Hur man beräknar körtid för ett litiumbatteri

Att uppskatta litiumbatteriets körtid är en viktig del av OEM-produktutvecklingen.

En enhet kan kräva en specifik drifttid av anledningar som:

• Bärbar medicinsk utrustning

• GPS-spårare

• Industriella handhållna enheter

• IoT-produkter

• Bärbara kläder

• Bärbara instrument

• Trådlös kommunikationsutrustning

• Robotik

• Konsumentelektronik

Körtiden bestäms av mer än kapaciteten som är tryckt på batterietiketten. Ett batteris spänning, kapacitet, användbara energi, enhetseffekt, strömbehov, omvandlareffektivitet, temperatur och skyddsinställningar påverkar alla hur länge enheten kan fungera.

En enkel beräkning av batteripaketets körtid kan ge en tidig uppskattning. Den slutliga drifttiden bör dock verifieras med det faktiska batteriet, laddaren, värdenheten och driftsförhållandena.

Snabbsvar: Hur beräknar du litiumbatteriets körtid?

För en relativt stabil last är den grundläggande formeln:

Drifttid (timmar) = Användbar batterienergi (Wh) ÷ Genomsnittlig enhetseffekt (W)

Batterienergi kan uppskattas som:

Nominell batterienergi (Wh) = Nominell spänning (V) × Kapacitet (Ah)

En mer praktisk formel är:

Drifttid = Nominell spänning × Kapacitet × Användbar energifaktor × Systemeffektivitet ÷ Genomsnittlig lasteffekt

För en likströmsbelastning med stabil ström kan en enklare uppskattning användas:

Körtid (timmar) = Användbar kapacitet (Ah) ÷ Genomsnittlig belastningsström (A)

Watt-timmarsmetoden är i allmänhet mer lämplig när enheten använder en spänningsomvandlare eller när batterispänningen och enhetsspänningen är olika.

1. Förstå de värden som används i körtidsberäkningar

Innan du beräknar körtid, identifiera innebörden av varje värde.

Nominell spänning

Nominell spänning är referensspänningen som används för att beskriva batteripaketet.

Till exempel:

• 1S litiumbatteri: cirka 3,7 V nominellt

• 2S litiumbatteri: cirka 7,4 V nominellt

• 3S litiumbatteri: cirka 11,1 V nominellt

• 4S litiumbatteri: cirka 14,8 V nominellt

Den faktiska batterispänningen ändras under laddning och urladdning.

Nominell kapacitet

Nominell kapacitet uttrycks normalt i:

• mAh

• Ah

Konverteringen är:

1000 mAh = 1 Ah

Ett 7,4 V, 2000 mAh batteri har en kapacitet på 2 Ah.

För detaljer om beräkning av kapacitet från serie- och parallellceller, se Hur man beräknar litiumjonbatteriets kapacitet.

Enhetsström

Enhetens effekt uttrycks normalt i watt.

En enhet kan ha:

• Genomsnittlig effekt

• Kontinuerlig kraft

• Toppeffekt

• Standby-ström

• Startkraft

Körtidsberäkningar bör normalt använda genomsnittlig effekt under driftscykeln, inte bara den maximala märkeffekten.

Effektivitet

Strömmen kan gå förlorad i:

• DC-DC omvandlare

• Spänningsregulatorer

• Kablar

• Kontakter

• Skyddskomponenter

• Inre motstånd

• Laddnings- och strömhanteringskretsar

Systemets effektivitet måste beaktas när enheten inte använder batterispänningen direkt.

2. Beräkna batterienergi i wattimmar

Det första steget är att omvandla batterispecifikationen till energi.

Grundformeln är:

Batterienergi (Wh) = Nominell spänning (V) × Kapacitet (Ah)

Exempel: 3,7 V, 1000 mAh batteri

Kapacitetsomvandling:

1000 mAh = 1 Ah

Energiberäkning:

3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh

Batteriet innehåller cirka 3,7 Wh nominell energi.

Exempel: 7,4 V, 2000 mAh batteri

Kapacitetsomvandling:

2000 mAh = 2 Ah

Energiberäkning:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Batteriet innehåller cirka 14,8 Wh nominell energi.

