Jak obliczyć czas pracy pakietu baterii litowych

Szacowanie czasu pracy akumulatora litowego jest ważną częścią rozwoju produktu OEM.

Urządzenie może wymagać określonego czasu pracy z powodów takich jak:

• Przenośny sprzęt medyczny

• Urządzenia śledzące GPS

• Przemysłowe urządzenia przenośne

• Produkty IoT

• Urządzenia do noszenia

• Przenośne instrumenty

• Sprzęt do komunikacji bezprzewodowej

• Robotyka

• Elektronika użytkowa

Czas pracy jest określony na podstawie pojemności większej niż podana na etykiecie akumulatora. Napięcie, pojemność, użyteczna energia, moc urządzenia, zapotrzebowanie na prąd, wydajność konwertera, temperatura i ustawienia zabezpieczeń wpływają na czas pracy urządzenia.

Proste obliczenie czasu pracy zestawu akumulatorów może zapewnić wczesne oszacowanie. Jednakże ostateczny czas pracy należy zweryfikować na podstawie rzeczywistego akumulatora, ładowarki, urządzenia głównego i warunków pracy.

Szybka odpowiedź: Jak obliczyć czas pracy akumulatora litowego?

Dla stosunkowo stabilnego obciążenia podstawowy wzór to:

Czas pracy (godziny) = Użyteczna energia akumulatora (Wh) ÷ Średnia moc urządzenia (W)

Energię baterii można oszacować jako:

Nominalna energia akumulatora (Wh) = napięcie znamionowe (V) × pojemność (Ah)

Bardziej praktyczna formuła to:

Czas pracy = napięcie znamionowe × pojemność × współczynnik energii użytkowej × sprawność systemu ÷ średnia moc obciążenia

W przypadku obciążenia prądem stałym o stabilnym prądzie można zastosować prostsze oszacowanie:

Czas pracy (godziny) = Pojemność użytkowa (Ah) ÷ Średni prąd obciążenia (A)

Metoda watogodzinowa jest na ogół bardziej odpowiednia, gdy urządzenie wykorzystuje przetwornicę napięcia lub gdy napięcie akumulatora i napięcie urządzenia różnią się.

1. Zrozumienie wartości używanych w obliczeniach czasu wykonania

Przed obliczeniem czasu działania należy określić znaczenie każdej wartości.

Napięcie nominalne

Napięcie nominalne to napięcie odniesienia używane do opisu zestawu akumulatorów.

Na przykład:

• Akumulator litowy 1S: nominalne napięcie około 3,7 V

• Akumulator litowy 2S: nominalne napięcie około 7,4 V

• Akumulator litowy 3S: nominalne napięcie około 11,1 V

• Akumulator litowy 4S: nominalne napięcie około 14,8 V

Rzeczywiste napięcie akumulatora zmienia się podczas ładowania i rozładowywania.

Pojemność znamionowa

Pojemność znamionowa jest zwykle wyrażana w:

• mAh

• Ach

Konwersja to:

1000 mAh = 1 Ah

Akumulator 7,4 V, 2000 mAh ma pojemność 2 Ah.

Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat obliczania pojemności ogniw szeregowych i równoległych, zobacz Jak obliczyć pojemność akumulatora litowo-jonowego.

Moc urządzenia

Moc urządzenia jest zwykle wyrażana w watach.

Urządzenie może posiadać:

• Średnia moc

• Ciągła moc

• Moc szczytowa

• Zasilanie w trybie gotowości

• Moc rozruchowa

Obliczenia czasu pracy powinny zwykle uwzględniać średnią moc w cyklu operacyjnym, a nie tylko maksymalną moc znamionową.

Efektywność

Utrata mocy może nastąpić w przypadku:

• Przetwornice DC-DC

• regulatory napięcia

• Kable

• Złącza

• Elementy zabezpieczające

• Opór wewnętrzny

• Obwody ładowania i zarządzania energią

Jeśli urządzenie nie wykorzystuje bezpośrednio napięcia akumulatora, należy wziąć pod uwagę wydajność systemu.

