Visualizzazioni: 0 Autore: ZERNE Battery Technical Content Team Orario di pubblicazione: 27/08/2026 Origine: Sito
La stima dell'autonomia della batteria al litio è una parte importante dello sviluppo del prodotto OEM.
Un dispositivo può richiedere un tempo di funzionamento specifico per motivi quali:
Attrezzature mediche portatili
Localizzatori GPS
Dispositivi portatili industriali
Prodotti IoT
Indossabili
Strumenti portatili
Apparecchiature di comunicazione senza fili
Robotica
Elettronica di consumo
L'autonomia è determinata da qualcosa di più della capacità stampata sull'etichetta della batteria. La tensione, la capacità, l'energia utilizzabile, la potenza del dispositivo, la richiesta di corrente, l'efficienza del convertitore, la temperatura e le impostazioni di protezione della batteria influiscono tutti sulla durata di funzionamento del dispositivo.
Un semplice calcolo dell'autonomia del pacco batteria può fornire una stima anticipata. Tuttavia, il tempo di funzionamento finale deve essere verificato utilizzando la batteria, il caricabatterie, il dispositivo host e le condizioni operative effettivi.
Per un carico relativamente stabile, la formula di base è:
Autonomia (ore) = Energia utilizzabile della batteria (Wh) ÷ Potenza media del dispositivo (W)
L’energia della batteria può essere stimata come:
Energia nominale della batteria (Wh) = Voltaggio nominale (V) × Capacità (Ah)
Una formula più pratica è:
Autonomia = Tensione nominale × Capacità × Fattore di energia utilizzabile × Efficienza del sistema ÷ Potenza di carico media
Per un carico in corrente continua con corrente stabile, è possibile utilizzare una stima più semplice:
Autonomia (ore) = Capacità utilizzabile (Ah) ÷ Corrente di carico media (A)
Il metodo wattora è generalmente più adatto quando il dispositivo utilizza un convertitore di tensione o quando la tensione della batteria e quella del dispositivo sono diverse.
Prima di calcolare il tempo di esecuzione, identificare il significato di ciascun valore.
La tensione nominale è la tensione di riferimento utilizzata per descrivere il pacco batteria.
Per esempio:
Pacco batteria al litio 1S: circa 3,7 V nominali
Pacco batteria al litio 2S: circa 7,4 V nominali
Pacco batteria al litio 3S: circa 11,1 V nominali
Pacco batteria al litio 4S: circa 14,8 V nominali
La tensione effettiva della batteria cambia durante la carica e la scarica.
La capacità nominale è normalmente espressa in:
mAh
Ah
La conversione è:
1000mAh = 1Ah
Una batteria da 7,4 V, 2000 mAh ha una capacità di 2 Ah.
Per dettagli sul calcolo della capacità da celle in serie e in parallelo, vedere Come calcolare la capacità della batteria agli ioni di litio.
La potenza del dispositivo è normalmente espressa in watt.
Un dispositivo può avere:
Potenza media
Potenza continua
Potenza di picco
Alimentazione in standby
Potenza di avvio
I calcoli dell'autonomia dovrebbero normalmente utilizzare la potenza media durante il ciclo operativo, non solo la potenza massima.
Potrebbe verificarsi una perdita di potenza in:
Convertitori DC-DC
Regolatori di tensione
Cavi
Connettori
Componenti di protezione
Resistenza interna
Circuiti di ricarica e di gestione dell'energia
L'efficienza del sistema deve essere considerata quando il dispositivo non utilizza direttamente la tensione della batteria.
Il primo passo è convertire le specifiche della batteria in energia.
La formula base è:
Energia della batteria (Wh) = Voltaggio nominale (V) × Capacità (Ah)
Conversione di capacità:
1000mAh = 1Ah
Calcolo energetico:
3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh
La batteria contiene circa 3,7 Wh di energia nominale.
Conversione di capacità:
2000mAh = 2Ah
Calcolo energetico:
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
La batteria contiene circa 14,8 Wh di energia nominale.
