Hur man beräknar 18650 batteripaketets kapacitet och körtid

För att beräkna kapaciteten och körtiden för ett 18650-batteripaket måste du ta hänsyn till cellkapacitet, serie- och parallellkonfiguration, nominell spänning, enhetseffekt, systemeffektivitet och användbar energi.

De grundläggande formlerna är:

Paketkapacitet (Ah) = Cellkapacitet (Ah) × Parallellantal

Packenergi (Wh) = Nominell spänning (V) × Packkapacitet (Ah)

Uppskattad körtid (h) = Användbar packenergi (Wh) × Systemeffektivitet ÷ Enhetseffekt (W)

Till exempel har ett 3S2P-batteri som använder 3000mAh 18650 celler:

• Nominell spänning: 11,1V

• Kapacitet: 6Ah

• Nominell energi: 66,6Wh

Om enheten förbrukar 10W och systemets effektivitet är 90 %, är den teoretiska körtiden cirka 5,99 timmar innan reservkapacitet, batteriåldring, temperatur och spänningsavbrott beaktas.

Dessa beräkningar ger en första uppskattning. Den faktiska körtiden bör bekräftas genom testning med målutrustningen och belastningsprofilen. Den verifieringen bör omfatta både lasttestning på packnivå och de kontroller på cellnivå som beskrivs i 18650 batterikapacitet och hälsotestning.

Snabbreferens: 18650 batteripaketets kapacitet och körtid

Följande exempel använder 3000mAh-celler och en nominell cellspänning på 3,7V.

För en 10W-enhet med 90 % systemeffektivitet:

Dessa resultat förutsätter att den fulla nominella kapaciteten är tillgänglig. I praktisk användning kan den tillgängliga körtiden vara lägre på grund av urladdningsavbrott, temperatur, åldring, spänningsomvandling och belastningsändringar.

Dessa referensvärden är användbara för att kontrollera formlerna innan du anger en anpassad konfiguration.

Vad betyder mAh och Ah?

mAh och Ah-konvertering

Batterikapacitet uttrycks vanligtvis i milliampertimmar eller mAh och amperetimmar eller Ah.

Konverteringen är:

1Ah = 1000mAh

Exempel:

• 2000mAh = 2Ah

• 2600mAh = 2,6Ah

• 3000mAh = 3Ah

• 3500mAh = 3,5Ah

Vid beräkning av ett batteripaket är det vanligtvis lättare att först konvertera cellkapaciteten från mAh till Ah.

Till exempel:

3000mAh ÷ 1000 = 3Ah

Kapacitetssiffran anger hur mycket elektrisk laddning en cell kan leverera under specificerade testförhållanden. Den indikerar inte direkt packspänning, maximal ström eller körtid. Vanliga 18650 kapacitetsområden och skillnaden mellan kapacitet och urladdningsström sammanfattas i hur många mAh ett 18650 batteri har.

Kapaciteten är inte densamma som strömmen

En 3000mAh-cell levererar inte automatiskt 3A eller 30A. Kapacitet och urladdningsström är olika specifikationer.

En cells nuvarande kapacitet beror på:

• Celldesign

• Inre motstånd

• Kontinuerlig urladdningsklassning

• Toppnivå för urladdning

• Temperatur

• BMS och ledningsbegränsningar

Kapacitet används för att uppskatta hur länge ett batteri kan driva en belastning. Nuvarande kapacitet avgör om cellen säkert kan stödja den belastningen.

Hur serie- och parallellkopplingar påverkar kapaciteten

För kapacitetsberäkningar är nyckelskillnaden enkel: serie- och parallella 18650-batterianslutningar bestämmer hur spänning, kapacitet och ström fördelas över paketet.

• Serieanslutningar ökar spänningen.

• Parallella anslutningar ökar kapaciteten.

• Serieanslutningar multiplicerar inte kapaciteten i amperetimmar.

• Parallella anslutningar ökar inte cellgruppens nominella spänning.

Kapacitet i ett seriepaket

När identiska celler är seriekopplade adderas spänningen samtidigt som kapaciteten i amperetimmar förblir liknande den för en cell i seriesträngen.