2. Oblicz energię baterii w watogodzinach

Pierwszym krokiem jest przeliczenie specyfikacji akumulatora na energię.

Podstawowa formuła to:

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

Przykład: bateria 3,7 V, 1000 mAh

Konwersja pojemności:

1000 mAh = 1 Ah

Obliczanie energii:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

Bateria zawiera około 3,7 Wh energii nominalnej.

Przykład: bateria 7,4 V, 2000 mAh

Konwersja pojemności:

2000 mAh = 2 Ah

Obliczanie energii:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Bateria zawiera około 14,8 Wh energii nominalnej.

Przykład: bateria 11,1 V, 5000 mAh

Konwersja pojemności:

5000 mAh = 5 Ah

Obliczanie energii:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Bateria zawiera około 55,5 Wh energii nominalnej.

Są to nominalne wartości energii. Energia użyteczna dostarczana do urządzenia jest zwykle niższa.

3. Zastosuj współczynnik energii użytkowej

Bateria nie zawsze może dostarczyć do urządzenia pełną energię znamionową.

Energię użytkową można zmniejszyć poprzez:

• Minimalne napięcie robocze urządzenia

• Napięcie odcięcia BMS

• Prąd rozładowania

• Niska temperatura

• Starzenie się komórek

• Opór wewnętrzny

• Wymagana moc rezerwowa

• Limity ochrony baterii

Prosty wzór na oszacowanie to:

Użyteczna energia akumulatora = Nominalna energia akumulatora × Współczynnik energii użytkowej

Współczynnik należy dobrać odpowiednio do zastosowania i warunków badania. Nie należy jej traktować jako uniwersalnej wartości stałej.

Przykład

Przypuszczać:

• Nominalna energia akumulatora: 14,8 Wh

• Współczynnik energii użytkowej: 0,85

Użyteczna energia akumulatora:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Oznacza to, że w określonych warunkach pracy może być dostępnych około 12,58 Wh przed uwzględnieniem dodatkowych strat wynikających z konwersji.

4. Oblicz czas pracy na podstawie mocy urządzenia

Dla urządzenia o w miarę stabilnym zapotrzebowaniu na moc:

Czas pracy = Użyteczna energia akumulatora ÷ Moc urządzenia

Przykład: Bateria 7,4 V, 2000 mAh zasilająca urządzenie o mocy 5 W

Specyfikacja baterii:

• Napięcie nominalne: 7,4 V

• Pojemność: 2000 mAh lub 2 Ah

• Energia nominalna: 14,8 Wh

Przypuszczać:

• Współczynnik energii użytkowej: 0,85

• Wydajność systemu: 0,90

• Średnia moc urządzenia: 5 W

Krok 1: Oblicz energię nominalną.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Krok 2: Zastosuj współczynnik energii użytkowej.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Krok 3: Zastosuj wydajność systemu.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Krok 4: Oblicz czas działania.

11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 godziny

Szacowany czas działania wynosi w przybliżeniu:

2,3 godziny

To szacunki inżynieryjne. Rzeczywisty czas pracy może być krótszy lub dłuższy w zależności od zmian obciążenia, temperatury, napięcia odcięcia i stanu akumulatora.

5. Oblicz czas pracy na podstawie prądu

Obliczenia oparte na prądzie można zastosować, gdy:

• Napięcie akumulatora jest zbliżone do napięcia urządzenia;

• Prąd obciążenia jest stosunkowo stabilny;

• Nie ma głównego etapu konwersji napięcia;

• Prąd mierzony jest od strony akumulatora.

