Jak obliczyć pojemność akumulatora 18650 i czas pracy

Aby obliczyć pojemność i czas pracy pakietu akumulatorów 18650, należy wziąć pod uwagę pojemność ogniw, konfigurację szeregową i równoległą, napięcie nominalne, moc urządzenia, wydajność systemu i energię użytkową.

Podstawowe formuły to:

Pojemność opakowania (Ah) = Pojemność ogniw (Ah) × Liczba równoległych

Energia pakietu (Wh) = napięcie znamionowe (V) × pojemność pakietu (Ah)

Szacowany czas pracy (h) = Użyteczna energia pakietu (Wh) × Sprawność systemu ÷ Moc urządzenia (W)

Na przykład akumulator 3S2P wykorzystujący ogniwa 3000 mAh 18650 ma:

• Napięcie nominalne: 11,1 V

• Pojemność: 6Ah

• Energia nominalna: 66,6 Wh

Jeśli urządzenie zużywa 10 W, a wydajność systemu wynosi 90%, teoretyczny czas pracy wynosi około 5,99 godziny bez uwzględnienia pojemności rezerwowej, starzenia się akumulatora, temperatury i odcięcia napięcia.

Obliczenia te stanowią wstępną ocenę. Rzeczywisty czas pracy należy potwierdzić poprzez testy z docelowym sprzętem i profilem obciążenia. Weryfikacja ta powinna obejmować zarówno testowanie obciążenia na poziomie pakietu, jak i kontrole na poziomie komórki opisane w Pojemność baterii 18650 i testy stanu.

Skrócona instrukcja: Pojemność akumulatora 18650 i czas pracy

W poniższych przykładach zastosowano ogniwa 3000 mAh i nominalne napięcie ogniwa 3,7 V.

Dla urządzenia o mocy 10 W i sprawności systemu 90%:

Wyniki te zakładają, że dostępna jest pełna wydajność nominalna. W praktyce dostępny czas pracy może być krótszy ze względu na odcięcie rozładowania, temperaturę, starzenie, konwersję napięcia i zmiany obciążenia.

Te wartości referencyjne są przydatne do sprawdzania formuł przed wprowadzeniem konfiguracji niestandardowej.

Co oznaczają mAh i Ah?

Konwersja mAh i Ah

Pojemność baterii jest zwykle wyrażana w miliamperogodzinach lub mAh i amperogodzinach lub Ah.

Konwersja to:

1Ah = 1000mAh

Przykłady:

• 2000mAh = 2Ah

• 2600 mAh = 2,6 Ah

• 3000 mAh = 3 Ah

• 3500 mAh = 3,5 Ah

Obliczając pakiet akumulatorów, zwykle łatwiej jest najpierw przeliczyć pojemność ogniwa z mAh na Ah.

Na przykład:

3000mAh ÷ 1000 = 3Ah

Wartość pojemności wskazuje, ile ładunku elektrycznego może dostarczyć ogniwo w określonych warunkach testowych. Nie wskazuje bezpośrednio napięcia pakietu, maksymalnego prądu ani czasu pracy. Wspólne zakresy pojemności 18650 oraz różnicę między pojemnością a prądem rozładowania podsumowano w ile mAh ma bateria 18650.

Pojemność to nie to samo, co prąd

Ogniwo 3000 mAh nie dostarcza automatycznie prądu 3A ani 30A. Pojemność i prąd rozładowania to różne specyfikacje.

Obecna wydajność komórki zależy od:

• Projekt komórki

• Opór wewnętrzny

• Ciągła ocena rozładowania

• Szczytowa ocena rozładowania

• Temperatura

• Ograniczenia BMS i okablowania

Pojemność służy do oszacowania, jak długo bateria może obsługiwać obciążenie. Obecna wydajność określa, czy ogniwo może bezpiecznie wytrzymać to obciążenie.

Jak połączenia szeregowe i równoległe wpływają na pojemność

W przypadku obliczeń wydajności kluczowe rozróżnienie jest proste: Szeregowe i równoległe połączenia akumulatorów 18650 określają rozkład napięcia, pojemności i prądu w całym pakiecie.

