Как правильно выбрать LiPo аккумулятор для вашего устройства: напряжение, емкость, размер и ток разряда

Выбор подходящего аккумулятора LiPo – это не просто вопрос поиска блока с таким же напряжением или максимально доступным номиналом мАч. Аккумулятор должен одновременно удовлетворять четырем требованиям: его напряжение должно соответствовать системе питания устройства, его емкость должна обеспечивать требуемое время автономной работы, готовая упаковка должна безопасно помещаться в доступном пространстве, а ее разрядная способность должна покрывать как нормальный, так и пиковый ток.

Несоответствие в любой из этих областей может привести к короткому времени автономной работы, неожиданным отключениям, чрезмерному падению напряжения, перегреву, несовместимости зарядки или механическому воздействию на аккумуляторный элемент.

Самый надежный подход — сначала определить требования к устройству, а затем выбрать или настроить батарею с учетом этих требований. В этом руководстве объясняется, как работают вместе напряжение, емкость, размер и ток разряда, а также как превратить характеристики устройства в практические требования к LiPo-батареям.

Ключевые выводы

• Подберите устройство к полному диапазону рабочего напряжения аккумулятора, а не только к его номинальному напряжению.

• Оцените емкость на основе измеренного среднего тока и требуемого времени работы, затем учтите потери преобразования, напряжение отключения, температуру, старение и рабочий запас.

• Проверьте размеры всего аккумуляторного блока, включая PCM, изоляцию, провода, разъем, допуски и необходимый механический зазор.

• Записывайте непрерывный ток, пиковый ток, длительность импульса и частоту импульса отдельно.

• Текущая способность готового блока ограничена его самым слабым компонентом, которым может быть элемент, схема защиты, провод, разъем или межсоединение.

• Батарея большей емкости обычно больше и тяжелее; батарея с более высоким напряжением или более высоким разрядом может также потребовать внесения изменений в зарядное устройство и силовую электронику.

• Окончательный выбор должен быть подтвержден на реальном устройстве в наиболее сложных ожидаемых условиях эксплуатации.

Краткий обзор выбора LiPo-аккумулятора

Начните с требований к устройству, а не с каталога батарей

Прежде чем сравнивать модели, соберите информацию, которая определяет электрические и механические требования устройства:

• Допустимый диапазон входного напряжения батареи

• Характеристики существующего зарядного устройства или микросхемы зарядки

• Средний рабочий ток

• Максимальный непрерывный ток

• Запуск, остановка двигателя, радиопередача, нагрев или другой пиковый ток

• Продолжительность и частота каждого пика тока

• Требуемое время работы на одном заряде

• Максимальные размеры батарейного отсека

• Максимально допустимый вес батареи

• Тип разъема, полярность, длина провода и направление выхода провода

• Требуемые функции защиты

• Диапазоны температур зарядки и эксплуатации

• Целевой срок службы и уровень надежности

Для существующего продукта лучшими отправными точками являются исходные характеристики батареи и измерения, проведенные на ее клеммах. Напряжение, указанное на внешнем адаптере питания или двигателе, не обязательно соответствует напряжению, требуемому для подключения аккумулятора.

Стандартные модели могут быть проверены через литиевый полимерный аккумулятор , но номер модели сам по себе не может подтвердить совместимость с конкретным устройством.

Выберите правильное напряжение LiPo батареи

Напряжение следует определять до мощности и размера, поскольку неправильное напряжение может сделать все остальные характеристики неактуальными.

Соответствие полному рабочему диапазону

Обычный аккумулятор LiPo обычно рассчитан на номинальное напряжение 3,7 В и достигает примерно 4,2 В при полной зарядке. Последовательное соединение ячеек увеличивает напряжение батареи.

Эти цифры относятся к обычным LiPo-элементам напряжением 4,2 В. Высоковольтные элементы LiPo могут иметь номинальное напряжение около 3,8–3,87 В и ограничение заряда 4,35 В или 4,4 В. Всегда используйте точную спецификацию элемента и упаковки.

