Jak vybrat správnou LiPo baterii pro vaše zařízení: Napětí, kapacita, velikost a vybíjecí proud

Výběr správné LiPo baterie není jen otázkou nalezení baterie se stejným napětím nebo nejvyšší dostupnou kapacitou mAh. Baterie musí splňovat čtyři požadavky současně: její napětí musí vyhovovat napájecímu systému zařízení, její kapacita musí podporovat požadovanou dobu běhu, hotová baterie se musí bezpečně vejít do dostupného prostoru a její vybíjecí schopnost musí pokrýt jak normální, tak špičkový proud.

Nesoulad v kterékoli z těchto oblastí může způsobit krátkou dobu provozu, neočekávané vypnutí, nadměrné propady napětí, přehřátí, nekompatibilitu nabíjení nebo mechanické namáhání článku pouzdra.

Nejspolehlivějším přístupem je nejprve definovat požadavky na zařízení a poté vybrat nebo přizpůsobit baterii kolem nich. Tato příručka vysvětluje, jak napětí, kapacita, velikost a vybíjecí proud spolupracují a jak proměnit specifikace zařízení v praktický požadavek na LiPo baterii.

Klíčové věci

• Přizpůsobte zařízení plnému rozsahu provozního napětí baterie – nejen jeho jmenovitému napětí.

• Odhadněte kapacitu z naměřeného průměrného proudu a požadované doby chodu, poté zohledněte ztráty při převodu, vypínací napětí, teplotu, stárnutí a provozní rezervu.

• Zkontrolujte rozměry celé sady baterií, včetně PCM, izolace, vodičů, konektoru, tolerancí a požadované mechanické vůle.

• Zaznamenávejte odděleně trvalý proud, špičkový proud, dobu trvání pulzu a frekvenci pulzu.

• Proudová kapacita hotové sady je omezena její nejslabší součástí, kterou může být článek, ochranný obvod, vodič, konektor nebo propojení.

• Baterie s vyšší kapacitou je obvykle větší a těžší; baterie s vyšším napětím nebo vyšším vybitím může také vyžadovat změny nabíječky a výkonové elektroniky.

• Konečný výběr by měl být potvrzen ve skutečném zařízení za nejnáročnějších očekávaných provozních podmínek.

Výběr LiPo baterie na první pohled

Začněte s požadavky na zařízení, nikoli s katalogem baterií

Před porovnáním modelů shromážděte informace, které definují elektrické a mechanické požadavky zařízení:

• Přijatelný rozsah vstupního napětí baterie

• Stávající specifikace nabíječky nebo nabíjecího IC

• Průměrný provozní proud

• Maximální trvalý proud

• Spuštění, zastavení motoru, rádiový přenos, zahřívání nebo jiný špičkový proud

• Trvání a frekvence každé aktuální špičky

• Požadovaná doba provozu na jedno nabití

• Maximální rozměry přihrádky na baterie

• Maximální přijatelná hmotnost baterie

• Typ konektoru, polarita, délka vodiče a směr výstupu vodiče

• Požadované ochranné funkce

• Rozsahy nabíjecích a provozních teplot

• Cílová životnost a úroveň spolehlivosti

U stávajícího produktu jsou nejlepšími výchozími body původní specifikace baterie a měření provedená na svorkách baterie. Napětí vytištěné na externím napájecím adaptéru nebo motoru nemusí nutně odpovídat napětí požadovanému na připojení baterie.

Standardní modely mohou být stíněny prostřednictvím a řada lithium-polymerových baterií , ale samotné číslo modelu nemůže potvrdit kompatibilitu s konkrétním zařízením.

Zvolte správné napětí LiPo baterie

Napětí by mělo být vyřešeno před kapacitou a velikostí, protože špatné napětí může způsobit, že každá jiná specifikace bude irelevantní.

Přizpůsobte kompletní provozní rozsah

Běžný LiPo článek má běžně jmenovité napětí 3,7 V a při plném nabití dosahuje přibližně 4,2 V. Spojením článků do série se zvýší napětí baterie.

Tyto údaje platí pro běžné 4,2 V LiPo články. Vysokonapěťové články LiPo mohou používat jmenovité hodnoty kolem 3,8–3,87 V a limity nabíjení 4,35 V nebo 4,4 V. Vždy používejte přesnou specifikaci článku a balení.