• Połączenia szeregowe zwiększają napięcie.

• Połączenia równoległe zwiększają pojemność.

• Połączenia szeregowe nie zwielokrotniają wydajności amperogodzinnej.

• Połączenia równoległe nie zwiększają napięcia nominalnego grupy ogniw.

Pojemność w opakowaniu seryjnym

Kiedy identyczne ogniwa są połączone szeregowo, napięcie sumuje się, a wydajność w amperogodzinach pozostaje podobna do wydajności jednego ogniwa w szeregu.

Na przykład przy użyciu ogniw 3000 mAh:

• 1S1P: 3,7 V, 3 Ah

• 2S1P: 7,4 V, 3 Ah

• 3S1P: 11,1 V, 3 Ah

• 4S1P: 14,8 V, 3 Ah

Energia wzrasta, ponieważ wzrasta napięcie:

11,1 V × 3 Ah = 33,3 Wh

Pojemność w pakiecie równoległym

Gdy identyczne ogniwa są połączone równolegle, napięcie pozostaje na poziomie napięcia nominalnego jednego ogniwa, podczas gdy wydajność amperogodzinna wzrasta.

Korzystanie z ogniw 3000 mAh:

• 1S1P: 3,7 V, 3 Ah

• 1S2P: 3,7 V, 6 Ah

• 1S3P: 3,7 V, 9 Ah

Liczba równoległa jest zatem głównym czynnikiem stosowanym w obliczeniach pojemności pakietu.

Przykłady 3S1P, 3S2P i 3S3P

Korzystanie z ogniw 3000 mAh, 3,7 V:

3S1P

• W sumie trzy komórki

• Trzy grupy serii

• Jedna komórka w każdej grupie

• Napięcie nominalne: 11,1 V

• Pojemność: 3Ah

• Energia: 33,3 Wh

3S2P

• W sumie sześć komórek

• Trzy grupy serii

• Dwie komórki równolegle w każdej grupie

• Napięcie nominalne: 11,1 V

• Pojemność: 6Ah

• Energia: 66,6 Wh

3S3P

• W sumie dziewięć komórek

• Trzy grupy serii

• Trzy komórki równolegle w każdej grupie

• Napięcie nominalne: 11,1 V

• Pojemność: 9Ah

• Energia: 99,9 Wh

Konfiguracja 3S jest powszechnie opisywana jako zestaw akumulatorów litowo-jonowych klasy 12 V; the Przykład zestawu akumulatorów 12 V 18650 pokazuje związek liczby serii, napięcia nominalnego i liczby ogniw.

Jak obliczyć pojemność akumulatora 18650

Podstawowy wzór na pojemność to:

Pojemność opakowania (Ah) = Pojemność ogniw (Ah) × Liczba równoległych

Dla ogniw 3000 mAh:

Liczba serii nie pojawia się we wzorze na pojemność, ponieważ połączenia szeregowe wpływają głównie na napięcie.

Jeśli zostanie zastosowana inna pojemność ogniwa, wynik odpowiednio się zmieni.

Przykładowo pakiet 3S2P wykorzystujący ogniwa 3500mAh ma:

3,5 Ah × 2 = 7 Ah

Pakiet nadal ma nominalne napięcie około 11,1 V, ale jego pojemność wzrasta z 6Ah do 7Ah w porównaniu z pakietem 3S2P wykorzystującym ogniwa 3000mAh.

Jak obliczyć energię akumulatora w Wh

Pojemność w Ah nie informuje o całkowitej energii, chyba że uwzględni się napięcie.

Wzór na energię to:

Energia pakietu (Wh) = napięcie znamionowe (V) × pojemność pakietu (Ah)

Przykłady:

3S1P z ogniwami 3000 mAh

11,1 V × 3 Ah = 33,3 Wh

3S2P z ogniwami 3000 mAh

11,1 V × 6 Ah = 66,6 Wh

3S3P z ogniwami 3000 mAh

11,1 V × 9 Ah = 99,9 Wh

Przy porównywaniu różnych konfiguracji akumulatorów watogodziny są zwykle bardziej przydatne niż amperogodziny, ponieważ obejmują zarówno napięcie, jak i pojemność.

