Как рассчитать емкость аккумуляторной батареи 18650 и время работы

Чтобы рассчитать емкость и время работы аккумуляторной батареи 18650, необходимо учитывать емкость элемента, последовательную и параллельную конфигурацию, номинальное напряжение, мощность устройства, эффективность системы и полезную энергию.

Основные формулы:

Емкость упаковки (Ач) = Емкость ячейки (Ач) × Число параллельных вычислений

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

Расчетное время работы (ч) = Полезная энергия аккумулятора (Втч) × КПД системы ÷ Мощность устройства (Вт)

Например, аккумуляторный блок 3S2P с элементами 18650 емкостью 3000 мАч имеет:

• Номинальное напряжение: 11,1 В

• Емкость: 6 Ач

• Номинальная энергия: 66,6 Втч

Если устройство потребляет 10 Вт и эффективность системы составляет 90 %, теоретическое время работы составляет примерно 5,99 часа с учетом резервной емкости, старения батареи, температуры и отключения напряжения.

Эти расчеты дают первоначальную оценку. Фактическое время работы должно быть подтверждено путем тестирования с целевым оборудованием и профилем нагрузки. Эта проверка должна включать как нагрузочное тестирование на уровне упаковки, так и проверки на уровне ячейки, описанные в разделе Емкость аккумулятора 18650 и проверка работоспособности.

Краткий справочник: емкость аккумуляторной батареи 18650 и время работы

В следующих примерах используются элементы емкостью 3000 мАч и номинальное напряжение элемента 3,7 В.

Для устройства мощностью 10 Вт с эффективностью системы 90 %:

Эти результаты предполагают, что доступна полная номинальная мощность. При практическом использовании доступное время работы может быть меньше из-за прекращения разряда, температуры, старения, преобразования напряжения и изменений нагрузки.

Эти эталонные значения полезны для проверки формул перед вводом пользовательской конфигурации.

Что означают мАч и Ач?

Преобразование мАч и Ач

Емкость аккумулятора обычно выражается в миллиампер-часах, или мАч, и ампер-часах, или Ач.

Преобразование это:

1 Ач = 1000 мАч

Примеры:

• 2000 мАч = 2 Ач

• 2600 мАч = 2,6 Ач

• 3000 мАч = 3 Ач

• 3500 мАч = 3,5 Ач

При расчете аккумуляторной батареи обычно проще сначала перевести емкость элемента из мАч в Ач.

Например:

3000 мАч ÷ 1000 = 3 Ач

Показатель емкости показывает, какой электрический заряд может передать элемент в определенных условиях испытаний. Он не указывает напрямую напряжение аккумулятора, максимальный ток или время работы. Общие диапазоны емкости 18650 и разница между емкостью и током разряда приведены в таблице. сколько мАч в аккумуляторе 18650.

Емкость не совпадает с током

Элемент емкостью 3000 мАч не выдает автоматически ток 3 А или 30 А. Емкость и ток разряда имеют разные характеристики.

Текущие возможности ячейки зависят от:

• Конструкция ячейки

• Внутреннее сопротивление

• Непрерывный разряд

• Пиковый разряд

• Температура

• BMS и ограничения проводки

Емкость используется для оценки того, как долго батарея может работать под нагрузкой. Текущие возможности определяют, может ли ячейка безопасно выдерживать такую ​​нагрузку.

Как последовательные и параллельные соединения влияют на емкость

Для расчета мощности ключевое различие простое: Последовательные и параллельные соединения аккумуляторов 18650 определяют, как напряжение, емкость и ток распределяются по аккумулятору.

• Последовательные соединения увеличивают напряжение.

• Параллельное соединение увеличивает пропускную способность.

• Последовательные соединения не увеличивают емкость в ампер-часах.

• Параллельное соединение не увеличивает номинальное напряжение группы ячеек.

Емкость в серийной упаковке

Когда идентичные элементы соединены последовательно, напряжение складывается, в то время как емкость в ампер-часах остается такой же, как у одной ячейки в последовательной цепочке.

