Görüntüleme: 0 Yazar: ZERNE Akü Teknik İçerik Ekibi Yayın Tarihi: 2026-08-27 Kaynak: Alan
Lityum pil paketi çalışma süresinin tahmin edilmesi, OEM ürün geliştirmenin önemli bir parçasıdır.
Bir cihaz aşağıdaki nedenlerden dolayı belirli bir çalışma süresi gerektirebilir:
Taşınabilir tıbbi ekipman
GPS takipçileri
Endüstriyel el cihazları
Nesnelerin İnterneti ürünleri
Giyilebilir cihazlar
Taşınabilir aletler
Kablosuz iletişim ekipmanları
Robotik
Tüketici elektroniği
Çalışma süresi, pil etiketi üzerinde yazılı olan kapasiteden daha fazlasına göre belirlenir. Pilin voltajı, kapasitesi, kullanılabilir enerjisi, cihaz gücü, akım talebi, dönüştürücü verimliliği, sıcaklık ve koruma ayarları, cihazın ne kadar süre çalışabileceğini etkiler.
Basit bir akü paketi çalışma süresi hesaplaması erken bir tahmin sağlayabilir. Ancak son çalışma süresi, gerçek pil, şarj cihazı, ana cihaz ve çalışma koşulları kullanılarak doğrulanmalıdır.
Nispeten kararlı bir yük için temel formül şöyledir:
Çalışma süresi (saat) = Kullanılabilir pil enerjisi (Wh) ÷ Ortalama cihaz gücü (W)
Pil enerjisi şu şekilde tahmin edilebilir:
Nominal akü enerjisi (Wh) = Nominal voltaj (V) × Kapasite (Ah)
Daha pratik bir formül şudur:
Çalışma süresi = Nominal voltaj × Kapasite × Kullanılabilir enerji faktörü × Sistem verimliliği ÷ Ortalama yük gücü
Kararlı akıma sahip bir doğru akım yükü için daha basit bir tahmin kullanılabilir:
Çalışma süresi (saat) = Kullanılabilir kapasite (Ah) ÷ Ortalama yük akımı (A)
Watt-saat yöntemi genellikle cihaz bir voltaj dönüştürücü kullandığında veya akü voltajı ile cihaz voltajı farklı olduğunda daha uygundur.
Çalışma süresini hesaplamadan önce her değerin anlamını tanımlayın.
Nominal voltaj, pil takımını tanımlamak için kullanılan referans voltajıdır.
Örneğin:
1S lityum pil paketi: yaklaşık 3,7 V nominal
2S lityum pil takımı: yaklaşık 7,4 V nominal
3S lityum pil takımı: yaklaşık 11,1 V nominal
4S lityum pil takımı: yaklaşık 14,8 V nominal
Gerçek akü voltajı şarj ve deşarj sırasında değişir.
Nominal kapasite normalde şu şekilde ifade edilir:
mAh
Ah
Dönüşüm:
1000 mAh = 1 Ah
7,4 V, 2000 mAh pilin kapasitesi 2 Ah'dir.
Seri ve paralel hücrelerden kapasitenin hesaplanmasıyla ilgili ayrıntılar için bkz. Lityum İyon Pil Paketi Kapasitesi Nasıl Hesaplanır?.
Cihaz gücü normalde watt cinsinden ifade edilir.
Bir cihazda şunlar bulunabilir:
Ortalama güç
Sürekli güç
Tepe gücü
Bekleme gücü
Başlatma gücü
Çalışma zamanı hesaplamaları normalde yalnızca maksimum güç değerini değil, çalışma döngüsü boyunca ortalama gücü kullanmalıdır.
Güç şu durumlarda kaybolabilir:
DC-DC dönüştürücüler
Voltaj regülatörleri
Kablolar
Konektörler
Koruma bileşenleri
İç direnç
Şarj ve güç yönetimi devreleri
Cihazın akü voltajını doğrudan kullanmadığı durumlarda sistem verimliliği dikkate alınmalıdır.
İlk adım, pil özelliklerini enerjiye dönüştürmektir.
Temel formül şudur:
Akü enerjisi (Wh) = Nominal voltaj (V) × Kapasite (Ah)
Kapasite dönüşümü:
1000 mAh = 1 Ah
Enerji hesaplaması:
3,7 V × 1 Ah = 3,7 Wh
Pil yaklaşık 3,7 Wh nominal enerji içerir.
Kapasite dönüşümü:
2000 mAh = 2 Ah
Enerji hesaplaması:
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Pil yaklaşık 14,8 Wh nominal enerji içerir.
