Hoe u de looptijd van een lithiumbatterij kunt berekenen

Het schatten van de looptijd van lithiumbatterijen is een belangrijk onderdeel van OEM-productontwikkeling.

Een apparaat kan een specifieke gebruiksduur nodig hebben om redenen zoals:

• Draagbare medische apparatuur

• GPS-trackers

• Industriële draagbare apparaten

• IoT-producten

• Draagbare artikelen

• Draagbare instrumenten

• Draadloze communicatieapparatuur

• Robotica

• Consumentenelektronica

De looptijd wordt bepaald door meer dan de capaciteit die op het batterijlabel staat vermeld. De spanning, capaciteit, bruikbare energie, apparaatvermogen, huidige vraag, converterefficiëntie, temperatuur en beveiligingsinstellingen van een batterij hebben allemaal invloed op hoe lang het apparaat kan werken.

Een eenvoudige berekening van de looptijd van het batterijpakket kan een vroege schatting opleveren. De uiteindelijke gebruiksduur moet echter worden geverifieerd aan de hand van de daadwerkelijke batterij, oplader, hostapparaat en bedrijfsomstandigheden.

Snel antwoord: hoe berekent u de looptijd van een lithiumbatterij?

Voor een relatief stabiele belasting is de basisformule:

Gebruiksduur (uren) = Bruikbare batterij-energie (Wh) ÷ Gemiddeld apparaatvermogen (W)

Batterij-energie kan worden geschat als:

Nominale batterij-energie (Wh) = Nominale spanning (V) × Capaciteit (Ah)

Een meer praktische formule is:

Runtime = Nominale spanning × Capaciteit × Bruikbare energiefactor × Systeemefficiëntie ÷ Gemiddeld belastingsvermogen

Voor een gelijkstroombelasting met stabiele stroom kan een eenvoudiger schatting worden gebruikt:

Looptijd (uren) = Bruikbare capaciteit (Ah) ÷ Gemiddelde belastingsstroom (A)

De wattuurmethode is over het algemeen geschikter als het apparaat een spanningsomvormer gebruikt of als de accuspanning en de apparaatspanning verschillend zijn.

1. Begrijp de waarden die worden gebruikt in runtimeberekeningen

Voordat u de runtime berekent, identificeert u de betekenis van elke waarde.

Nominale spanning

Nominale spanning is de referentiespanning die wordt gebruikt om het accupakket te beschrijven.

Bijvoorbeeld:

• 1S lithiumbatterijpakket: ongeveer 3,7 V nominaal

• 2S lithiumbatterijpakket: ongeveer 7,4 V nominaal

• 3S lithiumbatterijpakket: ongeveer 11,1 V nominaal

• 4S lithiumbatterijpakket: ongeveer 14,8 V nominaal

De werkelijke accuspanning verandert tijdens het opladen en ontladen.

Nominaal vermogen

Het nominale vermogen wordt normaal gesproken uitgedrukt in:

• mAh

• Ah

De conversie is:

1000 mAh = 1 Ah

Een accu van 7,4 V, 2000 mAh heeft een capaciteit van 2 Ah.

Voor meer informatie over het berekenen van de capaciteit uit serie- en parallelle cellen, zie Hoe u de capaciteit van een lithium-ionbatterijpakket kunt berekenen.

Apparaatvermogen

Het apparaatvermogen wordt normaal gesproken uitgedrukt in watt.

Een apparaat kan het volgende hebben:

• Gemiddeld vermogen

• Continu vermogen

• Piekvermogen

• Stand-by-vermogen

• Opstartvermogen

Bij berekeningen van de looptijd moet normaal gesproken gebruik worden gemaakt van het gemiddelde vermogen over de bedrijfscyclus, en niet alleen van het maximale vermogen.

Efficiëntie

Er kan stroom verloren gaan bij:

• DC-DC-converters

• Spanningsregelaars

• Kabels

• Connectoren

• Beschermingscomponenten

• Interne weerstand

• Oplaad- en energiebeheercircuits

Er moet rekening worden gehouden met de systeemefficiëntie als het apparaat de accuspanning niet rechtstreeks gebruikt.

