Hoe u de capaciteit en looptijd van een 18650-batterijpakket kunt berekenen

Om de capaciteit en looptijd van een 18650-batterijpakket te berekenen, moet u rekening houden met de celcapaciteit, serie- en parallelle configuratie, nominale spanning, apparaatvermogen, systeemefficiëntie en bruikbare energie.

De basisformules zijn:

Pack-capaciteit (Ah) = Celcapaciteit (Ah) × Parallelle telling

Pack-energie (Wh) = Nominale spanning (V) × Pack-capaciteit (Ah)

Geschatte looptijd (h) = Bruikbare pack-energie (Wh) × Systeemefficiëntie ÷ Apparaatvermogen (W)

Een 3S2P-batterijpakket met 3000 mAh 18650-cellen heeft bijvoorbeeld:

• Nominale spanning: 11,1 V

• Capaciteit: 6 Ah

• Nominale energie: 66,6 Wh

Als het apparaat 10 W verbruikt en de systeemefficiëntie 90% is, bedraagt ​​de theoretische looptijd ongeveer 5,99 uur, voordat rekening wordt gehouden met reservecapaciteit, batterijveroudering, temperatuur en spanningsuitval.

Deze berekeningen geven een eerste schatting. De werkelijke looptijd moet worden bevestigd door middel van tests met de doelapparatuur en het belastingsprofiel. Die verificatie moet zowel het testen van de belasting op pakketniveau als de controles op celniveau omvatten die worden beschreven in 18650 batterijcapaciteit en gezondheidstests.

Snelle referentie: 18650 batterijcapaciteit en looptijd

In de volgende voorbeelden worden cellen van 3000 mAh en een nominale celspanning van 3,7 V gebruikt.

Voor een apparaat van 10 W met een systeemefficiëntie van 90%:

Bij deze resultaten wordt ervan uitgegaan dat de volledige nominale capaciteit beschikbaar is. In de praktijk kan de beschikbare looptijd lager zijn vanwege de ontladingsafsluiting, temperatuur, veroudering, spanningsconversie en belastingsveranderingen.

Deze referentiewaarden zijn handig om de formules te controleren voordat u een aangepaste configuratie invoert.

Wat betekenen mAh en Ah?

mAh- en Ah-conversie

De batterijcapaciteit wordt gewoonlijk uitgedrukt in milliampère-uur, of mAh, en ampère-uur, of Ah.

De conversie is:

1 Ah = 1000 mAh

Voorbeelden:

• 2000mAh = 2Ah

• 2600 mAh = 2,6 Ah

• 3000mAh = 3Ah

• 3500 mAh = 3,5 Ah

Bij het berekenen van een accupakket is het doorgaans makkelijker om eerst de celcapaciteit om te rekenen van mAh naar Ah.

Bijvoorbeeld:

3000mAh ÷ 1000 = 3Ah

Het capaciteitsgetal geeft aan hoeveel elektrische lading een cel kan leveren onder gespecificeerde testomstandigheden. Het geeft niet direct de pack-spanning, maximale stroom of looptijd aan. Gemeenschappelijke 18650-capaciteitsbereiken en het verschil tussen capaciteit en ontlaadstroom zijn samengevat in hoeveel mAh een 18650-batterij heeft.

Capaciteit is niet hetzelfde als stroom

Een cel van 3000mAh levert niet automatisch 3A of 30A. Capaciteit en ontlaadstroom zijn verschillende specificaties.

De huidige capaciteit van een cel hangt af van:

• Cel ontwerp

• Interne weerstand

• Continue ontlading

• Piekontladingswaarde

• Temperatuur

• GBS en bedradingsbeperkingen

Capaciteit wordt gebruikt om in te schatten hoe lang een batterij een belasting kan bedienen. De huidige capaciteit bepaalt of de cel die belasting veilig kan dragen.