Tři napěťové body musí souhlasit se zařízením:

1. Napětí při plném nabití: Zařízení musí tolerovat nejvyšší napětí dodávané baterií.

2. Jmenovité napětí: Napájecí systém by měl efektivně fungovat kolem normálního pracovního napětí.

3. Koncové vybíjecí napětí: Zařízení a ochranný obvod by se měly vypnout dříve, než články poklesnou pod svou specifikovanou mez.

Zařízení popsané jako pracující při 7,4 V může ve skutečnosti potřebovat pracovat od přibližně 8,4 V po nabití až do jeho navrženého nízkonapěťového přerušení. Pro zařízení navržená pro tuto dvoučlánkovou řadu a 7,4V LiPo baterie je relevantní výchozí kategorií, ale nabíječka a elektronické komponenty musí být také kompatibilní s celým rozsahem napětí.

Neměňte počet článků bez kontroly napájecího systému

Výměna baterie 1S za sadu 2S přináší více než dvojnásobek jmenovitého napětí. Mění se také:

• Maximální napětí při plném nabití

• Požadované nabíjecí napětí

• Provozní podmínky výkonového měniče

• Nastavení vypínání nízkého napětí

• Konfigurace ochranného obvodu

• Napěťové namáhání zátěže

S vysokonapěťovou baterií by se proto mělo zacházet jako s redesignem napájecího systému, nikoli jako jednoduchý upgrade baterie.

Vypočítejte požadovanou kapacitu LiPo baterie

Kapacita, běžně vyjádřená v miliampérhodinách, udává, kolik nabití může baterie dodat za specifikovaných testovacích podmínek. Primárně ovlivňuje dobu běhu, ale také velikost, hmotnost, dobu nabíjení a dostupný proud.

Nejprve odhadněte průměrný proud

Nepoužívejte špičkový proud zařízení jako jeho průměrný proud. GPS tracker, bezdrátový senzor, lékařský monitor nebo IoT zařízení mohou střídat několik provozních režimů.

Průměrný proud lze odhadnout jako:

Průměrný proud = Σ (proud v každém režimu × podíl času v tomto režimu)

Pokud například zařízení odebírá 40 mA po 90 % času a 500 mA po 10 % času:

Průměrný proud = (40 mA × 0,90) + (500 mA × 0,10) = 86 mA

Měření ze skutečného provozního cyklu jsou spolehlivější než odhady založené pouze na technických listech komponent.

Vypočítejte ideální kapacitu

Když baterie přímo napájí zařízení a proud je přiměřeně stabilní:

Ideální kapacita (Ah) = průměrný proud baterie (A) × požadovaná doba chodu (h)

Pokud zařízení odebírá průměrně 0,8 A a musí běžet čtyři hodiny:

0,8 A × 4 h = 3,2 Ah nebo 3200 mAh

Toto je ideální výchozí hodnota, nikoli konečný výběr. Požadovaná jmenovitá kapacita by měla být vyšší po zvážení:

• DC-DC převodní ztráty

• Ochrana baterie a spotřeba v pohotovostním režimu

• Kapacita není k dispozici pod vypínacím napětím zařízení

• Nižší kapacita při nízkých teplotách nebo vysokých rychlostech vybíjení

• Stárnutí baterie během plánované životnosti

• Tolerance buněčné produkce

• Přiměřená provozní rezerva

Pro každý produkt neexistuje žádné univerzální procento rezervy. Nízkonákladové příslušenství pro spotřebitele, průmyslový senzor a přenosné lékařské zařízení mohou vyžadovat velmi odlišné provozní marže.

Při porovnávání různých napětí použijte watthodiny

Samotné miliampérhodiny by neměly být používány k porovnávání baterií s různým jmenovitým napětím.

Energii baterie lze odhadnout takto:

Energie baterie (Wh) = jmenovité napětí (V) × kapacita (Ah)

Baterie 3,7 V, 2000 mAh uchová přibližně 7,4 Wh, zatímco baterie 7,4 V, 2000 mAh uchová přibližně 14,8 Wh. Mají stejnou kapacitu mAh, ale ne stejné napětí nebo energii.

