Jak vypočítat dobu běhu pro lithiovou baterii

Odhad doby provozu lithiové baterie je důležitou součástí vývoje produktu OEM.

Zařízení může vyžadovat určitou provozní dobu z důvodů, jako jsou:

• Přenosné lékařské vybavení

• GPS sledovače

• Průmyslová ruční zařízení

• produkty IoT

• Nositelná zařízení

• Přenosné nástroje

• Bezdrátové komunikační zařízení

• Robotika

• Spotřební elektronika

Doba provozu je určena větší kapacitou, než je kapacita uvedená na štítku baterie. Napětí, kapacita, využitelná energie, výkon zařízení, aktuální spotřeba, účinnost převodníku, teplota a nastavení ochrany, to vše ovlivňuje, jak dlouho může zařízení fungovat.

Jednoduchý výpočet doby provozu baterie může poskytnout časný odhad. Konečná provozní doba by však měla být ověřena pomocí skutečné baterie, nabíječky, hostitelského zařízení a provozních podmínek.

Rychlá odpověď: Jak vypočítáte dobu provozu lithiové baterie?

Pro relativně stabilní zatížení je základní vzorec:

Doba provozu (hodiny) = využitelná energie baterie (Wh) ÷ Průměrný výkon zařízení (W)

Energii baterie lze odhadnout takto:

Jmenovitá energie baterie (Wh) = jmenovité napětí (V) × kapacita (Ah)

Praktičtější vzorec je:

Doba chodu = jmenovité napětí × Kapacita × Faktor využitelné energie × Účinnost systému ÷ Průměrný výkon zátěže

Pro stejnosměrnou zátěž se stabilním proudem lze použít jednodušší odhad:

Doba chodu (hodiny) = využitelná kapacita (Ah) ÷ průměrný proud zátěže (A)

Metoda ve watthodinách je obecně vhodnější, když zařízení používá měnič napětí nebo když se napětí baterie a napětí zařízení liší.

1. Pochopte hodnoty používané ve výpočtech za běhu

Před výpočtem doby běhu identifikujte význam každé hodnoty.

Jmenovité napětí

Jmenovité napětí je referenční napětí používané k popisu sady baterií.

Například:

• 1S lithiová baterie: jmenovité napětí přibližně 3,7 V

• 2S lithiová baterie: jmenovité napětí přibližně 7,4 V

• 3S lithiová baterie: jmenovité napětí přibližně 11,1 V

• 4S lithiová baterie: jmenovité napětí přibližně 14,8 V

Skutečné napětí baterie se během nabíjení a vybíjení mění.

Jmenovitá kapacita

Jmenovitá kapacita se běžně vyjadřuje v:

• mAh

• Ah

Převod je:

1000 mAh = 1 Ah

Baterie 7,4 V, 2000 mAh má kapacitu 2 Ah.

Podrobnosti o výpočtu kapacity ze sériových a paralelních článků viz Jak vypočítat kapacitu lithium-iontové baterie.

Napájení zařízení

Výkon zařízení se běžně vyjadřuje ve wattech.

Zařízení může mít:

• Průměrný výkon

• Nepřetržitý výkon

• Špičkový výkon

• Napájení v pohotovostním režimu

• Spouštěcí výkon

Výpočty doby chodu by měly normálně používat průměrný výkon během provozního cyklu, nikoli pouze maximální jmenovitý výkon.

Účinnost

Napájení může být ztraceno v:

• DC-DC měniče

• Regulátory napětí

• Kabely

• Konektory

• Ochranné komponenty

• Vnitřní odpor

• Nabíjecí a napájecí obvody

Účinnost systému je třeba vzít v úvahu, když zařízení přímo nevyužívá napětí baterie.

2. Vypočítejte energii baterie ve watthodinách

Prvním krokem je převedení specifikace baterie na energii.

Základní vzorec je:

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

Příklad: Baterie 3,7 V, 1000 mAh

Převod kapacity:

1000 mAh = 1 Ah

Výpočet energie:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

Baterie obsahuje přibližně 3,7 Wh nominální energie.

Příklad: Baterie 7,4 V, 2000 mAh

Převod kapacity:

2000 mAh = 2 Ah

Výpočet energie:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Baterie obsahuje přibližně 14,8 Wh nominální energie.