Hoe serie- en parallelle verbindingen de capaciteit beïnvloeden

Voor capaciteitsberekeningen is het belangrijkste onderscheid eenvoudig: serie- en parallelle 18650-batterijverbindingen bepalen hoe spanning, capaciteit en stroom over het pakket worden verdeeld.

• Serieschakelingen verhogen de spanning.

• Parallelle verbindingen vergroten de capaciteit.

• Serieschakelingen vermenigvuldigen de capaciteit in ampère-uur niet.

• Parallelle verbindingen verhogen de nominale spanning van de celgroep niet.

Capaciteit in een seriepakket

Wanneer identieke cellen in serie worden geschakeld, wordt de spanning bij elkaar opgeteld, terwijl de capaciteit in ampère-uur vergelijkbaar blijft met die van één cel in de seriereeks.

Als u bijvoorbeeld 3000mAh-cellen gebruikt:

• 1S1P: 3,7V, 3Ah

• 2S1P: 7,4V, 3Ah

• 3S1P: 11,1V, 3Ah

• 4S1P: 14,8V, 3Ah

De energie neemt toe omdat de spanning toeneemt:

11,1 V × 3 Ah = 33,3 Wh

Capaciteit in een parallel pakket

Wanneer identieke cellen parallel worden geschakeld, blijft de spanning op de nominale spanning van één cel, terwijl de capaciteit in ampère-uur toeneemt.

Met behulp van 3000mAh-cellen:

• 1S1P: 3,7V, 3Ah

• 1S2P: 3,7V, 6Ah

• 1S3P: 3,7V, 9Ah

De parallelle telling is daarom de belangrijkste factor die wordt gebruikt bij het berekenen van de verpakkingscapaciteit.

3S1P-, 3S2P- en 3S3P-voorbeelden

Met 3000 mAh, 3,7 V-cellen:

3S1P

• In totaal drie cellen

• Drie seriegroepen

• Eén cel in elke groep

• Nominale spanning: 11,1 V

• Capaciteit: 3 Ah

• Energie: 33,3 Wh

3S2P

• In totaal zes cellen

• Drie seriegroepen

• Twee cellen parallel in elke groep

• Nominale spanning: 11,1 V

• Capaciteit: 6 Ah

• Energie: 66,6 Wh

3S3P

• Negen cellen in totaal

• Drie seriegroepen

• Drie cellen parallel in elke groep

• Nominale spanning: 11,1 V

• Capaciteit: 9 Ah

• Energie: 99,9 Wh

De 3S-configuratie wordt gewoonlijk omschreven als een lithium-ionbatterijpakket van 12V-klasse; de Het voorbeeld van een 12V 18650-batterijpak laat zien hoe het aantal series, de nominale spanning en het aantal cellen zich verhouden.

Hoe u de capaciteit van een batterijpakket van 18650 kunt berekenen

De basiscapaciteitsformule is:

Pack-capaciteit (Ah) = Celcapaciteit (Ah) × Parallelle telling

Voor 3000mAh-cellen:

Het aantal series verschijnt niet in de capaciteitsformule, omdat serieverbindingen voornamelijk de spanning beïnvloeden.

Als een andere celcapaciteit wordt gebruikt, verandert het resultaat dienovereenkomstig.

Een 3S2P-pakket met 3500mAh-cellen heeft bijvoorbeeld:

3,5 Ah × 2 = 7 Ah

Het pack heeft nog steeds een nominale spanning van ongeveer 11,1 V, maar de capaciteit neemt toe van 6 Ah naar 7 Ah vergeleken met een 3S2P-pack met 3000 mAh-cellen.

Hoe u de energie van een accu in Wh kunt berekenen

De capaciteit in Ah vertelt u niet de totale energie, tenzij de spanning is inbegrepen.

De energieformule is:

Pack-energie (Wh) = Nominale spanning (V) × Pack-capaciteit (Ah)

Voorbeelden:

3S1P met 3000mAh-cellen

11,1 V × 3 Ah = 33,3 Wh

3S2P met 3000mAh-cellen

11,1 V × 6 Ah = 66,6 Wh

3S3P met 3000mAh-cellen

11,1V × 9Ah = 99,9Wh

Bij het vergelijken van verschillende batterijconfiguraties zijn wattuur meestal nuttiger dan ampère-uren, omdat ze zowel de spanning als de capaciteit omvatten.