Три точки напряжения должны соответствовать устройству:

1. Напряжение полной зарядки: устройство должно выдерживать самое высокое напряжение, создаваемое аккумулятором.

2. Номинальное напряжение: энергосистема должна эффективно работать при нормальном рабочем напряжении.

3. Напряжение конца разряда: устройство и схема защиты должны отключиться до того, как уровень заряда элементов упадет ниже указанного предела.

Устройство, описанное как работающее при напряжении 7,4 В, на самом деле может нуждаться в работе примерно от 8,4 В после зарядки до расчетного уровня отключения при низком напряжении. Для оборудования, спроектированного на основе этого двухэлементного диапазона, Аккумулятор LiPo 7,4 В является подходящей стартовой категорией, но зарядное устройство и электронные компоненты также должны быть совместимы со всем диапазоном напряжений.

Не изменяйте количество ячеек без проверки системы питания.

Замена батареи 1S на блок 2S увеличивает номинальное напряжение более чем в два раза. Также меняется:

• Максимальное напряжение при полной зарядке

• Требуемое зарядное напряжение

• Условия эксплуатации силового преобразователя

• Настройки отключения по низкому напряжению

• Конфигурация цепи защиты

• Напряжение напряжения на нагрузке

Поэтому аккумулятор более высокого напряжения следует рассматривать как модернизацию энергосистемы, а не просто модернизацию батареи.

Рассчитайте необходимую емкость LiPo аккумулятора

Емкость, обычно выражаемая в миллиампер-часах, указывает, какой заряд может обеспечить аккумулятор в определенных условиях испытаний. Это в первую очередь влияет на время работы, но также влияет на размер, вес, время зарядки и доступный ток.

Сначала оцените средний ток

Не используйте пиковый ток устройства в качестве среднего тока. GPS-трекер, беспроводной датчик, медицинский монитор или устройство IoT могут переключаться между несколькими режимами работы.

Средний ток можно оценить как:

Средний ток = Σ (Ток в каждом режиме × Продолжительность времени в этом режиме)

Например, если устройство потребляет ток 40 мА в течение 90 % времени и 500 мА в течение 10 % времени:

Средний ток = (40 мА × 0,90) + (500 мА × 0,10) = 86 мА

Измерения фактического рабочего цикла более надежны, чем оценки, основанные только на технических характеристиках компонентов.

Рассчитайте идеальную емкость

Когда батарея напрямую питает устройство и ток достаточно стабилен:

Идеальная емкость (Ач) = Средний ток батареи (А) × Требуемое время работы (ч)

Если устройство потребляет в среднем 0,8 А и должно работать четыре часа:

0,8 А × 4 ч = 3,2 Ач или 3200 мАч

Это идеальное начальное значение, а не окончательный выбор. Требуемая номинальная мощность должна быть выше с учетом:

• Потери преобразования постоянного тока в постоянный

• Защита аккумулятора и потребление в режиме ожидания

• Емкость недоступна ниже напряжения отключения устройства.

• Меньшая производительность при низких температурах или высоких скоростях разряда.

• Старение аккумулятора в течение предполагаемого срока службы

• Толерантность к клеточному производству

• Разумный операционный резерв

Не существует универсального резервного процента для каждого продукта. Недорогой потребительский аксессуар, промышленный датчик и портативное медицинское устройство могут требовать совершенно разных запасов времени работы.

Используйте ватт-часы при сравнении различных напряжений

Не следует использовать одни лишь миллиампер-часы для сравнения батарей с различным номинальным напряжением.

Энергию аккумулятора можно оценить как:

Энергия аккумулятора (Втч) = Номинальное напряжение (В) × Емкость (Ач)

Аккумулятор 3,7 В, 2000 мАч хранит около 7,4 Втч, а аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч — около 14,8 Втч. Они имеют одинаковый номинал мАч, но не одинаковое напряжение или энергию.

