Как рассчитать время работы литиевой батареи

Оценка времени работы литиевой аккумуляторной батареи является важной частью разработки OEM-продуктов.

Устройству может потребоваться определенное время работы по таким причинам, как:

• Портативное медицинское оборудование

• GPS трекеры

• Промышленные портативные устройства

• Продукты Интернета вещей

• Носимые устройства

• Портативные инструменты

• Оборудование беспроводной связи

• Робототехника

• Бытовая электроника

Время работы определяется емкостью, указанной на этикетке аккумулятора. Напряжение аккумулятора, емкость, полезная энергия, мощность устройства, потребляемый ток, эффективность преобразователя, температура и настройки защиты — все это влияет на продолжительность работы устройства.

Простой расчет времени работы аккумуляторной батареи может дать предварительную оценку. Однако окончательное время работы следует проверять с учетом фактической батареи, зарядного устройства, главного устройства и условий эксплуатации.

Быстрый ответ: как рассчитать время работы литиевой батареи?

Для относительно стабильной нагрузки основная формула такова:

Время работы (часы) = Полезная энергия аккумулятора (Втч) ÷ Средняя мощность устройства (Вт)

Энергию аккумулятора можно оценить как:

Номинальная энергия аккумулятора (Втч) = Номинальное напряжение (В) × Емкость (Ач)

Более практичная формула:

Время работы = Номинальное напряжение × Мощность × Коэффициент полезной энергии × КПД системы ÷ Средняя мощность нагрузки

Для нагрузки постоянного тока со стабильным током можно использовать более простую оценку:

Время работы (часы) = Полезная емкость (Ач) ÷ Средний ток нагрузки (А)

Метод ватт-часов обычно более подходит, когда в устройстве используется преобразователь напряжения или когда напряжение батареи и напряжение устройства различаются.

1. Понимание значений, используемых в расчетах во время выполнения.

Прежде чем рассчитывать время выполнения, определите значение каждого значения.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение — это опорное напряжение, используемое для описания аккумуляторной батареи.

Например:

• Литиевый аккумулятор 1S: номинальное напряжение примерно 3,7 В.

• Литиевый аккумулятор 2S: номинальное напряжение примерно 7,4 В.

• Литиевый аккумулятор 3S: номинальное напряжение примерно 11,1 В.

• Литиевый аккумулятор 4S: номинальное напряжение примерно 14,8 В.

Фактическое напряжение аккумулятора меняется во время зарядки и разрядки.

Номинальная мощность

Номинальная мощность обычно выражается в:

• мАч

• Ах

Преобразование это:

1000 мАч = 1 Ач

Аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч имеет емкость 2 Ач.

Подробную информацию о расчете емкости из последовательных и параллельных ячеек см. Как рассчитать емкость литий-ионного аккумулятора.

Мощность устройства

Мощность устройства обычно выражается в ваттах.

Устройство может иметь:

• Средняя мощность

• Непрерывная мощность

• Пиковая мощность

• Резервное питание

• Пусковая мощность

В расчетах времени работы обычно следует использовать среднюю мощность за рабочий цикл, а не только максимальную номинальную мощность.

Эффективность

Мощность может быть потеряна в:

• Преобразователи постоянного тока в постоянный

• Регуляторы напряжения

• Кабели

• Разъемы

• Компоненты защиты

• Внутреннее сопротивление

• Схемы зарядки и управления питанием

Необходимо учитывать эффективность системы, когда устройство не использует напряжение батареи напрямую.

2. Рассчитайте энергию аккумулятора в ватт-часах.

Первым шагом является преобразование характеристик батареи в энергию.

Основная формула:

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

Пример: аккумулятор 3,7 В, 1000 мАч.

Преобразование мощности:

1000 мАч = 1 Ач

Расчет энергии:

3,7 В × 1 Ач = 3,7 Втч

Аккумулятор содержит около 3,7 Втч номинальной энергии.

Пример: аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч.

Преобразование мощности:

2000 мАч = 2 Ач

Расчет энергии:

7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

Аккумулятор содержит около 14,8 Втч номинальной энергии.

Пример: аккумулятор 11,1 В, 5000 мАч.