Na przykład akumulator 3,7 V 6 Ah i akumulator 11,1 V 6 Ah nie przechowują tej samej ilości energii:

• 3,7 V × 6 Ah = 22,2 Wh

• 11,1 V × 6 Ah = 66,6 Wh

W obliczeniach należy zawsze uwzględnić napięcie.

Jak obliczyć zużycie energii przez urządzenie

Obliczenia czasu działania wymagają zużycia energii przez urządzenie.

Jeśli moc urządzenia jest już podana w watach, użyj bezpośrednio tej wartości.

Jeśli zapewnione jest napięcie i prąd urządzenia, użyj:

Moc urządzenia (W) = napięcie urządzenia (V) × prąd urządzenia (A)

Na przykład:

• Napięcie wejściowe urządzenia: 12V

• Prąd roboczy: 1,5A

12 V × 1,5 A = 18 W

Szacowany czas pracy można następnie obliczyć na podstawie energii pakietu i obciążenia 18 W.

Zmienne obciążenia i cykle pracy

Wiele urządzeń nie zużywa stałej ilości energii. Lokalizator GPS, urządzenie bezprzewodowe, instrument medyczny lub system robotyczny mogą mieć różne tryby pracy.

Praktyczny szacunek powinien uwzględniać:

• Moc rozruchowa

• Ciągła moc robocza

• Zasilanie w trybie gotowości

• Wartości szczytowe silnika lub siłownika

• Okresy transmisji bezprzewodowej

• Aktywność wyświetlacza lub czujnika

• Cykl pracy

W przypadku obciążenia zmiennego należy stosować moc średnią, a nie najwyższą krótkotrwałą wartość mocy.

Na przykład, jeśli urządzenie podczas aktywnej pracy zużywa 12 W, ale przez połowę czasu pozostaje w trybie czuwania 2 W, jego średnia moc będzie niższa niż 12 W. Używanie wyłącznie maksymalnego obciążenia może spowodować niedoszacowanie czasu pracy, natomiast użycie wyłącznie zasilania w trybie gotowości może dać nierealistyczny wynik.

Jak obliczyć czas pracy baterii 18650

Podstawowa formuła czasu działania to:

Czas pracy (h) = Energia pakietu (Wh) × Sprawność systemu ÷ Moc urządzenia (W)

W przypadku pakietu 3S2P wykorzystującego ogniwa 3000 mAh:

• Energia nominalna: 66,6 Wh

• Moc urządzenia: 10W

• Wydajność systemu: 90%

66,6 Wh × 0,90 ÷ 10 W = 5,99 godzin

Szacowany czas pracy w tych warunkach wynosi około 6 godzin.

Przykład środowiska wykonawczego z różnymi obciążeniami urządzeń

Korzystanie z tego samego zestawu akumulatorów 66,6 Wh i sprawności systemu na poziomie 90%:

Zależność nie zawsze jest idealnie liniowa w rzeczywistym użytkowaniu, ponieważ wyższe obciążenia prądowe mogą zmniejszyć pojemność użyteczną i zwiększyć spadek napięcia.

Jak wydajność systemu wpływa na czas działania

Pakiet baterii może nie być podłączony bezpośrednio do urządzenia. Wiele produktów wykorzystuje:

• Przetwornice DC-DC

• regulatory napięcia

• Falowniki

• Sterowniki silników

• Elementy zabezpieczające

• Obwody zarządzania energią

Każdy element może powodować utratę energii.

Jeżeli nominalna energia akumulatora wynosi 66,6 Wh, a sprawność systemu wynosi 90%:

66,6 Wh × 90% = 59,94 Wh użyteczne po stratach związanych z konwersją

Dla obciążenia 10 W:

59,94 Wh ÷ 10 W = 5,99 godzin

Jeśli wydajność spadnie do 80%:

66,6 Wh × 80% ÷ 10 W = 5,33 godziny

Różnica ta może być znacząca w zastosowaniach, które działają przez wiele godzin lub charakteryzują się dużymi stratami konwersji.