Conversione di capacità:
5000mAh = 5Ah
Calcolo energetico:
11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh
La batteria contiene circa 55,5 Wh di energia nominale.
Questi sono valori energetici nominali. L'energia utilizzabile fornita al dispositivo è normalmente inferiore.
Una batteria non può sempre fornire la sua piena energia nominale al dispositivo.
L’energia utilizzabile può essere ridotta di:
Tensione operativa minima del dispositivo
Tensione di interruzione BMS
Corrente di scarica
Bassa temperatura
Invecchiamento cellulare
Resistenza interna
Capacità di riserva richiesta
Limiti di protezione della batteria
Una semplice formula di stima è:
Energia utilizzabile della batteria = Energia nominale della batteria × Fattore di energia utilizzabile
Il fattore deve essere selezionato in base all'applicazione e alle condizioni di prova. Non dovrebbe essere trattato come un valore fisso universale.
Assumere:
Energia nominale della batteria: 14,8 Wh
Fattore di energia utilizzabile: 0,85
Energia utilizzabile della batteria:
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Ciò significa che nelle condizioni operative definite potrebbero essere disponibili circa 12,58 Wh prima di considerare ulteriori perdite di conversione.
Per un dispositivo con una richiesta di energia relativamente stabile:
Autonomia = Energia utilizzabile della batteria ÷ Potenza del dispositivo
Specifiche della batteria:
Voltaggio nominale: 7,4 V
Capacità: 2000 mAh o 2 Ah
Energia nominale: 14,8 Wh
Assumere:
Fattore di energia utilizzabile: 0,85
Efficienza del sistema: 0,90
Potenza media del dispositivo: 5 W
Passaggio 1: calcolare l'energia nominale.
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Passaggio 2: applicare il fattore di energia utilizzabile.
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Passaggio 3: applicare l'efficienza del sistema.
12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh
Passaggio 4: calcolare il tempo di esecuzione.
11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 ore
Il tempo di esecuzione stimato è di circa:
2,3 ore
Questa è una stima ingegneristica. L'autonomia effettiva potrebbe essere più breve o più lunga a seconda della variazione del carico, della temperatura, della tensione di interruzione e delle condizioni della batteria.
Un calcolo basato sulla corrente può essere utilizzato quando:
La tensione della batteria è vicina alla tensione del dispositivo;
La corrente di carico è relativamente stabile;
Non esiste una fase importante di conversione della tensione;
La corrente viene misurata dal lato batteria.
La formula base è:
Autonomia = Capacità utilizzabile (Ah) ÷ Corrente media (A)
Assumere:
Capacità della batteria: 1000 mAh o 1 Ah
Corrente di carico media: 0,5 A
Fattore di capacità utilizzabile: 0,85
Autonomia nominale:
1 Ah ÷ 0,5 A = 2 ore
Autonomia modificata:
2 ore × 0,85 = 1,7 ore
Il tempo di esecuzione stimato è di circa:
1,7 ore
Il metodo attuale può produrre un risultato impreciso quando:
Il dispositivo utilizza un convertitore DC-DC;
La tensione della batteria cambia in modo significativo;
La potenza del carico rimane costante al variare della corrente;
Il dispositivo ha un ciclo di lavoro variabile;
La corrente della batteria è diversa dalla corrente di ingresso del dispositivo.
In questi casi, il metodo wattora è generalmente più appropriato.
Molti dispositivi elettronici utilizzano un regolatore o convertitore di tensione. La tensione della batteria può cambiare mentre il dispositivo riceve una tensione relativamente stabile.
Ad esempio, un dispositivo può richiedere 5 V da un pacco batteria con un intervallo di tensione superiore e inferiore a 5 V. Un convertitore regola la tensione della batteria in base all'ingresso richiesto dal dispositivo.
In questa situazione:
La corrente della batteria cambia al variare della tensione della batteria;
L'efficienza del convertitore influisce sul tempo di esecuzione;
La potenza del dispositivo è una base di calcolo più stabile.