2. Bereken de batterij-energie in wattuur

De eerste stap is het omzetten van de batterijspecificatie in energie.

De basisformule is:

Batterij-energie (Wh) = Nominale spanning (V) × Capaciteit (Ah)

Voorbeeld: 3,7 V, 1000 mAh batterij

Capaciteitsconversie:

1000 mAh = 1 Ah

Energieberekening:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

De batterij bevat ongeveer 3,7 Wh nominale energie.

Voorbeeld: 7,4 V, 2000 mAh batterij

Capaciteitsconversie:

2000 mAh = 2 Ah

Energieberekening:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

De batterij bevat ongeveer 14,8 Wh nominale energie.

Voorbeeld: 11,1 V, 5000 mAh batterij

Capaciteitsconversie:

5000 mAh = 5 Ah

Energieberekening:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

De batterij bevat ongeveer 55,5 Wh nominale energie.

Dit zijn nominale energiewaarden. De bruikbare energie die aan het apparaat wordt geleverd, is normaal gesproken lager.

3. Pas een bruikbare-energiefactor toe

Een batterij kan niet altijd de volledige nominale energie aan het apparaat leveren.

De bruikbare energie kan worden verminderd door:

• Minimale bedrijfsspanning van het apparaat

• BMS-afschakelspanning

• Ontlaadstroom

• Lage temperatuur

• Celveroudering

• Interne weerstand

• Benodigde reservecapaciteit

• Limieten voor batterijbescherming

Een eenvoudige schattingsformule is:

Bruikbare batterij-energie = Nominale batterij-energie × Bruikbare energiefactor

De factor moet worden geselecteerd op basis van de toepassing en testomstandigheden. Het mag niet worden behandeld als een universele vaste waarde.

Voorbeeld

Aannemen:

• Nominale batterij-energie: 14,8 Wh

• Bruikbare energiefactor: 0,85

Bruikbare batterij-energie:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Dit betekent dat er onder de gedefinieerde bedrijfsomstandigheden ongeveer 12,58 Wh beschikbaar kan zijn voordat rekening wordt gehouden met extra conversieverliezen.

4. Bereken de looptijd van het apparaatvermogen

Voor een apparaat met een relatief stabiele stroomvraag:

Runtime = Bruikbare batterij-energie ÷ Apparaatvermogen

Voorbeeld: 7,4 V, 2000 mAh batterij voedt een apparaat van 5 W

Batterijspecificatie:

• Nominale spanning: 7,4 V

• Capaciteit: 2000 mAh of 2 Ah

• Nominale energie: 14,8 Wh

Aannemen:

• Bruikbare energiefactor: 0,85

• Systeemefficiëntie: 0,90

• Gemiddeld apparaatvermogen: 5 W

Stap 1: Bereken de nominale energie.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Stap 2: Pas de bruikbare-energiefactor toe.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Stap 3: Pas systeemefficiëntie toe.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Stap 4: Bereken de looptijd.

11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 uur

De geschatte looptijd is ongeveer:

2,3 uur

Dit is een technische schatting. De werkelijke looptijd kan korter of langer zijn, afhankelijk van de belastingsvariatie, de temperatuur, de uitschakelspanning en de toestand van de batterij.

5. Bereken de looptijd van de huidige

Een op stroom gebaseerde berekening kan worden gebruikt wanneer:

• De accuspanning ligt dicht bij de apparaatspanning;

• De belastingsstroom is relatief stabiel;

• Er is geen grote spanningsconversiefase;

• De stroom wordt gemeten vanaf de accuzijde.

