Litium-akun käyttöajan laskeminen

Litiumakun käyttöajan arvioiminen on tärkeä osa OEM-tuotekehitystä.

Laite voi vaatia tietyn käyttöajan esimerkiksi seuraavista syistä:

• Kannettavat lääketieteelliset laitteet

• GPS-seurantalaitteet

• Teolliset kädessä pidettävät laitteet

• IoT-tuotteet

• Puettavat vaatteet

• Kannettavat instrumentit

• Langattomat viestintälaitteet

• Robotiikka

• Kulutuselektroniikka

Käyttöaika määräytyy enemmän kuin akun tarraan painettu kapasiteetti. Akun jännite, kapasiteetti, käyttöenergia, laitteen teho, virrantarve, muuntimen hyötysuhde, lämpötila ja suojausasetukset vaikuttavat kaikki siihen, kuinka kauan laite voi toimia.

Yksinkertainen akun käyttöaikalaskelma voi antaa varhaisen arvion. Lopullinen käyttöaika tulee kuitenkin varmistaa todellisen akun, laturin, isäntälaitteen ja käyttöolosuhteiden perusteella.

Pikavastaus: Kuinka lasket litiumakun käyttöajan?

Suhteellisen vakaalle kuormitukselle peruskaava on:

Käyttöaika (tuntia) = Käytettävä akkuvirta (Wh) ÷ Laitteen keskimääräinen teho (W)

Akun energiaa voidaan arvioida seuraavasti:

Akun nimellisenergia (Wh) = nimellisjännite (V) × kapasiteetti (Ah)

Käytännöllisempi kaava on:

Käyttöaika = nimellisjännite × kapasiteetti × käyttöenergiakerroin × järjestelmän tehokkuus ÷ keskimääräinen kuormitusteho

Tasavirtakuormalla, jolla on vakaa virta, voidaan käyttää yksinkertaisempaa arviota:

Käyttöaika (tuntia) = käyttökapasiteetti (Ah) ÷ Keskimääräinen kuormitusvirta (A)

Wattituntimenetelmä soveltuu yleensä paremmin, kun laite käyttää jännitteenmuunninta tai kun akun jännite ja laitteen jännite ovat erilaiset.

1. Ymmärrä ajonaikaisissa laskelmissa käytetyt arvot

Tunnista kunkin arvon merkitys ennen suoritusajan laskemista.

Nimellisjännite

Nimellisjännite on vertailujännite, jota käytetään kuvaamaan akkua.

Esimerkiksi:

• 1S litiumakkupaketti: noin 3,7 V nimellisjännite

• 2S litiumakkupaketti: noin 7,4 V nimellisjännite

• 3S litiumakkupaketti: noin 11,1 V nimellisjännite

• 4S litiumakkupaketti: noin 14,8 V nimellisjännite

Akun todellinen jännite muuttuu latauksen ja purkamisen aikana.

Nimelliskapasiteetti

Nimelliskapasiteetti ilmaistaan ​​yleensä seuraavasti:

• mAh

• Ah

Muunnos on:

1000 mAh = 1 Ah

7,4 V, 2000 mAh akun kapasiteetti on 2 Ah.

Katso lisätietoja kapasiteetin laskemisesta sarja- ja rinnakkaissoluista Litiumioniakun kapasiteetin laskeminen.

Laitteen virta

Laitteen teho ilmaistaan ​​tavallisesti watteina.

Laitteessa voi olla:

• Keskimääräinen teho

• Jatkuva teho

• Huipputeho

• Valmiustila virta

• Käynnistysteho

Ajonaikalaskelmissa tulisi yleensä käyttää keskimääräistä tehoa käyttöjakson aikana, ei vain enimmäistehoa.

Tehokkuus

Virta voi kadota:

• DC-DC muuntimet

• Jännitteen säätimet

• Kaapelit

• Liittimet

• Suojakomponentit

• Sisäinen vastus

• Lataus- ja virranhallintapiirit

Järjestelmän tehokkuus on otettava huomioon, kun laite ei käytä suoraan akkujännitettä.