Om du till exempel använder 3000mAh-celler:

• 1S1P: 3,7V, 3Ah

• 2S1P: 7,4V, 3Ah

• 3S1P: 11,1V, 3Ah

• 4S1P: 14,8V, 3Ah

Energin ökar eftersom spänningen ökar:

11,1V × 3Ah = 33,3Wh

Kapacitet i ett parallellpaket

När identiska celler är parallellkopplade, förblir spänningen vid den nominella spänningen för en cell medan amperetimmarkapaciteten ökar.

Använda 3000mAh celler:

• 1S1P: 3,7V, 3Ah

• 1S2P: 3,7V, 6Ah

• 1S3P: 3,7V, 9Ah

Parallellräkningen är därför den huvudsakliga faktorn som används vid beräkningar av packkapacitet.

Exempel på 3S1P, 3S2P och 3S3P

Använder 3000mAh, 3,7V celler:

3S1P

• Totalt tre celler

• Tre seriegrupper

• En cell i varje grupp

• Nominell spänning: 11,1V

• Kapacitet: 3Ah

• Energi: 33,3Wh

3S2P

• Totalt sex celler

• Tre seriegrupper

• Två celler parallella i varje grupp

• Nominell spänning: 11,1V

• Kapacitet: 6Ah

• Energi: 66,6Wh

3S3P

• Totalt nio celler

• Tre seriegrupper

• Tre celler parallellt i varje grupp

• Nominell spänning: 11,1V

• Kapacitet: 9Ah

• Energi: 99,9Wh

3S-konfigurationen beskrivs vanligtvis som ett 12V-klass litiumjonbatteri; de Exempel på 12V 18650 batteri visar hur serieräkning, nominell spänning och cellantal relaterar.

Hur man beräknar 18650 batterikapacitet

Den grundläggande kapacitetsformeln är:

Paketkapacitet (Ah) = Cellkapacitet (Ah) × Parallellantal

För 3000mAh-celler:

Serieantalet visas inte i kapacitetsformeln eftersom seriekopplingar främst påverkar spänningen.

Om en annan cellkapacitet används ändras resultatet därefter.

Till exempel har ett 3S2P-paket som använder 3500mAh-celler:

3,5 Ah × 2 = 7 Ah

Packet har fortfarande en nominell spänning på cirka 11,1V, men dess kapacitet ökar från 6Ah till 7Ah jämfört med ett 3S2P-paket som använder 3000mAh-celler.

Hur man beräknar batteripaketets energi i Wh

Kapaciteten i Ah berättar inte den totala energin om inte spänning ingår.

Energiformeln är:

Packenergi (Wh) = Nominell spänning (V) × Packkapacitet (Ah)

Exempel:

3S1P med 3000mAh celler

11,1V × 3Ah = 33,3Wh

3S2P med 3000mAh celler

11,1V × 6Ah = 66,6Wh

3S3P med 3000mAh celler

11,1V × 9Ah = 99,9Wh

När man jämför olika batterikonfigurationer är wattimmar vanligtvis mer användbara än amperetimmar eftersom de inkluderar både spänning och kapacitet.

Till exempel, ett 3,7V 6Ah batteri och ett 11,1V 6Ah batteri lagrar inte samma mängd energi:

• 3,7V × 6Ah = 22,2Wh

• 11,1V × 6Ah = 66,6Wh

Spänningen ska alltid ingå i beräkningen.

Hur man beräknar enhetens strömförbrukning

Körtidsberäkningar kräver enhetens strömförbrukning.

Om enhetens effekt redan tillhandahålls i watt, använd det värdet direkt.

Om enhetens spänning och ström tillhandahålls, använd:

Enhetseffekt (W) = Enhetsspänning (V) × Enhetsström (A)

Till exempel:

• Enhetens inspänning: 12V

• Driftström: 1,5A

12V × 1,5A = 18W

Den uppskattade körtiden kan sedan beräknas från packenergin och 18W-belastningen.

Variabla belastningar och arbetscykler

Många enheter förbrukar inte en konstant mängd ström. En GPS-spårare, trådlös enhet, medicinskt instrument eller robotsystem kan ha olika driftlägen.