Когда устройство использует регулируемую шину питания, оценка потребления в ватт-часах часто дает более четкий результат:

Энергия идеальной нагрузки (Втч) = Средняя мощность устройства (Вт) × Время работы (ч)

Выбранная батарея должна обеспечивать энергию, превышающую эту идеальную, после учета эффективности преобразования, полезного диапазона разряда, температуры и старения.

Более высокая емкость не означает автоматически лучшее

Батарея большего размера может увеличить время автономной работы, но она также может:

• Превысить доступный отсек

• Увеличить вес продукта

• Продлить время зарядки

• Требуется зарядное устройство большей емкости или другая тепловая конструкция.

• Измените центр тяжести продукта

• Увеличение стоимости

Выбирайте достаточную емкость для достижения определенного целевого времени работы и надежности, а не просто выбирайте максимальное доступное значение мАч.

Какой размер LiPo-аккумулятора вам нужен?

Правильный размер батареи LiPo — это наименьшая готовая упаковка, которая безопасно соответствует требованиям по напряжению, времени автономной работы и току. Физическое соответствие следует оценивать с помощью чертежа с размерами, а не номинального описания продукта.

Измерьте полный диапазон заряда батареи

Запишите максимально допустимое:

• Толщина

• Ширина

• Длина

• Зона выхода проводов и вкладок

• Расположение разъема

• Радиус изгиба кабеля

• Зазор для установки и снятия

Размеры готовой упаковки могут быть больше, чем размеры ячейки без упаковки. Полный конверт может включать в себя:

• ПКМ или БМС

• NTC и дополнительные чувствительные провода

• Изоляционная лента

• Защитные чехлы для досок

• Пенопласт или амортизирующий материал

• Приварные вкладки

• Силовые провода

• Корпус разъема

Убедитесь, что размеры на чертеже поставщика описывают голый элемент или всю сборку.

Разрешить изменение допуска и толщины

Чехол LiPo не является жестким корпусом. Его толщина может меняться в зависимости от уровня заряда и постепенно увеличиваться по мере старения аккумулятора. Поэтому в батарейном отсеке должны быть предусмотрены механические допуски, указанные производителем.

Избегать:

• Принудительное вставление аккумулятора в узкий слот

• Применение неравномерного давления на пакет

• Размещение острых ребер, винтов или компонентов печатной платы напротив него.

• Складывание или захват вкладок ячеек

• Использование сумки в качестве структурной опоры

• Прокладка проводов там, где корпус может их защемить

Если толщина является основным ограничением, тонкая литий-полимерная батарея может обеспечить более подходящую геометрию. Однако уменьшение толщины может потребовать большей занимаемой площади или меньшей производительности, в зависимости от конструкции.

Не оценивайте вес только по мАч

Емкость и вес взаимосвязаны, но не существует фиксированного значения грамм на мАч, применимого к каждой батарее LiPo. Вес также зависит от:

• Клеточная химия и плотность энергии

• Конструкция электрода и мешка

• Количество ячеек

• Защитная электроника

• Провода и разъемы

• Армирование или внешний корпус

Используйте указанный вес полной упаковки и подтвердите его с помощью образцов, если баланс продукта или общий вес устройства имеют решающее значение.

Определите необходимый ток разряда

Ток разряда описывает, какой ток должна отдавать батарея без чрезмерного пропадания напряжения, нагрева или прерывания цепи защиты.

Четыре значения нагрузки следует записать отдельно:

• Средний рабочий ток

• Максимальный непрерывный ток

• Пиковый или импульсный ток

• Пиковая продолжительность и частота повторения

Примеры пиковых нагрузок включают запуск двигателя, включение насоса, беспроводную передачу данных, переключение нагревательных элементов, работу яркого дисплея и задачи, интенсивно использующие процессор.

