Як розрахувати час роботи літієвої батареї

Оцінка часу роботи літієвої батареї є важливою частиною розробки продукту OEM.

Для пристрою може знадобитися певний час роботи з таких причин, як:

• Портативне медичне обладнання

• GPS трекери

• Промислові портативні пристрої

• Продукти IoT

• носіння

• Портативні інструменти

• Устаткування бездротового зв'язку

• Робототехніка

• Побутова електроніка

Тривалість роботи визначається більшою, ніж ємність, надрукована на етикетці батареї. Напруга акумулятора, ємність, корисна енергія, потужність пристрою, потреба в струмі, ефективність перетворювача, температура та налаштування захисту впливають на тривалість роботи пристрою.

Простий розрахунок часу роботи акумуляторної батареї може дати ранню оцінку. Однак остаточний час роботи слід перевіряти за допомогою фактичної батареї, зарядного пристрою, головного пристрою та умов експлуатації.

Швидка відповідь: як розрахувати час роботи літієвої батареї?

Для відносно стабільного навантаження основна формула:

Час роботи (годин) = корисна енергія акумулятора (Вт·год) ÷ середня потужність пристрою (Вт)

Енергію батареї можна оцінити як:

Номінальна енергія акумулятора (Вт·год) = Номінальна напруга (В) × Ємність (А·год)

Більш практична формула:

Час роботи = номінальна напруга × ємність × коефіцієнт корисної енергії × ефективність системи ÷ середня потужність навантаження

Для навантаження постійного струму зі стабільним струмом можна використовувати простішу оцінку:

Час роботи (годин) = Корисна ємність (Ah) ÷ Середній струм навантаження (A)

Метод ват-годин зазвичай більш підходить, якщо пристрій використовує перетворювач напруги або коли напруга батареї та напруга пристрою відрізняються.

1. Зрозумійте значення, які використовуються в обчисленнях під час виконання

Перш ніж обчислювати час виконання, визначте значення кожного значення.

Номінальна напруга

Номінальна напруга – це еталонна напруга, яка використовується для опису акумуляторної батареї.

Наприклад:

• Літієва батарея 1S: номінальна напруга приблизно 3,7 В

• Літієва батарея 2S: номінальна напруга приблизно 7,4 В

• Літієва батарея 3S: номінальна напруга приблизно 11,1 В

• Літієва батарея 4S: номінальна напруга приблизно 14,8 В

Фактична напруга акумулятора змінюється під час заряджання та розряджання.

Номінальна місткість

Номінальна потужність зазвичай виражається в:

• мАг

• Ах

Перетворення:

1000 мАг = 1 Ач

Акумулятор 7,4 В, 2000 мАг має ємність 2 Ач.

Докладніше про обчислення ємності з послідовних і паралельних комірок див Як розрахувати ємність літій-іонного акумулятора.

Потужність пристрою

Потужність пристрою зазвичай виражається у ватах.

Пристрій може мати:

• Середня потужність

• Безперервна потужність

• Пікова потужність

• Живлення в режимі очікування

• Потужність запуску

Розрахунки часу роботи зазвичай мають використовувати середню потужність за робочий цикл, а не лише максимальну потужність.

Ефективність

Потужність може бути втрачена в:

• DC-DC перетворювачі

• Регулятори напруги

• Кабелі

• Роз'єми

• Компоненти захисту

• Внутрішній опір

• Схеми зарядки та керування живленням

Необхідно враховувати ефективність системи, коли пристрій не використовує напругу акумулятора безпосередньо.

2. Обчисліть енергію батареї у ват-годинах

Першим кроком є ​​перетворення специфікації акумулятора в енергію.

Основна формула:

Енергія акумулятора (Вт·год) = Номінальна напруга (В) × Ємність (А·год)

Приклад: акумулятор 3,7 В, 1000 мАг

Перетворення ємності:

1000 мАг = 1 Ач

Розрахунок енергії:

3,7 В × 1 А·год = 3,7 Вт·год

Акумулятор містить приблизно 3,7 Вт*год номінальної енергії.

Приклад: акумулятор 7,4 В, 2000 мАг

Перетворення ємності:

2000 мАг = 2 Ач

Розрахунок енергії:

7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

Акумулятор містить приблизно 14,8 Вт·год номінальної енергії.