2. Laske akun energia wattitunteina

Ensimmäinen askel on muuntaa akun tiedot energiaksi.

Peruskaava on:

Akun energia (Wh) = nimellisjännite (V) × kapasiteetti (Ah)

Esimerkki: 3,7 V, 1000 mAh akku

Kapasiteetin muunnos:

1000 mAh = 1 Ah

Energialaskelma:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

Akku sisältää noin 3,7 Wh nimellisenergiaa.

Esimerkki: 7,4 V, 2000 mAh akku

Kapasiteetin muunnos:

2000 mAh = 2 Ah

Energialaskelma:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Akku sisältää noin 14,8 Wh nimellisenergiaa.

Esimerkki: 11,1 V, 5000 mAh akku

Kapasiteetin muunnos:

5000 mAh = 5 Ah

Energialaskelma:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Akku sisältää noin 55,5 Wh nimellisenergiaa.

Nämä ovat nimellisenergia-arvoja. Laitteelle toimitettu käyttöenergia on normaalisti pienempi.

3. Käytä Usable-Energy Factoria

Akku ei aina pysty toimittamaan täyttä tehoaan laitteeseen.

Käytettävää energiaa voidaan vähentää seuraavilla tavoilla:

• Laitteen vähimmäiskäyttöjännite

• BMS-katkaisujännite

• Purkausvirta

• Matala lämpötila

• Solujen ikääntyminen

• Sisäinen vastus

• Vaadittu varakapasiteetti

• Akun suojausrajat

Yksinkertainen arviokaava on:

Käytettävissä oleva akkuenergia = Akun nimellisteho × Hyödyllinen energiakerroin

Kerroin on valittava sovelluksen ja testiolosuhteiden mukaan. Sitä ei pidä käsitellä yleisenä kiinteänä arvona.

Esimerkki

Olettaa:

• Akun nimellisenergia: 14,8 Wh

• Käyttöenergiakerroin: 0,85

Käytettävä akkuvirta:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Tämä tarkoittaa, että noin 12,58 Wh voi olla käytettävissä määritellyissä käyttöolosuhteissa ennen kuin harkitaan lisämuunnoshäviöitä.

4. Laske käyttöaika laitteen tehosta

Laitteelle, jonka virrantarve on suhteellisen vakaa:

Käyttöaika = Käytettävä akkuvirta ÷ Laitteen teho

Esimerkki: 7,4 V, 2000 mAh akku, joka antaa virran 5 W:n laitteelle

Akun tekniset tiedot:

• Nimellisjännite: 7,4 V

• Kapasiteetti: 2000 mAh tai 2 Ah

• Nimellisenergia: 14,8 Wh

Olettaa:

• Käyttöenergiakerroin: 0,85

• Järjestelmän tehokkuus: 0,90

• Laitteen keskiteho: 5 W

Vaihe 1: Laske nimellisenergia.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Vaihe 2: Käytä käyttöenergiakerrointa.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Vaihe 3: Käytä järjestelmän tehokkuutta.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Vaihe 4: Laske suoritusaika.

11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 tuntia

Arvioitu käyttöaika on noin:

2,3 tuntia

Tämä on tekninen arvio. Todellinen käyttöaika voi olla lyhyempi tai pidempi riippuen kuormituksen vaihtelusta, lämpötilasta, katkaisujännitteestä ja akun tilasta.

5. Laske käyttöaika nykyisestä

Virtapohjaista laskentaa voidaan käyttää, kun:

• Akun jännite on lähellä laitteen jännitettä;

• Kuormavirta on suhteellisen vakaa;

• Ei ole suurta jännitteenmuunnosvaihetta;

• Virta mitataan akun puolelta.

