Cum se calculează durata de funcționare pentru un pachet de baterii cu litiu

Estimarea duratei de funcționare a acumulatorului cu litiu este o parte importantă a dezvoltării produselor OEM.

Un dispozitiv poate necesita un anumit timp de funcționare din motive precum:

• Echipament medical portabil

• Trackere GPS

• Dispozitive portabile industriale

• produse IoT

• purtabile

• Instrumente portabile

• Echipamente de comunicații fără fir

• Robotică

• Electronice de larg consum

Durata de funcționare este determinată de mai mult decât capacitatea imprimată pe eticheta bateriei. Tensiunea bateriei, capacitatea, energia utilizabilă, puterea dispozitivului, cererea curentă, eficiența convertorului, temperatura și setările de protecție, toate influențează durata de funcționare a dispozitivului.

Un simplu calcul al duratei de funcționare a acumulatorului poate oferi o estimare timpurie. Cu toate acestea, timpul final de funcționare ar trebui verificat folosind bateria, încărcătorul, dispozitivul gazdă și condițiile de funcționare reale.

Răspuns rapid: Cum se calculează durata de funcționare a acumulatorului cu litiu?

Pentru o sarcină relativ stabilă, formula de bază este:

Durată de funcționare (ore) = Energia utilizabilă a bateriei (Wh) ÷ Puterea medie a dispozitivului (W)

Energia bateriei poate fi estimată ca:

Energia nominală a bateriei (Wh) = Tensiune nominală (V) × Capacitate (Ah)

O formulă mai practică este:

Timp de funcționare = Tensiune nominală × Capacitate × Factorul de energie utilă × Eficiența sistemului ÷ Puterea medie de sarcină

Pentru o sarcină de curent continuu cu curent stabil, poate fi utilizată o estimare mai simplă:

Timp de funcționare (ore) = Capacitate utilă (Ah) ÷ Curent mediu de sarcină (A)

Metoda wat-oră este în general mai potrivită atunci când dispozitivul utilizează un convertor de tensiune sau când tensiunea bateriei și tensiunea dispozitivului sunt diferite.

1. Înțelegeți valorile utilizate în calculele de rulare

Înainte de a calcula durata de funcționare, identificați semnificația fiecărei valori.

Tensiune nominală

Tensiunea nominală este tensiunea de referință folosită pentru a descrie acumulatorul.

De exemplu:

• Pachet de baterii cu litiu 1S: aproximativ 3,7 V nominal

• Acumulator 2S cu litiu: aproximativ 7,4 V nominal

• Acumulator 3S cu litiu: aproximativ 11,1 V nominal

• Acumulator 4S cu litiu: aproximativ 14,8 V nominal

Tensiunea reală a bateriei se modifică în timpul încărcării și descărcării.

Capacitate nominală

Capacitatea nominală este exprimată în mod normal în:

• mAh

• Ah

Conversia este:

1000 mAh = 1 Ah

O baterie de 7,4 V, 2000 mAh are o capacitate de 2 Ah.

Pentru detalii despre calcularea capacității din celulele serie și paralele, consultați Cum se calculează capacitatea acumulatorului litiu-ion.

Puterea dispozitivului

Puterea dispozitivului este în mod normal exprimată în wați.

Un dispozitiv poate avea:

• Putere medie

• Putere continuă

• Putere de vârf

• Putere de așteptare

• Putere de pornire

Calculele timpului de funcționare ar trebui să utilizeze în mod normal puterea medie pe parcursul ciclului de funcționare, nu doar puterea nominală maximă.

Eficienţă

Puterea se poate pierde în:

• convertoare DC-DC

• Regulatoare de tensiune

• Cabluri

• Conectori

• Componente de protectie

• Rezistenta interioara

• Circuite de încărcare și de gestionare a puterii

Eficiența sistemului trebuie luată în considerare atunci când dispozitivul nu utilizează direct tensiunea bateriei.

