Como calcular o tempo de execução de uma bateria de lítio

Estimar o tempo de execução da bateria de lítio é uma parte importante do desenvolvimento de produtos OEM.

Um dispositivo pode exigir um tempo de operação específico por motivos como:

• Equipamento médico portátil

• Rastreadores GPS

• Dispositivos portáteis industriais

• Produtos IoT

• Vestíveis

• Instrumentos portáteis

• Equipamento de comunicação sem fio

• Robótica

• Eletrônicos de consumo

O tempo de execução é determinado por mais do que a capacidade impressa na etiqueta da bateria. A tensão, capacidade, energia utilizável, potência do dispositivo, demanda de corrente, eficiência do conversor, temperatura e configurações de proteção de uma bateria influenciam por quanto tempo o dispositivo pode operar.

Um cálculo simples do tempo de execução da bateria pode fornecer uma estimativa antecipada. No entanto, o tempo final de operação deve ser verificado usando a bateria, o carregador, o dispositivo host e as condições operacionais reais.

Resposta rápida: Como você calcula o tempo de execução da bateria de lítio?

Para uma carga relativamente estável, a fórmula básica é:

Tempo de execução (horas) = ​​Energia utilizável da bateria (Wh) ÷ Potência média do dispositivo (W)

A energia da bateria pode ser estimada como:

Energia nominal da bateria (Wh) = Tensão nominal (V) × Capacidade (Ah)

Uma fórmula mais prática é:

Tempo de execução = Tensão nominal × Capacidade × Fator de energia utilizável × Eficiência do sistema ÷ Potência média de carga

Para uma carga de corrente contínua com corrente estável, uma estimativa mais simples pode ser usada:

Tempo de execução (horas) = ​​Capacidade utilizável (Ah) ÷ Corrente média de carga (A)

O método watt-hora é geralmente mais adequado quando o dispositivo usa um conversor de voltagem ou quando a voltagem da bateria e a voltagem do dispositivo são diferentes.

1. Compreenda os valores usados ​​nos cálculos de tempo de execução

Antes de calcular o tempo de execução, identifique o significado de cada valor.

Tensão Nominal

A tensão nominal é a tensão de referência usada para descrever a bateria.

Por exemplo:

• Bateria de lítio 1S: aproximadamente 3,7 V nominal

• Bateria de lítio 2S: aproximadamente 7,4 V nominal

• Bateria de lítio 3S: aproximadamente 11,1 V nominal

• Bateria de lítio 4S: aproximadamente 14,8 V nominal

A tensão real da bateria muda durante o carregamento e descarregamento.

Capacidade nominal

A capacidade nominal é normalmente expressa em:

• mAh

• Ah

A conversão é:

1000mAh = 1Ah

Uma bateria de 7,4 V e 2.000 mAh tem capacidade de 2 Ah.

Para obter detalhes sobre como calcular a capacidade de células em série e paralelas, consulte Como calcular a capacidade da bateria de íons de lítio.

Potência do dispositivo

A potência do dispositivo é normalmente expressa em watts.

Um dispositivo pode ter:

• Potência média

• Potência contínua

• Potência máxima

• Energia em espera

• Poder de inicialização

Os cálculos de tempo de execução normalmente devem usar a potência média durante o ciclo operacional, e não apenas a potência máxima nominal.

Eficiência

A energia pode ser perdida em:

• Conversores DC-DC

• Reguladores de tensão

• Cabos

• Conectores

• Componentes de proteção

• Resistência interna

• Circuitos de carregamento e gerenciamento de energia

A eficiência do sistema deve ser considerada quando o dispositivo não utiliza diretamente a tensão da bateria.

2. Calcule a energia da bateria em Watt-hora

O primeiro passo é converter a especificação da bateria em energia.

A fórmula básica é:

Energia da bateria (Wh) = Tensão nominal (V) × Capacidade (Ah)

Exemplo: bateria de 3,7 V, 1000 mAh

Conversão de capacidade:

1000mAh = 1Ah

Cálculo de energia:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

A bateria contém aproximadamente 3,7 Wh de energia nominal.

Exemplo: bateria de 7,4 V, 2.000 mAh

Conversão de capacidade:

2.000mAh = 2Ah

Cálculo de energia:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

A bateria contém aproximadamente 14,8 Wh de energia nominal.

