リチウム電池パックの稼働時間を計算する方法

リチウム バッテリー パックの実行時間を見積もることは、OEM 製品開発の重要な部分です。

デバイスは、次のような理由で特定の動作時間を必要とする場合があります。

• 携帯型医療機器

• GPSトラッカー

• 産業用ハンドヘルド機器

• IoT製品

• ウェアラブル

• ポータブル機器

• 無線通信機器

• ロボット工学

• 家電

稼働時間は、バッテリーのラベルに印刷されている容量以上のものによって決まります。バッテリーの電圧、容量、使用可能なエネルギー、デバイスの電力、電流需要、コンバーターの効率、温度、保護設定はすべて、デバイスの動作時間に影響します。

バッテリ パックの実行時間を簡単に計算することで、早期の推定値を得ることができます。ただし、最終的な動作時間は、実際のバッテリ、充電器、ホストデバイスおよび動作条件を使用して検証する必要があります。

簡単な答え: リチウム バッテリー パックの実行時間はどのように計算しますか?

比較的安定した負荷の場合、基本的な式は次のとおりです。

実行時間 (時間) = 使用可能なバッテリー エネルギー (Wh) ÷ デバイスの平均電力 (W)

バッテリーのエネルギーは次のように推定できます。

公称バッテリーエネルギー (Wh) = 公称電圧 (V) × 容量 (Ah)

より実用的な公式は次のとおりです。

稼働時間 = 公称電圧 × 容量 × 有効エネルギー係数 × システム効率 ÷ 平均負荷電力

電流が安定した直流負荷の場合は、より単純な推定値を使用できます。

稼働時間（時間）＝使用可能容量（Ah）÷平均負荷電流（A）

一般に、ワット時法は、デバイスが電圧コンバータを使用している場合、またはバッテリ電圧とデバイス電圧が異なる場合に適しています。

1. 実行時の計算で使用される値を理解する

実行時間を計算する前に、各値の意味を確認してください。

公称電圧

公称電圧は、バッテリーパックを説明するために使用される基準電圧です。

例えば：

• 1S リチウム電池パック: 公称約 3.7 V

• 2S リチウム電池パック：公称約 7.4 V

• 3S リチウム電池パック: 公称約 11.1 V

• 4S リチウム電池パック: 公称約 14.8 V

実際のバッテリー電圧は充電中と放電中に変化します。

定格容量

定格容量は通常、次のように表されます。

• mAh

• ああ

変換は次のとおりです。

1000mAh = 1Ah

7.4 V、2000 mAh バッテリーの容量は 2 Ah です。

直列および並列セルからの容量計算の詳細については、を参照してください。 リチウムイオン電池パックの容量の計算方法.

デバイスの電力

デバイスの電力は通常、ワットで表されます。

デバイスには次のものがある場合があります。

• 平均電力

• 継続的な電力

• ピーク電力

• 待機電力

• 起動電力

実行時の計算では、通常、最大電力定格だけでなく、動作サイクル全体にわたる平均電力を使用する必要があります。

効率

次の場合に電力が失われる可能性があります。

• DC-DCコンバータ

• 電圧調整器

• ケーブル

• コネクタ

• 保護コンポーネント

• 内部抵抗

• 充電および電源管理回路

デバイスがバッテリー電圧を直接使用しない場合は、システム効率を考慮する必要があります。

2. バッテリーエネルギーをワット時で計算する

最初のステップは、バッテリーの仕様をエネルギーに変換することです。

基本的な式は次のとおりです。

電池エネルギー (Wh) = 公称電圧 (V) × 容量 (Ah)

例: 3.7 V、1000 mAh バッテリー

容量換算：

1000mAh = 1Ah

エネルギー計算:

3.7V × 1Ah = 3.7Wh

バッテリーには約 3.7 Wh の公称エネルギーが含まれています。

例: 7.4 V、2000 mAh バッテリー

容量換算：

2000mAh = 2Ah

エネルギー計算:

7.4V × 2Ah = 14.8Wh

バッテリーには約 14.8 Wh の公称エネルギーが含まれています。

例: 11.1 V、5000 mAh バッテリー

容量換算：

5000mAh = 5Ah

エネルギー計算:

11.1V × 5Ah = 55.5Wh

バッテリーには約 55.5 Wh の公称エネルギーが含まれています。

これらは公称エネルギー値です。デバイスに供給される使用可能なエネルギーは通常より低くなります。

3. 使用可能エネルギー係数を適用する

バッテリーは常に最大定格エネルギーをデバイスに供給できるとは限りません。

使用可能なエネルギーは、次の要因によって削減される可能性があります。

• デバイスの最小動作電圧

• BMSカットオフ電圧

• 放電電流

• 低温

• 細胞の老化

• 内部抵抗

• 必要な予備容量

• バッテリー保護の限界

簡単な推定式は次のとおりです。

使用可能なバッテリーエネルギー = 公称バッテリーエネルギー × 使用可能なエネルギー係数

係数はアプリケーションとテスト条件に応じて選択する必要があります。普遍的な固定値として扱うべきではありません。

例

仮定する：

• 公称バッテリーエネルギー: 14.8 Wh

• 有効エネルギー係数：0.85

使用可能なバッテリーエネルギー:

14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh

これは、追加の変換損失を考慮する前に、定義された動作条件下で約 12.58 Wh が利用可能である可能性があることを意味します。

4. デバイスの電力からランタイムを計算する

電力需要が比較的安定しているデバイスの場合:

実行時間 = 使用可能なバッテリーエネルギー ÷ デバイスの電力

例: 5 W デバイスに電力を供給する 7.4 V、2000 mAh バッテリー

バッテリー仕様:

• 公称電圧: 7.4 V

• 容量: 2000 mAh または 2 Ah

• 公称電力量: 14.8Wh

仮定する：

• 有効エネルギー係数：0.85

• システム効率: 0.90

• 平均デバイス電力: 5 W

ステップ 1: 公称エネルギーを計算します。

7.4V × 2Ah = 14.8Wh

ステップ 2: 使用可能なエネルギー係数を適用します。

14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh

ステップ 3: システム効率を適用します。

12.58Wh × 0.90 = 11.32Wh

ステップ 4: 実行時間を計算します。

11.32Wh ÷ 5W ≈ 2.26 時間

推定実行時間はおよそ次のとおりです。

2.3時間

これは技術的な見積もりです。実際の実行時間は、負荷の変動、温度、カットオフ電圧、バッテリーの状態に応じて短くなったり長くなったりする場合があります。

5. 現在から実行時間を計算する

電流ベースの計算は、次の場合に使用できます。

• バッテリー電圧がデバイスの電圧に近い。

• 負荷電流は比較的安定しています。

• 主要な電圧変換段階はありません。

• 電流はバッテリー側から測定されます。

基本的な式は次のとおりです。

稼働時間＝使用可能容量（Ah）÷平均電流（A）

例: 3.7 V、1000 mAh バッテリー

仮定する：

• バッテリー容量: 1000 mAh または 1 Ah

• 平均負荷電流：0.5A

• 有効容量係数：0.85

定格実行時間:

1Ah ÷ 0.5A = 2時間

調整されたランタイム:

2時間 × 0.85 = 1.7時間

推定実行時間はおよそ次のとおりです。

1.7時間

現在の方法が誤解を招く可能性がある場合

現在の方法では、次の場合に不正確な結果が生成される可能性があります。

• このデバイスは DC-DC コンバータを使用しています。

• バッテリー電圧が大幅に変化します。

• 電流が変化しても負荷電力は一定のままです。

• デバイスのデューティ サイクルは可変です。

• バッテリー電流はデバイスの入力電流とは異なります。

このような場合、一般にワット時法がより適切です。

6. 規制負荷にはワット時法を使用する

多くの電子機器は電圧レギュレータまたはコンバータを使用します。デバイスが比較的安定した電圧を受け取っている間に、バッテリー電圧が変化する可能性があります。

たとえば、デバイスは、5 V の上下の電圧範囲を持つバッテリ パックから 5 V を必要とする場合があります。コンバータは、バッテリ電圧をデバイスの必要な入力に調整します。

この状況では:

• バッテリー電圧が変化すると、バッテリー電流も変化します。

• コンバータの効率は実行時間に影響します。

• デバイスの電力は、より安定した計算の基礎となります。

推奨される式は次のとおりです。

実行時間 = バッテリーのエネルギー × 効率 ÷ デバイスの電力

例: 5 V コンバータを備えた 7.4 V バッテリ

仮定する：

• バッテリー: 7.4 V、2 Ah

• 公称電力量: 14.8Wh

• コンバータ効率: 90%

• デバイス電力: 4 W

• 有効エネルギー係数：0.85

デバイスで使用可能なエネルギー:

14.8Wh × 0.85 × 0.90 = 11.32Wh

ランタイム：

11.32Wh ÷ 4W = 2.83 時間

推定実行時間:

約2.8時間

7. 変動するデバイス負荷を考慮する

多くの製品は一定の電力を消費しません。

デバイスは次の間で切り替わります。

• スリープモード

• スタンバイモード

• 測定モード

• 無線伝送

• モーターの動作

• 表示操作

• 暖房または冷房

• 高性能処理

この場合、動作プロファイルを使用して平均電力を計算します。

平均電力 = サイクル中に使用される総エネルギー ÷ サイクル期間

または：

平均電力 = 電力の合計 × 各動作モードの時間 ÷ 合計時間

可変負荷の例

デバイスが 3 つのモードで動作すると仮定します。

使用される総エネルギー:

• スリープ: 0.2 W × 6 時間 = 1.2 Wh

• 測定値：1W×2h＝2Wh

• 送信: 3 W × 0.5 h = 1.5 Wh

総エネルギー:

1.2Wh + 2Wh + 1.5Wh = 4.7Wh

総稼働時間:

6 時間 + 2 時間 + 0.5 時間 = 8.5 時間

平均パワー:

4.7Wh ÷ 8.5h ≈ 0.55W

バッテリーが 11.32 Wh の使用可能なエネルギーを供給できる場合:

11.32Wh ÷ 0.55W ≈ 20.6 時間

この推定は、動作サイクル全体で最高の電力値を使用するよりも現実的です。

8. 起動とピーク電流を考慮する

ピーク電流は平均エネルギーの計算を大きく変えることはないかもしれませんが、実際の実行時間を制限し、バッテリーのシャットダウンを引き起こす可能性があります。

高電流イベントは、次の場合に発生する可能性があります。

• モーターが始動します。

• ワイヤレス送信機が起動します。

• ヒーターがオンになり、

• ポンプが作動し始めます。

• ディスプレイのバックライトが点灯します。

• プロセッサーが高性能モードに入ります。

ピーク電流は次の原因となる可能性があります。

• 電圧降下。

• BMS過電流保護;

• コネクタの加熱。

• セル温度の上昇。

• 使用可能な容量の減少。

• 予期しないデバイスのリセット。

バッテリーは次の両方に対して選択する必要があります。

• 必要な動作エネルギー。

• 必要な電流能力。

十分なワット時があってもピーク電流能力が不十分なバッテリーでは、デバイスが確実に動作しない可能性があります。

9. BMS カットオフの影響を理解する

BMS または保護回路により、すべての公称エネルギーが使用される前にバッテリーが切断される場合があります。

これは次の理由で発生する可能性があります。

• セル電圧が低い。

• 過電流;

• 短絡;

• 高温;

• 低温;

• 細胞の不均衡。

• 通信または障害状態。

したがって、ランタイムの計算では、関連する保護制限に達する前に利用可能な実際の使用可能なエネルギーを使用する必要があります。

マルチセルパックの場合、セルの不均衡により、1 つのセルが他のセルよりも先に電圧制限に達する可能性があります。これにより、パック全体の使用可能な容量が減少する可能性があります。

BMS は、ランタイム ターゲットがすでに定義された後に追加するのではなく、バッテリー設計時に考慮する必要があります。 BMS、電圧、容量、実行時間の間のより広範な関係については、次の記事で説明しています。 リチウムイオン電池パックの設計: 電圧、容量、BMS、実行時間.