2. Calculați energia bateriei în wați-oră

Primul pas este să convertiți specificațiile bateriei în energie.

Formula de bază este:

Energia bateriei (Wh) = Tensiune nominală (V) × Capacitate (Ah)

Exemplu: baterie de 3,7 V, 1000 mAh

Conversie capacitate:

1000 mAh = 1 Ah

Calcul energetic:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

Bateria conține aproximativ 3,7 Wh de energie nominală.

Exemplu: baterie de 7,4 V, 2000 mAh

Conversie capacitate:

2000 mAh = 2 Ah

Calcul energetic:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Bateria conține aproximativ 14,8 Wh de energie nominală.

Exemplu: baterie de 11,1 V, 5000 mAh

Conversie capacitate:

5000 mAh = 5 Ah

Calcul energetic:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Bateria conține aproximativ 55,5 Wh de energie nominală.

Acestea sunt valori energetice nominale. Energia utilizabilă furnizată dispozitivului este în mod normal mai mică.

3. Aplicați un factor de energie utilizabilă

O baterie nu poate furniza întotdeauna energia nominală completă dispozitivului.

Energia utilizabilă poate fi redusă prin:

• Tensiunea minimă de funcționare a dispozitivului

• Tensiune de întrerupere BMS

• Curent de descărcare

• Temperatură scăzută

• Îmbătrânirea celulară

• Rezistenta interioara

• Capacitate de rezervă necesară

• Limitele de protecție a bateriei

O formulă simplă de estimare este:

Energia utilizabilă a bateriei = Energia nominală a bateriei × Factor de energie utilizabilă

Factorul trebuie selectat în funcție de condițiile de aplicare și de testare. Nu ar trebui tratată ca o valoare fixă ​​universală.

Exemplu

Presupunem:

• Energia nominală a bateriei: 14,8 Wh

• Factor de energie utilizabilă: 0,85

Energia utilizabilă a bateriei:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Aceasta înseamnă că aproximativ 12,58 Wh pot fi disponibile în condițiile de operare definite înainte de a lua în considerare pierderi suplimentare de conversie.

4. Calculați durata de rulare din puterea dispozitivului

Pentru un dispozitiv cu o cerere de putere relativ stabilă:

Timp de funcționare = Energia utilizabilă a bateriei ÷ Puterea dispozitivului

Exemplu: baterie de 7,4 V, 2000 mAh care alimentează un dispozitiv de 5 W

Specificații baterie:

• Tensiune nominală: 7,4 V

• Capacitate: 2000 mAh sau 2 Ah

• Energie nominala: 14,8 Wh

Presupunem:

• Factor de energie utilizabilă: 0,85

• Eficiența sistemului: 0,90

• Puterea medie a dispozitivului: 5 W

Pasul 1: Calculați energia nominală.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Pasul 2: Aplicați factorul de energie utilizabilă.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Pasul 3: Aplicați eficiența sistemului.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Pasul 4: Calculați timpul de rulare.

11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 ore

Timpul de rulare estimat este de aproximativ:

2,3 ore

Aceasta este o estimare de inginerie. Durata reală de funcționare poate fi mai scurtă sau mai lungă, în funcție de variația sarcinii, temperatură, tensiunea de întrerupere și starea bateriei.

5. Calculați durata de rulare din curent

Un calcul bazat pe curent poate fi utilizat atunci când:

• Tensiunea bateriei este apropiată de tensiunea dispozitivului;

• Curentul de sarcină este relativ stabil;

• Nu există o etapă majoră de conversie a tensiunii;

• Curentul este măsurat din partea bateriei.