Kapasite dönüşümü:
5000 mAh = 5 Ah
Enerji hesaplaması:
11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh
Pil yaklaşık 55,5 Wh nominal enerji içermektedir.
Bunlar nominal enerji değerleridir. Cihaza iletilen kullanılabilir enerji normalde daha düşüktür.
Pil her zaman tam nominal enerjisini cihaza sağlayamaz.
Kullanılabilir enerji şu şekilde azaltılabilir:
Minimum cihaz çalışma voltajı
BMS kesme voltajı
Deşarj akımı
Düşük sıcaklık
Hücre yaşlanması
İç direnç
Gerekli rezerv kapasitesi
Pil koruma sınırları
Basit bir tahmin formülü şöyledir:
Kullanılabilir pil enerjisi = Nominal pil enerjisi × Kullanılabilir enerji faktörü
Faktörün uygulama ve test koşullarına göre seçilmesi gerekmektedir. Evrensel bir sabit değer olarak ele alınmamalıdır.
Farz etmek:
Nominal pil enerjisi: 14,8 Wh
Kullanılabilir enerji faktörü: 0,85
Kullanılabilir pil enerjisi:
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Bu, ilave dönüşüm kayıpları dikkate alınmadan önce, tanımlanan çalışma koşulları altında yaklaşık 12,58 Wh'nin mevcut olabileceği anlamına gelir.
Nispeten istikrarlı güç talebi olan bir cihaz için:
Çalışma zamanı = Kullanılabilir pil enerjisi ÷ Cihaz gücü
Pil özellikleri:
Nominal voltaj: 7,4 V
Kapasite: 2000 mAh veya 2 Ah
Nominal enerji: 14,8 Wh
Farz etmek:
Kullanılabilir enerji faktörü: 0,85
Sistem verimliliği: 0,90
Ortalama cihaz gücü: 5 W
Adım 1: Nominal enerjiyi hesaplayın.
7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh
Adım 2: Kullanılabilir enerji faktörünü uygulayın.
14,8 Wh × 0,85 = 12,58 Wh
Adım 3: Sistem verimliliğini uygulayın.
12,58 Wh × 0,90 = 11,32 Wh
Adım 4: Çalışma süresini hesaplayın.
11,32 Wh ÷ 5 W ≈ 2,26 saat
Tahmini çalışma süresi yaklaşık olarak:
2,3 saat
Bu bir mühendislik tahminidir. Gerçek çalışma süresi, yük değişimine, sıcaklığa, kesme voltajına ve akü durumuna bağlı olarak daha kısa veya daha uzun olabilir.
Akıma dayalı bir hesaplama şu durumlarda kullanılabilir:
Akü voltajı cihaz voltajına yakındır;
Yük akımı nispeten stabildir;
Büyük bir voltaj dönüşüm aşaması yoktur;
Akım akü tarafından ölçülür.
Temel formül şudur:
Çalışma süresi = Kullanılabilir kapasite (Ah) ÷ Ortalama akım (A)
Farz etmek:
Pil kapasitesi: 1000 mAh veya 1 Ah
Ortalama yük akımı: 0,5 A
Kullanılabilir kapasite faktörü: 0,85
Anma çalışma süresi:
1 Ah ÷ 0,5 A = 2 saat
Düzeltilmiş çalışma süresi:
2 saat × 0,85 = 1,7 saat
Tahmini çalışma süresi yaklaşık olarak:
1,7 saat
Mevcut yöntem şu durumlarda hatalı sonuç verebilir:
Cihaz bir DC-DC dönüştürücü kullanır;
Akü voltajı önemli ölçüde değişir;
Akım değişirken yük gücü sabit kalır;
Cihazın değişken bir görev döngüsü vardır;
Pil akımı cihazın giriş akımından farklıdır.
Bu durumlarda watt-saat yöntemi genellikle daha uygundur.
Birçok elektronik cihaz voltaj regülatörü veya dönüştürücü kullanır. Cihaz nispeten sabit bir voltaj alırken akü voltajı değişebilir.
Örneğin bir cihaz, voltaj aralığı 5 V'un üzerinde ve altında olan bir pil paketinden 5 V'a ihtiyaç duyabilir. Bir dönüştürücü, pil voltajını cihazın gerekli girişine göre ayarlar.
Bu durumda:
Akü voltajı değiştikçe akü akımı da değişir;
Dönüştürücü verimliliği çalışma süresini etkiler;
Cihaz gücü hesaplama için daha istikrarlı bir temel oluşturur.