Když zařízení používá regulovanou napájecí kolejnici, odhad poptávky ve watthodinách často poskytuje jasnější výsledek:

Ideální energie zátěže (Wh) = průměrný výkon zařízení (W) × doba provozu (h)

Vybraná baterie musí po zohlednění účinnosti přeměny, použitelného rozsahu vybíjení, teploty a stárnutí poskytnout více než tuto ideální energii.

Vyšší kapacita není automaticky lepší

Větší baterie může prodloužit dobu běhu, ale může také:

• Překročte dostupný prostor

• Zvyšte hmotnost produktu

• Prodlužte dobu nabíjení

• Vyžadujte nabíječku s vyšší kapacitou nebo jiný tepelný design

• Změňte těžiště produktu

• Zvyšte náklady

Zvolte dostatečnou kapacitu pro splnění definovaného běhu a cíle spolehlivosti, spíše než jednoduše volte nejvyšší dostupnou hodnotu mAh.

Jakou velikost LiPo baterie potřebujete?

Správná velikost LiPo baterie je nejmenší hotová sada, která bezpečně splňuje požadavky na napětí, dobu chodu a proud. Fyzické přizpůsobení by se mělo hodnotit spíše pomocí rozměrového výkresu než jmenovitého popisu produktu.

Změřte celý obal baterie

Zaznamenejte maximální přípustné:

• Tloušťka

• Šířka

• Délka

• Oblast výstupu drátu a jazýčku

• Umístění konektoru

• Poloměr ohybu kabelu

• Povolení instalace a demontáže

Rozměry hotového balení mohou být větší než rozměry holého pouzdra. Kompletní obálka může obsahovat:

• PCM nebo BMS

• NTC a další snímací vodiče

• Izolační páska

• Kryty ochranných desek

• Pěna nebo tlumící materiál

• Svařované štítky

• Napájecí kabely

• Pouzdro konektoru

Ověřte, zda rozměry na výkresu dodavatele popisují holou buňku nebo kompletní sestavu.

Umožněte změnu tolerance a tloušťky

LiPo pouzdro není pevné pouzdro. Jeho tloušťka se může měnit podle stavu nabití a postupně se zvětšuje, jak baterie stárne. Přihrádka na baterie by proto měla zahrnovat mechanickou toleranci specifikovanou výrobcem.

Vyhněte se:

• Zatlačte baterii do těsné štěrbiny

• Vyvíjení nerovnoměrného tlaku na sáček

• Umístěte proti němu ostrá žebra, šrouby nebo součástky DPS

• Skládání nebo soutisk záložek buněk

• Použití pouzdra jako konstrukční podpory

• Vedení vodičů tam, kde je může kryt přiskřípnout

Pokud je hlavním omezením tloušťka, a tenká lithium-polymerová baterie může poskytnout vhodnější geometrii. Snížení tloušťky však může vyžadovat větší půdorys nebo nižší kapacitu, v závislosti na konstrukci.

Neodhadujte hmotnost pouze z mAh

Kapacita a hmotnost spolu souvisí, ale neexistuje žádná pevná hodnota gramů na mAh, která by platila pro každou LiPo baterii. Hmotnost také závisí na:

• Buněčná chemie a hustota energie

• Konstrukce elektrody a pouzdra

• Počet buněk

• Ochranná elektronika

• Dráty a konektory

• Výztuž nebo vnější pouzdro

Pokud je vyvážení produktu nebo celková hmotnost zařízení kritické, použijte specifikovanou hmotnost kompletního balení a potvrďte ji pomocí vzorků.

Určete požadovaný vybíjecí proud

Vybíjecí proud popisuje, kolik proudu musí baterie dodat bez nadměrného poklesu napětí, tepla nebo přerušení ochranného obvodu.

Samostatně by měly být zaznamenány čtyři hodnoty zatížení:

• Průměrný provozní proud

• Maximální trvalý proud

• Špičkový nebo pulzní proud

• Doba trvání špičky a frekvence opakování

Příklady špičkového zatížení zahrnují spouštění motoru, aktivaci čerpadla, bezdrátový přenos, přepínání topných těles, jasný provoz displeje a úlohy náročné na procesor.

