리튬 배터리 팩의 런타임을 계산하는 방법

리튬 배터리 팩 런타임을 예측하는 것은 OEM 제품 개발의 중요한 부분입니다.

다음과 같은 이유로 장치에 특정 작동 시간이 필요할 수 있습니다.

• 휴대용 의료 장비

• GPS 추적기

• 산업용 휴대용 장치

• IoT 제품

• 웨어러블

• 휴대용 기기

• 무선통신장비

• 로봇공학

• 가전제품

런타임은 배터리 라벨에 표시된 용량 이상으로 결정됩니다. 배터리의 전압, 용량, 사용 가능한 에너지, 장치 전력, 전류 수요, 변환기 효율, 온도 및 보호 설정은 모두 장치 작동 시간에 영향을 미칩니다.

간단한 배터리 팩 런타임 계산을 통해 초기 추정치를 제공할 수 있습니다. 다만, 최종 동작 시간은 실제 배터리, 충전기, 호스트 기기, 동작 조건 등을 이용해 검증해야 한다.

빠른 답변: 리튬 배터리 팩 런타임은 어떻게 계산합니까?

상대적으로 안정적인 부하의 경우 기본 공식은 다음과 같습니다.

런타임(시간) = 사용 가능한 배터리 에너지(Wh) ¼ 평균 장치 전력(W)

배터리 에너지는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

공칭 배터리 에너지(Wh) = 공칭 전압(V) × 용량(Ah)

보다 실용적인 공식은 다음과 같습니다.

런타임 = 공칭 전압 × 용량 × 사용 가능 에너지 계수 × 시스템 효율 ¼ 평균 부하 전력

안정적인 전류를 갖는 직류 부하의 경우 더 간단한 추정이 사용될 수 있습니다.

런타임(시간) = 사용 가능 용량(Ah) ¼ 평균 부하 전류(A)

와트시 방식은 일반적으로 장치가 전압 변환기를 사용하거나 배터리 전압과 장치 전압이 다른 경우에 더 적합합니다.

1. 런타임 계산에 사용되는 값 이해

런타임을 계산하기 전에 각 값의 의미를 확인하세요.

공칭 전압

공칭 전압은 배터리 팩을 설명하는 데 사용되는 기준 전압입니다.

예를 들어:

• 1S 리튬 배터리 팩: 공칭 약 3.7V

• 2S 리튬 배터리 팩: 공칭 약 7.4V

• 3S 리튬 배터리 팩: 공칭 약 11.1V

• 4S 리튬 배터리 팩: 공칭 약 14.8V

실제 배터리 전압은 충전 및 방전 중에 변경됩니다.

정격 용량

정격 용량은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다.

• mAh

• 아

변환은 다음과 같습니다.

1000mAh = 1Ah

7.4V, 2000mAh 배터리의 용량은 2Ah입니다.

직렬 및 병렬 셀의 용량 계산에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요. 리튬 이온 배터리 팩 용량을 계산하는 방법.

장치 전원

장치 전력은 일반적으로 와트로 표시됩니다.

장치에는 다음이 있을 수 있습니다.

• 평균 전력

• 지속적인 힘

• 피크 전력

• 대기전력

• 스타트업 파워

런타임 계산에는 일반적으로 최대 정격 전력뿐만 아니라 작동 주기 전체의 평균 전력을 사용해야 합니다.

능률

다음과 같은 경우 전원이 끊길 수 있습니다.

• DC-DC 컨버터

• 전압 조정기

• 케이블

• 커넥터

• 보호 구성 요소

• 내부 저항

• 충전 및 전원 관리 회로

장치가 배터리 전압을 직접 사용하지 않는 경우 시스템 효율성을 고려해야 합니다.

2. 배터리 에너지를 와트시 단위로 계산하세요

첫 번째 단계는 배터리 사양을 에너지로 변환하는 것입니다.

기본 공식은 다음과 같습니다.