Преобразование мощности:

5000 мАч = 5 Ач

Расчет энергии:

11,1 В × 5 Ач = 55,5 Втч

Аккумулятор содержит около 55,5 Втч номинальной энергии.

Это номинальные значения энергии. Полезная энергия, подаваемая устройству, обычно ниже.

3. Примените коэффициент полезной энергии

Батарея не всегда может отдавать полную номинальную энергию устройству.

Полезную энергию можно уменьшить за счет:

• Минимальное рабочее напряжение устройства

• Напряжение отключения BMS

• Ток разряда

• Низкая температура

• Старение клеток

• Внутреннее сопротивление

• Требуемая резервная мощность

• Пределы защиты аккумулятора

Простая формула оценки:

Полезная энергия батареи = Номинальная энергия батареи × Коэффициент полезной энергии

Коэффициент следует выбирать в соответствии с применением и условиями испытаний. Его не следует рассматривать как универсальную фиксированную ценность.

Пример

Предполагать:

• Номинальная энергия аккумулятора: 14,8 Втч

• Коэффициент полезной энергии: 0,85

Полезная энергия аккумулятора:

14,8 Втч × 0,85 = 12,58 Втч

Это означает, что при определенных условиях эксплуатации может быть доступно около 12,58 Втч без учета дополнительных потерь на преобразование.

4. Рассчитайте время работы по мощности устройства.

Для устройства с относительно стабильным энергопотреблением:

Время работы = Полезная энергия аккумулятора ÷ Мощность устройства

Пример: аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч для питания устройства мощностью 5 Вт.

Спецификация батареи:

• Номинальное напряжение: 7,4 В

• Емкость: 2000 мАч или 2 Ач

• Номинальная энергия: 14,8 Втч

Предполагать:

• Коэффициент полезной энергии: 0,85

• Эффективность системы: 0,90

• Средняя мощность устройства: 5 Вт

Шаг 1: Рассчитайте номинальную энергию.

7,4 В × 2 Ач = 14,8 Втч

Шаг 2: Примените коэффициент полезной энергии.

14,8 Втч × 0,85 = 12,58 Втч

Шаг 3. Примените эффективность системы.

12,58 Втч × 0,90 = 11,32 Втч

Шаг 4: Рассчитайте время выполнения.

11,32 Втч ÷ 5 Вт ≈ 2,26 часа

Примерное время работы составляет:

2,3 часа

Это инженерная смета. Фактическое время работы может быть короче или дольше в зависимости от изменения нагрузки, температуры, напряжения отключения и состояния батареи.

5. Рассчитайте время работы по текущему значению

Расчет по току можно использовать в следующих случаях:

• Напряжение аккумулятора близко к напряжению устройства;

• Ток нагрузки относительно стабилен;

• Основная ступень преобразования напряжения отсутствует;

• Ток измеряется со стороны аккумулятора.

Основная формула:

Время работы = Полезная емкость (Ач) ÷ Средний ток (А)

Пример: аккумулятор 3,7 В, 1000 мАч.

Предполагать:

• Емкость аккумулятора: 1000 мАч или 1 Ач.

• Средний ток нагрузки: 0,5 А

• Коэффициент полезной мощности: 0,85

Номинальное время работы:

1 Ач ÷ 0,5 А = 2 часа

Скорректированное время выполнения:

2 часа × 0,85 = 1,7 часа

Примерное время работы составляет:

1,7 часа

Когда текущий метод может ввести в заблуждение

Текущий метод может дать неточный результат, если:

• В устройстве используется преобразователь постоянного тока;

• Напряжение батареи существенно меняется;

• Мощность нагрузки остается постоянной при изменении тока;

• Устройство имеет переменный рабочий цикл;

• Ток батареи отличается от входного тока устройства.

В этих случаях метод ватт-часов, как правило, более уместен.

6. Используйте метод ватт-часов для регулируемых нагрузок.

Во многих электронных устройствах используется стабилизатор или преобразователь напряжения. Напряжение батареи может меняться, пока устройство получает относительно стабильное напряжение.

Например, устройству может потребоваться напряжение 5 В от аккумуляторной батареи с диапазоном напряжения выше и ниже 5 В. Преобразователь регулирует напряжение батареи в соответствии с требуемым входным напряжением устройства.