En praktisk uppskattning bör överväga:

• Startkraft

• Kontinuerlig driftkraft

• Standby-ström

• Motor- eller ställdonstoppar

• Trådlösa överföringsperioder

• Display- eller sensoraktivitet

• Arbetscykel

För en variabel belastning, använd medeleffekten snarare än det högsta korttidseffektvärdet.

Till exempel, om en enhet förbrukar 12W under aktiv drift men förblir i ett 2W standbyläge under hälften av tiden, kommer dess genomsnittliga effekt att vara lägre än 12W. Användning av endast den maximala belastningen kan underskatta körtiden, medan användning av endast standby-ström kan ge ett orealistiskt resultat.

Hur man beräknar 18650 batteritid

Den grundläggande körtidsformeln är:

Drifttid (h) = Packenergi (Wh) × Systemeffektivitet ÷ Enhetseffekt (W)

För ett 3S2P-paket som använder 3000mAh-celler:

• Nominell energi: 66,6Wh

• Enhetens effekt: 10W

• Systemeffektivitet: 90 %

66,6Wh × 0,90 ÷ 10W = 5,99 timmar

Den beräknade körtiden är cirka 6 timmar under dessa förhållanden.

Körtidsexempel med olika enhetsbelastningar

Använder samma 66,6Wh batteripaket och 90 % systemeffektivitet:

Förhållandet är inte alltid perfekt linjärt vid verklig användning eftersom högre strömbelastningar kan minska användbar kapacitet och öka spänningsfallet.

Hur systemeffektivitet påverkar körtid

Batteripaketet kanske inte ansluts direkt till enheten. Många produkter använder:

• DC-DC omvandlare

• Spänningsregulatorer

• Växelriktare

• Motorstyrenheter

• Skyddskomponenter

• Strömhanteringskretsar

Varje komponent kan leda till energiförlust.

Om den nominella batterienergin är 66,6Wh och systemets effektivitet är 90 %:

66,6Wh × 90% = 59,94Wh användbar efter konverteringsförluster

För en 10W belastning:

59,94Wh ÷ 10W = 5,99 timmar

Om effektiviteten sjunker till 80 %:

66,6Wh × 80% ÷ 10W = 5,33 timmar

Denna skillnad kan vara betydande i applikationer som fungerar i många timmar eller har höga konverteringsförluster.

Hur användbar kapacitet och gränsspänning påverkar körtiden

Nominell kapacitet är inte alltid fullt tillgänglig i en driftsenhet.

Den faktiska användbara kapaciteten kan minskas med:

• BMS brytspänning

• Underspänningsskydd för enheten

• Hög urladdningsström

• Cellernas åldrande

• Låg temperatur

• Inre motstånd

• Krav på spänningsomvandlare

• Obalans i batteripaketet

En enhet kan sluta fungera innan varje cell har levererat sin fulla databladskapacitet eftersom packspänningen har nått systemets lägsta inspänning. De 18650 batterispänningsguide förklarar hur nominella, fullladdnings- och cutoff-värden definierar det användbara spänningsområdet i ett litiumjonpaket.

En mer konservativ formel är:

Drifttid = Nominell energi × Användbar kapacitetsandel × Systemeffektivitet ÷ Enhetseffekt

Konservativt 3S2P-exempel

Använder samma 3S2P-paket:

• Nominell energi: 66,6Wh

• Uppskattad användbar kapacitetsandel: 85 %

• Systemeffektivitet: 90 %

• Enhetens effekt: 10W

66,6Wh × 85% × 90% ÷ 10W = 5,09 timmar

Denna uppskattning är lägre än de teoretiska 5,99 timmarna eftersom den tillåter reservenergi och paketets faktiska driftsgränser.

Den användbara kapacitetsandelen bör baseras på testning när det är möjligt. Det bör inte behandlas som ett universellt värde för varje batteripaket.

Vilka faktorer kan ändra den faktiska körtiden?

Det beräknade resultatet är endast en uppskattning. Den faktiska körtiden kan ändras på grund av:

Batteritemperatur

Låga temperaturer kan minska tillgänglig kapacitet och öka det inre motståndet. Höga temperaturer kan påskynda åldrandet och kan få skyddssystemet att begränsa driften.