Peruskaava on:

Käyttöaika = käyttökapasiteetti (Ah) ÷ keskimääräinen virta (A)

Esimerkki: 3,7 V, 1000 mAh akku

Olettaa:

• Akun kapasiteetti: 1000 mAh tai 1 Ah

• Keskimääräinen kuormitusvirta: 0,5 A

• Käyttökapasiteetin kerroin: 0,85

Arvioitu suoritusaika:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 tuntia

Muokattu suoritusaika:

2 tuntia × 0,85 = 1,7 tuntia

Arvioitu käyttöaika on noin:

1,7 tuntia

Milloin nykyinen menetelmä voi olla harhaanjohtava

Nykyinen menetelmä voi tuottaa epätarkan tuloksen, kun:

• Laite käyttää DC-DC-muunninta;

• Akun jännite muuttuu merkittävästi;

• Kuormateho pysyy vakiona virran muuttuessa;

• Laitteessa on muuttuva käyttösuhde;

• Akun virta poikkeaa laitteen tulovirrasta.

Näissä tapauksissa wattituntimenetelmä on yleensä sopivampi.

6. Käytä wattituntimenetelmää säännellyille kuormille

Monet elektroniset laitteet käyttävät jännitteensäädintä tai muuntajaa. Akun jännite voi muuttua, kun laite vastaanottaa suhteellisen vakaan jännitteen.

Laite voi esimerkiksi tarvita 5 V akusta, jonka jännitealue on yli ja alle 5 V. Muuntaja säätää akun jännitteen laitteen vaaditun tulon mukaan.

Tässä tilanteessa:

• Akun virta muuttuu akun jännitteen muuttuessa;

• Muuntimen tehokkuus vaikuttaa käyttöaikaan;

• Laitteen teho on vakaampi laskentaperuste.

Suositeltu kaava on:

Käyttöaika = Akun energia × Tehokkuus ÷ Laitteen teho

Esimerkki: 7,4 V:n akku 5 V:n muuntimella

Olettaa:

• Akku: 7,4 V, 2 Ah

• Nimellisenergia: 14,8 Wh

• Muuntimen hyötysuhde: 90 %

• Laitteen teho: 4 W

• Käyttöenergiakerroin: 0,85

Laitteessa käytettävä energia:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Kesto:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 tuntia

Arvioitu käyttöaika:

Noin 2,8 tuntia

7. Ota huomioon muuttuvat laitekuormat

Monet tuotteet eivät kuluta jatkuvasti virtaa.

Laite voi vaihtaa seuraavien välillä:

• Lepotila

• Valmiustila

• Mittaustila

• Langaton lähetys

• Moottorin toiminta

• Näytön toiminta

• Lämmitys tai jäähdytys

• Korkean suorituskyvyn käsittely

Laske tässä tapauksessa keskimääräinen teho käyttöprofiilin avulla.

Keskimääräinen teho = Jakson aikana käytetty kokonaisenergia ÷ Jakson kesto

Tai:

Keskimääräinen teho = tehon summa × aika kussakin käyttötilassa ÷ Kokonaisaika

Esimerkki muuttuvasta kuormasta

Oletetaan, että laite toimii kolmessa tilassa:

Käytetty energia yhteensä:

• Lepotila: 0,2 W × 6 h = 1,2 Wh

• Mittaus: 1 W × 2 h = 2 Wh

• Lähetys: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh

Kokonaisenergia:

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

Kokonaiskäyttöaika:

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

Keskimääräinen teho:

4,7 Wh ÷ 8,5 h ≈ 0,55 W

Jos akku pystyy toimittamaan 11,32 Wh käyttöenergiaa:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 tuntia

Tämä arvio on realistisempi kuin korkeimman tehoarvon käyttäminen koko toimintajaksolle.

8. Harkitse käynnistystä ja huippuvirtaa

Huippuvirta ei välttämättä muuta merkittävästi keskimääräistä energialaskelmaa, mutta se voi silti rajoittaa käytännön käyttöaikaa ja aiheuttaa akun sammumisen.

Voimakkaat tapahtumat voivat tapahtua, kun:

• Moottori käynnistyy;

• Langaton lähetin aktivoituu;

• Lämmitin kytkeytyy päälle;

• Pumppu alkaa toimia;

• Näytön taustavalo käynnistyy;

• Prosessori siirtyy korkean suorituskyvyn tilaan.