Приклад: 11,1 В, 5000 мАг акумулятор

Перетворення ємності:

5000 мАг = 5 Ач

Розрахунок енергії:

11,1 В × 5 А·год = 55,5 Вт·год

Акумулятор містить приблизно 55,5 Вт·год номінальної енергії.

Це номінальні значення енергії. Споживана енергія, що надходить до пристрою, зазвичай нижча.

3. Застосуйте коефіцієнт корисної енергії

Акумулятор не завжди може забезпечити повну номінальну енергію пристрою.

Споживана енергія може бути зменшена:

• Мінімальна робоча напруга пристрою

• Напруга відключення BMS

• Струм розряду

• Низька температура

• Старіння клітини

• Внутрішній опір

• Необхідний резерв потужності

• Межі захисту акумулятора

Проста формула оцінки:

Корисна енергія батареї = номінальна енергія батареї × коефіцієнт корисної енергії

Коефіцієнт повинен бути обраний відповідно до застосування та умов випробувань. Його не слід розглядати як універсальну фіксовану величину.

приклад

Припустимо:

• Номінальна ємність акумулятора: 14,8 Вт·год

• Коефіцієнт корисної енергії: 0,85

Споживана енергія акумулятора:

14,8 Вт·год × 0,85 = 12,58 Вт·год

Це означає, що приблизно 12,58 Вт·год може бути доступним за визначених робочих умов до врахування додаткових втрат при перетворенні.

4. Розрахувати час роботи від потужності пристрою

Для пристрою з відносно стабільним споживанням електроенергії:

Тривалість роботи = корисна енергія акумулятора ÷ потужність пристрою

Приклад: батарея 7,4 В, 2000 мАг живить пристрій потужністю 5 Вт

Специфікація батареї:

• Номінальна напруга: 7,4 В

• Ємність: 2000 мАг або 2 Ач

• Номінальна енергія: 14,8 Вт·год

Припустимо:

• Коефіцієнт корисної енергії: 0,85

• ККД системи: 0,90

• Середня потужність пристрою: 5 Вт

Крок 1: Обчисліть номінальну енергію.

7,4 В × 2 А·год = 14,8 Вт·год

Крок 2. Застосуйте коефіцієнт корисної енергії.

14,8 Вт·год × 0,85 = 12,58 Вт·год

Крок 3. Застосуйте ефективність системи.

12,58 Вт·год × 0,90 = 11,32 Вт·год

Крок 4: Розрахуйте час виконання.

11,32 Вт-год ÷ 5 Вт ≈ 2,26 години

Приблизний час роботи становить:

2,3 години

Це інженерна оцінка. Фактичний час роботи може бути коротшим або довшим залежно від зміни навантаження, температури, напруги відключення та стану батареї.

5. Розрахувати час виконання за поточним

Розрахунок на основі поточних даних можна використовувати, коли:

• Напруга акумулятора близька до напруги пристрою;

• Струм навантаження відносно стабільний;

• Немає основного етапу перетворення напруги;

• Струм вимірюється з боку батареї.

Основна формула:

Час роботи = Корисна ємність (Ah) ÷ Середній струм (A)

Приклад: акумулятор 3,7 В, 1000 мАг

Припустимо:

• Ємність акумулятора: 1000 мАг або 1 Ач

• Середній струм навантаження: 0,5 А

• Коефіцієнт корисної ємності: 0,85

Номінальний час роботи:

1 А·год ÷ 0,5 А = 2 години

Скоригований час роботи:

2 години × 0,85 = 1,7 години

Приблизний час роботи становить:

1,7 години

Коли поточний метод може ввести в оману

Поточний метод може дати неточний результат, якщо:

• У пристрої використовується DC-DC перетворювач;

• Значно змінюється напруга акумулятора;

• Потужність навантаження залишається постійною при зміні струму;

• Пристрій має змінний робочий цикл;

• Струм батареї відрізняється від вхідного струму пристрою.

У цих випадках більш прийнятним є метод ват-годин.

6. Використовуйте метод ват-годин для регульованих навантажень

Багато електронних пристроїв використовують стабілізатор або перетворювач напруги. Напруга акумулятора може змінюватися, коли пристрій отримує відносно стабільну напругу.

Наприклад, для пристрою може знадобитися 5 В від акумуляторної батареї з діапазоном напруг вище та нижче 5 В. Перетворювач регулює напругу батареї відповідно до необхідного входу пристрою.