Formula de bază este:

Timp de funcționare = Capacitate utilă (Ah) ÷ Curent mediu (A)

Exemplu: baterie de 3,7 V, 1000 mAh

Presupunem:

• Capacitate baterie: 1000 mAh sau 1 Ah

• Curent mediu de sarcină: 0,5 A

• Factor de capacitate utilă: 0,85

Timp de rulare evaluat:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 ore

Timp de rulare ajustat:

2 ore × 0,85 = 1,7 ore

Timpul de rulare estimat este de aproximativ:

1,7 ore

Când metoda curentă poate fi înșelătoare

Metoda actuală poate produce un rezultat inexact atunci când:

• Dispozitivul folosește un convertor DC-DC;

• Tensiunea bateriei se modifică semnificativ;

• Puterea de sarcină rămâne constantă în timp ce curentul se modifică;

• Dispozitivul are un ciclu de lucru variabil;

• Curentul bateriei este diferit de curentul de intrare al dispozitivului.

În aceste cazuri, metoda wat-oră este în general mai potrivită.

6. Utilizați metoda Watt-oră pentru sarcini reglate

Multe dispozitive electronice folosesc un regulator de tensiune sau un convertor. Tensiunea bateriei se poate modifica în timp ce dispozitivul primește o tensiune relativ stabilă.

De exemplu, un dispozitiv poate necesita 5 V de la un pachet de baterii cu o gamă de tensiune mai mare și sub 5 V. Un convertor ajustează tensiunea bateriei la intrarea necesară a dispozitivului.

In aceasta situatie:

• Curentul bateriei se modifică pe măsură ce tensiunea bateriei se modifică;

• Eficiența convertorului afectează timpul de rulare;

• Puterea dispozitivului este o bază mai stabilă pentru calcul.

Formula preferată este:

Timp de funcționare = Energia bateriei × Eficiență ÷ Puterea dispozitivului

Exemplu: baterie de 7,4 V cu un convertor de 5 V

Presupunem:

• Baterie: 7,4 V, 2 Ah

• Energie nominala: 14,8 Wh

• Eficiența convertorului: 90%

• Puterea dispozitivului: 4 W

• Factor de energie utilizabilă: 0,85

Energia utilizabilă la dispozitiv:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Timp de rulare:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 ore

Timp de rulare estimat:

Aproximativ 2,8 ore

7. Luați în considerare încărcările variabile ale dispozitivelor

Multe produse nu consumă energie constantă.

Un dispozitiv poate comuta între:

• Modul de repaus

• Modul standby

• Mod de măsurare

• Transmisie fără fir

• Funcționarea motorului

• Funcționarea afișajului

• Încălzire sau răcire

• Prelucrare de înaltă performanță

În acest caz, calculați puterea medie folosind profilul de funcționare.

Putere medie = Energia totală utilizată în timpul ciclului ÷ Durata ciclului

Sau:

Puterea medie = Suma puterii × timp pentru fiecare mod de operare ÷ Timp total

Exemplu de încărcare variabilă

Să presupunem că un dispozitiv funcționează în trei moduri:

Energia totală utilizată:

• Somn: 0,2 W × 6 h = 1,2 Wh

• Măsurare: 1 W × 2 h = 2 Wh

• Transmisie: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh

Energia totala:

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

Durata totala de functionare:

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

Putere medie:

4,7 Wh ÷ 8,5 h ≈ 0,55 W

Dacă bateria poate furniza 11,32 Wh de energie utilizabilă:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 ore

Această estimare este mai realistă decât utilizarea celei mai mari valori de putere pentru întregul ciclu de funcționare.

8. Luați în considerare pornirea și curentul de vârf

Este posibil ca curentul de vârf să nu modifice în mod semnificativ calculul energiei medii, dar poate limita totuși durata de funcționare practică și poate cauza oprirea bateriei.

Evenimentele de mare curent pot apărea atunci când:

• Un motor pornește;

• Se activează un transmițător fără fir;

• Se pornește un încălzitor;

• O pompă începe să funcționeze;

• Se pornește o iluminare de fundal a afișajului;

• Un procesor intră într-un mod de înaltă performanță.