배터리 에너지(Wh) = 공칭 전압(V) × 용량(Ah)

예: 3.7V, 1000mAh 배터리

용량 변환:

1000mAh = 1Ah

에너지 계산:

3.7V × 1Ah = 3.7Wh

배터리에는 약 3.7Wh의 공칭 에너지가 포함되어 있습니다.

예: 7.4V, 2000mAh 배터리

용량 변환:

2000mAh = 2Ah

에너지 계산:

7.4V × 2Ah = 14.8Wh

배터리에는 약 14.8Wh의 공칭 에너지가 포함되어 있습니다.

예: 11.1V, 5000mAh 배터리

용량 변환:

5000mAh = 5Ah

에너지 계산:

11.1V × 5Ah = 55.5Wh

배터리에는 약 55.5Wh의 공칭 에너지가 포함되어 있습니다.

이는 공칭 에너지 값입니다. 장치에 전달되는 사용 가능한 에너지는 일반적으로 더 낮습니다.

3. 사용 가능한 에너지 계수 적용

배터리는 항상 전체 정격 에너지를 장치에 전달할 수는 없습니다.

사용 가능한 에너지는 다음과 같이 줄어들 수 있습니다.

• 최소 장치 작동 전압

• BMS 컷오프 전압

• 방전 전류

• 저온

• 세포 노화

• 내부 저항

• 필요한 예비 용량

• 배터리 보호 한계

간단한 추정 공식은 다음과 같습니다.

사용 가능한 배터리 에너지 = 공칭 배터리 에너지 × 사용 가능한 에너지 계수

적용 및 테스트 조건에 따라 계수를 선택해야 합니다. 보편적인 고정 값으로 취급되어서는 안 됩니다.

예

추정하다:

• 공칭 배터리 에너지: 14.8Wh

• 사용 가능한 에너지 계수: 0.85

사용 가능한 배터리 에너지:

14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh

이는 추가 변환 손실을 고려하기 전에 정의된 작동 조건에서 약 12.58Wh를 사용할 수 있음을 의미합니다.

4. 장치 전원에서 런타임 계산

전력 수요가 상대적으로 안정적인 장치의 경우:

런타임 = 사용 가능한 배터리 에너지 ¼ 장치 전력

예: 5W 장치에 전원을 공급하는 7.4V, 2000mAh 배터리

배터리 사양:

• 공칭 전압: 7.4V

• 용량: 2000mAh 또는 2Ah

• 공칭 에너지: 14.8Wh

추정하다:

• 사용 가능한 에너지 계수: 0.85

• 시스템 효율성: 0.90

• 평균 장치 전력: 5W

1단계: 공칭 에너지를 계산합니다.

7.4V × 2Ah = 14.8Wh

2단계: 사용 가능한 에너지 계수를 적용합니다.

14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh

3단계: 시스템 효율성을 적용합니다.

12.58Wh × 0.90 = 11.32Wh

4단계: 런타임을 계산합니다.

11.32Wh ¼ 5W ≒ 2.26시간

예상 런타임은 대략 다음과 같습니다.

2.3시간

이는 엔지니어링 추정치입니다. 실제 런타임은 부하 변화, 온도, 차단 전압 및 배터리 상태에 따라 더 짧거나 더 길어질 수 있습니다.

5. 현재로부터 런타임 계산

전류 기반 계산은 다음과 같은 경우에 사용할 수 있습니다.

• 배터리 전압은 장치 전압에 가깝습니다.

• 부하 전류는 비교적 안정적입니다.

• 주요 전압 변환 단계는 없습니다.

• 전류는 배터리 측에서 측정됩니다.

기본 공식은 다음과 같습니다.