Exemplo: bateria de 11,1 V, 5000 mAh

Conversão de capacidade:

5000mAh = 5Ah

Cálculo de energia:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

A bateria contém aproximadamente 55,5 Wh de energia nominal.

Estes são valores nominais de energia. A energia utilizável entregue ao dispositivo é normalmente menor.

3. Aplique um fator de energia utilizável

Uma bateria nem sempre pode fornecer toda a sua energia nominal ao dispositivo.

A energia utilizável pode ser reduzida por:

• Tensão mínima de operação do dispositivo

• Tensão de corte BMS

• Corrente de descarga

• Baixa temperatura

• Envelhecimento celular

• Resistência interna

• Capacidade de reserva necessária

• Limites de proteção da bateria

Uma fórmula de estimativa simples é:

Energia utilizável da bateria = Energia nominal da bateria × Fator de energia utilizável

O fator deve ser selecionado de acordo com as condições de aplicação e teste. Não deve ser tratado como um valor fixo universal.

Exemplo

Assumir:

• Energia nominal da bateria: 14,8 Wh

• Fator de energia utilizável: 0,85

Energia utilizável da bateria:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Isto significa que aproximadamente 12,58 Wh podem estar disponíveis sob as condições operacionais definidas antes de considerar perdas de conversão adicionais.

4. Calcule o tempo de execução da energia do dispositivo

Para um dispositivo com demanda de energia relativamente estável:

Tempo de execução = Energia utilizável da bateria ÷ Energia do dispositivo

Exemplo: bateria de 7,4 V, 2.000 mAh alimentando um dispositivo de 5 W

Especificação da bateria:

• Tensão nominal: 7,4 V

• Capacidade: 2.000 mAh ou 2 Ah

• Energia nominal: 14,8 Wh

Assumir:

• Fator de energia utilizável: 0,85

• Eficiência do sistema: 0,90

• Potência média do dispositivo: 5 W

Etapa 1: Calcule a energia nominal.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Passo 2: Aplique o fator de energia utilizável.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Etapa 3: Aplicar a eficiência do sistema.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Etapa 4: Calcule o tempo de execução.

11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 horas

O tempo de execução estimado é aproximadamente:

2,3 horas

Esta é uma estimativa de engenharia. O tempo de execução real pode ser menor ou maior dependendo da variação da carga, temperatura, tensão de corte e condição da bateria.

5. Calcule o tempo de execução a partir do atual

Um cálculo baseado em corrente pode ser usado quando:

• A tensão da bateria está próxima da tensão do dispositivo;

• A corrente de carga é relativamente estável;

• Não há estágio importante de conversão de tensão;

• A corrente é medida do lado da bateria.

A fórmula básica é:

Tempo de execução = Capacidade utilizável (Ah) ÷ Corrente média (A)

Exemplo: bateria de 3,7 V, 1000 mAh

Assumir:

• Capacidade da bateria: 1000 mAh ou 1 Ah

• Corrente média de carga: 0,5 A

• Fator de capacidade utilizável: 0,85

Tempo de execução avaliado:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 horas

Tempo de execução ajustado:

2 horas × 0,85 = 1,7 horas

O tempo de execução estimado é aproximadamente:

1,7 horas

Quando o método atual pode ser enganoso

O método atual pode produzir um resultado impreciso quando:

• O dispositivo usa um conversor DC-DC;

• A voltagem da bateria muda significativamente;

• A potência da carga permanece constante enquanto a corrente muda;

• O dispositivo possui um ciclo de trabalho variável;

• A corrente da bateria é diferente da corrente de entrada do dispositivo.

Nestes casos, o método watt-hora é geralmente mais apropriado.

6. Use o método Watt-hora para cargas reguladas

Muitos dispositivos eletrônicos usam um regulador ou conversor de tensão. A voltagem da bateria pode mudar enquanto o dispositivo recebe uma voltagem relativamente estável.

Por exemplo, um dispositivo pode exigir 5 V de uma bateria com uma faixa de tensão acima e abaixo de 5 V. Um conversor ajusta a tensão da bateria à entrada necessária do dispositivo.