Een accu van 3,7 V 6 Ah en een accu van 11,1 V 6 Ah slaan bijvoorbeeld niet dezelfde hoeveelheid energie op:

• 3,7 V × 6 Ah = 22,2 Wh

• 11,1 V × 6 Ah = 66,6 Wh

De spanning moet altijd in de berekening worden meegenomen.

Hoe u het stroomverbruik van een apparaat kunt berekenen

Runtimeberekeningen vereisen het stroomverbruik van het apparaat.

Als het apparaatvermogen al in watt wordt geleverd, gebruik dan die waarde direct.

Als de spanning en stroom van het apparaat aanwezig zijn, gebruik dan:

Apparaatvermogen (W) = Apparaatspanning (V) × Apparaatstroom (A)

Bijvoorbeeld:

• Ingangsspanning apparaat: 12V

• Bedrijfsstroom: 1,5A

12V × 1,5A = 18W

De geschatte looptijd kan vervolgens worden berekend op basis van de pack-energie en de belasting van 18 W.

Variabele belastingen en inschakelduur

Veel apparaten verbruiken geen constante hoeveelheid stroom. Een GPS-tracker, draadloos apparaat, medisch instrument of robotsysteem kunnen verschillende werkingsmodi hebben.

Bij een praktische schatting moet rekening worden gehouden met:

• Opstartvermogen

• Continu bedrijfsvermogen

• Stand-by-vermogen

• Motor- of actuatorpieken

• Draadloze transmissieperioden

• Weergave- of sensoractiviteit

• Inschakelduur

Gebruik voor een variabele belasting het gemiddelde vermogen in plaats van de hoogste vermogenswaarde op korte termijn.

Als een apparaat bijvoorbeeld tijdens actief gebruik 12 W verbruikt, maar de helft van de tijd in de standby-modus van 2 W blijft staan, zal het gemiddelde vermogen lager zijn dan 12 W. Alleen het gebruik van de maximale belasting zou de looptijd kunnen onderschatten, terwijl het gebruik van alleen stand-byvermogen een onrealistisch resultaat zou kunnen opleveren.

Hoe de batterijduur van 18650 te berekenen

De basisruntimeformule is:

Runtime (h) = Pack-energie (Wh) × Systeemefficiëntie ÷ Apparaatvermogen (W)

Voor een 3S2P-pakket met 3000mAh-cellen:

• Nominale energie: 66,6 Wh

• Apparaatvermogen: 10W

• Systeemefficiëntie: 90%

66,6 Wh × 0,90 ÷ 10 W = 5,99 uur

De geschatte looptijd bedraagt ​​onder deze omstandigheden ongeveer 6 uur.

Runtimevoorbeeld met verschillende apparaatbelastingen

Met hetzelfde batterijpakket van 66,6 Wh en een systeemefficiëntie van 90%:

Bij echt gebruik is de relatie niet altijd perfect lineair, omdat hogere stroombelastingen de bruikbare capaciteit kunnen verminderen en de spanningsval kunnen vergroten.

Hoe systeemefficiëntie de runtime beïnvloedt

Het batterijpakket kan mogelijk niet rechtstreeks op het apparaat worden aangesloten. Veel producten gebruiken:

• DC-DC-converters

• Spanningsregelaars

• Omvormers

• Motorcontrollers

• Beschermingscomponenten

• Stroombeheercircuits

Elk onderdeel kan energieverlies veroorzaken.

Als de nominale batterij-energie 66,6 Wh is en de systeemefficiëntie 90% is:

66,6 Wh × 90% = 59,94 Wh bruikbaar na conversieverliezen

Voor een belasting van 10 W:

59,94 Wh ÷ 10 W = 5,99 uur

Als het rendement daalt tot 80%:

66,6 Wh × 80% ÷ 10 W = 5,33 uur

Dit verschil kan aanzienlijk zijn bij toepassingen die vele uren draaien of hoge conversieverliezen kennen.