런타임 = 사용 가능한 용량(Ah) ¼ 평균 전류(A)

예: 3.7V, 1000mAh 배터리

추정하다:

• 배터리 용량: 1000mAh 또는 1Ah

• 평균 부하 전류: 0.5A

• 가용 용량 계수: 0.85

정격 런타임:

1Ah ¼ 0.5A = 2시간

조정된 런타임:

2시간 × 0.85 = 1.7시간

예상 런타임은 대략 다음과 같습니다.

1.7시간

현재 방법이 오해를 불러일으킬 수 있는 경우

현재 방법은 다음과 같은 경우 부정확한 결과를 생성할 수 있습니다.

• 이 장치는 DC-DC 변환기를 사용합니다.

• 배터리 전압이 크게 변합니다.

• 전류가 변하는 동안 부하 전력은 일정하게 유지됩니다.

• 장치에는 가변 듀티 사이클이 있습니다.

• 배터리 전류는 장치 입력 전류와 다릅니다.

이러한 경우 일반적으로 와트시 방식이 더 적합합니다.

6. 규제 부하에 와트시 방식을 사용하세요.

많은 전자 장치는 전압 조정기 또는 변환기를 사용합니다. 장치가 비교적 안정적인 전압을 수신하는 동안 배터리 전압이 변경될 수 있습니다.

예를 들어, 장치에는 5V 초과 및 미만의 전압 범위를 갖는 배터리 팩에서 5V가 필요할 수 있습니다. 변환기는 배터리 전압을 장치에 필요한 입력에 맞게 조정합니다.

이 상황에서:

• 배터리 전압이 변하면 배터리 전류도 변합니다.

• 변환기 효율성은 런타임에 영향을 미칩니다.

• 장치 전력은 보다 안정적인 계산 기반입니다.

선호되는 공식은 다음과 같습니다.

런타임 = 배터리 에너지 × 효율성 ¼ 장치 전력

예: 5V 변환기가 있는 7.4V 배터리

추정하다:

• 배터리: 7.4V, 2Ah

• 공칭 에너지: 14.8Wh

• 변환기 효율: 90%

• 장치 전력: 4W

• 사용 가능한 에너지 계수: 0.85

장치에서 사용 가능한 에너지:

14.8Wh × 0.85 × 0.90 = 11.32Wh

실행 시간:

11.32Wh ¼ 4W = 2.83시간

예상 런타임:

약 2.8시간

7. 가변 장치 부하 고려

많은 제품이 일정한 전력을 소비하지 않습니다.

장치는 다음 사이에서 전환될 수 있습니다.

• 절전 모드

• 대기 모드

• 측정 모드

• 무선 전송

• 모터 작동

• 디스플레이 작동

• 가열 또는 냉각

• 고성능 처리

이 경우 작동 프로파일을 사용하여 평균 전력을 계산하십시오.

평균 전력 = 사이클 동안 사용된 총 에너지 ¼ 사이클 기간

또는:

평균 전력 = 전력의 합 × 각 작동 모드별 시간 ¼ 총 시간

가변 부하의 예

장치가 세 가지 모드로 작동한다고 가정합니다.

사용된 총 에너지:

• 수면: 0.2W × 6h = 1.2Wh

• 측정: 1W × 2h = 2Wh

• 전송: 3W × 0.5h = 1.5Wh

총 에너지:

1.2Wh + 2Wh + 1.5Wh = 4.7Wh

총 작동 시간:

6시간 + 2시간 + 0.5시간 = 8.5시간

평균 전력:

4.7Wh ¼ 8.5h ≒ 0.55W

배터리가 11.32Wh의 사용 가능한 에너지를 공급할 수 있는 경우:

11.32Wh ¼ 0.55W ≒ 20.6시간

이 추정치는 전체 작동 주기에 대해 가장 높은 전력 값을 사용하는 것보다 더 현실적입니다.

8. 시동 및 피크 전류 고려

피크 전류는 평균 에너지 계산을 크게 변경하지 않을 수 있지만 여전히 실제 사용 시간을 제한하고 배터리가 꺼지는 원인이 될 수 있습니다.