Exempel: 11,1 V, 5000 mAh batteri

Kapacitetsomvandling:

5000 mAh = 5 Ah

Energiberäkning:

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Batteriet innehåller cirka 55,5 Wh nominell energi.

Dessa är nominella energivärden. Den användbara energin som levereras till enheten är normalt lägre.

3. Använd en användbar energifaktor

Ett batteri kan inte alltid leverera sin fulla nominella energi till enheten.

Den användbara energin kan minskas med:

• Minsta driftspänning för enheten

• BMS brytspänning

• Urladdningsström

• Låg temperatur

• Cellernas åldrande

• Inre motstånd

• Erforderlig reservkapacitet

• Batteriskyddsgränser

En enkel uppskattningsformel är:

Användbar batterienergi = Nominell batterienergi × Användbar energifaktor

Faktorn måste väljas enligt applikations- och testförhållanden. Det bör inte behandlas som ett universellt fast värde.

Exempel

Anta:

• Nominell batterienergi: 14,8 Wh

• Användbar energifaktor: 0,85

Användbar batterienergi:

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Detta innebär att cirka 12,58 Wh kan vara tillgängligt under de definierade driftsförhållandena innan ytterligare konverteringsförluster beaktas.

4. Beräkna körtid från enhetens ström

För en enhet med ett relativt stabilt effektbehov:

Drifttid = Användbar batterienergi ÷ Enhetens ström

Exempel: 7,4 V, 2000 mAh batteri som driver en 5 W-enhet

Batterispecifikation:

• Nominell spänning: 7,4 V

• Kapacitet: 2000 mAh eller 2 Ah

• Nominell energi: 14,8 Wh

Anta:

• Användbar energifaktor: 0,85

• Systemeffektivitet: 0,90

• Genomsnittlig enhetseffekt: 5 W

Steg 1: Beräkna nominell energi.

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Steg 2: Använd faktorn för användbar energi.

14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh

Steg 3: Tillämpa systemeffektivitet.

12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh

Steg 4: Beräkna körtid.

11.32 Wh ÷ 5 W ≈ 2.26 timmar

Den beräknade körtiden är ungefär:

2,3 timmar

Detta är en teknisk uppskattning. Den faktiska körtiden kan vara kortare eller längre beroende på belastningsvariation, temperatur, brytspänning och batteritillstånd.

5. Beräkna körtid från nuvarande

En strömbaserad beräkning kan användas när:

• Batterispänningen är nära enhetens spänning;

• Belastningsströmmen är relativt stabil;

• Det finns inget större spänningsomvandlingssteg;

• Strömmen mäts från batterisidan.

Grundformeln är:

Körtid = Användbar kapacitet (Ah) ÷ Genomsnittlig ström (A)

Exempel: 3,7 V, 1000 mAh batteri

Anta:

• Batterikapacitet: 1000 mAh eller 1 Ah

• Genomsnittlig belastningsström: 0,5 A

• Användbar kapacitetsfaktor: 0,85

Bedömd körtid:

1 Ah ÷ 0,5 A = 2 timmar

Justerad körtid:

2 timmar × 0,85 = 1,7 timmar

Den beräknade körtiden är ungefär:

1,7 timmar

När den nuvarande metoden kan vara vilseledande

Den nuvarande metoden kan ge ett felaktigt resultat när:

• Enheten använder en DC-DC-omvandlare;

• Batterispänningen ändras avsevärt;

• Lasteffekten förblir konstant medan strömmen ändras;

• Enheten har en variabel arbetscykel;

• Batteriströmmen skiljer sig från enhetens ingångsström.

I dessa fall är watt-timmarsmetoden i allmänhet mer lämplig.

6. Använd Watt-timmesmetoden för reglerade belastningar

Många elektroniska enheter använder en spänningsregulator eller omvandlare. Batterispänningen kan ändras medan enheten får en relativt stabil spänning.

Till exempel kan en enhet kräva 5 V från ett batteripaket med ett spänningsområde över och under 5 V. En omvandlare justerar batterispänningen till enhetens erforderliga ingång.

