateria Extra (Hot-Swap)

Adquirir 2-3 baterias adicionais:
├─ Custo: $800 cada
├─ Permite operação contínua
└─ Troca em <60 segundos

Workflow:
┌─ Bateria 1 (operando) ─── 4h ───┐
│                                   ↓
└─ Bateria 2 (carregando) ← Swap ←┘

2. Upgrade para Bateria 12Ah

Bateria maior (opcional):
├─ 12Ah vs 9Ah padrão (+33%)
├─ Peso: +700g (2.8kg total)
├─ Autonomia: 6h (caminhada lenta)
└─ Custo: $1,200

3. Painel Solar Portátil

Para operações externas prolongadas:
├─ Painel 100W dobrável
├─ Controlador MPPT
├─ Carga: ~2A (slow charge durante operação)
├─ Adiciona 1-2h autonomia/dia
└─ Custo: $400

⚠️ Não substitui bateria, apenas estende

Gestão Térmica

Temperatura afeta autonomia:

# Eficiência da bateria vs temperatura
def battery_efficiency(temp_celsius):
    if temp_celsius < 0:
        return 0.70  # 70% capacidade (frio extremo)
    elif temp_celsius < 10:
        return 0.85  # 85%
    elif 15 <= temp_celsius <= 30:
        return 1.00  # 100% (ideal)
    elif temp_celsius <= 40:
        return 0.95  # 95% (quente)
    else:
        return 0.85  # 85% (muito quente + throttle)

# Exemplo
temp = robot.get_battery_temp()
eff = battery_efficiency(temp)
real_capacity = 9.0 * eff

print(f"Temperatura: {temp}°C")
print(f"Capacidade efetiva: {real_capacity:.2f}Ah")

Dicas:

• ❄️ Frio (<10°C): Pré-aquecer bateria antes de missão
• 🔥 Calor (>35°C): Pausas mais frequentes, evitar sol direto
• 🎯 Ideal: 20-25°C

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🔥 Segurança e Manutenção

Armazenamento de Longo Prazo

Se não vai usar o G1 por <1 semana:

1. Carregar até 50-60% (não 100%!)

   # Verificar SOC
   robot.get_battery_soc()  # Deve estar em 50-60%
   
   # Se <60%, descarregar operando até 55%
   # Se <50%, carregar

2. Desconectar Bateria

   • Pressione clipes laterais
   • Remova bateria do quadril
   • Armazene separadamente

3. Condições de Armazenamento

   • Temperatura: 15-25°C (ideal: 20°C)
   • Umidade: <60%
   • Local seco, sem sol direto
   • Check a cada 3 meses, recarregar se <40%

Por que 50-60% e não 100%?

• Células cheias degradam mais rápido
• Estresse químico menor em 50%
• Pode durar 6+ meses sem recarga

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Descarte Seguro

Bateria LiPo fim de vida (<60% health):

1. Descarregar Completamente

   # Conectar resistor de carga até 0V
   # OU submergir em água salgada por 24h (terminals isolados)

2. Levar para Reciclagem

   • Lojas de eletrônicos aceitam LiPo
   • Não jogar no lixo comum
   • Risco de incêndio em aterros

3. Substituir por Nova

   • Unitree vende baterias: support@unitree.com
   • Entrega: 2-4 semanas
   • Custo: $800

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Troubleshooting

Problemas Comuns:

Não Carrega

Sintoma: LED carregador não acende

Checklist:

1. ✅ Tomada tem energia? (testar outro aparelho)
2. ✅ Carregador conectado corretamente? (click audível)
3. ✅ Bateria não está muito quente/fria? (tocar para sentir)
4. ✅ BMS não está em proteção? (LEDs bateria piscando?)

Solução:

# Reset BMS
1. Desconectar bateria do robô
2. Pressionar botão bateria por 10s
3. Aguardar 30s
4. Reconectar e tentar carregar

# Se não resolver
Contatar suporte Unitree

Descarga Rápida

Sintoma: Autonomia menor que esperado

Causas Possíveis:

1. Bateria degradada (checar battery.health)

   if robot.get_battery_health() < 80:
       print("Bateria degradada, considerar substituição")

2. Células desbalanceadas

   cells = robot.get_cell_voltages()
   if max(cells) - min(cells) > 0.15:
       print("Fazer carga completa para balancear")

3. Consumo anormal (motor com problema)

   power = robot.get_power_consumption()
   if power > 500 and robot.is_idle():
       print("Consumo anormal! Verificar motores.")

Bateria Inchada

⚠️ PERIGO CRÍTICO ⚠️

Sintoma: Bateria está expandida/inchada

Ação Imediata:

1. 🛑 PARE DE USAR imediatamente
2. 🔌 Desconecte do robô
3. 🏃 Mova para área aberta (risco de fogo)
4. 📧 Contate Unitree para descarte seguro

Causas:

• Sobre-carga repetida
• Dano físico (queda)
• Temperatura excessiva
• Fim natural de vida (>1000 ciclos)

Prevenção:

• Inspeção visual mensal
• Nunca carregar sem supervisão primeiros 6 meses
• Usar apenas carregador oficial

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✅ Checklist de Conhecimento

Após este módulo, você deve saber:

• Especificações da bateria (48V, 9Ah, 432Wh)
• Diferença entre LiPo e Li-Ion
• Funções do BMS (proteção, balanceamento)
• Tempo de carga (2h padrão, ~1h rápido)
• Autonomia por atividade (4.5h caminhada lenta)
• Como armazenar bateria longo prazo (50-60% SOC)
• Quando substituir bateria (<60% health)

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🔗 Próximos Passos

Próximo Módulo

🖥️ Sistema Computacional →

Deep dive no Jetson Orin NX: processamento, IA, ROS2 e otimizações.

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⏱️ Tempo de estudo: 40-50 minutos 📊 Nível: Intermediário 🔋 Hands-on: Praticar leitura de BMS via API