고전류 이벤트는 다음과 같은 경우에 발생할 수 있습니다.

• 모터가 시동됩니다.

• 무선 송신기가 활성화됩니다.

• 히터가 켜집니다.

• 펌프가 작동하기 시작합니다.

• 디스플레이 백라이트가 시작됩니다.

• 프로세서가 고성능 모드로 들어갑니다.

피크 전류는 다음을 유발할 수 있습니다.

• 전압 강하;

• BMS 과전류 보호;

• 커넥터 가열;

• 셀 온도 상승;

• 사용 가능한 용량 감소

• 예기치 않은 기기 재설정이 발생했습니다.

배터리는 다음 두 가지 모두에 대해 선택해야 합니다.

• 필요한 작동 에너지;

• 필요한 전류 용량.

와트시(Wh) 시간은 충분하지만 피크 전류 성능이 부족한 배터리는 장치를 안정적으로 작동하지 못할 수 있습니다.

9. BMS 컷오프 효과 이해

BMS 또는 보호 회로는 공칭 에너지를 모두 사용하기 전에 배터리 연결을 끊을 수 있습니다.

이는 다음과 같은 이유로 발생할 수 있습니다.

• 낮은 셀 전압;

• 과전류;

• 단락;

• 고온;

• 저온;

• 세포 불균형;

• 통신 또는 오류 상태.

따라서 런타임 계산에서는 관련 보호 한계 이전에 사용 가능한 실제 사용 가능한 에너지를 사용해야 합니다.

다중 셀 팩의 경우 셀 불균형으로 인해 한 셀이 다른 셀보다 먼저 전압 제한에 도달할 수 있습니다. 이로 인해 전체 팩의 사용 가능한 용량이 줄어들 수 있습니다.

BMS는 배터리 설계 중에 고려해야 하며 런타임 목표가 이미 정의된 후에는 추가되지 않습니다. BMS, 전압, 용량 및 런타임 간의 더 넓은 관계는 다음에서 다룹니다. 리튬 이온 배터리 팩 설계: 전압, 용량, BMS 및 런타임.

10. 온도와 배터리 노화를 고려하세요

작동 조건에 따라 런타임이 변경됩니다.

온도

온도가 낮으면 사용 가능한 용량이 감소하고 내부 저항이 증가할 수 있습니다. 온도가 높으면 배터리 노화가 가속화되고 장기적인 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

런타임 예상은 다음을 지정해야 합니다.

• 작동 온도;

• 보관 온도;

• 방전 중 배터리 온도;

• 예상부하;

• 필요한 서비스 수명.

배터리 노화

배터리의 사용 가능한 용량은 수명 동안 점차적으로 변합니다. 장치를 몇 달 또는 몇 년 사용한 후 정의된 시간 동안 작동해야 하는 경우 런타임 목표에는 에이징 예비가 포함되어야 합니다.

예를 들어 OEM은 다음을 정의할 수 있습니다.

• 초기 런타임 대상

• 최소 수명 종료 런타임;

• 필요한 주기 수;

• 배터리 교체상태.

제품에 장기적인 신뢰성이 필요한 경우 첫 사용 성능만을 고려하여 배터리 팩 크기를 조정해서는 안 됩니다.

11. OEM 장치에 대한 런타임 계산 예

OEM 휴대용 장치에 다음이 필요하다고 가정합니다.

• 배터리: 11.1V, 5000mAh

• 평균 전력: 8W

• 사용 가능한 에너지 계수: 0.85

• 시스템 효율성: 0.90

1단계: 용량을 변환합니다.

5000mAh = 5Ah

2단계: 공칭 에너지를 계산합니다.

11.1V × 5Ah = 55.5Wh

3단계: 사용 가능한 에너지 계수를 적용합니다.

55.5Wh × 0.85 = 47.18Wh

4단계: 시스템 효율성을 적용합니다.