Например, используя элементы емкостью 3000 мАч:

• 1S1P: 3,7 В, 3 Ач

• 2S1P: 7,4 В, 3 Ач

• 3S1P: 11,1 В, 3 Ач

• 4S1P: 14,8 В, 3 Ач

Энергия увеличивается, потому что увеличивается напряжение:

11,1 В × 3 Ач = 33,3 Втч

Емкость в параллельном пакете

Когда идентичные элементы соединяются параллельно, напряжение остается на уровне номинального напряжения одной ячейки, а емкость в ампер-часах увеличивается.

Использование ячеек емкостью 3000 мАч:

• 1S1P: 3,7 В, 3 Ач

• 1S2P: 3,7 В, 6 Ач

• 1S3P: 3,7 В, 9 Ач

Таким образом, количество параллельных вычислений является основным фактором, используемым при расчете емкости упаковки.

Примеры 3S1P, 3S2P и 3S3P

Использование элементов емкостью 3000 мАч, 3,7 В:

3С1П

• Всего три ячейки

• Три группы серий

• Одна ячейка в каждой группе

• Номинальное напряжение: 11,1 В

• Емкость: 3 Ач

• Энергия: 33,3 Втч

3С2П

• Всего шесть ячеек

• Три группы серий

• Две ячейки параллельно в каждой группе

• Номинальное напряжение: 11,1 В

• Емкость: 6 Ач

• Энергия: 66,6 Втч

3С3П

• Всего девять ячеек

• Три группы серий

• Три ячейки параллельно в каждой группе

• Номинальное напряжение: 11,1 В

• Емкость: 9 Ач

• Энергия: 99,9 Втч

Конфигурацию 3S обычно описывают как литий-ионный аккумулятор класса 12 В; тот Пример аккумуляторной батареи 12 В 18650 показывает, как связаны количество серий, номинальное напряжение и количество ячеек.

Как рассчитать емкость аккумуляторной батареи 18650

Базовая формула емкости:

Емкость упаковки (Ач) = Емкость ячейки (Ач) × Число параллельных вычислений

Для ячеек емкостью 3000 мАч:

Количество серий не отображается в формуле емкости, поскольку последовательные соединения в основном влияют на напряжение.

Если используется другая емкость ячейки, результат соответственно изменится.

Например, пакет 3S2P с элементами емкостью 3500 мАч имеет:

3,5 Ач × 2 = 7 Ач

Номинальное напряжение блока по-прежнему составляет примерно 11,1 В, но его емкость увеличивается с 6 Ач до 7 Ач по сравнению с блоком 3S2P, использующим элементы емкостью 3000 мАч.

Как рассчитать энергию аккумуляторной батареи в Втч

Емкость в Ач не говорит вам об общей энергии, если не включено напряжение.

Энергетическая формула:

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

Примеры:

3S1P с элементами емкостью 3000 мАч

11,1 В × 3 Ач = 33,3 Втч

3S2P с элементами емкостью 3000 мАч

11,1 В × 6 Ач = 66,6 Втч

3S3P с элементами емкостью 3000 мАч

11,1 В × 9 Ач = 99,9 Втч

При сравнении различных конфигураций аккумуляторов ватт-часы обычно более полезны, чем ампер-часы, поскольку они включают в себя как напряжение, так и емкость.

Например, аккумулятор 3,7 В, 6 Ач и аккумулятор 11,1 В, 6 Ач не сохраняют одинаковое количество энергии:

• 3,7 В × 6 Ач = 22,2 Втч

• 11,1 В × 6 Ач = 66,6 Втч

Напряжение всегда должно быть включено в расчет.

Как рассчитать энергопотребление устройства

Для расчета времени работы требуется потребляемая мощность устройства.

Если мощность устройства уже указана в ваттах, используйте это значение напрямую.

Если указаны напряжение и ток устройства, используйте:

Мощность устройства (Вт) = Напряжение устройства (В) × Ток устройства (А)

Например:

• Входное напряжение устройства: 12 В

• Рабочий ток: 1,5 А

12 В × 1,5 А = 18 Вт

Затем расчетное время работы можно рассчитать, исходя из энергии аккумулятора и нагрузки 18 Вт.

Переменные нагрузки и рабочие циклы

Многие устройства не потребляют постоянного количества энергии. GPS-трекер, беспроводное устройство, медицинский инструмент или роботизированная система могут иметь разные режимы работы.