Huippuvirta voi aiheuttaa:

• Jännitteen lasku;

• BMS ylivirtasuoja;

• Liitin lämmitys;

• solujen lämpötilan nousu;

• Pienempi käyttökapasiteetti;

• Odottamaton laitteen nollaus.

Akku tulee valita molemmille:

• Vaadittu käyttöenergia;

• Vaadittu virtakyky.

Akku, jolla on riittävästi wattituntia mutta riittämätön huippuvirran kapasiteetti, ei välttämättä toimi laitetta luotettavasti.

9. Ymmärrä BMS Cutoffin vaikutus

BMS tai suojapiiri voi irrottaa akun ennen kuin kaikki nimellisenergia voidaan käyttää.

Tämä voi tapahtua seuraavista syistä:

• Matala kennojännite;

• Ylivirta;

• Oikosulku;

• Korkea lämpötila;

• Matala lämpötila;

• Solujen epätasapaino;

• Viestintä- tai vikatilat.

Ajonaikalaskelman tulisi siksi käyttää todellista käytettävissä olevaa energiaa ennen asiaankuuluvaa suojausrajaa.

Monikennopakkauksissa kennoepätasapaino voi saada yhden solun saavuttamaan jänniterajansa ennen muita. Tämä voi vähentää koko pakkauksen käyttökapasiteettia.

BMS tulee ottaa huomioon akun suunnittelun aikana, eikä sitä saa lisätä sen jälkeen, kun käyttöaikatavoite on jo määritetty. Tässä käsitellään laajempaa BMS:n, jännitteen, kapasiteetin ja käyttöajan välistä suhdetta Litium-Ion-akun rakenne: jännite, kapasiteetti, BMS ja käyttöaika.

10. Harkitse lämpötilaa ja akun ikääntymistä

Käyttöaika muuttuu käyttöolosuhteiden mukaan.

Lämpötila

Matala lämpötila voi vähentää käytettävissä olevaa kapasiteettia ja lisätä sisäistä vastusta. Korkea lämpötila voi nopeuttaa akun vanhenemista ja vaikuttaa pitkäaikaiseen suorituskykyyn.

Suoritusaika-arviossa tulee määrittää:

• Käyttölämpötila;

• Varastointilämpötila;

• Akun lämpötila purkauksen aikana;

• Odotettu kuormitus;

• Vaadittu käyttöikä.

Akun ikääntyminen

Akun käytettävissä oleva kapasiteetti muuttuu vähitellen käyttöiän aikana. Jos laitteen on toimittava tietyn ajan kuukausien tai vuosien käytön jälkeen, ajonaikatavoitteeseen tulee sisällyttää ikääntymisvaraus.

OEM-valmistaja voi esimerki

• Alkuperäinen suoritusaikatavoite;

• Vähimmäiskäyttöaika käyttöiän lopussa;

• Vaadittu syklien määrä;

• Akun vaihto kunto.

Akkupakkausta ei tule mitoittaa vain sen ensimmäisen käyttökerran suorituskyvyn mukaan, jos tuote vaatii pitkäaikaista luotettavuutta.

11. Esimerkki OEM-laitteen suoritusajan laskennasta

Oletetaan, että OEM-kämmenlaite vaatii:

• Akku: 11,1 V, 5000 mAh

• Keskimääräinen teho: 8 W

• Käyttöenergiakerroin: 0,85

• Järjestelmän tehokkuus: 0,90

Vaihe 1: Muunna kapasiteetti.

5000 mAh = 5 Ah

Vaihe 2: Laske nimellisenergia.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Vaihe 3: Käytä käyttöenergiakerrointa.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Vaihe 4: Käytä järjestelmän tehokkuutta.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Vaihe 5: Laske suoritusaika.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 tuntia

Arvioitu käyttöaika:

Noin 5,3 tuntia

Tämä tulos tulee varmistaa testaamalla, koska laite voi kuluttaa enemmän virtaa käynnistyksen, langattoman tiedonsiirron, tietojenkäsittelyn tai muiden korkean kuormituksen aikana.