Tercih edilen formül:
Çalışma süresi = Pil enerjisi × Verimlilik ÷ Cihaz gücü
Farz etmek:
Pil: 7,4 V, 2 Ah
Nominal enerji: 14,8 Wh
Dönüştürücü verimliliği: %90
Cihaz gücü: 4 W
Kullanılabilir enerji faktörü: 0,85
Cihazda kullanılabilir enerji:
14,8 Wh × 0,85 × 0,90 = 11,32 Wh
Çalışma zamanı:
11,32 Wh ÷ 4 W = 2,83 saat
Tahmini çalışma süresi:
Yaklaşık 2,8 saat
Birçok ürün sürekli güç tüketmez.
Bir cihaz aşağıdakiler arasında geçiş yapabilir:
Uyku modu
Bekleme modu
Ölçüm modu
Kablosuz iletim
Motorun çalışması
Ekran işlemi
Isıtma veya soğutma
Yüksek performanslı işleme
Bu durumda, çalışma profilini kullanarak ortalama gücü hesaplayın.
Ortalama güç = Döngü sırasında kullanılan toplam enerji ÷ Döngü süresi
Veya:
Ortalama güç = Güç toplamı × her çalışma modu için süre ÷ Toplam süre
Bir cihazın üç modda çalıştığını varsayalım:
Çalışma Modu |
Güç |
Zaman |
|---|---|---|
Uyumak |
0,2W |
6 saat |
Ölçüm |
1 W |
2 saat |
Kablosuz iletim |
3W |
0,5 saat |
Kullanılan toplam enerji:
Uyku: 0,2 W × 6 sa = 1,2 Wh
Ölçüm: 1 W × 2 sa = 2 Wh
İletim: 3 W × 0,5 sa = 1,5 Wh
Toplam enerji:
1,2 Wh + 2 Wh + 1,5 Wh = 4,7 Wh
Toplam çalışma süresi:
6 saat + 2 saat + 0,5 saat = 8,5 saat
Ortalama güç:
4,7 Wh ÷ 8,5 sa ≈ 0,55 W
Pil 11,32 Wh kullanılabilir enerji sağlayabiliyorsa:
11,32 Wh ÷ 0,55 W ≈ 20,6 saat
Bu tahmin, tüm çalışma döngüsü boyunca en yüksek güç değerini kullanmaktan daha gerçekçidir.
Tepe akımı ortalama enerji hesaplamasını önemli ölçüde değiştirmeyebilir ancak yine de pratik çalışma süresini sınırlayabilir ve pilin kapanmasına neden olabilir.
Yüksek akım olayları şu durumlarda meydana gelebilir:
Bir motor çalışıyor;
Kablosuz bir verici etkinleşir;
Bir ısıtıcı açılıyor;
Bir pompa çalışmaya başlar;
Ekran arka ışığı başlar;
Bir işlemci yüksek performans moduna girer.
Tepe akımı şunlara neden olabilir:
Gerilim düşüşü;
BMS aşırı akım koruması;
Konektör ısıtması;
Hücre sıcaklığı artışı;
Azaltılmış kullanılabilir kapasite;
Beklenmeyen cihaz sıfırlaması.
Pil her ikisi için de seçilmelidir:
Gerekli çalışma enerjisi;
Gerekli akım kapasitesi.
Yeterli watt-saat değerine sahip ancak tepe akım kapasitesi yetersiz olan bir pil, cihazı güvenilir bir şekilde çalıştırmayabilir.
Nominal enerjinin tamamı kullanılmadan önce bir BMS veya koruma devresi akünün bağlantısını kesebilir.
Bunun nedeni şunlar olabilir:
Düşük hücre voltajı;
Aşırı akım;
Kısa devre;
Yüksek sıcaklık;
Düşük sıcaklık;
Hücre dengesizliği;
İletişim veya arıza koşulları.
Bu nedenle çalışma süresi hesaplamasında ilgili koruma limitinden önce mevcut olan fiili kullanılabilir enerji kullanılmalıdır.
Çok hücreli paketlerde hücre dengesizliği, bir hücrenin voltaj sınırına diğerlerinden önce ulaşmasına neden olabilir. Bu, tüm paketin kullanılabilir kapasitesini azaltabilir.
BMS, pil tasarımı sırasında dikkate alınmalı, çalışma zamanı hedefi zaten tanımlandıktan sonra eklenmemelidir. BMS, voltaj, kapasite ve çalışma süresi arasındaki daha geniş ilişki bu bölümde ele alınmaktadır. Lityum İyon Pil Paketi Tasarımı: Gerilim, Kapasite, BMS ve Çalışma Süresi.