В этой ситуации:

• Ток батареи изменяется при изменении напряжения батареи;

• Эффективность преобразователя влияет на время работы;

• Мощность устройства является более стабильной основой для расчета.

Предпочтительная формула:

Время работы = энергия аккумулятора × эффективность ÷ мощность устройства.

Пример: батарея 7,4 В с преобразователем 5 В.

Предполагать:

• Аккумулятор: 7,4 В, 2 Ач

• Номинальная энергия: 14,8 Втч

• КПД преобразователя: 90%

• Мощность устройства: 4 Вт

• Коэффициент полезной энергии: 0,85

Полезная энергия на устройстве:

14,8 Втч × 0,85 × 0,90 = 11,32 Втч

Время выполнения:

11,32 Втч ÷ 4 Вт = 2,83 часа

Предполагаемое время работы:

Примерно 2,8 часа

7. Учет переменных нагрузок на устройства

Многие продукты не потребляют постоянную мощность.

Устройство может переключаться между:

• Спящий режим

• Режим ожидания

• Режим измерения

• Беспроводная передача

• Работа двигателя

• Работа дисплея

• Отопление или охлаждение

• Высокопроизводительная обработка

В этом случае рассчитайте среднюю мощность, используя рабочий профиль.

Средняя мощность = Общая энергия, использованная во время цикла ÷ Продолжительность цикла.

Или:

Средняя мощность = сумма мощности × время для каждого режима работы ÷ общее время.

Пример переменной нагрузки

Предположим, что устройство работает в трех режимах:

Общее количество использованной энергии:

• Сон: 0,2 Вт × 6 ч = 1,2 Втч

• Измерение: 1 Вт × 2 ч = 2 Втч

• Передача: 3 Вт × 0,5 ч = 1,5 Втч

Общая энергия:

1,2 Втч + 2 Втч + 1,5 Втч = 4,7 Втч

Общее время работы:

6 ч + 2 ч + 0,5 ч = 8,5 ч

Средняя мощность:

4,7 Втч ÷ 8,5 ч ≈ 0,55 Вт

Если аккумулятор может обеспечить 11,32 Втч полезной энергии:

11,32 Втч ÷ 0,55 Вт ≈ 20,6 часов

Эта оценка более реалистична, чем использование максимального значения мощности за весь рабочий цикл.

8. Учитывайте пусковой и пиковый ток

Пиковый ток не может существенно изменить расчет средней энергии, но все же может ограничить практическое время работы и привести к отключению батареи.

Сильноточные события могут произойти, когда:

• Запускается мотор;

• Активируется беспроводной передатчик;

• Включается обогреватель;

• Насос начинает работать;

• Включится подсветка дисплея;

• Процессор переходит в режим высокой производительности.

Пиковый ток может вызвать:

• Падение напряжения;

• защита от перегрузки по току BMS;

• Разъем подогрева;

• Повышение температуры ячейки;

• Снижение полезной емкости;

• Неожиданный сброс устройства.

Аккумулятор следует выбирать для обоих:

• Требуемая рабочая энергия;

• Требуемые текущие возможности.

Батарея с достаточной емкостью ватт-часов, но недостаточной пиковой силой тока может не обеспечивать надежную работу устройства.

9. Понимание эффекта отключения BMS

Система BMS или схема защиты могут отключить батарею до того, как будет использована вся номинальная энергия.

Это может произойти из-за:

• Низкое напряжение ячейки;

• сверхток;

• Короткое замыкание;

• Высокая температура;

• Низкая температура;

• Дисбаланс клеток;

• Условия связи или неисправности.

Поэтому при расчете времени работы следует использовать фактическую полезную энергию, доступную до достижения соответствующего предела защиты.

В многоячеечных блоках дисбаланс ячеек может привести к тому, что одна ячейка достигнет предела напряжения раньше других. Это может уменьшить полезную емкость всей упаковки.

BMS следует учитывать при проектировании батареи, а не добавлять после того, как целевое время автономной работы уже определено. Более широкая взаимосвязь между BMS, напряжением, емкостью и временем работы рассматривается в Конструкция литий-ионного аккумуляторного блока: напряжение, емкость, BMS и время работы.

10. Учитывайте температуру и старение батареи.

Время работы меняется в зависимости от условий эксплуатации.