Nesta situação:

• A corrente da bateria muda conforme a tensão da bateria muda;

• A eficiência do conversor afeta o tempo de execução;

• A potência do dispositivo é uma base de cálculo mais estável.

A fórmula preferida é:

Tempo de execução = Energia da bateria × Eficiência ÷ Potência do dispositivo

Exemplo: Bateria de 7,4 V com conversor de 5 V

Assumir:

• Bateria: 7,4 V, 2 Ah

• Energia nominal: 14,8 Wh

• Eficiência do conversor: 90%

• Potência do dispositivo: 4 W

• Fator de energia utilizável: 0,85

Energia utilizável no dispositivo:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Tempo de execução:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 horas

Tempo de execução estimado:

Aproximadamente 2,8 horas

7. Conta para cargas variáveis ​​de dispositivos

Muitos produtos não consomem energia constante.

Um dispositivo pode alternar entre:

• Modo de suspensão

• Modo de espera

• Modo de medição

• Transmissão sem fio

• Operação motora

• Operação de exibição

• Aquecimento ou resfriamento

• Processamento de alto desempenho

Neste caso, calcule a potência média utilizando o perfil operacional.

Potência média = Energia total utilizada durante o ciclo ÷ Duração do ciclo

Ou:

Potência média = Soma da potência × tempo para cada modo de operação ÷ Tempo total

Exemplo de carga variável

Suponha que um dispositivo opere em três modos:

Energia total utilizada:

• Sono: 0,2 W × 6 h = 1,2 Wh

• Medição: 1 W × 2 h = 2 Wh

• Transmissão: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh

Energia total:

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

Tempo total de operação:

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

Potência média:

4,7 Wh ÷ 8,5 h ≈ 0,55 W

Se a bateria puder fornecer 11,32 Wh de energia utilizável:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 horas

Esta estimativa é mais realista do que utilizar o valor de potência mais elevado para todo o ciclo operacional.

8. Considere a inicialização e a corrente de pico

A corrente de pico pode não alterar significativamente o cálculo da energia média, mas ainda pode limitar o tempo de execução prático e causar o desligamento da bateria.

Eventos de alta corrente podem ocorrer quando:

• Um motor dá partida;

• Um transmissor sem fio é ativado;

• Um aquecedor é ligado;

• Uma bomba começa a funcionar;

• Uma luz de fundo da tela é iniciada;

• Um processador entra em modo de alto desempenho.

A corrente de pico pode causar:

• Queda de tensão;

• Proteção contra sobrecorrente BMS;

• Aquecimento do conector;

• Aumento da temperatura celular;

• Capacidade útil reduzida;

• Reinicialização inesperada do dispositivo.

A bateria deve ser selecionada para ambos:

• Energia operacional necessária;

• Capacidade atual necessária.

Uma bateria com watt-hora suficiente, mas com capacidade de corrente de pico insuficiente, pode não operar o dispositivo de maneira confiável.

9. Compreenda o efeito do corte do BMS

Um BMS ou circuito de proteção pode desconectar a bateria antes que toda a energia nominal possa ser usada.

Isso pode acontecer por causa de:

• Baixa tensão celular;

• Sobrecorrente;

• Curto-circuito;

• Alta temperatura;

• Baixa temperatura;

• Desequilíbrio celular;

• Condições de comunicação ou falha.

O cálculo do tempo de funcionamento deve, portanto, utilizar a energia utilizável real disponível antes do limite de proteção relevante.

Para pacotes multicélulas, o desequilíbrio celular pode fazer com que uma célula atinja seu limite de tensão antes das outras. Isto pode reduzir a capacidade útil de todo o pacote.

O BMS deve ser considerado durante o projeto da bateria, e não adicionado depois que a meta de tempo de execução já tiver sido definida. A relação mais ampla entre BMS, tensão, capacidade e tempo de execução é abordada em Projeto da bateria de íons de lítio: tensão, capacidade, BMS e tempo de execução.

10. Considere a temperatura e o envelhecimento da bateria

O tempo de execução muda com as condições operacionais.

Temperatura

A baixa temperatura pode reduzir a capacidade disponível e aumentar a resistência interna. A alta temperatura pode acelerar o envelhecimento da bateria e afetar o desempenho a longo prazo.