47.18Wh × 0.90 = 42.46Wh

5단계: 런타임을 계산합니다.

42.46Wh ¼ 8W ≒ 5.3시간

예상 런타임:

약 5.3시간

이 결과는 장치의 시작, 무선 통신, 데이터 처리 또는 기타 고부하 조건에서 더 많은 전력을 소비할 수 있으므로 테스트를 통해 확인해야 합니다.

12. 계산된 런타임이 실제 런타임과 다를 수 있는 이유

계산된 런타임은 가정을 기반으로 한 추정치입니다. 실제 결과는 다음과 같은 이유로 다를 수 있습니다.

• 평균 전력이 예상보다 높습니다.

• 측정되지 않은 대기 소비량;

• 가변 부하 패턴

• 배터리 용량 허용 오차;

• 방전율 효과;

• 온도;

• 내부 저항;

• BMS 컷오프;

• 변환기 효율;

• 케이블 및 커넥터 손실;

• 배터리 노화;

• 세포 불균형;

• 장치 종료 설정.

추정치를 개선하는 가장 좋은 방법은 대표적인 조건에서 실제 장치를 측정하는 것입니다.

권장 측정값은 다음과 같습니다.

• 배터리 측 전압;

• 배터리 측 전류;

• 장치 입력 전원;

• 온도;

• 정의된 컷오프까지의 런타임.

• 각 작동 모드 동안의 전력;

• 최대 부하 이벤트 중 동작.

13. 런타임 테스트는 실제 장치를 사용해야 합니다.

배터리 팩은 실제 호스트 장치 또는 대표 부하를 사용하여 테스트해야 합니다.

테스트 계획은 다음을 정의해야 합니다.

• 배터리 모델;

• 배터리 충전 상태;

• 충전기 및 충전방법

• 장치 작동 프로필

• 주변 온도;

• 초기 배터리 온도;

• 컷오프 조건;

• 측정 장비;

• 테스트 샘플의 수;

• 런타임 승인 기준.

단순한 정저항 부하는 실제 전자 제품의 동작을 재현하지 못할 수도 있습니다. 가능하다면 테스트에서는 실제 장치의 작동 주기를 사용해야 합니다.

더 광범위한 팩 수준 테스트 계획을 보려면 다음을 참조하세요. 배터리 팩 테스트 체크리스트.

14. 배터리 팩 런타임을 개선하는 방법

계산된 런타임이 너무 짧은 경우 설계 팀은 다음을 평가할 수 있습니다.

• 배터리 용량 증가;

• 더 높은 에너지의 셀을 선택하는 단계;

• 장치 전력 소비 감소;

• 변환기 효율 향상;

• 대기 전류 감소;

• 듀티 사이클 조정

• 무선 전송 최적화

• 열 조건 개선

• 케이블 및 커넥터 손실 감소;

• BMS 컷오프 설정 검토

• 다른 직렬 병렬 구성을 사용합니다.

용량을 늘리면 배터리 무게, 부피, 비용 및 충전 시간이 늘어날 수 있습니다. 최상의 솔루션은 런타임과 제품의 크기, 무게, 전력 및 상업적 요구 사항의 균형을 맞춰야 합니다.

제품 수준 배터리 선택은 다음을 참조하세요. OEM 장치용 충전식 리튬 이온 배터리 팩을 선택하는 방법.

리튬 배터리 팩 런타임 체크리스트

예상 런타임을 승인하기 전에 다음을 확인하세요.

• 배터리 공칭 전압

• 배터리 정격 용량

• 용량을 Ah로 환산

• 공칭 배터리 에너지(Wh)

• 사용 가능한 에너지 계수

• 장치 평균 전력

• 장치 피크 전력

• 변환기 효율

• 작동 모드

• 평균 부하 프로필

• BMS 차단 조건

• 작동 온도

• 배터리 노화 요구 사항

• 런타임 승인 기준

• 실제 기기 테스트 계획

FAQ

리튬 배터리 팩 런타임은 어떻게 계산합니까?