Температура

Низкая температура может снизить доступную емкость и увеличить внутреннее сопротивление. Высокая температура может ускорить старение батареи и повлиять на ее долгосрочную работу.

Оценка времени выполнения должна указывать:

• Рабочая температура;

• Температура хранения;

• Температура аккумулятора при разряде;

• Ожидаемая нагрузка;

• Требуемый срок службы.

Старение батареи

Доступная емкость аккумулятора постепенно меняется в течение срока его службы. Если устройство должно работать в течение определенного времени после месяцев или лет использования, целевое время работы должно включать резерв старения.

Например, OEM-производитель может определить:

• Начальная цель времени выполнения;

• Минимальное время работы по окончании срока службы;

• Требуемый счетчик циклов;

• Условия замены батареи.

Батарейный блок не следует выбирать только с учетом его характеристик при первом использовании, если продукт требует долгосрочной надежности.

11. Пример расчета времени работы для OEM-устройства

Предположим, что для портативного устройства OEM требуется:

• Аккумулятор: 11,1 В, 5000 мАч

• Средняя мощность: 8 Вт

• Коэффициент полезной энергии: 0,85

• Эффективность системы: 0,90

Шаг 1. Преобразование мощности.

5000 мАч = 5 Ач

Шаг 2: Рассчитайте номинальную энергию.

11,1 В × 5 Ач = 55,5 Втч

Шаг 3: Примените коэффициент полезной энергии.

55,5 Втч × 0,85 = 47,18 Втч

Шаг 4. Примените эффективность системы.

47,18 Втч × 0,90 = 42,46 Втч

Шаг 5: Рассчитайте время выполнения.

42,46 Втч ÷ 8 Вт ≈ 5,3 часа

Предполагаемое время работы:

Примерно 5,3 часа

Этот результат следует проверить путем тестирования, поскольку устройство может потреблять больше энергии во время запуска, беспроводной связи, обработки данных или других условий высокой нагрузки.

12. Почему расчетное время работы может отличаться от фактического времени работы

Расчетное время выполнения — это оценка, основанная на предположениях. Фактический результат может отличаться из-за:

• Средняя мощность выше ожидаемой;

• Неизмеренное потребление в режиме ожидания;

• Переменные схемы нагрузки;

• Допуск емкости аккумулятора;

• Эффекты скорости разряда;

• Температура;

• Внутреннее сопротивление;

• отключение BMS;

• КПД преобразователя;

• Потери в кабелях и разъемах;

• Старение батареи;

• Дисбаланс клеток;

• Настройки выключения устройства.

Лучший способ улучшить оценку — измерить фактическое устройство в репрезентативных условиях.

Рекомендуемые измерения включают в себя:

• Напряжение на стороне аккумулятора;

• Ток на стороне батареи;

• Входная мощность устройства;

• Температура;

• Время выполнения до определенного предела;

• Мощность в каждом режиме работы;

• Поведение во время пиковых нагрузок.

13. Тестирование во время выполнения должно использовать реальное устройство.

Аккумулятор следует тестировать на реальном хост-устройстве или с репрезентативной нагрузкой.

План испытаний должен определять:

• Модель аккумулятора;

• Уровень заряда аккумулятора;

• Зарядное устройство и способ зарядки;

• Рабочий профиль устройства;

• Температура окружающей среды;

• Начальная температура батареи;

• Состояние отсечки;

• Измерительное оборудование;

• Количество тестовых образцов;

• Критерии приемлемости среды выполнения.

Простая нагрузка с постоянным сопротивлением может не воспроизвести поведение реального электронного продукта. По возможности при тестировании следует использовать реальный рабочий цикл устройства.

Более подробное планирование тестирования на уровне упаковки см. Контрольный список тестирования аккумуляторной батареи.

14. Как увеличить время работы аккумуляторной батареи

Если рассчитанное время выполнения слишком мало, команда разработчиков может оценить:

• Увеличение емкости аккумулятора;

• Выбор ячейки с более высокой энергией;

• Снижение энергопотребления устройства;

• Повышение эффективности преобразователя;

• Снижение тока ожидания;

• Регулировка рабочего цикла;

• Оптимизация беспроводной передачи;

• Улучшение теплового режима;

• Снижение потерь в кабелях и разъемах;

• Проверка настроек отключения BMS;

• Использование другой последовательно-параллельной конфигурации.