Příklad: 11,1 V, 5000 mAh Baterie

Převod kapacity:

5000 mAh = 5 Ah

Výpočet energie:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Baterie obsahuje přibližně 55,5 Wh nominální energie.

Toto jsou nominální hodnoty energie. Využitelná energie dodávaná do zařízení je normálně nižší.

3. Použijte faktor použitelné energie

Baterie nemůže vždy dodávat svou plnou jmenovitou energii do zařízení.

Využitelná energie může být snížena:

• Minimální provozní napětí zařízení

• Vypínací napětí BMS

• Vybíjecí proud

• Nízká teplota

• Stárnutí buněk

• Vnitřní odpor

• Požadovaná rezervní kapacita

• Limity ochrany baterie

Jednoduchý vzorec pro odhad je:

Využitelná energie baterie = Nominální energie baterie × Faktor využitelné energie

Faktor musí být zvolen podle aplikace a zkušebních podmínek. Nemělo by se s ní zacházet jako s univerzální pevnou hodnotou.

Příklad

Převzít:

• Nominální energie baterie: 14,8 Wh

• Faktor využitelné energie: 0,85

Využitelná energie baterie:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

To znamená, že za definovaných provozních podmínek může být k dispozici přibližně 12,58 Wh před zvážením dalších ztrát při přeměně.

4. Vypočítejte dobu běhu z výkonu zařízení

Pro zařízení s relativně stabilní spotřebou energie:

Doba chodu = využitelná energie baterie ÷ výkon zařízení

Příklad: 7,4 V, 2000 mAh baterie Napájení 5 W zařízení

Specifikace baterie:

• Jmenovité napětí: 7,4V

• Kapacita: 2000 mAh nebo 2 Ah

• Nominální energie: 14,8 Wh

Převzít:

• Faktor využitelné energie: 0,85

• Účinnost systému: 0,90

• Průměrný výkon zařízení: 5 W

Krok 1: Vypočítejte nominální energii.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Krok 2: Aplikujte faktor využitelné energie.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Krok 3: Aplikujte efektivitu systému.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Krok 4: Vypočítejte dobu běhu.

11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 hodiny

Odhadovaná doba běhu je přibližně:

2,3 hodiny

Toto je technický odhad. Skutečná doba chodu může být kratší nebo delší v závislosti na kolísání zátěže, teplotě, vypínacím napětí a stavu baterie.

5. Vypočítat dobu běhu z proudu

Výpočet založený na proudu lze použít, když:

• Napětí baterie se blíží napětí zařízení;

• Zatěžovací proud je relativně stabilní;

• Neexistuje žádná velká fáze přeměny napětí;

• Proud se měří ze strany baterie.

Základní vzorec je:

Doba chodu = využitelná kapacita (Ah) ÷ průměrný proud (A)

Příklad: Baterie 3,7 V, 1000 mAh

Převzít:

• Kapacita baterie: 1000 mAh nebo 1 Ah

• Průměrný zatěžovací proud: 0,5 A

• Faktor využitelné kapacity: 0,85

Hodnocená doba běhu:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 hodiny

Upravená doba běhu:

2 hodiny × 0,85 = 1,7 hodiny

Odhadovaná doba běhu je přibližně:

1,7 hodiny

Kdy může být současná metoda zavádějící

Současná metoda může vést k nepřesnému výsledku, když:

• Zařízení používá DC-DC měnič;

• Napětí baterie se výrazně mění;

• Výkon zátěže zůstává konstantní, zatímco se proud mění;

• Zařízení má proměnný pracovní cyklus;

• Proud baterie se liší od vstupního proudu zařízení.

V těchto případech je obecně vhodnější metoda ve watthodinách.

6. Použijte metodu watthodin pro regulované zatížení

Mnoho elektronických zařízení používá regulátor nebo převodník napětí. Napětí baterie se může změnit, zatímco zařízení přijímá relativně stabilní napětí.

Zařízení může například vyžadovat 5 V z baterie s rozsahem napětí nad a pod 5 V. Převodník přizpůsobí napětí baterie požadovanému vstupu zařízení.

V této situaci:

• Proud baterie se mění se změnou napětí baterie;

• Účinnost převodníku ovlivňuje dobu běhu;

• Výkon zařízení je stabilnější základ pro výpočet.