La formula preferita è:
Autonomia = Energia della batteria × Efficienza ÷ Potenza del dispositivo
Assumere:
Batteria: 7,4 V, 2 Ah
Energia nominale: 14,8 Wh
Efficienza del convertitore: 90%
Potenza del dispositivo: 4 W
Fattore di energia utilizzabile: 0,85
Energia utilizzabile sull'apparecchio:
14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh
Durata:
11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 ore
Autonomia stimata:
Circa 2,8 ore
Molti prodotti non consumano energia costante.
Un dispositivo può passare tra:
Modalità di sospensione
Modalità di attesa
Modalità di misurazione
Trasmissione senza fili
Funzionamento del motore
Operazione di visualizzazione
Riscaldamento o raffreddamento
Elaborazione ad alte prestazioni
In questo caso calcolare la potenza media utilizzando il profilo di funzionamento.
Potenza media = Energia totale utilizzata durante il ciclo ÷ Durata del ciclo
O:
Potenza media = Somma della potenza × tempo per ciascuna modalità operativa ÷ Tempo totale
Supponiamo che un dispositivo funzioni in tre modalità:
Modalità operativa |
Energia |
Tempo |
|---|---|---|
Sonno |
0,2 W |
6 ore |
Misurazione |
1 W |
2 ore |
Trasmissione senza fili |
3 W |
0,5 ore |
Energia totale utilizzata:
Sonno: 0,2 W × 6 h = 1,2 Wh
Misura: 1 W × 2 h = 2 Wh
Trasmissione: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh
Energia totale:
1,2 Wh + 2 Wh + 1,5 Wh = 4,7 Wh
Tempo di funzionamento totale:
6 ore + 2 ore + 0,5 ore = 8,5 ore
Potenza media:
4,7 Wh ÷ 8,5 ore ≈ 0,55 W
Se la batteria è in grado di fornire 11,32 Wh di energia utilizzabile:
11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 ore
Questa stima è più realistica rispetto all'utilizzo del valore di potenza più elevato per l'intero ciclo operativo.
La corrente di picco potrebbe non modificare in modo significativo il calcolo dell'energia media, ma può comunque limitare l'autonomia pratica e causare lo spegnimento della batteria.
Gli eventi ad alta corrente possono verificarsi quando:
Un motore si avvia;
Si attiva un trasmettitore wireless;
Un riscaldatore si accende;
Una pompa inizia a funzionare;
Si avvia la retroilluminazione del display;
Un processore entra in una modalità ad alte prestazioni.
La corrente di picco può causare:
Caduta di tensione;
Protezione da sovracorrente BMS;
Riscaldamento del connettore;
Aumento della temperatura delle celle;
Capacità utilizzabile ridotta;
Ripristino imprevisto del dispositivo.
La batteria deve essere selezionata per entrambi:
Energia operativa richiesta;
Capacità di corrente richiesta.
Una batteria con wattora sufficienti ma con capacità di corrente di picco insufficiente potrebbe non far funzionare il dispositivo in modo affidabile.
Un BMS o un circuito di protezione potrebbe scollegare la batteria prima che tutta l'energia nominale possa essere utilizzata.
Ciò può accadere a causa di:
Bassa tensione delle celle;
Sovracorrente;
Cortocircuito;
Alta temperatura;
Bassa temperatura;
Squilibrio cellulare;
Condizioni di comunicazione o guasto.
Il calcolo del tempo di funzionamento dovrebbe quindi utilizzare l'energia effettivamente utilizzabile disponibile prima del relativo limite di protezione.
Per i pacchi multicella, lo squilibrio delle celle può far sì che una cella raggiunga il limite di tensione prima delle altre. Ciò può ridurre la capacità utilizzabile dell'intero pacchetto.
Il BMS dovrebbe essere considerato durante la progettazione della batteria e non aggiunto dopo che è già stato definito l'obiettivo di autonomia. Viene trattata la relazione più ampia tra BMS, tensione, capacità e autonomia Progettazione del pacco batteria agli ioni di litio: tensione, capacità, BMS e autonomia.