Увеличение емкости может привести к увеличению веса, объема, стоимости и времени зарядки аккумулятора. Лучшее решение должно сбалансировать время работы с размером, весом, мощностью и коммерческими требованиями продукта.

Для выбора батареи на уровне продукта см. Как выбрать литий-ионную аккумуляторную батарею для OEM-устройства.

Контрольный список времени работы литиевой батареи

Прежде чем утвердить оценку времени выполнения, подтвердите:

• Номинальное напряжение батареи

• Номинальная емкость аккумулятора

• Емкость, пересчитанная в Ач

• Номинальная энергия аккумулятора, Втч

• Коэффициент полезной энергии

• Средняя мощность устройства

• Пиковая мощность устройства

• Эффективность преобразователя

• Режимы работы

• Средний профиль нагрузки

• Условия отключения BMS

• Рабочая температура

• Требование к старению батареи

• Критерии приемлемости среды выполнения

• Фактический план тестирования устройства

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать время работы литиевой батареи?

Умножьте номинальное напряжение батареи на емкость в ампер-часах, чтобы получить ватт-часы, скорректируйте полезную энергию и эффективность системы, а затем разделите на среднюю мощность устройства.

Как долго прослужит аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч?

В аккумуляторе содержится около 14,8 Втч номинальной энергии. Время работы зависит от мощности устройства. При нагрузке 5 Вт теоретическое время работы составляет около 3 часов без учета потерь эффективности и полезной мощности.

Время работы от аккумулятора рассчитывается в мАч или Втч?

мАч можно использовать, когда напряжение батареи и ток нагрузки остаются относительно стабильными. Частота Wh обычно более уместна, когда в устройстве используется преобразователь напряжения или при сравнении батарей с разными уровнями напряжения.

Почему фактическое время работы меньше расчетного значения?

В расчете могут не полностью учитываться потери преобразования, отключение BMS, температура, пиковый ток, старение батареи, переменная нагрузка и полезная емкость.

Всегда ли аккумулятор большей емкости обеспечивает более длительное время автономной работы?

Обычно батарея большей емкости может обеспечить большее время автономной работы, если напряжение и условия эксплуатации сопоставимы. Однако необходимо также учитывать характеристики разряда элементов, вес батареи, эффективность преобразователя и мощность устройства.

Как температура влияет на время работы литиевой батареи?

Низкая температура может снизить доступную емкость и увеличить внутреннее сопротивление. Высокая температура может повлиять на производительность и ускорить старение. Время работы должно быть указано при определенной рабочей температуре.

Следует ли использовать пиковую мощность для расчета времени работы?

Во время работы обычно следует использовать среднюю мощность за рабочий цикл. Пиковую мощность по-прежнему необходимо проверять отдельно, чтобы убедиться, что батарея, система BMS, проводка и разъем могут выдерживать временную потребность в сильном токе.

Как я могу проверить расчет времени выполнения?

Проверьте аккумуляторную батарею на реальном устройстве в типичных рабочих режимах, температуре и условиях отключения. Сравните измеренные результаты с первоначальной оценкой.

Заключение

Базовая формула времени работы литиевой батареи:

Время работы = Полезная энергия аккумулятора ÷ Средняя мощность устройства

Энергию аккумулятора можно оценить как:

Номинальная энергия = Напряжение × Емкость

Практический расчет также должен учитывать:

• Полезная емкость;

• Эффективность преобразования;

• Изменение нагрузки;

• Пиковый ток;

• отключение BMS;

• Температура;

• Старение батареи;

• Условия эксплуатации устройства.

Например, аккумулятор 7,4 В, 2000 мАч содержит примерно 14,8 Втч номинальной энергии. Реальное время его работы зависит от того, какая часть этой энергии может достичь устройства и сколько энергии оно потребляет в течение полного рабочего цикла.

Если вы разрабатываете продукт, для которого требуется определенное время работы от батареи, сообщите технической команде ZERNE профиль мощности устройства, целевое время работы, необходимое напряжение, доступное пространство и ожидаемый объем производства. ZERNE может помочь оценить необходимую емкость и разработать индивидуальное решение для литиевого аккумулятора для вашего OEM-приложения.