Preferovaný vzorec je:

Doba chodu = Energie baterie × Účinnost ÷ Výkon zařízení

Příklad: 7,4 V baterie s 5 V měničem

Převzít:

• Baterie: 7,4 V, 2 Ah

• Nominální energie: 14,8 Wh

• Účinnost měniče: 90 %

• Výkon zařízení: 4W

• Faktor využitelné energie: 0,85

Využitelná energie v zařízení:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Doba běhu:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 hodiny

Odhadovaná doba běhu:

Přibližně 2,8 hodiny

7. Zohledněte proměnné zatížení zařízení

Mnoho produktů nespotřebovává konstantní energii.

Zařízení může přepínat mezi:

• Režim spánku

• Pohotovostní režim

• Režim měření

• Bezdrátový přenos

• Provoz motoru

• Provoz displeje

• Vytápění nebo chlazení

• Vysoce výkonné zpracování

V tomto případě vypočítejte průměrný výkon pomocí provozního profilu.

Průměrný výkon = Celková energie spotřebovaná během cyklu ÷ Trvání cyklu

Nebo:

Průměrný výkon = součet výkonu × čas pro každý provozní režim ÷ Celkový čas

Příklad proměnného zatížení

Předpokládejme, že zařízení pracuje ve třech režimech:

Celková spotřebovaná energie:

• Spánek: 0,2 W × 6 h = 1,2 Wh

• Měření: 1 W × 2 h = 2 Wh

• Přenos: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh

Celková energie:

1,2 Wh + 2 Wh + 1,5 Wh = 4,7 Wh

Celková doba provozu:

6 h + 2 h + 0,5 h = 8,5 h

Průměrný výkon:

4,7 Wh ÷ 8,5 h ≈ 0,55 W

Pokud baterie dokáže dodat 11,32 Wh využitelné energie:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 hodin

Tento odhad je realističtější než použití nejvyšší hodnoty výkonu za celý provozní cyklus.

8. Zvažte spuštění a špičkový proud

Špičkový proud nemusí významně změnit výpočet průměrné energie, ale stále může omezit praktickou dobu provozu a způsobit vypnutí baterie.

Silnoproudé události mohou nastat, když:

• Spustí se motor;

• Bezdrátový vysílač se aktivuje;

• Zapne se ohřívač;

• Čerpadlo začne pracovat;

• Spustí se podsvícení displeje;

• Procesor přejde do režimu vysokého výkonu.

Špičkový proud může způsobit:

• Pokles napětí;

• BMS nadproudová ochrana;

• Vyhřívání konektoru;

• Zvýšení teploty článku;

• Snížená využitelná kapacita;

• Neočekávaný reset zařízení.

Baterie by měla být vybrána pro oba:

• Potřebná provozní energie;

• Požadovaná proudová schopnost.

Baterie s dostatečným počtem watthodin, ale nedostatečným špičkovým proudem nemusí zařízení spolehlivě fungovat.

9. Pochopte účinek BMS Cutoff

BMS nebo ochranný obvod může odpojit baterii dříve, než bude možné využít veškerou nominální energii.

K tomu může dojít z důvodu:

• Nízké napětí článku;

• Nadproud;

• Zkrat;

• Vysoká teplota;

• Nízká teplota;

• buněčná nerovnováha;

• Komunikační nebo poruchové stavy.

Výpočet doby běhu by proto měl používat skutečně použitelnou energii, která je k dispozici před příslušným ochranným limitem.

U vícečlánkových sad může nevyváženost článků způsobit, že jeden článek dosáhne svého napěťového limitu dříve než ostatní. To může snížit využitelnou kapacitu celého balení.

BMS by měl být zohledněn při návrhu baterie, nikoli přidán poté, co již byl definován cíl běhu. Pokrývá širší vztah mezi BMS, napětím, kapacitou a dobou provozu Konstrukce lithium-iontové baterie: napětí, kapacita, BMS a doba provozu.

10. Zvažte teplotu a stárnutí baterie

Doba běhu se mění s provozními podmínkami.

Teplota

Nízká teplota může snížit dostupnou kapacitu a zvýšit vnitřní odpor. Vysoká teplota může urychlit stárnutí baterie a ovlivnit dlouhodobý výkon.

Odhad doby běhu by měl specifikovat:

• Provozní teplota;

• Skladovací teplota;

• Teplota baterie během vybíjení;

• Očekávané zatížení;

• Požadovaná životnost.