L'autonomia cambia in base alle condizioni operative.
La bassa temperatura può ridurre la capacità disponibile e aumentare la resistenza interna. L'elevata temperatura può accelerare l'invecchiamento della batteria e influire sulle prestazioni a lungo termine.
La stima del tempo di esecuzione dovrebbe specificare:
Temperatura operativa;
Temperatura di conservazione;
Temperatura della batteria durante la scarica;
Carico previsto;
Vita utile richiesta.
La capacità disponibile di una batteria cambia gradualmente durante la sua durata. Se il dispositivo deve funzionare per un periodo di tempo definito dopo mesi o anni di utilizzo, l'obiettivo di autonomia dovrebbe includere una riserva di invecchiamento.
Ad esempio, un OEM può definire:
Obiettivo di runtime iniziale;
Autonomia minima a fine vita;
Conteggio cicli richiesto;
Condizioni di sostituzione della batteria.
Un pacco batteria non dovrebbe essere dimensionato solo per le prestazioni al primo utilizzo se il prodotto richiede affidabilità a lungo termine.
Supponiamo che un dispositivo portatile OEM richieda:
Batteria: 11,1 V, 5000 mAh
Potenza media: 8 W
Fattore di energia utilizzabile: 0,85
Efficienza del sistema: 0,90
Passaggio 1: convertire la capacità.
5000mAh = 5Ah
Passaggio 2: calcolare l'energia nominale.
11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh
Passaggio 3: applicare il fattore di energia utilizzabile.
55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh
Passaggio 4: applicare l'efficienza del sistema.
47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh
Passaggio 5: calcolare il tempo di esecuzione.
42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 ore
Autonomia stimata:
Circa 5,3 ore
Questo risultato deve essere verificato tramite test poiché il dispositivo potrebbe consumare più energia durante l'avvio, la comunicazione wireless, l'elaborazione dei dati o altre condizioni di carico elevato.
Un tempo di esecuzione calcolato è una stima basata su ipotesi. Il risultato effettivo potrebbe differire a causa di:
La potenza media è superiore al previsto;
Consumo in standby non misurato;
Modelli di carico variabili;
Tolleranza sulla capacità della batteria;
Effetti della velocità di scarica;
Temperatura;
Resistenza interna;
Taglio del BMS;
Efficienza del convertitore;
Perdite nei cavi e nei connettori;
Invecchiamento della batteria;
Squilibrio cellulare;
Impostazioni di spegnimento del dispositivo.
Il modo migliore per migliorare la stima è misurare il dispositivo reale in condizioni rappresentative.
Le misure consigliate includono:
Voltaggio lato batteria;
Corrente lato batteria;
Potenza in ingresso del dispositivo;
Temperatura;
Runtime al limite definito;
Alimentazione durante ciascuna modalità operativa;
Comportamento durante gli eventi di picco di carico.
Un pacco batteria deve essere testato con il dispositivo host reale o con un carico rappresentativo.
Il piano di test dovrebbe definire:
Modello della batteria;
Stato di carica della batteria;
Caricabatterie e metodo di ricarica;
Profilo operativo del dispositivo;
Temperatura ambiente;
Temperatura iniziale della batteria;
Condizione di interruzione;
Apparecchiature di misurazione;
Numero di campioni di prova;
Criteri di accettazione del runtime.
Un semplice carico a resistenza costante potrebbe non riprodurre il comportamento di un prodotto elettronico reale. Ove possibile, il test dovrebbe utilizzare il ciclo operativo effettivo del dispositivo.
Per una pianificazione più ampia dei test a livello di pacchetto, vedere Lista di controllo per il test della batteria.