Практическая оценка должна учитывать:

• Пусковая мощность

• Непрерывная рабочая мощность

• Резервное питание

• Пики двигателя или привода

• Периоды беспроводной передачи

• Активность дисплея или датчика

• Рабочий цикл

Для переменной нагрузки используйте среднюю мощность, а не максимальное значение кратковременной мощности.

Например, если устройство потребляет 12 Вт во время активной работы, но половину времени остается в режиме ожидания 2 Вт, его средняя мощность будет ниже 12 Вт. Использование только максимальной нагрузки может привести к недооценке времени автономной работы, а использование только резервной мощности может привести к нереалистичному результату.

Как рассчитать время работы батареи 18650

Основная формула времени выполнения:

Время работы (ч) = Энергия аккумулятора (Втч) × КПД системы ÷ Мощность устройства (Вт)

Для пакета 3S2P с элементами емкостью 3000 мАч:

• Номинальная энергия: 66,6 Втч

• Мощность устройства: 10 Вт

• Эффективность системы: 90%

66,6 Втч × 0,90 ÷ 10 Вт = 5,99 часов

Расчетное время работы в этих условиях составляет около 6 часов.

Пример времени выполнения с различными нагрузками на устройства

Использование того же аккумуляторного блока емкостью 66,6 Втч и эффективности системы 90 %:

В реальных условиях зависимость не всегда является идеально линейной, поскольку более высокие токовые нагрузки могут снизить полезную мощность и увеличить падение напряжения.

Как эффективность системы влияет на время выполнения

Аккумуляторный блок может не подключаться напрямую к устройству. Во многих продуктах используются:

• Преобразователи постоянного тока

• Регуляторы напряжения

• Инверторы

• Контроллеры двигателей

• Компоненты защиты

• Схемы управления питанием

Каждый компонент может привести к потерям энергии.

Если номинальная энергия аккумулятора составляет 66,6 Втч, а эффективность системы составляет 90 %:

66,6 Вт·ч × 90 % = 59,94 Вт·ч, пригодных для использования после потерь преобразования

Для нагрузки 10 Вт:

59,94 Втч ÷ 10 Вт = 5,99 часов

Если КПД падает до 80%:

66,6 Втч × 80% ÷ 10 Вт = 5,33 часа

Эта разница может быть значительной в приложениях, которые работают в течение многих часов или имеют высокие потери преобразования.

Как полезная емкость и напряжение отсечки влияют на время работы

Номинальная мощность не всегда полностью имеется в работающем устройстве.

Фактическая полезная мощность может быть уменьшена за счет:

• Напряжение отключения BMS

• Защита устройства от пониженного напряжения

• Высокий ток разряда

• Старение клеток

• Низкая температура

• Внутреннее сопротивление

• Требования к преобразователю напряжения

• Дисбаланс аккумуляторной батареи

Устройство может перестать работать до того, как каждая ячейка выдаст полную заявленную емкость, поскольку напряжение батареи достигнет минимального входного напряжения системы. В руководстве по напряжению аккумулятора 18650 объясняется, как номинальные значения, значения полной зарядки и предельного напряжения определяют полезный диапазон напряжения в литий-ионном аккумуляторе.

Более консервативная формула:

Время работы = Номинальная энергия × Доля полезной мощности × КПД системы ÷ Мощность устройства

Пример консервативного 3S2P

Используя тот же пакет 3S2P:

• Номинальная энергия: 66,6 Втч

• Расчетная доля полезной мощности: 85%

• Эффективность системы: 90%

• Мощность устройства: 10 Вт

66,6 Втч × 85 % × 90 % ÷ 10 Вт = 5,09 часа

Эта оценка ниже теоретических 5,99 часов, поскольку она учитывает резервную энергию и фактические эксплуатационные пределы аккумулятора.

Доля полезной мощности должна по возможности определяться на основе испытаний. Его не следует рассматривать как универсальное значение для каждого аккумуляторного блока.

Какие факторы могут изменить фактическое время выполнения?

Рассчитанный результат является лишь оценкой. Фактическое время выполнения может измениться по следующим причинам:

Температура батареи

Низкие температуры могут снизить доступную емкость и увеличить внутреннее сопротивление. Высокие температуры могут ускорить старение и привести к ограничению работы системы защиты.