Stárnutí baterie

Dostupná kapacita baterie se během její životnosti postupně mění. Pokud musí zařízení fungovat po definovanou dobu po měsících nebo letech používání, cílová doba běhu by měla zahrnovat rezervu na stárnutí.

OEM může například definovat:

• Počáteční cíl běhu;

• Minimální doba běhu na konci životnosti;

• Požadovaný počet cyklů;

• Stav výměny baterie.

Baterie by neměla být dimenzována pouze pro její výkon při prvním použití, pokud produkt vyžaduje dlouhodobou spolehlivost.

11. Příklad výpočtu doby běhu pro zařízení OEM

Předpokládejme, že ruční zařízení OEM vyžaduje:

• Baterie: 11,1 V, 5000 mAh

• Průměrný výkon: 8W

• Faktor využitelné energie: 0,85

• Účinnost systému: 0,90

Krok 1: Převeďte kapacitu.

5000 mAh = 5 Ah

Krok 2: Vypočítejte nominální energii.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Krok 3: Aplikujte faktor využitelné energie.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Krok 4: Aplikujte efektivitu systému.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Krok 5: Vypočítejte dobu běhu.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 hodiny

Odhadovaná doba běhu:

Přibližně 5,3 hodiny

Tento výsledek by měl být ověřen testováním, protože zařízení může spotřebovávat více energie během spouštění, bezdrátové komunikace, zpracování dat nebo jiných podmínek vysoké zátěže.

12. Proč se vypočítaná doba běhu může lišit od skutečné doby běhu

Vypočítaná doba běhu je odhad založený na předpokladech. Skutečný výsledek se může lišit z důvodu:

• Průměrný výkon je vyšší, než se očekávalo;

• Neměřená spotřeba v pohotovostním režimu;

• Variabilní vzory zatížení;

• Tolerance kapacity baterie;

• Vlivy na rychlost vybíjení;

• Teplota;

• Vnitřní odpor;

• BMS cutoff;

• Účinnost měniče;

• Ztráty kabelů a konektorů;

• Stárnutí baterie;

• buněčná nerovnováha;

• Nastavení vypnutí zařízení.

Nejlepší způsob, jak zlepšit odhad, je změřit skutečné zařízení za reprezentativních podmínek.

Doporučená měření zahrnují:

• Napětí na straně baterie;

• Proud na straně baterie;

• Vstupní výkon zařízení;

• Teplota;

• Doba běhu do definovaného limitu;

• Napájení během každého provozního režimu;

• Chování během událostí špičkového zatížení.

13. Testování za běhu by mělo používat skutečné zařízení

Baterie by měla být testována se skutečným hostitelským zařízením nebo reprezentativní zátěží.

Testovací plán by měl definovat:

• Model baterie;

• Stav nabití baterie;

• Nabíječka a způsob nabíjení;

• Provozní profil zařízení;

• Okolní teplota;

• Počáteční teplota baterie;

• Mezní stav;

• Měřicí zařízení;

• Počet zkušebních vzorků;

• Kritéria přijetí za běhu.

Jednoduchá zátěž s konstantním odporem nemusí reprodukovat chování skutečného elektronického produktu. Pokud je to možné, mělo by se při testování používat skutečný provozní cyklus zařízení.

Pro širší plánování testů na úrovni balíčku viz Kontrolní seznam pro testování baterie.

14. Jak zlepšit výdrž baterie

Pokud je vypočítaná doba běhu příliš krátká, návrhářský tým může vyhodnotit:

• Zvýšení kapacity baterie;

• Výběr článku s vyšší energií;

• Snížení spotřeby energie zařízení;

• Zlepšení účinnosti měniče;

• Snížení proudu v pohotovostním režimu;

• Úprava pracovního cyklu;

• Optimalizace bezdrátového přenosu;

• Zlepšení tepelných podmínek;

• Snížení ztrát kabelů a konektorů;

• Kontrola nastavení mezní hodnoty BMS;

• Použití jiné sériově-paralelní konfigurace.

Zvýšení kapacity může zvýšit hmotnost, objem, cenu a dobu nabíjení baterie. Nejlepší řešení by mělo vyvážit dobu provozu s velikostí, hmotností, výkonem a komerčními požadavky produktu.