I den här situationen:

• Batteriströmmen ändras när batterispänningen ändras;

• Omvandlarens effektivitet påverkar körtiden;

• Enhetseffekt är en mer stabil beräkningsgrund.

Den föredragna formeln är:

Drifttid = Batterienergi × Effektivitet ÷ Enhetens ström

Exempel: 7,4 V-batteri med en 5 V-omvandlare

Anta:

• Batteri: 7,4 V, 2 Ah

• Nominell energi: 14,8 Wh

• Konvertereffektivitet: 90 %

• Enhetens effekt: 4 W

• Användbar energifaktor: 0,85

Användbar energi vid enheten:

14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh

Körning:

11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 timmar

Beräknad körtid:

Cirka 2,8 timmar

7. Redovisa för varierande enhetsbelastningar

Många produkter förbrukar inte konstant ström.

En enhet kan växla mellan:

• Viloläge

• Standby-läge

• Mätläge

• Trådlös överföring

• Motordrift

• Displayfunktion

• Uppvärmning eller kylning

• Högpresterande bearbetning

Beräkna i detta fall medeleffekten med hjälp av driftsprofilen.

Genomsnittlig effekt = Total energi som används under cykeln ÷ Cykelns varaktighet

Eller:

Genomsnittlig effekt = Summa av effekt × tid för varje driftläge ÷ Total tid

Exempel på variabel belastning

Antag att en enhet fungerar i tre lägen:

Total energiförbrukning:

• Sömn: 0,2 W × 6 h = 1,2 Wh

• Mått: 1 W × 2 h = 2 Wh

• Överföring: 3 W × 0,5 h = 1,5 Wh

Total energi:

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

Total drifttid:

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

Genomsnittlig effekt:

4,7 Wh ÷ 8,5 h ≈ 0,55 W

Om batteriet kan leverera 11,32 Wh användbar energi:

11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 timmar

Denna uppskattning är mer realistisk än att använda det högsta effektvärdet för hela driftscykeln.

8. Tänk på start och toppström

Toppström kanske inte ändrar den genomsnittliga energiberäkningen nämnvärt, men den kan fortfarande begränsa praktisk drifttid och få batteriet att stängas av.

Högströmshändelser kan inträffa när:

• En motor startar;

• En trådlös sändare aktiveras;

• En värmare slås på;

• En pump börjar fungera;

• En displaybakgrundsbelysning startar;

• En processor går in i ett högpresterande läge.

Toppström kan orsaka:

• Spänningsfall;

• BMS överströmsskydd;

• Kontaktuppvärmning;

• Celltemperaturhöjning;

• Minskad användbar kapacitet;

• Oväntad enhetsåterställning.

Batteriet bör väljas för båda:

• Erforderlig driftenergi;

• Erforderlig strömkapacitet.

Ett batteri med tillräckligt många wattimmar men otillräcklig toppströmskapacitet kanske inte fungerar pålitligt.

9. Förstå effekten av BMS Cutoff

En BMS eller skyddskrets kan koppla bort batteriet innan all nominell energi kan användas.

Detta kan hända på grund av:

• Låg cellspänning;

• Överström;

• Kortslutning;

• Hög temperatur;

• Låg temperatur;

• Cellobalans;

• Kommunikation eller feltillstånd.

Drifttidsberäkningen bör därför använda den faktiska tillgängliga energin före den relevanta skyddsgränsen.

För flercellspaket kan cellobalans göra att en cell når sin spänningsgräns före de andra. Detta kan minska den användbara kapaciteten för hela paketet.

BMS bör beaktas under batteridesign, inte läggas till efter att körtidsmålet redan har definierats. Det bredare förhållandet mellan BMS, spänning, kapacitet och körtid täcks in Lithium-Ion Battery Pack Design: Spänning, Kapacitet, BMS och Runtime.

10. Tänk på temperatur och batteriåldring

Körtiden ändras med driftsförhållandena.

Temperatur

Låg temperatur kan minska tillgänglig kapacitet och öka det inre motståndet. Hög temperatur kan påskynda batteriets åldrande och påverka långtidsprestanda.