Рассчитайте текущие возможности по рейтингу C

Рейтинг C выражает силу тока относительно емкости аккумулятора:

Номинальный ток (А) = Емкость (Ач) × Номинал C

Например, аккумулятор емкостью 2500 мАч — это 2,5 Ач. Если он имеет подтвержденный непрерывный рейтинг 2C:

2,5 Ач × 2C = длительный ток 5 А

Обратный расчет помогает оценить необходимый рейтинг C:

Требуемый рейтинг C = Требуемый ток (А) ÷ Емкость (Ач)

Если батарея емкостью 2 Ач должна непрерывно подавать ток 4 А, для приложения требуется непрерывная мощность не менее 2 С, прежде чем учитывать дополнительный расчетный запас.

Более полное объяснение расчета и разницы между непрерывными и пакетными значениями доступно в руководстве по LiPo аккумулятор с рейтингом C.

Проверьте весь текущий путь

Номинал разряда элемента не является автоматически текущим рейтингом готовой упаковки. Практический предел устанавливается участком текущего пути с наименьшим номиналом:

• LiPo элемент

• ПКМ или БМС

• МОП-транзисторы и токоизмерительные компоненты

• Вкладки ячеек и сварные соединения

• Сечение и длина провода

• Разъем и контакты

• Следы печатной платы

• Тепловой расчет

Ячейка, рассчитанная на ток 10 А, не может выдавать ток 10 А через защитную плату или разъем, рассчитанный всего на 3 А.

Порог защиты также должен находиться выше нормальных рабочих пиков. В противном случае исправная батарея может отключиться при каждом запуске двигателя или активации передатчика. В то же время порог должен по-прежнему защищать аккумулятор и устройство от аномальной перегрузки по току и коротких замыканий.

Учет провалов напряжения и температуры

Батарея может соответствовать номинальному току в лаборатории и все равно вызывать отключение устройства, если ее напряжение упадет ниже значения отключения устройства во время пиковой нагрузки.

Провал напряжения обычно становится более значительным, когда аккумулятор:

• Ближе к концу разряда

• Холодный

• В возрасте

• Работа при высоком токе

• Подключается через длинные или недостаточно сечение провода

• Используется с разъемом с высоким сопротивлением.

Поэтому текущая способность должна быть подтверждена при самом низком ожидаемом уровне заряда и во всем диапазоне рабочих температур продукта, а не только при использовании новой, полностью заряженной батареи при комнатной температуре.

Как подобрать LiPo аккумулятор к двигателю

Не выбирайте батарею только по номинальному току двигателя. Система с приводом от двигателя также включает в себя контроллер двигателя, механическую нагрузку, условия запуска, возможный ток опрокидывания и потери при преобразовании мощности.

Подтверждать:

1. Диапазон напряжения, принимаемый контроллером двигателя

2. Нормальный ток при реальной механической нагрузке

3. Пусковой и максимальный переходный ток

4. Срыв или блокировка ротора

5. Продолжительность и повторение сильноточных событий

6. Настройки защиты и возможности разъема

Ток следует измерять на входе батареи во время реальной работы. Испытание двигателя на холостом ходу может существенно занизить востребованность готового устройства.

Оцените четыре основных параметра вместе

Напряжение, емкость, размер и ток разряда не могут быть определены независимо.

Если ни один из доступных аккумуляторов не удовлетворяет всем четырем требованиям, может потребоваться изменение отсека, целевого времени автономной работы, профиля нагрузки, схемы зарядки или конструкции аккумулятора.

Проверьте оставшиеся требования к интеграции

После того, как четыре основных параметра определены, просмотрите спецификации, которые определяют, может ли батарея работать безопасно и надежно в готовом изделии.

Химический состав батареи и предел заряда

Подтвердите, является ли элемент обычным LiPo на 4,2 В или высоковольтным. Микросхема зарядки, максимальное зарядное напряжение, режим предварительной зарядки, ток завершения и метод контроля температуры должны соответствовать выбранному аккумулятору.