Podstawowa formuła to:

Czas pracy = pojemność użyteczna (Ah) ÷ średni prąd (A)

Przykład: bateria 3,7 V, 1000 mAh

Przypuszczać:

• Pojemność baterii: 1000 mAh lub 1 Ah

• Średni prąd obciążenia: 0,5 A

• Współczynnik pojemności użytkowej: 0,85

Znamionowy czas pracy:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 godziny

Skorygowany czas działania:

2 godziny × 0,85 = 1,7 godziny

Szacowany czas działania wynosi w przybliżeniu:

1,7 godziny

Kiedy bieżąca metoda może wprowadzać w błąd

Obecna metoda może dawać niedokładny wynik, gdy:

• W urządzeniu zastosowano przetwornicę DC-DC;

• Napięcie akumulatora zmienia się znacząco;

• Moc obciążenia pozostaje stała podczas zmian prądu;

• Urządzenie ma zmienny cykl pracy;

• Prąd akumulatora różni się od prądu wejściowego urządzenia.

W takich przypadkach metoda watogodzinowa jest na ogół bardziej odpowiednia.

6. Użyj metody watogodzin dla regulowanych obciążeń

Wiele urządzeń elektronicznych wykorzystuje regulator lub konwerter napięcia. Napięcie akumulatora może się zmienić, podczas gdy urządzenie otrzymuje stosunkowo stabilne napięcie.

Na przykład urządzenie może wymagać napięcia 5 V z akumulatora o zakresie napięć powyżej i poniżej 5 V. Konwerter dostosowuje napięcie akumulatora do wymaganego wejścia urządzenia.

W tej sytuacji:

• Prąd akumulatora zmienia się wraz ze zmianami napięcia akumulatora;

• Wydajność konwertera wpływa na czas pracy;

• Moc urządzenia jest bardziej stabilną podstawą obliczeń.

Preferowana formuła to:

Czas pracy = energia akumulatora × wydajność ÷ moc urządzenia

Przykład: akumulator 7,4 V z konwerterem 5 V

Przypuszczać:

• Bateria: 7,4 V, 2 Ah

• Energia nominalna: 14,8 Wh

• Sprawność konwertera: 90%

• Moc urządzenia: 4 W

• Współczynnik energii użytkowej: 0,85

Energia użytkowa na urządzeniu:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Czas działania:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 godziny

Szacowany czas działania:

Około 2,8 godziny

7. Uwzględnij zmienne obciążenia urządzeń

Wiele produktów nie zużywa stałej mocy.

Urządzenie może przełączać się pomiędzy:

• Tryb uśpienia

• Tryb gotowości

• Tryb pomiaru

• Transmisja bezprzewodowa

• Praca silnika

• Obsługa wyświetlacza

• Ogrzewanie lub chłodzenie

• Wysoka wydajność przetwarzania

W takim przypadku należy obliczyć średnią moc, korzystając z profilu operacyjnego.

Moc średnia = Całkowita energia zużyta podczas cyklu ÷ Czas trwania cyklu

Lub:

Moc średnia = Suma mocy × czas dla każdego trybu pracy ÷ Czas całkowity

Przykład obciążenia zmiennego

Załóżmy, że urządzenie działa w trzech trybach:

Całkowite zużycie energii:

• Tryb uśpienia: 0,2 W × 6 godz. = 1,2 Wh

• Pomiar: 1 W × 2 godz. = 2 Wh

• Transmisja: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh

Całkowita energia:

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

Całkowity czas pracy:

6 godz. + 2 godz. + 0,5 godz. = 8,5 godz

Średnia moc:

4,7 Wh ÷ 8,5 h ≈ 0,55 W

Jeśli akumulator może dostarczyć 11,32 Wh energii użytkowej:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 godzin

Szacunek ten jest bardziej realistyczny niż przy użyciu najwyższej wartości mocy dla całego cyklu operacyjnego.

8. Weź pod uwagę prąd rozruchowy i szczytowy

Prąd szczytowy może nie zmienić znacząco średniego obliczenia energii, ale nadal może ograniczyć praktyczny czas pracy i spowodować wyłączenie akumulatora.

Zdarzenia wysokoprądowe mogą wystąpić, gdy:

• Uruchamia się silnik;

• Aktywuje się nadajnik bezprzewodowy;

• Włącza się grzejnik;

• Pompa zaczyna działać;

• Rozpoczyna się podświetlenie wyświetlacza;

• Procesor przechodzi w tryb wysokiej wydajności.