Körtidsuppskattningen bör specificera:

• Driftstemperatur;

• Lagringstemperatur;

• Batteritemperatur under urladdning;

• Förväntad belastning;

• Erforderlig livslängd.

Batteriets åldrande

Ett batteris tillgängliga kapacitet förändras gradvis under dess livslängd. Om enheten måste fungera under en definierad tid efter månader eller år av användning, bör körtidsmålet inkludera en åldringsreserv.

Till exempel kan en OEM definiera:

• Initialt körtidsmål;

• Minsta körtid vid uttjänt livslängd;

• Nödvändigt antal cykel;

• Batteribytesskick.

Ett batteripaket bör inte dimensioneras endast för dess prestanda vid första användning om produkten kräver långsiktig tillförlitlighet.

11. Körtidsberäkningsexempel för en OEM-enhet

Anta att en OEM-handhållen enhet kräver:

• Batteri: 11,1 V, 5000 mAh

• Medeleffekt: 8 W

• Användbar energifaktor: 0,85

• Systemeffektivitet: 0,90

Steg 1: Konvertera kapacitet.

5000 mAh = 5 Ah

Steg 2: Beräkna nominell energi.

11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh

Steg 3: Applicera användbar energifaktor.

55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh

Steg 4: Tillämpa systemeffektivitet.

47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh

Steg 5: Beräkna körtid.

42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 timmar

Beräknad körtid:

Cirka 5,3 timmar

Detta resultat bör verifieras genom testning eftersom enheten kan förbruka mer ström under uppstart, trådlös kommunikation, databehandling eller andra högbelastningsförhållanden.

12. Varför den beräknade körtiden kan skilja sig från den faktiska körtiden

En beräknad körtid är en uppskattning baserad på antaganden. Det faktiska resultatet kan skilja sig åt på grund av:

• Genomsnittlig effekt är högre än förväntat;

• Omätt standby-förbrukning;

• Varierande belastningsmönster;

• Batterikapacitetstolerans;

• Effekter av utsläppshastighet;

• Temperatur;

• Inre motstånd;

• BMS cutoff;

• Omvandlarens effektivitet;

• Kabel- och kontaktförluster;

• Batteriets åldrande;

• Cellobalans;

• Inställningar för avstängning av enheten.

Det bästa sättet att förbättra uppskattningen är att mäta den faktiska enheten under representativa förhållanden.

Rekommenderade mått inkluderar:

• spänning på batterisidan;

• Ström på batterisidan;

• Enhetens ingångseffekt;

• Temperatur;

• Körtid till den definierade cutoff;

• Effekt under varje driftläge;

• Beteende under toppbelastningshändelser.

13. Runtime Testing bör använda den faktiska enheten

Ett batteripaket bör testas med den verkliga värdenheten eller en representativ belastning.

Testplanen bör definiera:

• Batterimodell;

• Batteriets laddningstillstånd;

• Laddare och laddningsmetod;

• Enhetens driftsprofil;

• Omgivningstemperatur;

• Initial batteritemperatur;

• Cutoff skick;

• Mätutrustning;

• Antal testprover;

• Kriterier för acceptans vid körning.

En enkel belastning med konstant motstånd kanske inte reproducerar beteendet hos en riktig elektronisk produkt. Om möjligt bör testningen använda den faktiska enhetens driftscykel.

För bredare testplanering på paketnivå, se Checklista för batteritestning.

14. Hur man förbättrar batteripaketets körtid

Om den beräknade körtiden är för kort kan designteamet utvärdera:

• Öka batterikapaciteten;

• Välja en cell med högre energi;

• Minska enhetens strömförbrukning;

• Förbättra omvandlarens effektivitet;

• Minska standbyström;

• Justering av arbetscykeln;

• Optimera trådlös överföring;

• Förbättra termiska förhållanden;

• Minska kabel- och kontaktförluster;

• Granska BMS cutoff-inställningar;

• Använder en annan serieparallell konfiguration.

Ökad kapacitet kan öka batteriets vikt, volym, kostnad och laddningstid. Den bästa lösningen bör balansera körtid med produktens storlek, vikt, effekt och kommersiella krav.

För batterival på produktnivå, se Hur man väljer ett uppladdningsbart litiumjonbatteri för en OEM-enhet.