Curentul de vârf poate provoca:

• Căderea de tensiune;

• protectie la supracurent BMS;

• Incalzire conector;

• Creșterea temperaturii celulei;

• Capacitate utilă redusă;

• Resetare neașteptată a dispozitivului.

Bateria trebuie selectată pentru ambele:

• Energia necesara de functionare;

• Capacitate curentă necesară.

Este posibil ca o baterie cu suficienți wați-oră, dar cu o capacitate insuficientă de curent de vârf, să nu opereze dispozitivul în mod fiabil.

9. Înțelegeți efectul BMS Cutoff

Un BMS sau un circuit de protecție poate deconecta bateria înainte ca toată energia nominală să poată fi utilizată.

Acest lucru se poate întâmpla din cauza:

• Tensiune scăzută a celulei;

• Supracurent;

• Scurt-circuit;

• Temperatură ridicată;

• Temperatură scăzută;

• dezechilibru celular;

• Condiții de comunicare sau defecțiune.

Prin urmare, calculul duratei de funcționare ar trebui să utilizeze energia reală utilizabilă disponibilă înainte de limita de protecție relevantă.

Pentru pachetele cu mai multe celule, dezechilibrul celulei poate face ca o celulă să-și atingă limita de tensiune înaintea celorlalte. Acest lucru poate reduce capacitatea utilizabilă a întregului pachet.

BMS-ul trebuie luat în considerare în timpul proiectării bateriei, nu adăugat după ce ținta de funcționare a fost deja definită. Relația mai largă dintre BMS, tensiune, capacitate și durata de funcționare este acoperită Design pachet baterie litiu-ion: tensiune, capacitate, BMS și timp de funcționare.

10. Luați în considerare temperatura și îmbătrânirea bateriei

Timpul de funcționare se modifică în funcție de condițiile de funcționare.

Temperatură

Temperatura scăzută poate reduce capacitatea disponibilă și crește rezistența internă. Temperatura ridicată poate accelera îmbătrânirea bateriei și poate afecta performanța pe termen lung.

Estimarea timpului de rulare ar trebui să specifice:

• Temperatura de functionare;

• Temperatura de depozitare;

• Temperatura bateriei în timpul descărcării;

• Sarcina așteptată;

• Durata de viață necesară.

Îmbătrânirea bateriei

Capacitatea disponibilă a bateriei se modifică treptat pe parcursul duratei de viață. Dacă dispozitivul trebuie să funcționeze pentru un timp definit după luni sau ani de utilizare, ținta de funcționare ar trebui să includă o rezervă de vechime.

De exemplu, un OEM poate defini:

• țintă inițială de rulare;

• Timp de funcționare minim la sfârșitul vieții;

• Număr de cicluri necesar;

• Stare de înlocuire a bateriei.

Un acumulator nu trebuie dimensionat doar pentru performanța la prima utilizare dacă produsul necesită fiabilitate pe termen lung.

11. Exemplu de calcul al timpului de rulare pentru un dispozitiv OEM

Să presupunem că un dispozitiv portabil OEM necesită:

• Baterie: 11,1 V, 5000 mAh

• Putere medie: 8 W

• Factor de energie utilizabilă: 0,85

• Eficiența sistemului: 0,90

Pasul 1: convertiți capacitatea.

5000 mAh = 5 Ah

Pasul 2: Calculați energia nominală.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Pasul 3: Aplicați factorul de energie utilizabilă.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Pasul 4: Aplicați eficiența sistemului.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Pasul 5: Calculați timpul de rulare.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 ore

Timp de rulare estimat:

Aproximativ 5,3 ore

Acest rezultat ar trebui verificat prin testare, deoarece dispozitivul poate consuma mai multă energie în timpul pornirii, comunicării fără fir, procesării datelor sau altor condiții de încărcare mare.