Výběr baterie na úrovni produktu viz Jak vybrat dobíjecí lithium-iontovou baterii pro zařízení OEM.

Kontrolní seznam doby provozu lithiové baterie

Před schválením odhadu doby běhu potvrďte:

• Jmenovité napětí baterie

• Jmenovitá kapacita baterie

• Kapacita převedena na Ah

• Nominální energie baterie ve Wh

• Faktor využitelné energie

• Průměrný výkon zařízení

• Špičkový výkon zařízení

• Účinnost měniče

• Provozní režimy

• Průměrný profil zatížení

• BMS mezní podmínky

• Provozní teplota

• Požadavek na stárnutí baterie

• Kritéria přijetí za běhu

• Aktuální plán testování zařízení

FAQ

Jak vypočítám dobu provozu lithiové baterie?

Vynásobte jmenovité napětí baterie kapacitou v ampérhodinách, abyste získali watthodiny, upravte použitelnou energii a účinnost systému a poté vydělte průměrným výkonem zařízení.

Jak dlouho vydrží baterie 7,4 V, 2000 mAh?

Balení obsahuje cca 14,8 Wh nominální energie. Doba běhu závisí na výkonu zařízení. Při zátěži 5 W je teoretická doba chodu asi 3 hodiny, než se uvažuje o účinnosti a ztrátách využitelné kapacity.

Počítá se výdrž baterie pomocí mAh nebo Wh?

mAh lze použít, když napětí baterie a zátěžový proud zůstávají relativně stabilní. Wh je obvykle vhodnější, když zařízení používá měnič napětí nebo při porovnávání baterií s různými úrovněmi napětí.

Proč je skutečná doba běhu kratší než vypočítaná hodnota?

Výpočet nemusí plně zohledňovat ztráty při přeměně, přerušení BMS, teplotu, špičkový proud, stárnutí baterie, proměnnou zátěž a použitelnou kapacitu.

Poskytuje baterie s vyšší kapacitou vždy delší dobu provozu?

Baterie s vyšší kapacitou může obvykle poskytnout delší dobu provozu, pokud jsou napětí a provozní podmínky srovnatelné. Je však třeba vzít v úvahu také výkon při vybíjení článku, hmotnost baterie, účinnost měniče a výkon zařízení.

Jak teplota ovlivňuje dobu provozu lithiové baterie?

Nízká teplota může snížit dostupnou kapacitu a zvýšit vnitřní odpor. Vysoká teplota může ovlivnit výkon a urychlit stárnutí. Doba chodu by měla být specifikována při definované provozní teplotě.

Měl by být pro výpočet doby běhu použit špičkový výkon?

Doba běhu by měla normálně využívat průměrný výkon během provozního cyklu. Špičkový výkon musí být stále kontrolován samostatně, aby se potvrdilo, že baterie, BMS, kabeláž a konektor mohou podporovat dočasnou potřebu vysokého proudu.

Jak mohu ověřit výpočet doby běhu?

Otestujte skutečnou sadu baterií se skutečným zařízením v reprezentativních provozních režimech, teplotě a podmínkách přerušení. Porovnejte naměřené výsledky s původním odhadem.

Závěr

Základní vzorec doby provozu lithiové baterie je:

Doba chodu = využitelná energie baterie ÷ Průměrný výkon zařízení

Energii baterie lze odhadnout takto:

Nominální energie = napětí × kapacita

Praktický výpočet by měl také zohlednit:

• Využitelná kapacita;

• Účinnost konverze;

• Kolísání zatížení;

• Špičkový proud;

• BMS cutoff;

• Teplota;

• Stárnutí baterie;

• Provozní podmínky zařízení.

Například baterie 7,4 V, 2000 mAh obsahuje přibližně 14,8 Wh nominální energie. Jeho skutečná provozní doba závisí na tom, kolik této energie může dosáhnout zařízení a kolik energie zařízení spotřebuje během svého kompletního provozního cyklu.

Pokud vyvíjíte produkt, který vyžaduje specifickou výdrž baterie, sdílejte s technickým týmem ZERNE profil napájení zařízení, cílovou provozní dobu, požadované napětí, dostupný prostor a očekávané množství výroby. ZERNE může pomoci vyhodnotit požadovanou kapacitu a vyvinout vlastní řešení lithiové baterie pro vaši OEM aplikaci.