Åldrande av celler

När cellerna åldras kan deras kapacitet minska och det interna motståndet kan öka. Effekterna av temperatur, urladdningsdjup, belastning och lagring på livslängden diskuteras i hur länge räcker 18650 batterier . Ett paket tillverkat med äldre celler kan ge mindre körtid än ett paket som använder nya celler med samma nominella kapacitet.

Urladdningsström

Hög ström kan orsaka större spänningssänkning och värmealstring. Utrustningen kan nå sin lågspänningsgräns tidigare än förväntat. För högströmsutrustning bör cellens kontinuerliga gränser och toppurladdningsgränser kontrolleras 18650-batterival med hög dränering , snarare än att enbart sluta sig till kapaciteten.

Lastvariation

En enhet med motorer, trådlös kommunikation, displayer eller ändrade driftslägen kan dra mer ström vid vissa tidpunkter.

Lednings- och kontaktförluster

Långa ledningar, små ledare, dåliga lödfogar och underdimensionerade kontakter kan skapa ytterligare spänningsfall och energiförlust.

Battery Pack Balans

Skillnader mellan seriegrupper kan minska den användbara delen av förpackningen. En grupp kan nå sin skyddsgräns före de andra grupperna. Serie-gruppbalans, skyddströsklar och temperaturövervakning är en del av BMS-design för ett 18650 batteripaket . Cellkapacitet, intern resistans, spänning och batchskillnader påverkar också packbalansen; cellmatchning för ett 18650 batteripaket förklarar hur dessa variabler kontrolleras före montering.

Så här använder du 18650 batterikalkylatorn

De 18650 Battery Pack Calculator kan användas för att uppskatta nyckelpaketsparametrar innan du väljer en slutlig konfiguration.

Typiska ingångar inkluderar:

• Cellkapacitet

• Cellens nominella spänning

• Antal serier

• Parallell räkning

• Enhetens belastningseffekt

• Systemeffektivitet

Typiska utgångar inkluderar:

• Totalt antal celler

• Packa nominell spänning

• Fulladdad spänning

• Brytspänning

• Paketkapacitet

• Packa energi

• Beräknad körtid

Kalkylatorn är användbar under det tidiga designstadiet, men det slutliga batteripaketet bör fortfarande testas med den faktiska enheten, kablarna, omvandlaren och driftsmiljön.

Kapacitetsberäkning för OEM-batteripaketdesign

För ett OEM-projekt är kapacitetsberäkning endast en del av specifikationen. Cellen och paketet måste också väljas mot spänning, kontinuerlig och toppström, körtid, tillgängligt utrymme, laddning, BMS, termiska förhållanden och provvalidering; hur man väljer ett 18650-batteri för en OEM-enhet ramar in dessa krav på produktnivå.

Den slutliga förpackningsdesignen bör också bekräfta:

• Erforderlig nominell spänning

• Maximal laddningsspänning

• Kontinuerlig belastningsström

• Topplastström

• Mål körtid

• Tillgängligt installationsutrymme

• Driftstemperatur

• Kontakttyp

• Trådlängd och mått

• BMS krav

• Exempel på testförhållanden

• Produktionstolerans

Den valda cellkapaciteten bör inte maximeras utan att kontrollera aktuell kapacitet och tillgängligt utrymme. En cell med högre kapacitet kan ha ett lägre urladdningsvärde, medan en högströmscell kan ge mindre kapacitet.

För anpassade batteripaket, ZERNE's 18650 batteripaketlösningar och anpassade 18650 batterilösningar kan utvärderas mot erforderlig spänning, kapacitet, ström, BMS, kontakter, hölje och provtestningskrav.