Vypočítejte proudovou kapacitu z hodnocení C

C rating vyjadřuje proud vzhledem ke kapacitě baterie:

Jmenovitý proud (A) = Kapacita (Ah) × C jmenovitý

Například 2500 mAh baterie má kapacitu 2,5 Ah. Pokud má ověřené trvalé hodnocení 2C:

2,5 Ah × 2C = 5 A trvalý proud

Zpětný výpočet pomáhá odhadnout požadované hodnocení C:

Požadované hodnocení C = požadovaný proud (A) ÷ kapacita (Ah)

Pokud musí baterie 2 Ah dodávat 4 A nepřetržitě, aplikace vyžaduje nepřetržitou kapacitu alespoň 2 C, než se zváží další konstrukční rezerva.

Podrobnější vysvětlení výpočtu a rozdílu mezi kontinuálními a burst hodnotami je k dispozici v průvodci LiPo baterie hodnocení C.

Zkontrolujte celou aktuální cestu

Hodnocení vybíjení článku není automaticky aktuální hodnocení hotového balení. Praktický limit je stanoven nejnižší hodnocenou částí aktuální cesty:

• LiPo článek

• PCM nebo BMS

• MOSFETy a komponenty snímající proud

• Jazýčky článků a svarové spoje

• Průřez a délka drátu

• Konektor a kontakty

• stopy PCB

• Tepelný design

Článek schopný 10 A nemůže dodat 10 A přes ochrannou desku nebo konektor dimenzovaný pouze na 3 A.

Ochranný práh musí také sedět nad normálními provozními špičkami. V opačném případě se může zdravá baterie vypnout, kdykoli se spustí motor nebo se aktivuje vysílač. Současně musí prahová hodnota stále chránit sadu a zařízení před abnormálním nadproudem a zkraty.

Zohledněte pokles napětí a teplotu

Baterie může v laboratoři splnit svůj aktuální jmenovitý výkon a přesto způsobit vypnutí zařízení, pokud její napětí během špičkového zatížení klesne pod hranici vypnutí zařízení.

Pokles napětí se obecně stává významnějším, když je baterie:

• Blíží se konec vybíjení

• Studený

• Ve věku

• Provoz při vysokém proudu

• Připojení pomocí dlouhých nebo poddimenzovaných vodičů

• Používá se s konektorem s vysokým odporem

Aktuální kapacita by proto měla být potvrzena při nejnižším očekávaném stavu nabití a v celém rozsahu provozních teplot produktu – nejen s novou, plně nabitou baterií při pokojové teplotě.

Jak sladit LiPo baterii s motorem

Nevybírejte baterii pouze ze jmenovitého proudu motoru. Motorem řízený systém také zahrnuje regulátor motoru, mechanickou zátěž, podmínky spouštění, možný pádový proud a ztráty při přeměně výkonu.

Potvrdit:

1. Rozsah napětí akceptovaný ovladačem motoru

2. Normální proud při skutečném mechanickém zatížení

3. Rozběh a maximální přechodový proud

4. Chování zablokování nebo zablokování rotoru

5. Trvání a opakování silnoproudých událostí

6. Nastavení ochrany a schopnost konektoru

Proud by měl být měřen na vstupu baterie během realistického provozu. Test motoru naprázdno může výrazně podcenit požadavky na hotové zařízení.

Společně vyhodnoťte čtyři hlavní parametry

Napětí, kapacitu, velikost a vybíjecí proud nelze dokončit nezávisle.

Pokud žádná dostupná baterie nesplňuje všechny čtyři požadavky, může být nutné změnit prostor, cílovou dobu běhu, profil zatížení, design nabíjení nebo konstrukci baterie.

Zkontrolujte zbývající požadavky na integraci

Po zúžení čtyř hlavních parametrů si přečtěte specifikace, které určují, zda může baterie fungovat bezpečně a spolehlivě v kompletním produktu.

Chemie baterie a limit nabití

Ověřte, zda je článek konvenční 4,2 V LiPo nebo vysokonapěťový článek. Nabíjecí integrovaný obvod, maximální nabíjecí napětí, chování před nabíjením, ukončovací proud a metoda monitorování teploty musí odpovídat vybrané baterii.