Çalışma süresi çalışma koşullarına göre değişir.
Düşük sıcaklık mevcut kapasiteyi azaltabilir ve iç direnci artırabilir. Yüksek sıcaklık pilin eskimesini hızlandırabilir ve uzun vadeli performansı etkileyebilir.
Çalışma zamanı tahmini şunları belirtmelidir:
Çalışma sıcaklığı;
Depolama sıcaklığı;
Deşarj sırasında akü sıcaklığı;
Beklenen yük;
Gerekli servis ömrü.
Bir pilin kullanılabilir kapasitesi, hizmet ömrü boyunca kademeli olarak değişir. Cihazın aylar veya yıllar süren kullanımdan sonra belirli bir süre çalışması gerekiyorsa çalışma süresi hedefi bir yaşlanma rezervini içermelidir.
Örneğin bir OEM şunları tanımlayabilir:
İlk çalışma zamanı hedefi;
Minimum kullanım ömrü sonu çalışma süresi;
Gerekli döngü sayısı;
Pil değiştirme durumu.
Ürün uzun vadeli güvenilirlik gerektiriyorsa, pil takımı yalnızca ilk kullanım performansına göre boyutlandırılmamalıdır.
Bir OEM el cihazının şunları gerektirdiğini varsayalım:
Pil: 11,1 V, 5000 mAh
Ortalama güç: 8 W
Kullanılabilir enerji faktörü: 0,85
Sistem verimliliği: 0,90
Adım 1: Kapasiteyi dönüştürün.
5000 mAh = 5 Ah
Adım 2: Nominal enerjiyi hesaplayın.
11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh
Adım 3: Kullanılabilir enerji faktörünü uygulayın.
55,5 Wh × 0,85 = 47,18 Wh
Adım 4: Sistem verimliliğini uygulayın.
47,18 Wh × 0,90 = 42,46 Wh
Adım 5: Çalışma süresini hesaplayın.
42,46 Wh ÷ 8 W ≈ 5,3 saat
Tahmini çalışma süresi:
Yaklaşık 5,3 saat
Bu sonuç test yoluyla doğrulanmalıdır çünkü cihaz başlatma, kablosuz iletişim, veri işleme veya diğer yüksek yük koşulları sırasında daha fazla güç tüketebilir.
Hesaplanan çalışma süresi, varsayımlara dayalı bir tahmindir. Gerçek sonuç aşağıdakilerden dolayı farklılık gösterebilir:
Ortalama gücün beklenenden yüksek olması;
Ölçülmemiş bekleme tüketimi;
Değişken yük düzenleri;
Pil kapasitesi toleransı;
Deşarj hızı etkileri;
Sıcaklık;
İç direnç;
BMS kesintisi;
Dönüştürücü verimliliği;
Kablo ve konnektör kayıpları;
Pil yaşlanması;
Hücre dengesizliği;
Cihaz kapatma ayarları.
Tahmini iyileştirmenin en iyi yolu, gerçek cihazı temsili koşullar altında ölçmektir.
Önerilen ölçümler şunları içerir:
Pil tarafı voltajı;
Pil tarafı akımı;
Cihaz giriş gücü;
Sıcaklık;
Tanımlanan kesime kadar çalışma zamanı;
Her çalışma modunda güç;
Pik yük olayları sırasındaki davranış.
Bir pil paketi gerçek ana cihazla veya temsili bir yükle test edilmelidir.
Test planı şunları tanımlamalıdır:
Pil modeli;
Pilin şarj durumu;
Şarj cihazı ve şarj yöntemi;
Cihaz işletim profili;
Ortam sıcaklığı;
İlk akü sıcaklığı;
Kesme koşulu;
Ölçüm ekipmanları;
Test örneklerinin sayısı;
Çalışma zamanı kabul kriterleri.
Basit bir sabit dirençli yük, gerçek bir elektronik ürünün davranışını yansıtmayabilir. Mümkün olduğunda testlerde cihazın gerçek çalışma döngüsü kullanılmalıdır.
Daha geniş paket düzeyinde test planlaması için bkz. Pil Paketi Test Kontrol Listesi.