Prąd szczytowy może powodować:

• Spadek napięcia;

• Zabezpieczenie nadprądowe BMS;

• Ogrzewanie złącza;

• Wzrost temperatury ogniwa;

• Zmniejszona pojemność użytkowa;

• Nieoczekiwany reset urządzenia.

Akumulator należy dobrać zarówno do:

• Wymagana energia operacyjna;

• Wymagana wydajność prądowa.

Bateria o wystarczającej mocy, ale niewystarczającej wydajności prądowej szczytowej może nie działać niezawodnie.

9. Zrozum skutki odcięcia BMS

BMS lub obwód zabezpieczający może odłączyć akumulator, zanim będzie można wykorzystać całą energię nominalną.

Może się to zdarzyć z powodu:

• Niskie napięcie ogniwa;

• Nadprądowe;

• Zwarcie;

• Wysoka temperatura;

• Niska temperatura;

• Brak równowagi komórkowej;

• Warunki komunikacji lub usterki.

Dlatego też przy obliczaniu czasu pracy należy uwzględniać rzeczywistą energię użytkową dostępną przed odpowiednią wartością graniczną zabezpieczenia.

W przypadku pakietów wieloogniwowych brak równowagi ogniw może spowodować, że jedno ogniwo osiągnie swój limit napięcia wcześniej niż inne. Może to zmniejszyć użyteczną pojemność całego opakowania.

BMS należy wziąć pod uwagę podczas projektowania akumulatora, a nie dodawać go po określeniu docelowego czasu pracy. Omówiono szerszy związek między BMS, napięciem, pojemnością i czasem pracy Konstrukcja akumulatora litowo-jonowego: napięcie, pojemność, BMS i czas pracy.

10. Weź pod uwagę temperaturę i starzenie się baterii

Czas pracy zmienia się w zależności od warunków pracy.

Temperatura

Niska temperatura może zmniejszyć dostępną pojemność i zwiększyć rezystancję wewnętrzną. Wysoka temperatura może przyspieszyć starzenie się baterii i wpłynąć na jej długoterminową wydajność.

Szacunkowy czas działania powinien określać:

• Temperatura robocza;

• Temperatura przechowywania;

• Temperatura akumulatora podczas rozładowywania;

• Oczekiwane obciążenie;

• Wymagany okres użytkowania.

Starzenie się baterii

Dostępna pojemność akumulatora zmienia się stopniowo w trakcie jego okresu użytkowania. Jeśli urządzenie musi działać przez określony czas po miesiącach lub latach użytkowania, docelowy czas działania powinien uwzględniać rezerwę starzenia.

Na przykład producent OEM może zdefiniować:

• Początkowy docelowy czas działania;

• Minimalny czas działania po zakończeniu eksploatacji;

• Wymagana liczba cykli;

• Stan wymiany baterii.

Jeśli produkt wymaga długotrwałej niezawodności, pakietu baterii nie należy dobierać wyłącznie pod kątem wydajności przy pierwszym użyciu.

11. Przykład obliczenia czasu działania dla urządzenia OEM

Załóżmy, że urządzenie przenośne OEM wymaga:

• Bateria: 11,1 V, 5000 mAh

• Średnia moc: 8 W

• Współczynnik energii użytkowej: 0,85

• Wydajność systemu: 0,90

Krok 1: Konwertuj pojemność.

5000 mAh = 5 Ah

Krok 2: Oblicz energię nominalną.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Krok 3: Zastosuj współczynnik energii użytkowej.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Krok 4: Zastosuj wydajność systemu.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Krok 5: Oblicz czas działania.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 godziny

Szacowany czas działania:

Około 5,3 godziny

Wynik ten należy zweryfikować poprzez testy, ponieważ urządzenie może zużywać więcej energii podczas uruchamiania, komunikacji bezprzewodowej, przetwarzania danych lub w innych warunkach dużego obciążenia.