PCM, BMS a snímání teploty

V závislosti na balení a aplikaci může být nutné, aby ochrana pokrývala:

• Předražení

• Nadměrné vybití

• Vybíjecí nadproud

• Nadproud nabíjení

• Zkrat

• Vysoká a nízká teplota

• Vyvažování buněk pro vícečlánkové sady

Normální zatížení zařízení by nemělo spustit tyto ochranné limity.

Konektor, polarita a zapojení

Dva konektory, které fyzicky pasují, nemusí být nutně elektricky kompatibilní. Potvrdit:

• Výrobce konektoru a číslo dílu

• Počet kontaktů

• Kladné a záporné pozice kolíků

• Měřidlo drátu

• Délka drátu

• Směr výstupu drátu

• Jmenovitý proud konektoru

• Další NTC nebo komunikační kabely

Nikdy nepředpokládejte polaritu pouze podle barvy vodiče nebo tvaru konektoru.

Provozní prostředí

Výkon a životnost baterie jsou ovlivněny teplotou, vibracemi, nárazy, vlhkostí, tlakem a teplem generovaným blízkými součástmi. Nastavení buňky, balení, krytu a ochrany musí být vhodné pro skutečné prostředí zařízení.

Požadavky na produkt a trh

Identifikujte příslušné požadavky na bezpečnost, přepravu a koncový produkt již v rané fázi projektu. Nezbytná dokumentace a testování závisí na konfiguraci baterie, cílovém trhu, aplikaci a způsobu dopravy.

Příklad zpracovaného výběru

Zvažte přenosné kontrolní zařízení s těmito předběžnými požadavky:

Proces výběru by byl:

1. Napětí: Běžná 2S LiPo sada poskytuje jmenovité napětí 7,4 V a přibližně 8,4 V při plném nabití, což odpovídá uvedenému vstupnímu rozsahu.

2. Kapacita: Ideální výpočet dává 0,8 A × 4 h = 3,2 Ah. Konečná jmenovitá kapacita musí být vyšší po zohlednění ztrát při přeměně, chování při přerušení, studeného výkonu, stárnutí a provozní rezervy projektu.

3. Vybíjecí proud: Článek, ochranný obvod, vodiče a konektor musí všechny podporovat nepřetržitý proud alespoň 0,8 A a specifikovaný impuls 3,5 A po dobu dvou sekund bez nadměrného prověšení nebo ochranného vypnutí.

4. Velikost: Kompletní chráněné balení – nejen články – se musí vejít do obálky o rozměrech 10 × 60 × 90 mm s požadovanou vůlí.

5. Kompatibilita: Nabíječka musí podporovat konvenční 2S LiPo pack a jeho požadovaný nabíjecí profil.

6. Potvrzení: Kandidátské vzorky by měly být vyhodnoceny v zařízení při plném nabití, v blízkosti hranice zařízení, během špičky 3,5 A a při očekávané nízké provozní teplotě.

Tento proces vytváří obhajitelnou specifikaci baterie. Nepředpokládá se, že jakákoli baterie s označením '7,4 V 3200 mAh' bude automaticky fungovat.

Běžné chyby při výběru LiPo baterie

Informace k odeslání dodavatele LiPo baterií

Užitečný požadavek na baterii by měl zahrnovat:

• Zařízení a aplikace

• Potřebná chemie

• Jmenovité a maximální napětí baterie

• Rozsah vstupního napětí zařízení

• Průměrný provozní proud

• Maximální trvalý proud

• Špičkový proud, trvání a frekvence

• Požadovaná doba běhu

• Maximální rozměry hotového balení

• Maximální hmotnost baterie

• Číslo dílu konektoru a polarita

• Průchod drátu, délka a výstupní pozice

• Požadavky PCM/BMS a NTC

• Nabíjecí napětí a proud

• Provozní a skladovací teploty

• Předpokládaná životnost cyklu nebo životnost

• Požadované certifikace nebo protokoly o zkouškách

• Prototyp a výrobní množství

• Podmínky, které musí vzorek v zařízení splňovat

Poskytnutí těchto informací je užitečnější než požadovat pouze '3,7 V 2000 mAh LiPo baterii.' Pokud standardní model nemůže splnit kombinované elektrické a mechanické požadavky, vlastní bateriová řešení mohou začlenit požadovaný článek, ochranný obvod, konektor, kabeláž a rozměry balení do jedné specifikace.