У цій ситуації:

• Струм акумулятора змінюється зі зміною напруги акумулятора;

• Ефективність перетворювача впливає на час роботи;

• Більш стабільною базою для розрахунку є потужність приладу.

Переважна формула:

Час роботи = Енергія батареї × Ефективність ÷ Потужність пристрою

Приклад: батарея 7,4 В із перетворювачем 5 В

Припустимо:

• Акумулятор: 7,4 В, 2 Ач

• Номінальна енергія: 14,8 Вт·год

• ККД перетворювача: 90%

• Потужність пристрою: 4 Вт

• Коефіцієнт корисної енергії: 0,85

Споживана енергія на пристрої:

14,8 Вт-год × 0,85 × 0,90 = 11,32 Вт-год

час виконання:

11,32 Вт-год ÷ 4 Вт = 2,83 години

Приблизний час роботи:

Приблизно 2,8 години

7. Облік змінних навантажень пристрою

Багато продуктів не споживають постійну електроенергію.

Пристрій може перемикатися між:

• Режим сну

• Режим очікування

• Режим вимірювання

• Бездротова передача

• Моторна робота

• Операція відображення

• Нагрівання або охолодження

• Високопродуктивна обробка

У цьому випадку розрахуйте середню потужність за робочим профілем.

Середня потужність = Загальна енергія, використана протягом циклу ÷ Тривалість циклу

або:

Середня потужність = сума потужності × час для кожного режиму роботи ÷ загальний час

Приклад змінного навантаження

Припустимо, пристрій працює в трьох режимах:

Загальна кількість використаної енергії:

• Режим сну: 0,2 Вт × 6 год = 1,2 Вт·год

• Розміри: 1 Вт × 2 год = 2 Вт·год

• Передача: 3 Вт × 0,5 год = 1,5 Вт·год

Загальна енергія:

1,2 Вт-год + 2 Вт-год + 1,5 Вт-год = 4,7 Вт-год

Загальний час роботи:

6 год + 2 год + 0,5 год = 8,5 год

Середня потужність:

4,7 Вт-год ÷ 8,5 год ≈ 0,55 Вт

Якщо акумулятор може забезпечити 11,32 Вт·год корисної енергії:

11,32 Вт·год ÷ 0,55 Вт ≈ 20,6 год

Ця оцінка більш реалістична, ніж використання найвищого значення потужності для всього робочого циклу.

8. Розглянемо параметри запуску та пікового струму

Піковий струм може не суттєво змінити розрахунок середньої енергії, але все одно може обмежити практичний час роботи та призвести до вимкнення батареї.

Події сильного струму можуть виникнути, коли:

• Заводиться двигун;

• Активується бездротовий передавач;

• Вмикається обігрівач;

• Починає працювати насос;

• Запускається підсвічування дисплея;

• Процесор переходить у режим високої продуктивності.

Піковий струм може спричинити:

• Падіння напруги;

• захист від надструму BMS;

• Підігрів роз'єму;

• Підвищення температури клітини;

• Знижена корисна ємність;

• Неочікуване скидання пристрою.

Акумулятор слід підбирати для обох:

• Необхідна робоча енергія;

• Необхідна потужність струму.

Батарея з достатньою потужністю ват-годин, але недостатньою здатністю до пікового струму може не працювати надійно.

9. Зрозумійте вплив BMS Cutoff

BMS або схема захисту може від’єднати батарею до того, як буде використана вся номінальна енергія.

Це може статися через:

• Низька напруга елемента;

• надтоковий;

• Коротке замикання;

• висока температура;

• Низька температура;

• Клітинний дисбаланс;

• Умови зв'язку або несправності.

Таким чином, для розрахунку часу роботи слід використовувати фактичну корисну енергію, доступну до відповідної межі захисту.

У пакетах із кількома елементами дисбаланс елементів може призвести до того, що одна клітина досягне межі напруги раніше за інших. Це може зменшити корисну ємність усієї упаковки.

BMS слід враховувати під час проектування батареї, а не додавати після того, як цільовий час роботи вже визначено. Більш широкий зв’язок між BMS, напругою, потужністю та часом роботи описано в Дизайн літій-іонної батареї: напруга, ємність, BMS і час роботи.

10. Враховуйте температуру та старіння батареї

Час роботи змінюється залежно від умов експлуатації.