공칭 배터리 전압에 암페어시(amp-hours) 용량을 곱하여 와트시(Wh)를 구하고 사용 가능한 에너지와 시스템 효율성을 조정한 다음 평균 장치 전력으로 나눕니다.

7.4V, 2000mAh 배터리는 얼마나 오래 지속되나요?

팩에는 약 14.8Wh의 공칭 에너지가 포함되어 있습니다. 런타임은 장치 전원에 따라 다릅니다. 5W 부하에서 이론적 런타임은 효율성 및 사용 가능한 용량 손실을 고려하기 전 약 3시간입니다.

배터리 사용 시간은 mAh 또는 Wh를 사용하여 계산됩니까?

mAh는 배터리 전압과 부하 전류가 비교적 안정적으로 유지될 때 사용할 수 있습니다. 일반적으로 장치가 전압 변환기를 사용하거나 배터리를 서로 다른 전압 수준과 비교할 때 Wh가 더 적합합니다.

실제 런타임이 계산된 값보다 짧은 이유는 무엇입니까?

계산에서는 변환 손실, BMS 차단, 온도, 피크 전류, 배터리 노후화, 가변 부하 및 사용 가능한 용량을 완전히 설명하지 못할 수도 있습니다.

대용량 배터리는 항상 더 긴 작동 시간을 제공합니까?

일반적으로 전압과 작동 조건이 비슷할 경우 대용량 배터리는 더 많은 런타임을 제공할 수 있습니다. 그러나 셀 방전 성능, 배터리 무게, 컨버터 효율 및 장치 전력도 고려해야 합니다.

온도는 리튬 배터리 작동 시간에 어떤 영향을 미치나요?

온도가 낮으면 사용 가능한 용량이 감소하고 내부 저항이 증가할 수 있습니다. 고온은 성능에 영향을 미치고 노화를 가속화할 수 있습니다. 런타임은 정의된 작동 온도에서 지정되어야 합니다.

런타임을 계산하는 데 피크 전력을 사용해야 합니까?

런타임은 일반적으로 작동 주기 동안 평균 전력을 사용해야 합니다. 배터리, BMS, 배선 및 커넥터가 일시적인 고전류 수요를 지원할 수 있는지 확인하려면 피크 전력을 별도로 확인해야 합니다.

런타임 계산을 어떻게 확인할 수 있나요?

대표적인 작동 모드, 온도 및 차단 조건에서 실제 장치로 실제 배터리 팩을 테스트합니다. 측정된 결과를 원래 추정치와 비교하십시오.

결론

기본 리튬 배터리 팩 런타임 공식은 다음과 같습니다.

런타임 = 사용 가능한 배터리 에너지 ¼ 평균 장치 전력

배터리 에너지는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

공칭 에너지 = 전압 × 용량

실제 계산에서는 다음 사항도 고려해야 합니다.

• 사용 가능한 용량;

• 변환 효율성;

• 부하변동;

• 피크 전류;

• BMS 컷오프;

• 온도;

• 배터리 노화;

• 장치 작동 조건.

예를 들어, 7.4V, 2000mAh 배터리에는 약 14.8Wh의 공칭 에너지가 포함되어 있습니다. 실제 작동 시간은 장치에 도달할 수 있는 에너지의 양과 전체 작동 주기 동안 장치가 소비하는 전력의 양에 따라 달라집니다.

특정 배터리 런타임이 필요한 제품을 개발하는 경우, 장치 전력 프로필, 목표 작동 시간, 필요한 전압, 사용 가능한 공간 및 예상 생산량을 ZERNE 기술팀과 공유하세요. ZERNE는 필요한 용량을 평가하고 OEM 애플리케이션을 위한 맞춤형 리튬 배터리 팩 솔루션을 개발하는 데 도움을 줄 수 있습니다.