12. De ce durata de rulare calculată poate diferi de durata de rulare reală

Un timp de rulare calculat este o estimare bazată pe ipoteze. Rezultatul real poate diferi din cauza:

• Puterea medie fiind mai mare decât se aștepta;

• Consum nemăsurat în standby;

• Modele de încărcare variabile;

• Toleranța capacității bateriei;

• Efectele ratei de descărcare;

• Temperatură;

• Rezistenta interioara;

• Limitare BMS;

• Eficiența convertorului;

• Pierderi de cabluri și conectori;

• Îmbătrânirea bateriei;

• dezechilibru celular;

• Setări de oprire a dispozitivului.

Cea mai bună modalitate de a îmbunătăți estimarea este măsurarea dispozitivului real în condiții reprezentative.

Măsurătorile recomandate includ:

• Tensiune pe partea bateriei;

• curent pe partea bateriei;

• Puterea de intrare a dispozitivului;

• Temperatură;

• Timp de rulare până la limita definită;

• Putere în timpul fiecărui mod de funcționare;

• Comportament în timpul evenimentelor de vârf.

13. Testarea timpului de rulare ar trebui să utilizeze dispozitivul real

Un pachet de baterii trebuie testat cu dispozitivul gazdă real sau cu o sarcină reprezentativă.

Planul de testare ar trebui să definească:

• Model de baterie;

• Starea de încărcare a bateriei;

• Incarcator si metoda de incarcare;

• Profilul de operare al dispozitivului;

• Temperatura mediului ambiant;

• Temperatura inițială a bateriei;

• Stare de tăiere;

• Echipamente de măsurare;

• Numărul de probe de testare;

• Criterii de acceptare la runtime.

Este posibil ca o simplă sarcină cu rezistență constantă să nu reproducă comportamentul unui produs electronic real. Acolo unde este posibil, testarea ar trebui să utilizeze ciclul real de funcționare al dispozitivului.

Pentru o planificare mai largă a testelor la nivel de pachet, consultați Lista de verificare a testării pachetului de baterii.

14. Cum să îmbunătățiți durata de funcționare a acumulatorului

Dacă timpul de rulare calculat este prea scurt, echipa de proiectare poate evalua:

• Creșterea capacității bateriei;

• Selectarea unei celule cu energie mai mare;

• Reducerea consumului de energie al dispozitivului;

• Îmbunătățirea eficienței convertorului;

• Reducerea curentului de așteptare;

• Reglarea ciclului de lucru;

• Optimizarea transmisiei wireless;

• Îmbunătățirea condițiilor termice;

• Reducerea pierderilor de cablu și conector;

• Revizuirea setărilor de oprire BMS;

• Folosind o configurație serie-paralelă diferită.

Creșterea capacității poate crește greutatea bateriei, volumul, costul și timpul de încărcare. Cea mai bună soluție ar trebui să echilibreze durata de funcționare cu dimensiunea, greutatea, puterea și cerințele comerciale ale produsului.

Pentru selecția bateriei la nivel de produs, consultați Cum să alegeți un pachet de baterii reîncărcabile litiu-ion pentru un dispozitiv OEM.

Lista de verificare a duratei de funcționare a bateriei cu litiu

Înainte de a aproba o estimare a duratei de execuție, confirmați:

• Tensiunea nominală a bateriei

• Capacitate nominală a bateriei

• Capacitate transformată în Ah

• Energia nominală a bateriei în Wh

• Factorul de energie utilizabilă

• Puterea medie a dispozitivului

• Puterea de vârf a dispozitivului

• Eficiența convertizorului

• Moduri de operare

• Profil de sarcină medie

• Condiții de deconectare a BMS

• Temperatura de functionare

• Cerință de îmbătrânire a bateriei

• Criterii de acceptare la runtime

• Planul real de testare a dispozitivului

FAQ

Cum calculez durata de funcționare a bateriei cu litiu?