12. Miksi laskettu suoritusaika voi poiketa todellisesta suoritusajasta

Laskettu suoritusaika on oletuksiin perustuva arvio. Todellinen tulos voi vaihdella seuraavista syistä:

• Keskimääräinen teho on odotettua suurempi;

• Mittaamaton valmiustilan kulutus;

• Muuttuvat kuormitusmallit;

• Akun kapasiteetin toleranssi;

• Purkausnopeuden vaikutukset;

• Lämpötila;

• Sisäinen vastus;

• BMS-katkaisu;

• Muuntimen tehokkuus;

• Kaapeli- ja liitinhäviöt;

• Akun ikääntyminen;

• Solujen epätasapaino;

• Laitteen sammutusasetukset.

Paras tapa parantaa arviota on mitata todellinen laite edustavissa olosuhteissa.

Suositeltuja mittoja ovat mm.

• Akun puolen jännite;

• Akun puolen virta;

• Laitteen syöttöteho;

• Lämpötila;

• Käyttöaika määritettyyn raja-arvoon asti;

• Teho jokaisen käyttötilan aikana;

• Käyttäytyminen huippukuormitustapahtumien aikana.

13. Ajonaikaisen testauksen tulee käyttää todellista laitetta

Akkupaketti tulee testata todellisella isäntälaitteella tai vastaavalla kuormalla.

Testisuunnitelmassa tulee määritellä:

• Akun malli;

• Akun lataustila;

• Laturi ja latausmenetelmä;

• Laitteen toimintaprofiili;

• Ympäristön lämpötila;

• Akun alkulämpötila;

• Leikkaustila;

• Mittauslaitteet;

• testinäytteiden lukumäärä;

• Kestoaikaiset hyväksymiskriteerit.

Yksinkertainen vakiovastuksen kuormitus ei välttämättä toista todellisen elektroniikkatuotteen käyttäytymistä. Testauksessa tulee mahdollisuuksien mukaan käyttää laitteen todellista toimintasykliä.

Katso laajempi pakkaustason testisuunnittelu, katso Akun testauksen tarkistuslista.

14. Akun käyttöajan parantaminen

Jos laskettu ajoaika on liian lyhyt, suunnittelutiimi voi arvioida:

• Lisää akun kapasiteettia;

• Suuremman energian kennon valitseminen;

• Laitteen virrankulutuksen vähentäminen;

• Muuntimen tehokkuuden parantaminen;

• Valmiusvirran vähentäminen;

• Käyttömäärän säätö;

• Langattoman tiedonsiirron optimointi;

• Lämpöolosuhteiden parantaminen;

• Kaapeli- ja liitinhäviöiden vähentäminen;

• BMS-katkaisuasetusten tarkistaminen;

• Eri sarja-rinnakkaiskokoonpanon käyttäminen.

Kapasiteetin lisääminen voi lisätä akun painoa, tilavuutta, kustannuksia ja latausaikaa. Parhaan ratkaisun tulisi tasapainottaa käyttöaika tuotteen koon, painon, tehon ja kaupallisten vaatimusten kanssa.

Katso tuotetason akun valinta Ladattavan litiumioniakun valitseminen OEM-laitteelle.

Litium-akun käyttöajan tarkistuslista

Ennen kuin hyväksyt suoritusaika-arvion, vahvista:

• Akun nimellisjännite

• Akun nimelliskapasiteetti

• Kapasiteetti muutettuna Ah:ksi

• Akun nimellisenergia Wh

• Käyttöenergiakerroin

• Laitteen keskimääräinen teho

• Laitteen huipputeho

• Muuntimen tehokkuus

• Toimintatilat

• Keskimääräinen kuormitusprofiili

• BMS-katkaisuolosuhteet

• Käyttölämpötila

• Akun ikääntymisvaatimus

• Kestoaikaiset hyväksymiskriteerit

• Todellinen laitetestisuunnitelma

FAQ

Kuinka lasken litiumakun käyttöajan?