Hoe bruikbare capaciteit en afsnijspanning de looptijd beïnvloeden

De nominale capaciteit is niet altijd volledig beschikbaar in een bedrijfsapparaat.

De daadwerkelijk bruikbare capaciteit kan worden verminderd door:

• BMS-afschakelspanning

• Beveiliging tegen onderspanning van het apparaat

• Hoge ontlaadstroom

• Celveroudering

• Lage temperatuur

• Interne weerstand

• Vereisten voor spanningsomvormers

• Onbalans van het accupakket

Een apparaat stopt mogelijk met werken voordat elke cel zijn volledige gegevensbladcapaciteit heeft geleverd, omdat de pack-spanning de minimale ingangsspanning van het systeem heeft bereikt. De 18650 batterijspanningsgids legt uit hoe nominale, volledige lading en uitschakelwaarden het bruikbare spanningsbereik in een lithium-ionpakket bepalen.

Een meer conservatieve formule is:

Runtime = Nominale energie × Fractie bruikbare capaciteit × Systeemefficiëntie ÷ Apparaatvermogen

Conservatief 3S2P-voorbeeld

Met hetzelfde 3S2P-pakket:

• Nominale energie: 66,6 Wh

• Geschatte bruikbare capaciteitsfractie: 85%

• Systeemefficiëntie: 90%

• Apparaatvermogen: 10W

66,6 Wh × 85% × 90% ÷ 10 W = 5,09 uur

Deze schatting is lager dan de theoretische 5,99 uur, omdat rekening wordt gehouden met reserve-energie en de werkelijke bedrijfslimieten van het pakket.

De bruikbare capaciteitsfractie moet zoveel mogelijk gebaseerd zijn op tests. Het mag niet worden beschouwd als een universele waarde voor elk accupakket.

Welke factoren kunnen de werkelijke runtime veranderen?

Het berekende resultaat is slechts een schatting. De werkelijke runtime kan veranderen vanwege:

Batterijtemperatuur

Lage temperaturen kunnen de beschikbare capaciteit verminderen en de interne weerstand vergroten. Hoge temperaturen kunnen de veroudering versnellen en ertoe leiden dat het beveiligingssysteem de werking beperkt.

Celveroudering

Naarmate cellen ouder worden, kan hun capaciteit afnemen en kan de interne weerstand toenemen. De effecten van temperatuur, ontladingsdiepte, belasting en opslag op de levensduur worden besproken in hoe lang 18650-batterijen meegaan . Een pakket dat met oudere cellen is gemaakt, biedt mogelijk minder looptijd dan een pakket dat nieuwe cellen met dezelfde nominale capaciteit gebruikt.

Ontlaadstroom

Een hoge stroomsterkte kan een grotere spanningsdaling en warmteontwikkeling veroorzaken. Het is mogelijk dat de apparatuur de laagspanningslimiet eerder dan verwacht bereikt. Voor apparatuur met hoge stroomsterkte moeten de continue en piekontladingslimieten van de cel worden gecontroleerd selectie van 18650-batterijen met een hoog verbruik , in plaats van alleen op basis van de capaciteit.

Variatie laden

Een apparaat met motoren, draadloze communicatie, displays of veranderende bedrijfsmodi kan op bepaalde momenten meer stroom verbruiken.

Bedrading en connectorverliezen

Lange draden, kleine geleiders, slechte soldeerverbindingen en te kleine connectoren kunnen extra spanningsverlies en energieverlies veroorzaken.