Старение клеток

По мере старения клеток их емкость может уменьшаться, а внутреннее сопротивление может увеличиваться. Влияние температуры, глубины разрядки, нагрузки и хранения на срок службы обсуждается в разделе Сколько живут аккумуляторы 18650 . Блок, изготовленный из старых элементов, может обеспечить меньшее время автономной работы, чем блок, в котором используются новые элементы той же номинальной емкости.

Ток разряда

Высокий ток может вызвать большее проседание напряжения и выделение тепла. Оборудование может достичь предела низкого напряжения раньше, чем ожидалось. Для сильноточного оборудования пределы непрерывного и пикового разряда элемента следует проверять с помощью Выбор аккумулятора 18650 с высоким потреблением тока , а не только на основе емкости.

Изменение нагрузки

Устройство с двигателями, беспроводной связью, дисплеями или изменяющимися режимами работы в определенное время может потреблять больше энергии.

Потери в проводке и разъемах

Длинные провода, маленькие проводники, плохая пайка и разъемы недостаточного размера могут привести к дополнительному падению напряжения и потерям энергии.

Баланс аккумуляторной батареи

Различия между группами серий могут уменьшить полезную часть упаковки. Одна группа может достичь предела защиты раньше других групп. Последовательно-групповой баланс, пороги защиты и контроль температуры являются частью Проект BMS для аккумуляторной батареи 18650 . Емкость ячейки, внутреннее сопротивление, напряжение и различия в партиях также влияют на баланс упаковки; Сопоставление ячеек для аккумуляторной батареи 18650 объясняет, как контролируются эти переменные перед сборкой.

Как использовать калькулятор аккумуляторной батареи 18650

Калькулятор аккумуляторного блока 18650 можно использовать для оценки параметров комплекта ключей перед выбором окончательной конфигурации.

Типичные входные данные включают в себя:

• Емкость ячейки

• Номинальное напряжение ячейки

• Количество серий

• Параллельный подсчет

• Мощность нагрузки устройства

• Эффективность системы

Типичные результаты включают в себя:

• Общее количество клеток

• Номинальное напряжение упаковки

• Напряжение полной зарядки

• Напряжение отсечки

• Емкость упаковки

• Пакет энергии

• Расчетное время работы

Калькулятор полезен на ранней стадии проектирования, но окончательный аккумуляторный блок все равно необходимо протестировать с реальным устройством, проводкой, преобразователем и рабочей средой.

Расчет емкости для конструкции аккумуляторной батареи OEM

Для OEM-проекта расчет мощности является лишь частью спецификации. Элемент и аккумулятор также необходимо выбирать с учетом напряжения, непрерывного и пикового тока, времени работы, доступного пространства, зарядки, BMS, температурных условий и проверки образцов; Как выбрать батарею 18650 для OEM-устройства, эти требования определяются на уровне продукта.

Окончательный дизайн упаковки также должен подтвердить:

• Требуемое номинальное напряжение

• Максимальное зарядное напряжение

• Непрерывный ток нагрузки

• Пиковый ток нагрузки

• Целевое время выполнения

• Доступное место для установки

• Рабочая температура

• Тип разъема

• Длина и сечение провода

• Требования к БМС

• Примеры условий испытаний

• Производственный допуск

Выбранную емкость ячейки не следует максимизировать без проверки текущей емкости и доступного пространства. Ячейка с большей емкостью может иметь меньший номинал разряда, тогда как сильноточная ячейка может обеспечивать меньшую емкость.

Для индивидуальных аккумуляторных блоков компания ZERNE Решения для аккумуляторных батарей 18650 и Индивидуальные аккумуляторные решения 18650 можно оценить по требуемому напряжению, емкости, току, BMS, разъемам, корпусу и требованиям к испытаниям образцов.

Распространенные ошибки при расчете времени автономной работы аккумуляторной батареи 18650

1. Использование мАч без конвертации в Ач.

2. Умножение мощности на количество серий.

3. Забывание о том, что количество параллельных вычислений увеличивает производительность.