PCM, BMS и измерение температуры

В зависимости от упаковки и применения может потребоваться защита:

• Завышение цены

• Чрезмерная разрядка

• Сверхток разряда

• Перегрузка по току зарядки

• Короткое замыкание

• Высокая и низкая температура

• Балансировка ячеек для многоячеечных пакетов

Нормальная нагрузка устройства не должна вызывать срабатывание этих пределов защиты.

Разъем, полярность и проводка

Два разъема, которые физически подходят, не обязательно электрически совместимы. Подтверждать:

• Производитель разъема и номер детали

• Количество контактов

• Положительное и отрицательное положение штифтов

• Калибр проволоки

• Длина провода

• Направление выхода провода

• Номинальный ток разъема

• Дополнительные NTC или провода связи

Никогда не делайте вывод о полярности только по цвету провода или форме разъема.

Операционная среда

На производительность и срок службы аккумулятора влияют температура, вибрация, удары, влажность, давление и тепло, выделяемое близлежащими компонентами. Параметры элемента, упаковки, корпуса и защиты должны соответствовать реальной среде эксплуатации устройства.

Требования к продукту и рынку

Определите применимые требования к безопасности, транспортировке и конечному продукту на ранних этапах проекта. Необходимая документация и тестирование зависят от конфигурации батареи, целевого рынка, применения и способа доставки.

Пример рабочего выбора

Рассмотрим портативное инспекционное устройство со следующими предварительными требованиями:

Процесс отбора будет следующим:

1. Напряжение: Обычный аккумулятор 2S LiPo обеспечивает номинальное напряжение 7,4 В и примерно 8,4 В при полной зарядке, что соответствует заявленному входному диапазону.

2. Емкость: идеальный расчет дает 0,8 А × 4 ч = 3,2 Ач. Окончательная номинальная мощность должна быть выше после учета потерь преобразования, поведения при отключении, производительности в холодных условиях, старения и резерва времени работы проекта.

3. Ток разряда: элемент, схема защиты, провода и разъем должны выдерживать не менее 0,8 А непрерывно и указанный импульсный ток 3,5 А в течение двух секунд без чрезмерного проседания или срабатывания защиты.

4. Размер: Вся защищенная упаковка, а не только элементы, должна помещаться в конверт размером 10 × 60 × 90 мм с необходимым зазором.

5. Совместимость: зарядное устройство должно поддерживать обычный аккумулятор 2S LiPo и соответствующий профиль зарядки.

6. Подтверждение: образцы-кандидаты следует оценивать в устройстве при полной зарядке, вблизи точки отключения устройства, во время пикового тока 3,5 А и при ожидаемой низкой рабочей температуре.

Этот процесс позволяет получить обоснованную спецификацию батареи. При этом не предполагается, что любая батарея с маркировкой «7,4 В, 3200 мАч» будет работать автоматически.

Распространенные ошибки при выборе LiPo-аккумулятора

Информация для отправки поставщику аккумуляторов LiPo

Полезные требования к батарее должны включать:

• Устройство и применение

• Требуемая химия

• Номинальное и максимальное напряжение аккумулятора

• Диапазон входного напряжения устройства

• Средний рабочий ток

• Максимальный непрерывный ток

• Пиковый ток, продолжительность и частота

• Требуемое время выполнения

• Максимальные размеры готовой упаковки

• Максимальный вес аккумулятора

• Номер детали разъема и полярность

• Калибр провода, длина и положение выхода

• Требования PCM/BMS и NTC

• Зарядное напряжение и ток

• Температура эксплуатации и хранения

• Ожидаемый срок службы или срок службы

• Требуемые сертификаты или протоколы испытаний

• Прототип и объемы производства

• Условия, которым должен удовлетворять образец в устройстве

Предоставление этой информации более полезно, чем запрос только «литий-полимерной батареи 3,7 В, 2000 мАч». Если стандартная модель не может удовлетворить совокупным электрическим и механическим требованиям, Индивидуальные аккумуляторные решения могут включать требуемые размеры элемента, схемы защиты, разъема, проводки и упаковки в одну спецификацию.