Înmulțiți tensiunea nominală a bateriei cu capacitatea în amperi-oră pentru a obține wați-oră, ajustați pentru energia utilizabilă și eficiența sistemului, apoi împărțiți la puterea medie a dispozitivului.

Cât va dura o baterie de 7,4 V, 2000 mAh?

Pachetul conține aproximativ 14,8 Wh de energie nominală. Timpul de funcționare depinde de puterea dispozitivului. La o sarcină de 5 W, timpul de funcționare teoretic este de aproximativ 3 ore înainte ca eficiența și pierderile de capacitate utilizabilă să fie luate în considerare.

Durata de funcționare a bateriei este calculată folosind mAh sau Wh?

mAh poate fi utilizat atunci când tensiunea bateriei și curentul de sarcină rămân relativ stabile. Wh este de obicei mai potrivit atunci când dispozitivul utilizează un convertor de tensiune sau când se compară bateriile cu diferite niveluri de tensiune.

De ce durata reală de rulare este mai scurtă decât valoarea calculată?

Este posibil ca calculul să nu ia în considerare pe deplin pierderile de conversie, întreruperea BMS, temperatura, curentul de vârf, îmbătrânirea bateriei, sarcina variabilă și capacitatea utilizabilă.

O baterie de capacitate mai mare oferă întotdeauna o durată de funcționare mai lungă?

De obicei, o baterie de capacitate mai mare poate oferi mai multă durată de funcționare dacă tensiunea și condițiile de funcționare sunt comparabile. Cu toate acestea, trebuie luate în considerare și performanța de descărcare a celulei, greutatea bateriei, eficiența convertorului și puterea dispozitivului.

Cum afectează temperatura durata de funcționare a bateriei cu litiu?

Temperatura scăzută poate reduce capacitatea disponibilă și crește rezistența internă. Temperatura ridicată poate afecta performanța și accelera îmbătrânirea. Timpul de funcționare trebuie specificat la o temperatură de funcționare definită.

Ar trebui utilizată puterea de vârf pentru a calcula durata de funcționare?

Timpul de funcționare ar trebui să utilizeze în mod normal puterea medie pe parcursul ciclului de funcționare. Puterea de vârf trebuie totuși verificată separat pentru a confirma că bateria, BMS, cablajul și conectorul pot suporta cerere temporară de curent ridicat.

Cum pot verifica un calcul al timpului de rulare?

Testați acumulatorul real cu dispozitivul real în moduri de funcționare reprezentative, temperatură și condiții de întrerupere. Comparați rezultatele măsurate cu estimarea inițială.

Concluzie

Formula de bază a duratei de funcționare a bateriei cu litiu este:

Timp de funcționare = Energia utilizabilă a bateriei ÷ Puterea medie a dispozitivului

Energia bateriei poate fi estimată ca:

Energia nominală = Tensiune × Capacitate

Un calcul practic ar trebui să țină seama și de:

• Capacitate utilă;

• Eficiența conversiei;

• Variația sarcinii;

• Curent de vârf;

• Limitare BMS;

• Temperatură;

• Îmbătrânirea bateriei;

• Condiții de funcționare a dispozitivului.

De exemplu, o baterie de 7,4 V, 2000 mAh conține aproximativ 14,8 Wh de energie nominală. Timpul său real de funcționare depinde de cât de mult din acea energie poate ajunge la dispozitiv și de câtă energie consumă dispozitivul în timpul întregului său ciclu de funcționare.

Dacă dezvoltați un produs care necesită o anumită durată de funcționare a bateriei, împărtășiți cu echipa tehnică ZENE profilul de putere al dispozitivului, timpul de funcționare țintă, tensiunea necesară, spațiul disponibil și cantitatea de producție așteptată. ZENE poate ajuta la evaluarea capacității necesare și la dezvoltarea unei soluții personalizate de pachet de baterii cu litiu pentru aplicația dumneavoastră OEM.