Balans van het batterijpakket

Verschillen tussen seriegroepen kunnen het bruikbare deel van het pakket verkleinen. Eén groep kan zijn beschermingslimiet eerder bereiken dan de andere groepen. Seriegroepevenwicht, beveiligingsdrempels en temperatuurbewaking maken deel uit van de BMS-ontwerp voor een 18650-batterijpakket . Celcapaciteit, interne weerstand, spanning en batchverschillen hebben ook invloed op de packbalans; celmatching voor een 18650-batterijpakket legt uit hoe deze variabelen worden gecontroleerd vóór de montage.

Hoe u de 18650-batterijcalculator gebruikt

De De 18650 Battery Pack Calculator kan worden gebruikt om de sleutelpakketparameters te schatten voordat een definitieve configuratie wordt geselecteerd.

Typische ingangen zijn onder meer:

• Celcapaciteit

• Nominale celspanning

• Aantal series

• Parallelle telling

• Apparaatbelastingsvermogen

• Systeemefficiëntie

Typische uitgangen zijn onder meer:

• Totaal aantal cellen

• Nominale spanning van het pakket

• Volledige laadspanning

• Afsnijdspanning

• Verpakkingscapaciteit

• Pak energie

• Geschatte looptijd

De rekenmachine is handig tijdens de vroege ontwerpfase, maar het uiteindelijke batterijpakket moet nog steeds worden getest met het daadwerkelijke apparaat, de bedrading, de converter en de gebruiksomgeving.

Capaciteitsberekening voor OEM-batterijontwerp

Voor een OEM-project is de capaciteitsberekening slechts een deel van de specificatie. De cel en het pakket moeten ook worden geselecteerd op basis van spanning, continue en piekstroom, looptijd, beschikbare ruimte, opladen, BMS, thermische omstandigheden en monstervalidatie; hoe u een 18650-batterij kiest voor een OEM-apparaat, kadert deze vereisten op productniveau.

Het uiteindelijke verpakkingsontwerp moet ook het volgende bevestigen:

• Vereiste nominale spanning

• Maximale laadspanning

• Continue belastingsstroom

• Piekbelastingstroom

• Doellooptijd

• Beschikbare installatieruimte

• Bedrijfstemperatuur

• Connectortype

• Draadlengte en -maat

• GBS-vereisten

• Voorbeeld testomstandigheden

• Productietolerantie

De geselecteerde celcapaciteit mag niet worden gemaximaliseerd zonder de huidige capaciteit en beschikbare ruimte te controleren. Een cel met een hogere capaciteit kan een lagere ontladingswaarde hebben, terwijl een cel met een hoge stroomsterkte mogelijk minder capaciteit biedt.

Voor op maat gemaakte accupakketten, ZERNE's 18650 batterijoplossingen en op maat gemaakte 18650-batterijoplossingen kunnen worden geëvalueerd aan de hand van de vereiste vereisten voor spanning, capaciteit, stroom, GBS, connectoren, behuizing en monstertests.

Veelgemaakte fouten bij het berekenen van de looptijd van een 18650-batterijpakket

1. mAh gebruiken zonder het om te zetten in Ah.

2. Capaciteit vermenigvuldigen met het aantal series.

3. Als u die parallelle telling vergeet, neemt de capaciteit toe.

4. Looptijd berekenen op basis van spanning zonder de capaciteit op te nemen.

5. Nominale energie behandelen als volledig bruikbare energie.

6. Het negeren van de efficiëntie van de DC-DC-omzetter.

7. Maximaal apparaatvermogen gebruiken wanneer gemiddeld vermogen vereist is, of omgekeerd.

8. Negeren van opstart- en piekstroom.

9. Dezelfde looptijdschatting toepassen op verschillende temperaturen.

10. Ervan uitgaande dat een hogere mAh-waarde automatisch een hoger stroomvermogen betekent.

11. Het negeren van de limieten voor het uitschakelen van de spanning en het uitschakelen van het apparaat.

12. Een theoretische berekening gebruiken zonder het volledige pakket te testen.

Veelgestelde vragen

Hoe bereken ik de capaciteit van een 18650-batterijpakket?