A estimativa de tempo de execução deve especificar:

• Temperatura operacional;

• Temperatura de armazenamento;

• Temperatura da bateria durante a descarga;

• Carga esperada;

• Vida útil necessária.

Envelhecimento da bateria

A capacidade disponível de uma bateria muda gradualmente durante sua vida útil. Se o dispositivo precisar operar por um período definido após meses ou anos de uso, a meta de tempo de execução deverá incluir uma reserva de envelhecimento.

Por exemplo, um OEM pode definir:

• Alvo de tempo de execução inicial;

• Tempo mínimo de execução em fim de vida;

• Contagem de ciclos necessária;

• Condição de substituição da bateria.

Uma bateria não deve ser dimensionada apenas para seu desempenho na primeira utilização se o produto exigir confiabilidade a longo prazo.

11. Exemplo de cálculo de tempo de execução para um dispositivo OEM

Suponha que um dispositivo portátil OEM exija:

• Bateria: 11,1V, 5000mAh

• Potência média: 8 W

• Fator de energia utilizável: 0,85

• Eficiência do sistema: 0,90

Etapa 1: converter capacidade.

5000mAh = 5Ah

Etapa 2: Calcule a energia nominal.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Etapa 3: Aplicar o fator de energia utilizável.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Etapa 4: Aplicar a eficiência do sistema.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Etapa 5: Calcule o tempo de execução.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 horas

Tempo de execução estimado:

Aproximadamente 5,3 horas

Este resultado deve ser verificado através de testes porque o dispositivo pode consumir mais energia durante a inicialização, comunicação sem fio, processamento de dados ou outras condições de carga elevada.

12. Por que o tempo de execução calculado pode ser diferente do tempo de execução real

Um tempo de execução calculado é uma estimativa baseada em suposições. O resultado real pode ser diferente devido a:

• Potência média superior ao esperado;

• Consumo em standby não medido;

• Padrões de carga variáveis;

• Tolerância de capacidade da bateria;

• Efeitos da taxa de descarga;

• Temperatura;

• Resistência interna;

• Corte do BMS;

• Eficiência do conversor;

• Perdas em cabos e conectores;

• Envelhecimento da bateria;

• Desequilíbrio celular;

• Configurações de desligamento do dispositivo.

A melhor maneira de melhorar a estimativa é medir o dispositivo real sob condições representativas.

As medidas recomendadas incluem:

• Tensão do lado da bateria;

• Corrente do lado da bateria;

• Potência de entrada do dispositivo;

• Temperatura;

• Tempo de execução até o corte definido;

• Potência durante cada modo de operação;

• Comportamento durante eventos de pico de carga.

13. O teste de tempo de execução deve usar o dispositivo real

Uma bateria deve ser testada com o dispositivo host real ou com uma carga representativa.

O plano de teste deve definir:

• Modelo de bateria;

• Estado de carga da bateria;

• Carregador e método de carregamento;

• Perfil operacional do dispositivo;

• Temperatura ambiente;

• Temperatura inicial da bateria;

• Condição de corte;

• Equipamentos de medição;

• Número de amostras de teste;

• Critérios de aceitação em tempo de execução.

Uma simples carga de resistência constante pode não reproduzir o comportamento de um produto eletrônico real. Sempre que possível, os testes devem utilizar o ciclo operacional real do dispositivo.

Para um planejamento mais amplo de testes em nível de pacote, consulte Lista de verificação de teste de bateria.

14. Como melhorar o tempo de execução da bateria

Se o tempo de execução calculado for muito curto, a equipe de design poderá avaliar:

• Aumentando a capacidade da bateria;

• Selecionando uma célula de maior energia;

• Reduzindo o consumo de energia do dispositivo;

• Melhorar a eficiência do conversor;

• Reduzindo a corrente de espera;

• Ajustando o ciclo de trabalho;

• Otimizando a transmissão sem fio;

• Melhorar as condições térmicas;

• Redução de perdas em cabos e conectores;

• Revisão das configurações de corte do BMS;

• Usando uma configuração série-paralelo diferente.

Aumentar a capacidade pode aumentar o peso, o volume, o custo e o tempo de carregamento da bateria. A melhor solução deve equilibrar o tempo de execução com o tamanho, peso, potência e requisitos comerciais do produto.