Jak pojemność użytkowa i napięcie odcięcia wpływają na czas pracy

Pojemność znamionowa nie zawsze jest w pełni dostępna w działającym urządzeniu.

Rzeczywista pojemność użytkowa może zostać zmniejszona o:

• Napięcie odcięcia BMS

• Zabezpieczenie podnapięciowe urządzenia

• Wysoki prąd rozładowania

• Starzenie się komórek

• Niska temperatura

• Opór wewnętrzny

• Wymagania dotyczące przetwornicy napięcia

• Nierównowaga zestawu akumulatorów

Urządzenie może przestać działać, zanim każde ogniwo osiągnie pełną pojemność arkusza danych, ponieważ napięcie pakietu osiągnęło minimalne napięcie wejściowe systemu. The Przewodnik po napięciu akumulatora 18650 wyjaśnia, w jaki sposób wartości nominalne, pełne naładowanie i wartości odcięcia definiują użyteczny zakres napięcia w pakiecie litowo-jonowym.

Bardziej konserwatywna formuła to:

Czas pracy = Energia nominalna × Ułamek pojemności użytkowej × Sprawność systemu ÷ Moc urządzenia

Konserwatywny przykład 3S2P

Korzystanie z tego samego pakietu 3S2P:

• Energia nominalna: 66,6 Wh

• Szacowany udział pojemności użytkowej: 85%

• Wydajność systemu: 90%

• Moc urządzenia: 10W

66,6 Wh × 85% × 90% ÷ 10 W = 5,09 godz.

Szacunek ten jest niższy od teoretycznych 5,99 godzin, ponieważ uwzględnia rezerwę energii i rzeczywiste limity pracy pakietu.

O ile to możliwe, frakcja pojemności użytkowej powinna opierać się na testach. Nie należy jej traktować jako wartości uniwersalnej dla każdego pakietu akumulatorów.

Jakie czynniki mogą zmienić rzeczywisty czas działania?

Obliczony wynik jest jedynie szacunkowy. Rzeczywisty czas działania może ulec zmianie z powodu:

Temperatura akumulatora

Niskie temperatury mogą zmniejszyć dostępną pojemność i zwiększyć opór wewnętrzny. Wysokie temperatury mogą przyspieszyć starzenie się i spowodować ograniczenie działania systemu zabezpieczającego.

Starzenie się komórek

W miarę starzenia się ogniw ich pojemność może się zmniejszać, a opór wewnętrzny może wzrastać. Wpływ temperatury, głębokości rozładowania, obciążenia i przechowywania na żywotność omówiono w jak długo wytrzymują baterie 18650 . Pakiet wykonany ze starszych ogniw może zapewnić krótszy czas pracy niż pakiet wykorzystujący nowe ogniwa o tej samej pojemności znamionowej.

Prąd rozładowania

Wysoki prąd może powodować większy spadek napięcia i wytwarzanie ciepła. Urządzenie może osiągnąć swój limit niskiego napięcia wcześniej niż oczekiwano. W przypadku sprzętu wysokoprądowego należy sprawdzić wartości graniczne ciągłego i szczytowego rozładowania ogniwa wybór baterii 18650 o wysokim poborze mocy , a nie na podstawie samej pojemności.

Odmiana obciążenia

Urządzenie z silnikami, komunikacją bezprzewodową, wyświetlaczami lub zmieniającymi się trybami pracy może w pewnych momentach pobierać więcej energii.

Straty w okablowaniu i złączach

Długie przewody, małe przewodniki, słabe połączenia lutowane i zbyt małe złącza mogą powodować dodatkowy spadek napięcia i straty energii.