De basisformule is:

Runtime = Bruikbare capaciteit (Ah) ÷ Gemiddelde stroom (A)

Voorbeeld: 3,7 V, 1000 mAh batterij

Aannemen:

• Batterijcapaciteit: 1000 mAh of 1 Ah

• Gemiddelde belastingsstroom: 0,5 A

• Bruikbare capaciteitsfactor: 0,85

Nominale looptijd:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 uur

Aangepaste looptijd:

2 uur × 0,85 = 1,7 uur

De geschatte looptijd is ongeveer:

1,7 uur

Wanneer de huidige methode misleidend kan zijn

De huidige methode kan een onnauwkeurig resultaat opleveren wanneer:

• Het apparaat maakt gebruik van een DC-DC-converter;

• De accuspanning verandert aanzienlijk;

• Het belastingsvermogen blijft constant terwijl de stroom verandert;

• Het apparaat heeft een variabele inschakelduur;

• De batterijstroom verschilt van de ingangsstroom van het apparaat.

In deze gevallen is de wattuurmethode over het algemeen geschikter.

6. Gebruik de wattuurmethode voor gereguleerde belastingen

Veel elektronische apparaten maken gebruik van een spanningsregelaar of omvormer. De batterijspanning kan veranderen terwijl het apparaat een relatief stabiele spanning ontvangt.

Een apparaat kan bijvoorbeeld 5 V nodig hebben van een accupakket met een spanningsbereik boven en onder 5 V. Een omvormer past de accuspanning aan de vereiste invoer van het apparaat aan.

In deze situatie:

• De batterijstroom verandert naarmate de batterijspanning verandert;

• De efficiëntie van de converter heeft invloed op de runtime;

• Apparaatvermogen is een stabielere berekeningsbasis.

De voorkeursformule is:

Runtime = Batterij-energie × Efficiëntie ÷ Apparaatvermogen

Voorbeeld: 7,4 V-batterij met een 5 V-omvormer

Aannemen:

• Accu: 7,4 V, 2 Ah

• Nominale energie: 14,8 Wh

• Omvormerefficiëntie: 90%

• Apparaatvermogen: 4 W

• Bruikbare energiefactor: 0,85

Bruikbare energie op het apparaat:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Looptijd:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 uur

Geschatte looptijd:

Ongeveer 2,8 uur

7. Houd rekening met variabele apparaatbelastingen

Veel producten verbruiken geen constant stroom.

Een apparaat kan schakelen tussen:

• Slaapmodus

• Stand-bymodus

• Meetmodus

• Draadloze transmissie

• Motorische werking

• Bediening weergeven

• Verwarmen of koelen

• Hoogwaardige verwerking

Bereken in dit geval het gemiddelde vermogen met behulp van het bedrijfsprofiel.

Gemiddeld vermogen = Totale energie gebruikt tijdens cyclus ÷ Cyclusduur

Of:

Gemiddeld vermogen = Som van vermogen × tijd voor elke bedrijfsmodus ÷ Totale tijd

Voorbeeld van variabele belasting

Stel dat een apparaat in drie modi werkt:

Totaal verbruikte energie:

• Slaap: 0,2 W × 6 uur = 1,2 Wh

• Afmeting: 1 W × 2 uur = 2 Wh

• Transmissie: 3 W × 0,5 uur = 1,5 Wh

Totale energie:

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

Totale bedrijfstijd:

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

Gemiddeld vermogen:

4,7 Wh ÷ 8,5 uur ≈ 0,55 W

Als de batterij 11,32 Wh bruikbare energie kan leveren:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 uur

Deze schatting is realistischer dan het gebruik van de hoogste vermogenswaarde voor de gehele bedrijfscyclus.

8. Houd rekening met opstart- en piekstroom

Piekstroom hoeft de gemiddelde energieberekening niet significant te veranderen, maar kan de praktische looptijd nog steeds beperken en ervoor zorgen dat de batterij wordt uitgeschakeld.

Gebeurtenissen met hoge stroomsterkte kunnen optreden wanneer:

• Een motor start;

• Een draadloze zender wordt geactiveerd;

• Een verwarming gaat aan;

• Een pomp begint te werken;

• Er begint een achtergrondverlichting van het display;

• Een processor gaat naar een modus voor hoge prestaties.