Hesaplanan çalışma süresi çok kısaysa tasarım ekibi şunları değerlendirebilir:
Pil kapasitesinin arttırılması;
Daha yüksek enerjili bir hücrenin seçilmesi;
Cihazın güç tüketimini azaltmak;
Dönüştürücü verimliliğinin artırılması;
Bekleme akımının azaltılması;
Görev döngüsünün ayarlanması;
Kablosuz iletimi optimize etme;
Termal koşulların iyileştirilmesi;
Kablo ve konnektör kayıplarının azaltılması;
BMS kesinti ayarlarının gözden geçirilmesi;
Farklı bir seri-paralel konfigürasyon kullanma.
Kapasitenin artırılması pilin ağırlığını, hacmini, maliyetini ve şarj süresini artırabilir. En iyi çözüm, çalışma süresini ürünün boyutu, ağırlığı, gücü ve ticari gereksinimleriyle dengelemelidir.
Ürün düzeyinde pil seçimi için bkz. Bir OEM Cihaz için Şarj Edilebilir Lityum İyon Pil Paketi Nasıl Seçilir.
Bir çalışma zamanı tahminini onaylamadan önce şunları onaylayın:
Akü nominal voltajı
Pil nominal kapasitesi
Ah'ye dönüştürülen kapasite
Wh cinsinden nominal pil enerjisi
Kullanılabilir enerji faktörü
Cihaz ortalama gücü
Cihaz tepe gücü
Dönüştürücü verimliliği
Çalışma modları
Ortalama yük profili
BMS kesinti koşulları
Çalışma sıcaklığı
Pil yaşlanma gereksinimi
Çalışma zamanı kabul kriterleri
Gerçek cihaz test planı
Watt-saat değerini elde etmek için nominal akü voltajını amper-saat cinsinden kapasiteyle çarpın, kullanılabilir enerji ve sistem verimliliğine göre ayarlayın, ardından ortalama cihaz gücüne bölün.
Paket yaklaşık 14,8 Wh nominal enerji içermektedir. Çalışma süresi cihazın gücüne bağlıdır. 5 W yükte, verimlilik ve kullanılabilir kapasite kayıpları dikkate alınmadan önce teorik çalışma süresi yaklaşık 3 saattir.
mAh, akü voltajı ve yük akımı nispeten sabit kaldığında kullanılabilir. Cihaz bir voltaj dönüştürücü kullandığında veya farklı voltaj seviyelerindeki pilleri karşılaştırırken Wh genellikle daha uygundur.
Hesaplama, dönüşüm kayıplarını, BMS kesintisini, sıcaklığı, tepe akımını, pil eskimesini, değişken yükü ve kullanılabilir kapasiteyi tam olarak hesaba katmayabilir.
Genellikle daha yüksek kapasiteli bir pil, voltaj ve çalışma koşulları karşılaştırılabilirse daha fazla çalışma süresi sağlayabilir. Ancak hücre deşarj performansı, pil ağırlığı, dönüştürücü verimliliği ve cihaz gücü de dikkate alınmalıdır.
Düşük sıcaklık mevcut kapasiteyi azaltabilir ve iç direnci artırabilir. Yüksek sıcaklık performansı etkileyebilir ve yaşlanmayı hızlandırabilir. Çalışma süresi tanımlanmış bir çalışma sıcaklığında belirtilmelidir.
Çalışma zamanı normalde çalışma döngüsü boyunca ortalama güç kullanmalıdır. Pilin, BMS'nin, kabloların ve konektörün geçici yüksek akım talebini destekleyebildiğini doğrulamak için tepe gücünün yine de ayrı olarak kontrol edilmesi gerekir.
Gerçek pil paketini gerçek cihazla temsili çalışma modları, sıcaklık ve kesme koşulları altında test edin. Ölçülen sonuçları orijinal tahminle karşılaştırın.
Temel lityum pil takımı çalışma zamanı formülü şöyledir:
Çalışma süresi = Kullanılabilir pil enerjisi ÷ Ortalama cihaz gücü
Pil enerjisi şu şekilde tahmin edilebilir:
Nominal enerji = Gerilim × Kapasite
Pratik bir hesaplama aynı zamanda aşağıdakileri de hesaba katmalıdır:
Kullanılabilir kapasite;
Dönüşüm verimliliği;
Yük değişimi;
Tepe akımı;
BMS kesintisi;
Sıcaklık;
Pil yaşlanması;
Cihaz çalışma koşulları.
Örneğin 7,4 V, 2000 mAh pil yaklaşık 14,8 Wh nominal enerji içerir. Gerçek çalışma süresi, bu enerjinin ne kadarının cihaza ulaşabileceğine ve cihazın tüm çalışma döngüsü boyunca ne kadar güç tükettiğine bağlıdır.