Vermenigvuldig de capaciteit van één cel in ampère-uren met het aantal parallel geschakelde cellen:

Pack-capaciteit = celcapaciteit x parallelle telling

Een 3S2P-pakket met 3000mAh-cellen heeft bijvoorbeeld een capaciteit van 6Ah.

Verhoogt het in serie schakelen van 18650-batterijen de capaciteit?

Nee. Serieschakelingen verhogen vooral de spanning. De capaciteit in ampère-uur blijft vergelijkbaar met die van één cel in de seriereeks.

Verhoogt het parallel aansluiten van 18650-batterijen de capaciteit?

Ja. Parallelle cellen tellen hun capaciteit bij elkaar op, terwijl ze dezelfde nominale spanning behouden.

Hoeveel wattuur zit er in een 3S2P 18650-batterijpakket?

Met 3000 mAh-cellen heeft een 3S2P-pakket ongeveer:

11,1 V × 6 Ah = 66,6 Wh

De daadwerkelijk bruikbare energie kan lager zijn vanwege de uitschakelspanning, efficiëntie, temperatuur en veroudering.

Hoe lang werkt een 3S2P 18650-batterijpakket op een apparaat van 10 W?

Met een nominale energie van 66,6 Wh en een systeemefficiëntie van 90%:

66,6 Wh × 90% ÷ 10 W ≈ 5,99 uur

De werkelijke looptijd kan lager zijn als reservecapaciteit, veroudering en spanningsuitval worden meegerekend.

Wat is het verschil tussen mAh en Wh?

mAh of Ah beschrijft de elektrische laadcapaciteit. Wh omvat zowel capaciteit als spanning:

Wh = V × Ah

Watturen zijn doorgaans nuttiger voor het vergelijken van de totale energie van accupakketten met verschillende spanningen.

Hoe beïnvloedt de uitschakelspanning de bruikbare capaciteit?

Het kan zijn dat de batterij stopt met het leveren van stroom wanneer het pakket de BMS- of apparaatuitschakelspanning bereikt. Dit betekent dat een deel van de nominale capaciteit mogelijk niet beschikbaar blijft onder de geselecteerde bedrijfsomstandigheden.

Biedt een 18650-cel met een hogere capaciteit altijd een langere looptijd?

Meestal kan het meer energie leveren als het onder geschikte omstandigheden wordt gebruikt, maar de looptijd is ook afhankelijk van de stroomsterkte, temperatuur, celleeftijd, conversie-efficiëntie en de apparaatbelasting.

Kan ik de berekende looptijd gebruiken als definitieve productspecificatie?

Nee. De berekening moet worden gebruikt voor een vroeg ontwerp en vergelijking. De uiteindelijke looptijd moet worden geverifieerd met een compleet batterijpakket en het daadwerkelijke apparaat onder representatieve bedrijfsomstandigheden.

Conclusie

Voor het berekenen van de capaciteit en de looptijd van het batterijpakket van 18650 is meer nodig dan het vermenigvuldigen van de mAh-waarde van de cel.

De belangrijkste formules zijn:

Pack-capaciteit = celcapaciteit x parallelle telling

Pack-energie = Nominale spanning x Pack-capaciteit

Runtime = Bruikbare energie × Systeemefficiëntie ÷ Apparaatvermogen

Voor een 3S-pakket bepaalt de serietelling de spanningsklasse. De paralleltelling bepaalt de capaciteit en beïnvloedt de beschikbare stroom. Een 3S1P-pakket met 3000mAh-cellen levert ongeveer 3Ah, terwijl 3S2P 6Ah levert en 3S3P 9Ah.

Bij een realistische schatting van de looptijd moet ook rekening worden gehouden met de bruikbare capaciteit, de uitschakelspanning, conversieverliezen, temperatuur, batterijveroudering, de huidige vraag en veranderende apparaatbelastingen.

Voor de ontwikkeling van OEM-batterijen vormen berekeningen het uitgangspunt. Prototypetesten met de daadwerkelijke apparatuur zijn nog steeds vereist voordat het batterijpakket wordt goedgekeurd voor productie.