Заключение

Правильный аккумулятор LiPo — это тот, который полностью соответствует эксплуатационным требованиям устройства, а не просто аккумулятор с максимальной емкостью или максимально близкими физическими размерами.

Начните с диапазона напряжения устройства и измеренного профиля нагрузки. Рассчитайте емкость, необходимую для целевого времени работы, проверьте непрерывный и пиковый ток разряда, а также проверьте размеры всей защищенной упаковки. Полярность разъема, совместимость с зарядкой, температура, настройки защиты и механический зазор должны быть подтверждены до завершения проектирования.

Когда эти требования оцениваются вместе, выбранная батарея с большей вероятностью будет обеспечивать ожидаемое время работы, оставаться стабильной при пиковых нагрузках, безопасно помещаться внутри продукта и стабильно работать на протяжении всего предполагаемого срока службы.

Часто задаваемые вопросы

Какой размер LiPo-аккумулятора мне нужен?

Вам нужен самый маленький готовый аккумулятор LiPo, который соответствует требуемому напряжению, времени автономной работы, а также постоянному и пиковому току, оставляя при этом достаточно места для установки.

Измерьте имеющуюся толщину, ширину и длину, затем учтите PCM, изоляцию, провода, разъем, допуски на размеры и необходимый припуск на толщину ячейки мешочка. Не выбирайте батарею только по размерам голых ячеек.

Могу ли я заменить батарею LiPo на батарею с большей емкостью мАч?

Батарея большей емкости может подойти, если ее химический состав, количество ячеек, диапазон напряжения, разъем, полярность, защита и требования к зарядке остаются совместимыми с устройством.

Он также должен надежно подходить по размеру и оставаться в пределах допустимого веса. Зарядка аккумулятора с большей емкостью может занять больше времени, если существующий зарядный ток остается неизменным.

Могу ли я использовать аккумулятор LiPo с более высоким рейтингом C?

Более высокий подтвержденный рейтинг C не приводит к увеличению тока в устройстве; нагрузка потребляет необходимый ток. Поэтому может быть приемлемо, если характеристики напряжения, емкости, размера, разъема, защиты и зарядки совместимы.

Однако рейтинг C не следует оценивать изолированно. Текущие возможности готового блока по-прежнему ограничены PCM/BMS, проводами, разъемами, соединениями и температурой.

Могу ли я использовать аккумулятор LiPo с другим напряжением?

Нет, если только входной диапазон устройства, зарядное устройство, схема защиты и силовая электроника не рассчитаны на новое напряжение. Даже если номинальное напряжение кажется близким, напряжение полной зарядки может превысить предел устройства.

При замене батареи следует использовать исходный химический состав и количество элементов, если только не планируется перепроектировать всю систему питания.

Как подобрать аккумулятор LiPo к двигателю?

Подберите батарею к допустимому диапазону напряжения контроллера мотора и к току системы, измеренному при реальной механической нагрузке. Укажите пусковой ток, максимальный длительный ток, возможные условия остановки, длительность импульса, а также возможности схемы защиты, проводов и разъема.

Ток холостого хода двигателя недостаточен для выбора аккумулятора.

Сколько весит LiPo аккумулятор?

Не существует универсального веса для данного номинала мАч. Вес зависит от напряжения, емкости, конструкции элемента, плотности энергии, количества элементов, защитной электроники, проводки, разъема и корпуса.

Используйте полный вес упаковки, указанный на чертеже поставщика, и подтвердите его с помощью образцов, представляющих производство, если вес или баланс продукта важны.

Какой аккумулятор LiPo выбрать для портативного устройства?

Начните с приемлемого напряжения аккумулятора устройства, измеренного среднего и пикового тока, необходимого времени автономной работы, доступного места для аккумулятора, зарядного устройства, разъема и условий эксплуатации. Эти требования будут определять соответствующее количество ячеек, емкость, номинальный ток, размеры и конфигурацию защиты.