10. 温度とバッテリーの劣化を考慮する

稼働時間は動作条件によって変化します。

温度

低温では利用可能な容量が減少し、内部抵抗が増加する可能性があります。高温によりバッテリーの劣化が促進され、長期的なパフォーマンスに影響が出る可能性があります。

実行時間の見積もりでは、以下を指定する必要があります。

• 動作温度。

• 保管温度。

• 放電中のバッテリー温度。

• 予想される負荷。

• 必要な耐用年数。

バッテリーの劣化

バッテリーの利用可能な容量は、耐用年数の間に徐々に変化します。デバイスを数か月または数年使用した後、定義された時間動作させる必要がある場合、ランタイム目標には経年劣化を含める必要があります。

たとえば、OEM は次のように定義できます。

• 初期ランタイムターゲット。

• サポート終了後の最小ランタイム。

• 必要なサイクル数。

• 電池交換の様子。

製品に長期的な信頼性が必要な場合、バッテリー パックのサイズを初回使用時の性能のみに基づいて決定することはできません。

11. OEM デバイスのランタイム計算例

OEM ハンドヘルド デバイスには次のものが必要であると仮定します。

• バッテリー: 11.1 V、5000 mAh

• 平均電力: 8 W

• 有効エネルギー係数：0.85

• システム効率: 0.90

ステップ 1: 容量を変換します。

5000mAh = 5Ah

ステップ 2: 公称エネルギーを計算します。

11.1V × 5Ah = 55.5Wh

ステップ 3: 使用可能エネルギー係数を適用します。

55.5Wh × 0.85 = 47.18Wh

ステップ 4: システム効率を適用します。

47.18Wh × 0.90 = 42.46Wh

ステップ 5: 実行時間を計算します。

42.46Wh ÷ 8W ≈ 5.3 時間

推定実行時間:

約5.3時間

デバイスは、起動時、無線通信、データ処理、またはその他の高負荷状態でより多くの電力を消費する可能性があるため、この結果はテストによって検証する必要があります。

12. 計算された実行時間が実際の実行時間と異なる理由

計算された実行時間は、仮定に基づいた推定値です。実際の結果は、次の理由により異なる場合があります。

• 平均電力が予想よりも高い。

• 未測定のスタンバイ消費量。

• 可変負荷パターン。

• バッテリー容量の許容差。

• 放電率の影響。

• 温度;

• 内部抵抗。

• BMS カットオフ。

• コンバータの効率。

• ケーブルとコネクタの損失。

• バッテリーの劣化。

• 細胞の不均衡。

• デバイスのシャットダウン設定。

推定値を改善する最善の方法は、代表的な条件下で実際のデバイスを測定することです。

推奨される測定値は次のとおりです。

• バッテリー側の電圧。

• バッテリー側の電流。

• デバイスの入力電力。

• 温度;

• 定義されたカットオフまでの実行時間。

• 各動作モード中の電力。

• ピーク負荷イベント時の動作。

13. 実行時テストでは実際のデバイスを使用する必要があります

バッテリ パックは、実際のホスト デバイスまたは代表的な負荷でテストする必要があります。

テスト計画では以下を定義する必要があります。

• バッテリーモデル;

• バッテリーの充電状態。

• 充電器と充電方法;

• デバイスの動作プロファイル。

• 周囲温度。

• 初期バッテリー温度。

• カットオフ条件。

• 測定機器;

• テストサンプルの数。

• 実行時の受け入れ基準。

単純な定抵抗負荷では、実際の電子製品の動作を再現できない場合があります。可能な場合、テストでは実際のデバイスの動作サイクルを使用する必要があります。

より広範なパックレベルのテスト計画については、次を参照してください。 バッテリーパックのテストチェックリスト.

14. バッテリーパックの動作時間を改善する方法

計算された実行時間が短すぎる場合、設計チームは以下を評価できます。

• バッテリー容量の増加。

• より高エネルギーのセルを選択する。

• デバイスの消費電力を削減します。

• コンバータ効率の向上。

• スタンバイ電流の削減。

• デューティサイクルを調整する。

• ワイヤレス伝送の最適化。

• 熱条件の改善。

• ケーブルとコネクタの損失を削減します。

• BMS カットオフ設定の見直し。

• 異なる直並列構成を使用します。

容量を増やすと、バッテリーの重量、体積、コスト、充電時間が増加する可能性があります。最適なソリューションは、実行時間と製品のサイズ、重量、電力、商用要件のバランスを取る必要があります。

製品レベルのバッテリーの選択については、次を参照してください。 OEM デバイス用の充電式リチウムイオン バッテリー パックを選択する方法.