12. Dlaczego obliczony czas działania może różnić się od rzeczywistego czasu działania

Obliczony czas działania jest szacunkiem opartym na założeniach. Rzeczywisty wynik może się różnić z powodu:

• Średnia moc jest wyższa niż oczekiwano;

• Niezmierzone zużycie w trybie gotowości;

• Zmienne wzorce obciążenia;

• Tolerancja pojemności baterii;

• Efekty szybkości rozładowania;

• Temperatura;

• Opór wewnętrzny;

• odcięcie BMS;

• Wydajność konwertera;

• Straty w kablach i złączach;

• Starzenie się baterii;

• Brak równowagi komórkowej;

• Ustawienia wyłączania urządzenia.

Najlepszym sposobem na poprawę szacunków jest zmierzenie rzeczywistego urządzenia w reprezentatywnych warunkach.

Zalecane pomiary obejmują:

• napięcie po stronie akumulatora;

• Prąd po stronie akumulatora;

• Moc wejściowa urządzenia;

• Temperatura;

• Czas działania do określonego punktu odcięcia;

• Moc w każdym trybie pracy;

• Zachowanie podczas zdarzeń szczytowego obciążenia.

13. Testowanie w czasie wykonywania powinno wykorzystywać rzeczywiste urządzenie

Zestaw akumulatorów należy przetestować na rzeczywistym urządzeniu hosta lub przy reprezentatywnym obciążeniu.

Plan testów powinien określać:

• Model baterii;

• Stan naładowania akumulatora;

• Ładowarka i metoda ładowania;

• Profil operacyjny urządzenia;

• Temperatura otoczenia;

• Początkowa temperatura akumulatora;

• Stan odcięcia;

• Sprzęt pomiarowy;

• Liczba próbek testowych;

• Kryteria akceptacji środowiska wykonawczego.

Proste obciążenie o stałym oporze może nie odtwarzać zachowania prawdziwego produktu elektronicznego. Tam, gdzie to możliwe, podczas testowania należy wykorzystać rzeczywisty cykl operacyjny urządzenia.

Aby zapoznać się z szerszym planowaniem testów na poziomie pakietu, zobacz Lista kontrolna testowania pakietu baterii.

14. Jak poprawić czas pracy akumulatora

Jeśli obliczony czas działania jest zbyt krótki, zespół projektowy może ocenić:

• Zwiększenie pojemności baterii;

• Wybór ogniwa o wyższej energii;

• Zmniejszenie zużycia energii przez urządzenie;

• Poprawa wydajności konwertera;

• Zmniejszenie prądu czuwania;

• Regulacja cyklu pracy;

• Optymalizacja transmisji bezprzewodowej;

• Poprawa warunków termicznych;

• Zmniejszenie strat w kablach i złączach;

• Przeglądanie ustawień odcięcia BMS;

• Używanie innej konfiguracji szeregowo-równoległej.

Zwiększanie pojemności może zwiększyć wagę, objętość, koszt i czas ładowania baterii. Najlepsze rozwiązanie powinno równoważyć czas działania z rozmiarem, wagą, mocą i wymaganiami komercyjnymi produktu.

Aby zapoznać się z wyborem baterii na poziomie produktu, zobacz Jak wybrać akumulator litowo-jonowy do urządzenia OEM.

Lista kontrolna czasu pracy zestawu baterii litowych

Przed zatwierdzeniem szacunkowego czasu działania potwierdź:

• Napięcie znamionowe akumulatora

• Pojemność znamionowa baterii

• Pojemność przeliczona na Ah

• Nominalna energia akumulatora w Wh

• Współczynnik energii użytkowej

• Średnia moc urządzenia

• Moc szczytowa urządzenia

• Wydajność konwertera

• Tryby pracy

• Średni profil obciążenia

• Warunki odcięcia BMS

• Temperatura robocza

• Wymóg starzenia się baterii

• Kryteria akceptacji środowiska wykonawczego

• Rzeczywisty plan testów urządzenia

Często zadawane pytania

Jak obliczyć czas pracy akumulatora litowego?