Bilans pakietu baterii

Różnice pomiędzy grupami serii mogą zmniejszyć użyteczną część opakowania. Jedna grupa może osiągnąć swój limit ochrony przed innymi grupami. Równowaga szeregowo-grupowa, progi ochronne i monitorowanie temperatury są częścią Projekt BMS dla pakietu akumulatorów 18650 . Pojemność ogniwa, rezystancja wewnętrzna, napięcie i różnice w partiach również wpływają na równowagę pakietu; dopasowywanie ogniw dla pakietu akumulatorów 18650 wyjaśnia, w jaki sposób te zmienne są kontrolowane przed montażem.

Jak korzystać z kalkulatora akumulatorów 18650

The Kalkulator pakietu akumulatorów 18650 może służyć do oszacowania kluczowych parametrów zestawu akumulatorów przed wybraniem ostatecznej konfiguracji.

Typowe dane wejściowe obejmują:

• Pojemność ogniwa

• Napięcie znamionowe ogniwa

• Liczba serii

• Liczba równoległa

• Moc obciążenia urządzenia

• Wydajność systemu

Typowe wyniki obejmują:

• Całkowita liczba komórek

• Napięcie znamionowe pakietu

• Napięcie pełnego ładowania

• Napięcie odcięcia

• Pojemność opakowania

• Pakuj energię

• Szacowany czas działania

Kalkulator jest przydatny na wczesnym etapie projektowania, ale ostateczny zestaw akumulatorów należy mimo to przetestować z rzeczywistym urządzeniem, okablowaniem, konwerterem i środowiskiem operacyjnym.

Obliczanie pojemności dla projektu zestawu akumulatorów OEM

W przypadku projektu OEM obliczenie wydajności stanowi tylko jedną część specyfikacji. Ogniwo i pakiet należy także wybrać pod kątem napięcia, prądu ciągłego i szczytowego, czasu pracy, dostępnej przestrzeni, ładowania, BMS, warunków termicznych i walidacji próbki; jak wybrać baterię 18650 do urządzenia OEM , określa te wymagania na poziomie produktu.

Ostateczny projekt opakowania powinien również potwierdzać:

• Wymagane napięcie nominalne

• Maksymalne napięcie ładowania

• Ciągły prąd obciążenia

• Szczytowy prąd obciążenia

• Docelowy czas działania

• Dostępna przestrzeń instalacyjna

• Temperatura robocza

• Typ złącza

• Długość i grubość drutu

• Wymagania BMS

• Przykładowe warunki testu

• Tolerancja produkcyjna

Nie należy maksymalizować wybranej pojemności ogniwa bez sprawdzenia aktualnej wydajności i dostępnej przestrzeni. Ogniwo o większej pojemności może mieć niższą wartość rozładowania, podczas gdy ogniwo wysokoprądowe może zapewniać mniejszą pojemność.

Do niestandardowych akumulatorów ZERNE Rozwiązania akumulatorów 18650 i niestandardowe rozwiązania akumulatorowe 18650 można ocenić pod kątem wymaganego napięcia, pojemności, prądu, BMS, złączy, obudowy i wymagań dotyczących testowania próbek.

Typowe błędy przy obliczaniu czasu pracy zestawu akumulatorów 18650

1. Używanie mAh bez konwersji na Ah.

2. Mnożenie pojemności przez liczbę serii.

3. Zapomnienie o liczbie równoległej zwiększa pojemność.

4. Obliczanie czasu pracy na podstawie napięcia bez uwzględnienia pojemności.

5. Traktowanie energii nominalnej jako energii w pełni użytecznej.

6. Ignorowanie wydajności przetwornicy DC-DC.

7. Używanie maksymalnej mocy urządzenia, gdy wymagana jest średnia moc lub odwrotnie.

8. Ignorowanie prądu rozruchowego i szczytowego.

9. Zastosowanie tego samego oszacowania czasu pracy do różnych temperatur.

10. Zakładając, że wyższa wartość znamionowa mAh automatycznie oznacza wyższą wydajność prądową.

11. Ignorowanie limitów odcięcia napięcia i wyłączenia urządzenia.

12. Korzystanie z obliczeń teoretycznych bez testowania całego pakietu.

Często zadawane pytania

Jak obliczyć pojemność pakietu akumulatorów 18650?