температура

Низька температура може зменшити доступну ємність і збільшити внутрішній опір. Висока температура може прискорити старіння батареї та вплинути на довгострокову роботу.

Оцінка тривалості виконання повинна вказувати:

• Робоча температура;

• Температура зберігання;

• Температура акумулятора під час розряду;

• Очікуване навантаження;

• Необхідний термін служби.

Старіння батареї

Доступна ємність акумулятора поступово змінюється протягом терміну служби. Якщо пристрій має працювати протягом певного часу після місяців або років використання, цільовий час роботи повинен включати запас старіння.

Наприклад, OEM може визначити:

• Початкова мета виконання;

• Мінімальний час роботи в кінці терміну служби;

• Необхідна кількість циклів;

• Умова заміни батареї.

Розмір акумуляторної батареї не слід підбирати лише для продуктивності при першому використанні, якщо виробу потрібна довгострокова надійність.

11. Приклад розрахунку часу роботи для OEM-пристрою

Припустімо, портативний пристрій OEM вимагає:

• Акумулятор: 11,1 В, 5000 мАг

• Середня потужність: 8 Вт

• Коефіцієнт корисної енергії: 0,85

• ККД системи: 0,90

Крок 1: Перетворення ємності.

5000 мАг = 5 Ач

Крок 2: Обчисліть номінальну енергію.

11,1 В × 5 А·год = 55,5 Вт·год

Крок 3: Застосуйте коефіцієнт корисної енергії.

55,5 Вт·год × 0,85 = 47,18 Вт·год

Крок 4. Застосуйте ефективність системи.

47,18 Вт·год × 0,90 = 42,46 Вт·год

Крок 5: Розрахуйте час виконання.

42,46 Вт-год ÷ 8 Вт ≈ 5,3 години

Приблизний час роботи:

Приблизно 5,3 години

Цей результат слід перевірити шляхом тестування, оскільки пристрій може споживати більше енергії під час запуску, бездротового зв’язку, обробки даних або в інших умовах високого навантаження.

12. Чому розрахований час виконання може відрізнятися від фактичного часу виконання

Розрахований час роботи – це оцінка, заснована на припущеннях. Фактичний результат може відрізнятися через:

• Середня потужність вища за очікувану;

• Невиміряне споживання в режимі очікування;

• Змінні схеми навантаження;

• Допустима ємність батареї;

• Ефекти швидкості розряду;

• температура;

• внутрішній опір;

• BMS відсікання;

• ККД перетворювача;

• Втрати кабелю та роз'єму;

• старіння батареї;

• Клітинний дисбаланс;

• Налаштування вимкнення пристрою.

Найкращий спосіб покращити оцінку — виміряти фактичний пристрій у репрезентативних умовах.

Рекомендовані вимірювання включають:

• Напруга на стороні батареї;

• Струм на стороні батареї;

• Вхідна потужність пристрою;

• температура;

• Час роботи до визначеної межі;

• Потужність під час кожного режиму роботи;

• Поведінка під час пікових навантажень.

13. Тестування під час виконання має використовувати реальний пристрій

Акумуляторна батарея повинна бути протестована з реальним головним пристроєм або репрезентативним навантаженням.

План тестування повинен визначати:

• Модель акумулятора;

• Стан заряду батареї;

• Зарядний пристрій і спосіб зарядки;

• Профіль роботи пристрою;

• температура навколишнього середовища;

• Початкова температура акумулятора;

• Стан відсічення;

• Вимірювальне обладнання;

• Кількість досліджуваних зразків;

• Критерії прийнятності виконання.

Просте навантаження постійного опору може не відтворювати поведінку справжнього електронного виробу. Там, де це можливо, тестування має використовувати фактичний робочий цикл пристрою.

Для ширшого планування тестування на рівні упаковки див Контрольний список тестування акумуляторної батареї.

14. Як покращити час роботи акумуляторної батареї

Якщо розрахований час виконання занадто короткий, команда розробників може оцінити:

• Збільшення ємності акумулятора;

• Вибір клітини з більшою енергією;

• Зниження енергоспоживання пристрою;

• Підвищення ККД перетворювача;

• Зниження струму очікування;

• Регулювання робочого циклу;

• Оптимізація бездротової передачі;

• Поліпшення теплового режиму;

• Зменшення втрат кабелю та роз'єму;

• Перегляд налаштувань відключення BMS;

• Використання іншої послідовно-паралельної конфігурації.