Závěr

Správná LiPo baterie je ta, která splňuje veškeré provozní požadavky zařízení – nejenom balíček s nejvyšší kapacitou nebo nejbližšími fyzickými rozměry.

Začněte rozsahem napětí zařízení a měřeným profilem zátěže. Vypočítejte kapacitu potřebnou pro cílovou dobu běhu, ověřte trvalý a špičkový vybíjecí proud a zkontrolujte rozměry kompletní chráněné sady. Před dokončením návrhu musí být potvrzena polarita konektoru, kompatibilita nabíjení, teplota, nastavení ochrany a mechanická vůle.

Když jsou tyto požadavky vyhodnoceny společně, je pravděpodobnější, že vybraná baterie poskytne očekávanou dobu provozu, zůstane stabilní během špičkového zatížení, bezpečně se vejde do produktu a bude fungovat konzistentně po celou zamýšlenou životnost.

Často kladené otázky

Jakou velikost LiPo baterie potřebuji?

Potřebujete nejmenší dokončenou LiPo baterii, která splňuje požadované napětí, dobu chodu a nepřetržitý a špičkový proud, přičemž ponechává dostatečnou instalační vůli.

Změřte dostupnou tloušťku, šířku a délku a poté zohledněte PCM, izolaci, vodiče, konektor, rozměrové tolerance a požadovanou tloušťku pouzdra. Nevybírejte baterii pouze z rozměrů holých článků.

Mohu vyměnit LiPo baterii za baterii s vyšší mAh?

Baterie s vyšší kapacitou může být vhodná, pokud její složení, počet článků, rozsah napětí, konektor, polarita, ochrana a požadavky na nabíjení zůstávají kompatibilní se zařízením.

Musí také bezpečně sedět a zůstat v přijatelném hmotnostním limitu. Nabíjení baterie s vyšší kapacitou mAh může trvat déle, pokud se stávající nabíjecí proud nezmění.

Mohu použít LiPo baterii s vyšším hodnocením C?

Vyšší ověřené hodnocení C nevynucuje do zařízení další proud; zátěž odebírá proud, který potřebuje. Může být proto přijatelné, pokud jsou kompatibilní specifikace napětí, kapacity, velikosti, konektoru, ochrany a nabíjení.

Hodnocení C by však nemělo být hodnoceno izolovaně. Aktuální kapacita hotové sady je stále omezena PCM/BMS, vodiči, konektory, spoji a teplotou.

Mohu použít LiPo baterii s jiným napětím?

Ne, pokud vstupní rozsah zařízení, nabíječka, ochranný obvod a výkonová elektronika nejsou navrženy pro nové napětí. I když se jmenovité napětí zdá blízké, napětí při plném nabití může překročit limit zařízení.

U náhradní baterie musí odpovídat původnímu složení a počtu článků, pokud není přepracován celý napájecí systém.

Jak sladím LiPo baterii s motorem?

Přizpůsobte baterii akceptovanému rozsahu napětí ovladače motoru a systémovému proudu měřenému při skutečném mechanickém zatížení. Zahrňte spouštěcí proud, maximální trvalý proud, možné podmínky zastavení, trvání impulsu a schopnost ochranného obvodu, vodičů a konektoru.

Proud motoru naprázdno není dostatečný pro výběr baterie.

Kolik váží LiPo baterie?

Neexistuje žádná univerzální hmotnost pro dané hodnocení mAh. Hmotnost závisí na napětí, kapacitě, konstrukci článku, hustotě energie, počtu článků, ochranné elektronice, kabeláži, konektoru a krytu.

Použijte celkovou hmotnost balení uvedenou na výkresu dodavatele a potvrďte ji vzorkem reprezentativním pro výrobu, pokud je důležitá hmotnost nebo vyvážení produktu.

Jakou LiPo baterii bych si měl pořídit pro přenosné zařízení?

Začněte s přijatelným napětím baterie zařízení, naměřeným průměrným a špičkovým proudem, požadovanou dobou běhu, dostupným místem na baterii, nabíječkou, konektorem a provozním prostředím. Tyto požadavky určí vhodný počet článků, kapacitu, jmenovitý proud, rozměry a konfiguraci ochrany.