Vanliga misstag vid beräkning av 18650 batteripaketets körtid

1. Använder mAh utan att konvertera det till Ah.

2. Multiplicera kapaciteten med serieräkningen.

3. Att glömma att parallellräkning ökar kapaciteten.

4. Beräknar körtid från spänning utan att inkludera kapacitet.

5. Behandla nominell energi som fullt användbar energi.

6. Ignorerar DC-DC-omvandlarens effektivitet.

7. Använder maximal enhetseffekt när medeleffekt krävs, eller tvärtom.

8. Ignorerar start och toppström.

9. Att tillämpa samma körtidsuppskattning på olika temperaturer.

10. Att anta en högre mAh-klassning innebär automatiskt högre strömkapacitet.

11. Ignorera gränser för spänningsavstängning och avstängning av enheten.

12. Att använda en teoretisk beräkning utan att testa hela paketet.

Vanliga frågor

Hur beräknar jag kapaciteten för ett 18650-batteri?

Multiplicera kapaciteten för en cell i amperetimmar med antalet parallellkopplade celler:

Paketkapacitet = Cellkapacitet × Parallellantal

Till exempel har ett 3S2P-paket som använder 3000mAh-celler en kapacitet på 6Ah.

Ökar kapaciteten att ansluta 18650-batterier i serie?

Nej. Seriekopplingar ökar främst spänningen. Kapaciteten i amperetimmar förblir liknande den för en cell i seriesträngen.

Ökar kapaciteten att parallellkoppla 18650-batterier?

Ja. Parallella celler adderar sin kapacitet samtidigt som de bibehåller samma nominella spänning.

Hur många wattimmar finns det i ett 3S2P 18650-batteri?

Med 3000mAh-celler har ett 3S2P-paket ungefär:

11,1V × 6Ah = 66,6Wh

Den faktiska användbara energin kan vara lägre på grund av brytspänning, effektivitet, temperatur och åldrande.

Hur länge kommer ett 3S2P 18650-batteri att driva en 10W-enhet?

Med en nominell energi på 66,6Wh och 90 % systemeffektivitet:

66,6Wh × 90 % ÷ 10W ≈ 5,99 timmar

Den faktiska körtiden kan vara lägre när reservkapacitet, åldring och spänningsavbrott ingår.

Vad är skillnaden mellan mAh och Wh?

mAh eller Ah beskriver elektrisk laddningskapacitet. Wh inkluderar både kapacitet och spänning:

Wh = V × Ah

Wattimmar är vanligtvis mer användbara för att jämföra den totala energin för batteripaket med olika spänningar.

Hur påverkar brytspänningen användbar kapacitet?

Batteriet kan sluta leverera ström när paketet når BMS eller enhetens avstängningsspänning. Detta innebär att en del av den nominella kapaciteten kan förbli otillgänglig under de valda driftsförhållandena.

Ger en 18650-cell med högre kapacitet alltid längre körtid?

Vanligtvis kan den ge mer energi när den används under lämpliga förhållanden, men körtiden beror också på nuvarande klassificering, temperatur, cellålder, omvandlingseffektivitet och enhetens belastning.

Kan jag använda den beräknade körtiden som en slutlig produktspecifikation?

Nej. Beräkningen ska användas för tidig design och jämförelse. Den slutliga körtiden bör verifieras med ett komplett batteripaket och den faktiska enheten under representativa driftsförhållanden.

Slutsats

Att beräkna 18650 batteripaketets kapacitet och körtid kräver mer än att multiplicera cellens mAh-klassificering.

Huvudformlerna är:

Paketkapacitet = Cellkapacitet × Parallellantal

Packenergi = Nominell spänning × Packkapacitet

Drifttid = Användbar energi × Systemeffektivitet ÷ Enhetens effekt

För ett 3S-paket fastställer serieräkningen spänningsklassen. Parallellräkningen bestämmer kapaciteten och påverkar den tillgängliga strömmen. Ett 3S1P-paket som använder 3000mAh-celler ger ungefär 3Ah, medan 3S2P ger 6Ah och 3S3P ger 9Ah.

En realistisk uppskattning av körtiden bör också ta hänsyn till användbar kapacitet, brytspänning, omvandlingsförluster, temperatur, batteriåldring, strömbehov och ändrade enhetsbelastningar.

För OEM-batteriutveckling ger beräkningar utgångspunkten. Prototypprovning med den faktiska utrustningen krävs fortfarande innan batteripaketet godkänns för produktion.