Збільшення ємності може збільшити вагу, об’єм, вартість і час заряджання акумулятора. Найкраще рішення має збалансувати час роботи з розміром, вагою, потужністю та комерційними вимогами продукту.

Щоб дізнатися про вибір акумулятора на рівні продукту, див Як вибрати акумуляторну літій-іонну батарею для OEM-пристрою.

Контрольний список літієвої батареї

Перш ніж затверджувати оцінку тривалості виконання, підтвердьте:

• Номінальна напруга акумулятора

• Номінальна ємність акумулятора

• Ємність, перерахована в Аг

• Номінальна енергія батареї в Вт·год

• Фактор корисної енергії

• Пристрій середньої потужності

• Пікова потужність пристрою

• ККД перетворювача

• Режими роботи

• Профіль середнього навантаження

• Умови відключення BMS

• Робоча температура

• Вимога старіння батареї

• Критерії прийнятності виконання

• Фактичний план тестування пристрою

FAQ

Як розрахувати час роботи літієвої батареї?

Помножте номінальну напругу батареї на ємність в ампер-годинах, щоб отримати ват-години, відрегулюйте корисну енергію та ефективність системи, а потім поділіть на середню потужність пристрою.

Як довго вистачить акумулятора 7,4 В, 2000 мАг?

Пакет містить приблизно 14,8 Вт*год номінальної енергії. Час роботи залежить від потужності пристрою. При навантаженні 5 Вт теоретичний час роботи становить близько 3 годин без врахування втрат ефективності та корисної потужності.

Час роботи від батареї розраховується за допомогою мАг чи Втг?

мАг можна використовувати, коли напруга батареї та струм навантаження залишаються відносно стабільними. Wh зазвичай більш підходить, коли пристрій використовує перетворювач напруги або коли порівнюються батареї з різними рівнями напруги.

Чому фактичний час роботи менший за розраховане значення?

Розрахунок може не повністю враховувати втрати при перетворенні, відключення BMS, температуру, піковий струм, старіння батареї, змінне навантаження та корисну ємність.

Чи завжди акумулятор більшої ємності забезпечує довший час роботи?

Зазвичай батарея більшої ємності може забезпечити більший час роботи, якщо напруга та робочі умови порівнюються. Однак слід також враховувати продуктивність розряду елемента, вагу батареї, ефективність перетворювача та потужність пристрою.

Як температура впливає на час роботи літієвої батареї?

Низька температура може зменшити доступну ємність і збільшити внутрішній опір. Висока температура може вплинути на продуктивність і прискорити старіння. Необхідно вказати час роботи за певної робочої температури.

Чи слід використовувати пікову потужність для розрахунку часу роботи?

Під час виконання зазвичай має використовуватися середня потужність протягом робочого циклу. Пікова потужність все ще повинна бути перевірена окремо, щоб підтвердити, що батарея, BMS, проводка та роз’єм можуть підтримувати тимчасове споживання сильного струму.

Як я можу перевірити розрахунок часу виконання?

Перевірте справжній акумулятор із реальним пристроєм у типових режимах роботи, температурі та умовах відключення. Порівняйте виміряні результати з початковою оцінкою.

Висновок

Основна формула часу автономної роботи літієвої батареї така:

Тривалість роботи = корисна енергія акумулятора ÷ середня потужність пристрою

Енергію батареї можна оцінити як:

Номінальна енергія = Напруга × Ємність

Практичний розрахунок також повинен враховувати:

• Корисна ємність;

• Ефективність перетворення;

• варіація навантаження;

• Піковий струм;

• BMS відсікання;

• температура;

• старіння батареї;

• Умови експлуатації приладу.

Наприклад, акумулятор 7,4 В, 2000 мАг містить приблизно 14,8 Вт·год номінальної енергії. Його реальний час роботи залежить від того, скільки цієї енергії може досягти пристрою та скільки електроенергії пристрій споживає протягом повного робочого циклу.

Якщо ви розробляєте продукт, який потребує певного часу роботи від батареї, поділіться з технічною командою ZERNE про профіль потужності пристрою, цільовий час роботи, необхідну напругу, доступний простір і очікувану кількість виробництва. ZERNE може допомогти оцінити необхідну ємність і розробити спеціальне рішення для літієвої батареї для вашого застосування OEM.