Para seleção de bateria em nível de produto, consulte Como escolher uma bateria recarregável de íons de lítio para um dispositivo OEM.

Lista de verificação de tempo de execução da bateria de lítio

Antes de aprovar uma estimativa de tempo de execução, confirme:

• Tensão nominal da bateria

• Capacidade nominal da bateria

• Capacidade convertida em Ah

• Energia nominal da bateria em Wh

• Fator de energia utilizável

• Potência média do dispositivo

• Potência de pico do dispositivo

• Eficiência do conversor

• Modos de operação

• Perfil de carga média

• Condições de corte do BMS

• Temperatura operacional

• Requisito de envelhecimento da bateria

• Critérios de aceitação de tempo de execução

• Plano de teste de dispositivo real

Perguntas frequentes

Como calculo o tempo de execução da bateria de lítio?

Multiplique a tensão nominal da bateria pela capacidade em amperes-hora para obter watt-hora, ajuste a energia utilizável e a eficiência do sistema e divida pela potência média do dispositivo.

Quanto tempo dura uma bateria de 7,4 V e 2.000 mAh?

O pacote contém aproximadamente 14,8 Wh de energia nominal. O tempo de execução depende da potência do dispositivo. A uma carga de 5 W, o tempo de execução teórico é de cerca de 3 horas antes que as perdas de eficiência e capacidade útil sejam consideradas.

A duração da bateria é calculada usando mAh ou Wh?

O mAh pode ser usado quando a tensão da bateria e a corrente de carga permanecem relativamente estáveis. O que geralmente é mais apropriado quando o dispositivo utiliza um conversor de tensão ou ao comparar baterias com diferentes níveis de tensão.

Por que o tempo de execução real é menor que o valor calculado?

O cálculo pode não levar em conta totalmente as perdas de conversão, corte do BMS, temperatura, corrente de pico, envelhecimento da bateria, carga variável e capacidade utilizável.

Uma bateria de maior capacidade sempre proporciona maior autonomia?

Normalmente, uma bateria de maior capacidade pode fornecer mais autonomia se a tensão e as condições de operação forem comparáveis. Entretanto, o desempenho de descarga da célula, o peso da bateria, a eficiência do conversor e a potência do dispositivo também devem ser considerados.

Como a temperatura afeta o tempo de execução da bateria de lítio?

A baixa temperatura pode reduzir a capacidade disponível e aumentar a resistência interna. A alta temperatura pode afetar o desempenho e acelerar o envelhecimento. O tempo de execução deve ser especificado em uma temperatura operacional definida.

A potência de pico deve ser usada para calcular o tempo de execução?

O tempo de execução normalmente deve usar potência média durante o ciclo operacional. A potência de pico ainda deve ser verificada separadamente para confirmar se a bateria, o BMS, a fiação e o conector podem suportar a demanda temporária de alta corrente.

Como posso verificar um cálculo de tempo de execução?

Teste a bateria real com o dispositivo real sob modos de operação representativos, temperatura e condições de corte. Compare os resultados medidos com a estimativa original.

Conclusão

A fórmula básica de tempo de execução da bateria de lítio é:

Tempo de execução = Energia utilizável da bateria ÷ Potência média do dispositivo

A energia da bateria pode ser estimada como:

Energia nominal = Tensão × Capacidade

Um cálculo prático também deve levar em conta:

• Capacidade utilizável;

• Eficiência de conversão;

• Variação de carga;

• Corrente de pico;

• Corte do BMS;

• Temperatura;

• Envelhecimento da bateria;

• Condições de operação do dispositivo.

Por exemplo, uma bateria de 7,4 V e 2.000 mAh contém aproximadamente 14,8 Wh de energia nominal. Seu tempo real de operação depende de quanto dessa energia pode chegar ao dispositivo e de quanta energia o dispositivo consome durante seu ciclo operacional completo.

Se você estiver desenvolvendo um produto que requer uma autonomia de bateria específica, compartilhe o perfil de potência do dispositivo, tempo de operação alvo, tensão necessária, espaço disponível e quantidade de produção esperada com a equipe técnica da ZERNE. A ZERNE pode ajudar a avaliar a capacidade necessária e desenvolver uma solução personalizada de bateria de lítio para sua aplicação OEM.