Körtidschecklista för litiumbatteripaket

Innan du godkänner en körtidsuppskattning, bekräfta:

• Batteriets nominella spänning

• Batteriklassad kapacitet

• Kapacitet omvandlad till Ah

• Nominell batterienergi i Wh

• Användbar energifaktor

• Enhetens genomsnittliga effekt

• Enhetens toppeffekt

• Omvandlarens effektivitet

• Driftlägen

• Genomsnittlig belastningsprofil

• BMS-gränsvillkor

• Driftstemperatur

• Krav på batteriåldring

• Kriterier för acceptans vid körning

• Faktisk enhetstestplan

FAQ

Hur beräknar jag litiumbatteriets körtid?

Multiplicera nominell batterispänning med kapacitet i amperetimmar för att få wattimmar, justera för användbar energi och systemeffektivitet, dividera sedan med enhetens genomsnittliga effekt.

Hur länge håller ett 7,4 V, 2000 mAh batteri?

Förpackningen innehåller cirka 14,8 Wh nominell energi. Körtiden beror på enhetens ström. Vid en 5 W belastning är den teoretiska körtiden cirka 3 timmar innan effektivitets- och användbar kapacitetsförluster beaktas.

Beräknas batteritiden med hjälp av mAh eller Wh?

mAh kan användas när batterispänningen och belastningsströmmen förblir relativt stabila. Wh är vanligtvis mer lämpligt när enheten använder en spänningsomvandlare eller när man jämför batterier med olika spänningsnivåer.

Varför är den faktiska körtiden kortare än det beräknade värdet?

Beräkningen kanske inte fullt ut tar hänsyn till omvandlingsförluster, BMS cutoff, temperatur, toppström, batteriåldring, variabel belastning och användbar kapacitet.

Ger ett batteri med högre kapacitet alltid längre drifttid?

Vanligtvis kan ett batteri med högre kapacitet ge mer körtid om spänningen och driftsförhållandena är jämförbara. Cellurladdningsprestanda, batterivikt, omvandlarens effektivitet och enhetens effekt måste dock också beaktas.

Hur påverkar temperaturen litiumbatteriets drifttid?

Låg temperatur kan minska tillgänglig kapacitet och öka det inre motståndet. Hög temperatur kan påverka prestandan och påskynda åldrandet. Drifttid bör anges vid en definierad drifttemperatur.

Ska toppeffekt användas för att beräkna körtid?

Körtid bör normalt använda genomsnittlig effekt över driftscykeln. Toppeffekt måste fortfarande kontrolleras separat för att bekräfta att batteriet, BMS, ledningar och kontakt kan stödja tillfälliga högströmsbehov.

Hur kan jag verifiera en körtidsberäkning?

Testa det faktiska batteripaketet med den riktiga enheten under representativa driftslägen, temperatur och avstängningsförhållanden. Jämför uppmätta resultat med den ursprungliga uppskattningen.

Slutsats

Den grundläggande körtidsformeln för litiumbatteripaketet är:

Drifttid = Användbar batterienergi ÷ Genomsnittlig enhetseffekt

Batterienergi kan uppskattas som:

Nominell energi = Spänning × Kapacitet

En praktisk beräkning bör också ta hänsyn till:

• Användbar kapacitet;

• Konverteringseffektivitet;

• Lastvariation;

• Toppström;

• BMS cutoff;

• Temperatur;

• Batteriets åldrande;

• Enhetens driftförhållanden.

Till exempel innehåller ett 7,4 V, 2000 mAh batteri cirka 14,8 Wh nominell energi. Dess verkliga drifttid beror på hur mycket av den energin som kan nå enheten och hur mycket ström enheten förbrukar under hela driftcykeln.

Om du utvecklar en produkt som kräver en specifik batteritid, dela enhetens effektprofil, måldriftstid, erforderlig spänning, tillgängligt utrymme och förväntad produktionskvantitet med ZERNE tekniska team. ZERNE kan hjälpa till att utvärdera den nödvändiga kapaciteten och utveckla en anpassad litiumbatteripaketlösning för din OEM-applikation.