Pomnóż pojemność jednego ogniwa w amperogodzinach przez liczbę ogniw połączonych równolegle:

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × Liczba równoległych

Przykładowo pakiet 3S2P wykorzystujący ogniwa 3000mAh ma pojemność 6Ah.

Czy połączenie akumulatorów 18650 szeregowo zwiększa pojemność?

Nie. Połączenia szeregowe głównie zwiększają napięcie. Pojemność amperogodzinna pozostaje podobna do pojemności jednego ogniwa w ciągu szeregowym.

Czy podłączenie akumulatorów 18650 równolegle zwiększa pojemność?

Tak. Ogniwa równoległe sumują swoją pojemność, zachowując to samo napięcie nominalne.

Ile watogodzin ma akumulator 3S2P 18650?

Wykorzystując ogniwa 3000 mAh, pakiet 3S2P zawiera około:

11,1 V × 6 Ah = 66,6 Wh

Rzeczywista energia użyteczna może być niższa ze względu na napięcie odcięcia, wydajność, temperaturę i starzenie się.

Jak długo akumulator 3S2P 18650 wytrzyma urządzenie o mocy 10 W?

Wykorzystanie energii nominalnej 66,6 Wh i sprawność systemu 90%:

66,6 Wh × 90% ÷ 10 W ≈ 5,99 godz.

Rzeczywisty czas pracy może być krótszy, jeśli uwzględni się pojemność rezerwową, starzenie się i odcięcie napięcia.

Jaka jest różnica między mAh i Wh?

mAh lub Ah opisuje pojemność ładunku elektrycznego. Wh obejmuje zarówno pojemność, jak i napięcie:

Wh = V × Ah

Watogodziny są zwykle bardziej przydatne do porównywania całkowitej energii akumulatorów o różnych napięciach.

Jak napięcie odcięcia wpływa na pojemność użyteczną?

Bateria może przestać dostarczać energię, gdy pakiet osiągnie napięcie odcięcia BMS lub urządzenia. Oznacza to, że część wydajności nominalnej może pozostać niedostępna w wybranych warunkach pracy.

Czy ogniwo 18650 o większej pojemności zawsze zapewnia dłuższy czas pracy?

Zwykle może dostarczyć więcej energii, jeśli jest używany w odpowiednich warunkach, ale czas pracy zależy również od prądu znamionowego, temperatury, wieku ogniwa, wydajności konwersji i obciążenia urządzenia.

Czy mogę wykorzystać obliczony czas działania jako ostateczną specyfikację produktu?

Nie. Obliczenia należy wykorzystać na wczesnym etapie projektowania i porównań. Ostateczny czas pracy należy sprawdzić przy użyciu kompletnego zestawu akumulatorów i rzeczywistego urządzenia w reprezentatywnych warunkach pracy.

Wniosek

Obliczenie pojemności akumulatora 18650 i czasu pracy wymaga czegoś więcej niż tylko pomnożenia wartości znamionowej ogniwa w mAh.

Główne formuły to:

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × Liczba równoległych

Energia pakietu = napięcie znamionowe × pojemność pakietu

Czas pracy = energia użytkowa × wydajność systemu ÷ moc urządzenia

W przypadku pakietu 3S liczba serii określa klasę napięcia. Liczba równoległa określa pojemność i wpływa na dostępny prąd. Pakiet 3S1P wykorzystujący ogniwa 3000 mAh zapewnia około 3 Ah, podczas gdy 3S2P zapewnia 6 Ah, a 3S3P zapewnia 9 Ah.

Realistyczne oszacowanie czasu pracy powinno również uwzględniać pojemność użyteczną, napięcie odcięcia, straty konwersji, temperaturę, starzenie się baterii, zapotrzebowanie na prąd i zmieniające się obciążenie urządzenia.

W przypadku opracowywania akumulatorów OEM obliczenia stanowią punkt wyjścia. Zanim pakiet akumulatorów zostanie dopuszczony do produkcji, nadal wymagane są testy prototypu z rzeczywistym wyposażeniem.