Pomnóż nominalne napięcie akumulatora przez pojemność w amperogodzinach, aby otrzymać watogodziny, dostosuj energię użytkową i wydajność systemu, a następnie podziel przez średnią moc urządzenia.

Jak długo wytrzyma bateria 7,4 V, 2000 mAh?

Opakowanie zawiera około 14,8 Wh energii nominalnej. Czas działania zależy od mocy urządzenia. Przy obciążeniu 5 W teoretyczny czas pracy wynosi około 3 godziny przed uwzględnieniem strat wydajności i pojemności użytkowej.

Czy czas pracy baterii jest obliczany w mAh czy Wh?

mAh można wykorzystać, gdy napięcie akumulatora i prąd obciążenia pozostają względnie stabilne. Wh jest zwykle bardziej odpowiednie, gdy urządzenie wykorzystuje przetwornicę napięcia lub gdy porównuje się akumulatory o różnych poziomach napięcia.

Dlaczego rzeczywisty czas działania jest krótszy niż wartość obliczona?

Obliczenia mogą nie uwzględniać w pełni strat konwersji, odcięcia BMS, temperatury, prądu szczytowego, starzenia się baterii, zmiennego obciążenia i pojemności użytkowej.

Czy akumulator o większej pojemności zawsze zapewnia dłuższy czas pracy?

Zwykle akumulator o większej pojemności może zapewnić dłuższy czas pracy, jeśli napięcie i warunki pracy są porównywalne. Należy jednak wziąć pod uwagę wydajność rozładowania ogniwa, masę akumulatora, wydajność konwertera i moc urządzenia.

Jak temperatura wpływa na czas pracy baterii litowej?

Niska temperatura może zmniejszyć dostępną pojemność i zwiększyć rezystancję wewnętrzną. Wysoka temperatura może wpływać na wydajność i przyspieszać starzenie. Czas pracy należy określić przy określonej temperaturze roboczej.

Czy do obliczenia czasu pracy należy używać mocy szczytowej?

Czas pracy powinien normalnie zużywać średnią moc w całym cyklu operacyjnym. Moc szczytową należy nadal sprawdzić osobno, aby potwierdzić, że akumulator, BMS, okablowanie i złącze mogą obsłużyć tymczasowe zapotrzebowanie na wysoki prąd.

Jak mogę zweryfikować obliczenia czasu wykonania?

Przetestuj rzeczywisty zestaw akumulatorów z prawdziwym urządzeniem w reprezentatywnych trybach pracy, temperaturze i warunkach odcięcia. Porównaj zmierzone wyniki z pierwotnymi szacunkami.

Wniosek

Podstawowy wzór na czas pracy akumulatora litowego to:

Czas pracy = Użyteczna energia akumulatora ÷ Średnia moc urządzenia

Energię baterii można oszacować jako:

Energia nominalna = napięcie × pojemność

Praktyczne obliczenia powinny również uwzględniać:

• Pojemność użytkowa;

• Wydajność konwersji;

• Zmienność obciążenia;

• Prąd szczytowy;

• odcięcie BMS;

• Temperatura;

• Starzenie się baterii;

• Warunki pracy urządzenia.

Na przykład akumulator 7,4 V i 2000 mAh zawiera około 14,8 Wh energii nominalnej. Jego rzeczywisty czas pracy zależy od tego, ile tej energii może dotrzeć do urządzenia oraz ile energii pobiera ono w trakcie pełnego cyklu pracy.

Jeśli opracowujesz produkt wymagający określonego czasu pracy baterii, udostępnij profil mocy urządzenia, docelowy czas pracy, wymagane napięcie, dostępną przestrzeń i oczekiwaną wielkość produkcji zespołowi technicznemu ZERNE. ZERNE może pomóc w ocenie wymaganej pojemności i opracowaniu niestandardowego rozwiązania w zakresie akumulatorów litowych dla Twojego zastosowania OEM.