4. Расчет времени работы по напряжению без учета мощности.

5. Отношение к номинальной энергии как к полностью полезной энергии.

6. Игнорирование эффективности преобразователя постоянного тока.

7. Использование максимальной мощности устройства, когда требуется средняя мощность, или наоборот.

8. Игнорирование запуска и пикового тока.

9. Применение одной и той же оценки времени выполнения к разным температурам.

10. Если предположить, что более высокий номинал мАч автоматически означает более высокую пропускную способность по току.

11. Игнорирование ограничений по отключению напряжения и отключению устройства.

12. Использование теоретического расчета без тестирования всего пакета.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать емкость аккумуляторной батареи 18650?

Умножьте емкость одной ячейки в ампер-часах на количество ячеек, соединенных параллельно:

Емкость упаковки = Емкость ячейки × Число параллельных вычислений

Например, блок 3S2P с элементами емкостью 3000 мАч имеет емкость 6 Ач.

Повышает ли последовательное соединение аккумуляторов 18650 емкость?

Нет. Последовательные соединения в основном повышают напряжение. Емкость в ампер-часах остается такой же, как у одной ячейки в последовательной цепочке.

Увеличивает ли ёмкость параллельное подключение аккумуляторов 18650?

Да. Параллельные элементы суммируют свою емкость, сохраняя при этом одинаковое номинальное напряжение.

Сколько ватт-часов в аккумуляторном блоке 3С2П 18650?

При использовании элементов емкостью 3000 мАч пакет 3S2P содержит примерно:

11,1 В × 6 Ач = 66,6 Втч

Фактическая полезная энергия может быть ниже из-за напряжения отключения, эффективности, температуры и старения.

Как долго аккумуляторная батарея 3S2P 18650 будет работать на устройстве мощностью 10 Вт?

При номинальной энергии 66,6 Втч и эффективности системы 90 %:

66,6 Втч × 90% ÷ 10 Вт ≈ 5,99 часов

Фактическое время работы может быть меньше, если учитывать резервную емкость, старение и отключение напряжения.

В чем разница между мАч и Втч?

мАч или Ач характеризуют емкость электрического заряда. Wh включает в себя как емкость, так и напряжение:

Втч = В × Ач

Ватт-часы обычно более полезны для сравнения общей энергии аккумуляторных блоков с различным напряжением.

Как напряжение отсечки влияет на полезную емкость?

Аккумулятор может перестать подавать питание, когда аккумулятор достигнет напряжения отключения BMS или устройства. Это означает, что некоторая часть номинальной мощности может оставаться недоступной при выбранных условиях эксплуатации.

Всегда ли элемент 18650 большей емкости обеспечивает более длительное время работы?

Обычно он может обеспечить больше энергии при использовании в подходящих условиях, но время работы также зависит от номинального тока, температуры, возраста элемента, эффективности преобразования и нагрузки устройства.

Могу ли я использовать рассчитанное время выполнения в качестве окончательной спецификации продукта?

Нет. Расчет следует использовать для предварительного проектирования и сравнения. Окончательное время работы должно быть проверено с полным аккумулятором и реальным устройством в типичных условиях эксплуатации.

Заключение

Для расчета емкости аккумуляторной батареи 18650 и времени ее работы требуется нечто большее, чем просто умножение номинала элемента в мАч.

Основные формулы:

Емкость упаковки = Емкость ячейки × Число параллельных вычислений

Энергия аккумулятора = Номинальное напряжение × Емкость аккумулятора

Время работы = Полезная энергия × КПД системы ÷ Мощность устройства.

Для блока 3S количество серий определяет класс напряжения. Количество параллельных определяет емкость и влияет на доступный ток. Блок 3S1P с элементами емкостью 3000 мАч обеспечивает примерно 3 Ач, 3S2P — 6 Ач, а 3S3P — 9 Ач.

Реалистичная оценка времени работы должна также учитывать полезную емкость, напряжение отключения, потери преобразования, температуру, старение батареи, потребление тока и изменение нагрузки на устройство.

При разработке OEM-батарей отправной точкой являются расчеты. Прежде чем аккумуляторный блок будет одобрен для производства, по-прежнему необходимы испытания прототипа на реальном оборудовании.