Piekstroom kan leiden tot:

• Spanningsdaling;

• BMS-overstroombeveiliging;

• Verwarming van connectoren;

• Stijging van de celtemperatuur;

• Verminderde bruikbare capaciteit;

• Onverwachte apparaatreset.

De batterij moet worden geselecteerd voor beide:

• Benodigde bedrijfsenergie;

• Vereiste huidige capaciteit.

Een batterij met voldoende wattuur maar onvoldoende piekstroomvermogen werkt het apparaat mogelijk niet betrouwbaar.

9. Begrijp het effect van BMS Cutoff

Een BMS of beveiligingscircuit kan de accu loskoppelen voordat alle nominale energie kan worden gebruikt.

Dit kan gebeuren vanwege:

• Lage celspanning;

• Overstroom;

• Kortsluiting;

• Hoge temperatuur;

• Lage temperatuur;

• Celonbalans;

• Communicatie- of foutcondities.

Bij de berekening van de looptijd moet daarom gebruik worden gemaakt van de werkelijk bruikbare energie die beschikbaar is vóór de relevante beschermingslimiet.

Bij pakketten met meerdere cellen kan het onevenwicht in de cellen ertoe leiden dat één cel eerder zijn spanningslimiet bereikt dan de andere. Dit kan de bruikbare capaciteit van het hele pakket verminderen.

Er moet rekening worden gehouden met het BMS tijdens het ontwerp van de batterij, en niet worden toegevoegd nadat het looptijddoel al is gedefinieerd. De bredere relatie tussen BMS, spanning, capaciteit en looptijd komt aan bod Ontwerp van lithium-ionbatterijpak: spanning, capaciteit, BMS en looptijd.

10. Houd rekening met temperatuur- en batterijveroudering

Runtime verandert met bedrijfsomstandigheden.

Temperatuur

Lage temperaturen kunnen de beschikbare capaciteit verminderen en de interne weerstand vergroten. Hoge temperaturen kunnen de veroudering van de batterij versnellen en de prestaties op de lange termijn beïnvloeden.

De runtime-schatting moet het volgende specificeren:

• Bedrijfstemperatuur;

• Opslagtemperatuur;

• Batterijtemperatuur tijdens ontlading;

• Verwachte belasting;

• Vereiste levensduur.

Veroudering van de batterij

De beschikbare capaciteit van een batterij verandert geleidelijk tijdens de levensduur ervan. Als het apparaat na maanden of jaren gebruik gedurende een bepaalde tijd moet blijven werken, moet het looptijddoel een verouderingsreserve bevatten.

Een OEM kan bijvoorbeeld het volgende definiëren:

• Initieel runtimedoel;

• Minimale looptijd aan het einde van de levensduur;

• Vereist aantal cycli;

• Staat van vervanging van de batterij.

Een accu mag niet alleen worden gedimensioneerd vanwege de prestaties bij het eerste gebruik als het product langdurige betrouwbaarheid vereist.

11. Voorbeeld van runtimeberekening voor een OEM-apparaat

Stel dat een OEM-handheld-apparaat het volgende vereist:

• Batterij: 11,1 V, 5000 mAh

• Gemiddeld vermogen: 8 W

• Bruikbare energiefactor: 0,85

• Systeemefficiëntie: 0,90

Stap 1: Converteer capaciteit.

5000 mAh = 5 Ah

Stap 2: Bereken de nominale energie.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Stap 3: Pas de bruikbare-energiefactor toe.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Stap 4: Pas systeemefficiëntie toe.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Stap 5: Bereken de looptijd.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 uur

Geschatte looptijd:

Ongeveer 5,3 uur

Dit resultaat moet worden geverifieerd door middel van tests, omdat het apparaat mogelijk meer stroom verbruikt tijdens het opstarten, draadloze communicatie, gegevensverwerking of andere omstandigheden met hoge belasting.