リチウム バッテリー パックの実行時チェックリスト

実行時間の見積もりを承認する前に、次のことを確認してください。

• バッテリーの公称電圧

• バッテリー定格容量

• 容量をAh換算

• 公称バッテリーエネルギー (Wh)

• 有効エネルギー係数

• デバイスの平均電力

• デバイスのピーク電力

• コンバータ効率

• 動作モード

• 平均負荷プロファイル

• BMSカットオフ条件

• 動作温度

• バッテリーの老化要件

• 実行時の許容基準

• 実機テスト計画

よくある質問

リチウム電池パックの稼働時間を計算するにはどうすればよいですか?

公称バッテリ電圧にアンペア時単位の容量を掛けてワット時を求め、使用可能なエネルギーとシステム効率を調整して、デバイスの平均電力で割ります。

7.4 V、2000 mAh バッテリーはどのくらい持続しますか?

パックには約 14.8 Wh の公称エネルギーが含まれています。実行時間はデバイスの電力に依存します。 5 W の負荷では、効率と使用可能な容量の損失を考慮するまでの理論上の実行時間は約 3 時間です。

バッテリーの稼働時間は mAh または Wh を使用して計算されますか?

mAh は、バッテリ電圧と負荷電流が比較的安定している場合に使用できます。通常、デバイスが電圧コンバータを使用する場合、または異なる電圧レベルのバッテリーを比較する場合は、Wh の方が適切です。

実際の実行時間が計算値より短いのはなぜですか?

この計算では、変換損失、BMS カットオフ、温度、ピーク電流、バッテリーの経年劣化、変動負荷、および使用可能な容量が完全には考慮されていない可能性があります。

バッテリー容量が大きければ、常に稼働時間が長くなりますか?

通常、電圧と動作条件が同等であれば、容量の大きいバッテリーの方がより長い実行時間を実現できます。ただし、セルの放電性能、バッテリの重量、コンバータの効率、デバイスの電力も考慮する必要があります。

温度はリチウム電池の稼働時間にどのような影響を与えますか?

低温では利用可能な容量が減少し、内部抵抗が増加する可能性があります。高温はパフォーマンスに影響を与え、劣化を促進する可能性があります。実行時間は、定義された動作温度で指定する必要があります。

ランタイムの計算にはピーク電力を使用する必要がありますか?

ランタイムは通常、動作サイクル全体にわたって平均電力を使用する必要があります。バッテリー、BMS、配線、コネクタが一時的な高電流需要に対応できることを確認するには、ピーク電力を個別にチェックする必要があります。

実行時の計算を検証するにはどうすればよいですか?

代表的な動作モード、温度、カットオフ条件の下で、実際のデバイスを使用して実際のバッテリ パックをテストします。測定結果を元の推定値と比較します。

結論

基本的なリチウム バッテリー パックの実行時間の計算式は次のとおりです。

実行時間 = 使用可能なバッテリーエネルギー ÷ デバイスの平均電力

バッテリーのエネルギーは次のように推定できます。

公称エネルギー = 電圧 × 容量

実際の計算では、次のことも考慮する必要があります。

• 使用可能な容量。

• 変換効率;

• 負荷変動。

• ピーク電流。

• BMS カットオフ。

• 温度;

• バッテリーの劣化。

• デバイスの動作条件。

たとえば、7.4 V、2000 mAh のバッテリーには、約 14.8 Wh の公称エネルギーが含まれています。実際の動作時間は、そのエネルギーがどれだけデバイスに到達できるか、またデバイスが動作サイクル全体でどれだけの電力を消費するかによって決まります。

特定のバッテリー実行時間を必要とする製品を開発している場合は、デバイスの電力プロファイル、目標動作時間、必要な電圧、利用可能なスペース、および予想される生産数量を ZERNE 技術チームと共有してください。 ZERNE は、必要な容量の評価と、OEM アプリケーション向けのカスタム リチウム バッテリー パック ソリューションの開発を支援します。