Kerro akun nimellinen jännite kapasiteetilla ampeeritunteina saadaksesi wattitunnit, säädä käytettävää energiaa ja järjestelmän tehokkuutta ja jaa sitten laitteen keskimääräisellä teholla.

Kuinka kauan 7,4 V, 2000 mAh akku kestää?

Paketissa on noin 14,8 Wh nimellisenergiaa. Käyttöaika riippuu laitteen tehosta. 5 W:n kuormituksella teoreettinen käyttöaika on noin 3 tuntia ennen kuin huomioidaan hyötysuhteen ja käyttökapasiteetin häviöt.

Lasketaanko akun käyttöaika mAh:lla vai Wh:lla?

mAh:ta voidaan käyttää, kun akun jännite ja kuormitusvirta pysyvät suhteellisen vakaina. Wh on yleensä tarkoituksenmukaisempi, kun laite käyttää jännitteenmuunninta tai kun verrataan eri jännitetasoisia akkuja.

Miksi todellinen suoritusaika on lyhyempi kuin laskettu arvo?

Laskelmassa ei välttämättä oteta täysin huomioon muunnoshäviöitä, BMS-katkaisua, lämpötilaa, huippuvirtaa, akun ikääntymistä, muuttuvaa kuormitusta ja käyttökapasiteettia.

Tarjoaako suurempi kapasiteetti aina pidemmän käyttöajan?

Yleensä suuremman kapasiteetin akku voi tarjota enemmän käyttöaikaa, jos jännite ja käyttöolosuhteet ovat vertailukelpoisia. Kuitenkin myös kennojen purkauskyky, akun paino, muuntimen tehokkuus ja laitteen teho on otettava huomioon.

Miten lämpötila vaikuttaa litiumakun käyttöaikaan?

Matala lämpötila voi vähentää käytettävissä olevaa kapasiteettia ja lisätä sisäistä vastusta. Korkea lämpötila voi vaikuttaa suorituskykyyn ja nopeuttaa ikääntymistä. Käyttöaika tulee määrittää määritellyssä käyttölämpötilassa.

Pitäisikö käyttöajan laskemiseen käyttää huipputehoa?

Käyttöajan tulisi normaalisti käyttää keskimääräistä tehoa käyttöjakson aikana. Huipputeho on silti tarkistettava erikseen sen varmistamiseksi, että akku, BMS, johdot ja liitin voivat tukea tilapäistä korkean virran tarvetta.

Kuinka voin tarkistaa suoritusaikalaskelman?

Testaa todellista akkua todellisella laitteella edustavissa käyttötiloissa, lämpötilassa ja katkaisuolosuhteissa. Vertaa mitattuja tuloksia alkuperäiseen arvioon.

Johtopäätös

Litiumakun peruskäyttöaikakaava on:

Käyttöaika = Käytettävä akkuvirta ÷ Keskimääräinen laitteen teho

Akun energiaa voidaan arvioida seuraavasti:

Nimellisenergia = jännite × kapasiteetti

Käytännön laskelmassa tulee ottaa huomioon myös:

• Käytettävä kapasiteetti;

• Muuntamisen tehokkuus;

• kuormituksen vaihtelu;

• Huippuvirta;

• BMS-katkaisu;

• Lämpötila;

• Akun ikääntyminen;

• Laitteen käyttöolosuhteet.

Esimerkiksi 7,4 V:n 2000 mAh akku sisältää noin 14,8 Wh nimellisenergiaa. Sen todellinen käyttöaika riippuu siitä, kuinka paljon energiaa pääsee laitteeseen ja kuinka paljon virtaa laite kuluttaa koko käyttöjaksonsa aikana.

Jos olet kehittämässä tuotetta, joka vaatii tietyn akun käyttöajan, jaa laitteen tehoprofiili, tavoitekäyttöaika, tarvittava jännite, käytettävissä oleva tila ja odotettu tuotantomäärä ZERNE:n tekniselle tiimille. ZERNE voi auttaa arvioimaan tarvittavan kapasiteetin ja kehittämään mukautetun litiumakkuratkaisun OEM-sovelluksellesi.