Se il tempo di esecuzione calcolato è troppo breve, il team di progettazione può valutare:
Aumento della capacità della batteria;
Selezione di una cella ad energia più elevata;
Riduzione del consumo energetico del dispositivo;
Migliorare l'efficienza del convertitore;
Riduzione della corrente di standby;
Regolazione del ciclo di lavoro;
Ottimizzazione della trasmissione wireless;
Miglioramento delle condizioni termiche;
Riduzione delle perdite di cavi e connettori;
Revisione delle impostazioni di interruzione del BMS;
Utilizzando una diversa configurazione serie-parallelo.
L’aumento della capacità può aumentare il peso, il volume, il costo e il tempo di ricarica della batteria. La soluzione migliore dovrebbe bilanciare l'autonomia con le dimensioni, il peso, la potenza e i requisiti commerciali del prodotto.
Per la selezione della batteria a livello di prodotto, vedere Come scegliere una batteria ricaricabile agli ioni di litio per un dispositivo OEM.
Prima di approvare una stima del tempo di esecuzione, confermare:
Voltaggio nominale della batteria
Capacità nominale della batteria
Capacità convertita in Ah
Energia nominale della batteria in Wh
Fattore di energia utilizzabile
Potenza media del dispositivo
Potenza di picco del dispositivo
Efficienza del convertitore
Modalità operative
Profilo di carico medio
Condizioni di interruzione del BMS
Temperatura operativa
Requisito di invecchiamento della batteria
Criteri di accettazione del runtime
Piano di test effettivo del dispositivo
Moltiplicare la tensione nominale della batteria per la capacità in ampere-ora per ottenere wattora, regolare l'energia utilizzabile e l'efficienza del sistema, quindi dividere per la potenza media del dispositivo.
Il pacco contiene circa 14,8 Wh di energia nominale. L'autonomia dipende dalla potenza del dispositivo. Con un carico di 5 W, l'autonomia teorica è di circa 3 ore prima di considerare le perdite di efficienza e capacità utilizzabile.
I mAh possono essere utilizzati quando la tensione della batteria e la corrente di carico rimangono relativamente stabili. Wh è solitamente più appropriato quando il dispositivo utilizza un convertitore di tensione o quando si confrontano batterie con diversi livelli di tensione.
Il calcolo potrebbe non tenere pienamente conto delle perdite di conversione, dell'interruzione del BMS, della temperatura, della corrente di picco, dell'invecchiamento della batteria, del carico variabile e della capacità utilizzabile.
Di solito, una batteria di capacità maggiore può fornire una maggiore autonomia se la tensione e le condizioni operative sono comparabili. Tuttavia è necessario considerare anche le prestazioni di scarica delle celle, il peso della batteria, l’efficienza del convertitore e la potenza del dispositivo.
La bassa temperatura può ridurre la capacità disponibile e aumentare la resistenza interna. L'alta temperatura può influire sulle prestazioni e accelerare l'invecchiamento. L'autonomia deve essere specificata a una temperatura operativa definita.
Il runtime dovrebbe normalmente utilizzare la potenza media durante il ciclo operativo. La potenza di picco deve comunque essere controllata separatamente per confermare che la batteria, il BMS, il cablaggio e il connettore possano supportare una richiesta temporanea di corrente elevata.
Testare la batteria reale con il dispositivo reale in modalità operative, temperature e condizioni di interruzione rappresentative. Confrontare i risultati misurati con la stima originale.
La formula base per l'autonomia della batteria al litio è:
Autonomia = Energia utilizzabile della batteria ÷ Potenza media del dispositivo
L’energia della batteria può essere stimata come:
Energia nominale = Voltaggio × Capacità
Un calcolo pratico dovrebbe anche tenere conto di:
Capacità utilizzabile;
Efficienza di conversione;
Variazione del carico;
Corrente di picco;
Taglio del BMS;
Temperatura;
Invecchiamento della batteria;
Condizioni operative del dispositivo.
Ad esempio, una batteria da 7,4 V, 2000 mAh contiene circa 14,8 Wh di energia nominale. Il suo tempo di funzionamento reale dipende da quanta energia può raggiungere il dispositivo e da quanta energia consuma il dispositivo durante il suo ciclo operativo completo.