12. Waarom de berekende looptijd kan afwijken van de werkelijke looptijd

Een berekende looptijd is een schatting op basis van aannames. Het werkelijke resultaat kan afwijken vanwege:

• Het gemiddelde vermogen is hoger dan verwacht;

• Ongemeten standby-verbruik;

• Variabele belastingspatronen;

• Tolerantie batterijcapaciteit;

• Effecten op de afvoersnelheid;

• Temperatuur;

• Interne weerstand;

• BMS-afsluiting;

• Omvormerefficiëntie;

• Kabel- en connectorverliezen;

• Veroudering van de batterij;

• Celonbalans;

• Instellingen voor afsluiten van apparaat.

De beste manier om de schatting te verbeteren is door het daadwerkelijke apparaat onder representatieve omstandigheden te meten.

Aanbevolen metingen zijn onder meer:

• Spanning aan accuzijde;

• Stroom aan batterijzijde;

• Ingangsvermogen van het apparaat;

• Temperatuur;

• Runtime tot de gedefinieerde grens;

• Vermogen tijdens elke bedrijfsmodus;

• Gedrag tijdens piekbelastingsgebeurtenissen.

13. Runtimetests moeten het daadwerkelijke apparaat gebruiken

Een batterijpakket moet worden getest met het echte hostapparaat of een representatieve belasting.

Het testplan moet het volgende definiëren:

• Batterijmodel;

• Laadtoestand van de batterij;

• Oplader en oplaadmethode;

• Apparaatbedieningsprofiel;

• Omgevingstemperatuur;

• Initiële batterijtemperatuur;

• Afsluitvoorwaarde;

• Meetapparatuur;

• Aantal proefmonsters;

• Acceptatiecriteria voor runtime.

Een eenvoudige belasting met constante weerstand reproduceert mogelijk niet het gedrag van een echt elektronisch product. Waar mogelijk moet bij het testen gebruik worden gemaakt van de werkingscyclus van het daadwerkelijke apparaat.

Voor een bredere testplanning op pakketniveau, zie Controlelijst voor het testen van accu's.

14. Hoe u de batterijduur kunt verbeteren

Als de berekende looptijd te kort is, kan het ontwerpteam het volgende evalueren:

• Verhogen van de batterijcapaciteit;

• Het selecteren van een cel met een hogere energie;

• Het stroomverbruik van apparaten verminderen;

• Verbetering van de efficiëntie van de converter;

• Het verminderen van de standby-stroom;

• Het aanpassen van de duty-cycle;

• Optimaliseren van draadloze transmissie;

• Verbetering van de thermische omstandigheden;

• Vermindering van kabel- en connectorverliezen;

• BMS-afsluitinstellingen beoordelen;

• Een andere serie-parallelconfiguratie gebruiken.

Het vergroten van de capaciteit kan het gewicht, het volume, de kosten en de oplaadtijd van de batterij vergroten. De beste oplossing moet de looptijd in evenwicht brengen met de grootte, het gewicht, het vermogen en de commerciële vereisten van het product.

Voor batterijselectie op productniveau, zie Hoe u een oplaadbare lithium-ionbatterij kiest voor een OEM-apparaat.

Runtimechecklist voor lithiumbatterijen

Voordat u een schatting van de looptijd goedkeurt, bevestigt u het volgende:

• Nominale spanning van de batterij

• Nominale capaciteit van de batterij

• Capaciteit omgezet in Ah

• Nominale batterij-energie in Wh

• Bruikbare energiefactor

• Gemiddeld vermogen van apparaat

• Piekvermogen van apparaat

• Efficiëntie van de converter

• Bedrijfsmodi

• Gemiddeld belastingsprofiel

• BMS-afsluitingsvoorwaarden

• Bedrijfstemperatuur

• Vereisten voor batterijveroudering

• Acceptatiecriteria voor runtime

• Werkelijk apparaattestplan

Veelgestelde vragen

Hoe bereken ik de looptijd van een lithiumbatterij?

Vermenigvuldig de nominale accuspanning met de capaciteit in ampère-uren om wattuur te verkrijgen, pas de bruikbare energie en systeemefficiëntie aan en deel deze vervolgens door het gemiddelde apparaatvermogen.

Hoe lang gaat een batterij van 7,4 V, 2000 mAh mee?

Het pakket bevat ongeveer 14,8 Wh aan nominale energie. De looptijd is afhankelijk van het vermogen van het apparaat. Bij een belasting van 5 W bedraagt ​​de theoretische looptijd ongeveer 3 uur voordat rekening wordt gehouden met verliezen op het gebied van efficiëntie en bruikbare capaciteit.

Wordt de batterijduur berekend op basis van mAh of Wh?

mAh kan worden gebruikt als de accuspanning en de belastingsstroom relatief stabiel blijven. Wh is meestal geschikter wanneer het apparaat een spanningsomvormer gebruikt of wanneer batterijen met verschillende spanningsniveaus worden vergeleken.

Waarom is de werkelijke looptijd korter dan de berekende waarde?

Bij de berekening wordt mogelijk niet volledig rekening gehouden met conversieverliezen, BMS-uitschakeling, temperatuur, piekstroom, batterijveroudering, variabele belasting en bruikbare capaciteit.

Zorgt een batterij met een hogere capaciteit altijd voor een langere looptijd?

Normaal gesproken kan een batterij met een hogere capaciteit een langere looptijd bieden als de spanning en bedrijfsomstandigheden vergelijkbaar zijn. Er moet echter ook rekening worden gehouden met de celontladingsprestaties, het batterijgewicht, de efficiëntie van de omvormer en het apparaatvermogen.

Welke invloed heeft de temperatuur op de looptijd van een lithiumbatterij?

Lage temperaturen kunnen de beschikbare capaciteit verminderen en de interne weerstand vergroten. Hoge temperaturen kunnen de prestaties beïnvloeden en veroudering versnellen. De looptijd moet worden gespecificeerd bij een gedefinieerde bedrijfstemperatuur.

Moet piekvermogen worden gebruikt om de looptijd te berekenen?

De looptijd moet normaal gesproken een gemiddeld vermogen gedurende de bedrijfscyclus gebruiken. Het piekvermogen moet nog steeds afzonderlijk worden gecontroleerd om te bevestigen dat de batterij, het GBS, de bedrading en de connector de tijdelijke vraag naar hoge stroomsterkte kunnen ondersteunen.

Hoe kan ik een runtimeberekening verifiëren?

Test het daadwerkelijke batterijpakket met het echte apparaat onder representatieve bedrijfsmodi, temperatuur- en uitschakelomstandigheden. Vergelijk de gemeten resultaten met de oorspronkelijke schatting.

Conclusie

De basisformule voor de looptijd van een lithiumbatterij is:

Runtime = Bruikbare batterij-energie ÷ Gemiddeld apparaatvermogen

Batterij-energie kan worden geschat als:

Nominale energie = spanning x capaciteit

Bij een praktische berekening moet ook rekening worden gehouden met:

• Bruikbare capaciteit;

• Conversie-efficiëntie;

• Variatie in belasting;

• Piekstroom;

• BMS-afsluiting;

• Temperatuur;

• Veroudering van de batterij;

• Bedrijfsomstandigheden van het apparaat.

Een batterij van 7,4 V, 2000 mAh bevat bijvoorbeeld ongeveer 14,8 Wh aan nominale energie. De werkelijke bedrijfstijd hangt af van hoeveel van die energie het apparaat kan bereiken en hoeveel stroom het apparaat verbruikt tijdens de volledige werkingscyclus.

Als u een product ontwikkelt waarvoor een specifieke batterijduur vereist is, deel dan het stroomprofiel van het apparaat, de beoogde bedrijfstijd, de vereiste spanning, de beschikbare ruimte en de verwachte productiehoeveelheid met het technische team van ZERNE. ZERNE kan helpen bij het evalueren van de vereiste capaciteit en het ontwikkelen van een op maat gemaakte lithiumbatterijoplossing voor uw OEM-toepassing.